刺激响应型稀土智能发光材料在光学编码及生物医学中的应用

刺激响应型材料作为智能材料的一个重要分支已经成为众多领域中极为重要的一部分.刺激响应型智能发光材料是指光学性质能够对外界环境的物理或化学信号做出响应的材料.外界条件的刺激主要包括光、热、pH、电场、磁场、力、分子等.基于稀土离子的智能发光材料由于其独特的光学性质,比如较窄的发射峰宽度、较长的发光寿命、较大的斯托克斯位移等,在化学、生物学、逻辑学展现了极为丰富的应用潜力.近年来,通过对分子结构及纳米材料的设计得到的具有刺激响应性的稀土智能发光材料在光学信息存储、生物传感、成像及药物递送等方面都吸引了研究者的广泛关注.本文概括了近年来刺激响应型稀土智能发光材料在光学编码及生物医学领域中的应用,并展望了这种智能发光材料的应用前景.     

基于谷氨酸树枝状两亲分子的超分子水凝胶的收缩及其功能化应用

超分子凝胶是基于低分子量凝胶剂分子在溶剂中通过分子间非共价相互作用自组装形成的具有网络骨架结构的半固态、半液态的软物质材料,其易于制备、组装结构多样并具有多重刺激响应性,有望在智能材料等领域得到应用.刺激响应性包括一些物理或化学刺激,如温度、pH、离子强度、磁场、电场、光照、氧化还原、化学及生物物质等,凝胶材料可以在这些刺激下发生诸如凝胶的形态(溶胶-凝胶)、体积(收缩-膨胀)和形状(形状记忆)等的可逆变化.其中,可以发生宏观上的体积相转变的刺激响应性水凝胶尤为引人注目,在药物释放、生物感应、可控微流阀门以及组织修复愈合等方面具有广阔的应用前景.本文介绍了一种基于谷氨酸树枝状两亲分子的具有体积收缩功能的超分子水凝胶,阐述了该凝胶体系对金属离子、pH、温度和光等刺激信号的响应及其可逆收缩-膨胀机理,并介绍了利用超分子凝胶的收缩特性在混合染料分离、可视化手性识别与检测、手性光学开关和药物释放等领域的应用.     

氮杂穴醚配体及其金属配合物对小分子的识别及活化作用

分子识别定义为主体分子对客体分子的选择性结合过程. 有选择性地识别小分子一直是超分子化学中具有挑战性的研究课题. 氮杂穴醚配体及其金属配合物作为典型的主体分子得到了广泛的研究. 本文总结了氮杂穴醚配体及其金属配合物对各种小分子的识别作用, 介绍了新近报道的氮杂穴醚双核金属配合物在基于分子识别的基础上对小分子的活化作用, 展望了该领域的发展趋势.     

刺激-响应型蛋白质分子印迹材料的研究进展

蛋白质分子印迹技术在蛋白组学、生命科学、生物传感、药学研究及生物样品纯化等领域具有广泛的应用价值并备受关注.不过,由于其分子量较大,蛋白质分子印迹材料在应用中还存在蛋白质的传输扩散效率较低及吸附脱附较难等缺陷.而新出现的刺激-响应型蛋白质分子印迹材料可对外界刺激做出反应,并可进一步通过调控分子印迹材料与生物大分子之间的相互作用来实现目标蛋白质的高效快速捕获及释放,因此其具有重要的应用前景.本文综述了近20年来刺激-响应型蛋白质分子印迹材料的研究进展,并概述了其制备方法、聚合物单体种类、刺激-响应类型及机理,还进一步阐明了刺激-响应型蛋白质分子印迹技术的未来发展方向.     

分子印迹材料的先进制备技术与策略

分子印迹聚合物(molecularly imprinted polymers, MIPs)是采用分子印迹技术(molecular imprinting technology, MIT)制备的,具有与模板分子在形状、大小及官能团方面完全匹配的特异识别位点的高分子聚合物,能选择性识别和富集目标分析物(模板分子),已广泛用于样品前处理、化学/生物传感等领域.然而,在MIPs制备和使用过程中,仍存在模板分子洗脱困难、有效识别位点少、结合容量低、传质速率慢、水相识别差等问题.通过借鉴融合其他领域的先进技术和策略, MIT发展迅速,各种新型的印迹技术和策略不断涌现,不仅有效解决了上述问题,而且推动了新型MIPs的发展并拓展了其应用范围.本文以MIPs在样品前处理、传感和刺激响应中的应用为导向,梳理了MIPs材料的先进制备技术(表面印迹和纳米印迹技术、可控/活性聚合技术、点击化学、固相合成技术等)、策略(多模板、多功能单体、虚拟模板、片段印迹、硼亲和印迹策略等)与刺激响应印迹(磁、温度、光和pH响应等),并对印迹技术和材料的发展进行了展望.     

基于液晶高分子的光响应智能形变材料

智能材料简述智能材料按照其材质的不同大体上可以分为金属类智能材料、无机非金属类智能材料以及智能高分子材料。智能高分子材料与金属类智能材料和无机非金属类智能材料相比，具有较多的优越性能，比如，质轻、价廉、可加工性能优良，而且有机分子的结构上较容易接入各种功能性的官能团，可以丰富材料的功能，拓宽其应用范围。智能高分子材料的品种多、范围广，包括智能凝胶、智能高分子膜材、智能纤维、智能粘合剂、智能药物缓释体系等。其外界环境的刺激方式主要有力、热、光、电、磁、化学环境等。材料的响应方式也多种多样，     

纳秒激光激发的紫膜K,L过程寿命的测量

紫膜是嗜盐菌在特定条件下在其部分细胞膜上合成的,膜上仅有一种蛋白质——菌紫质(BR),它由248残基组成,分子量为26ku,7次跨膜.在光照下BR分子会经过一系列物化变化形成一系列中间体K,L,M,N,O,最后又恢复至原始状态.紫膜是理想的生物光能转换材料,并成为多种学科的研究对象,由于紫膜的光循环过程与质子泵功能以及光电响应相关联,BR的光化学循环过程的测定和研究在紫膜及其应用中有重要的作用.光动力学过程的参数是一个主要的物理参数.国外文献中有关报道不少,国内在毫秒级的动力学过程的测量已有成熟的装置和应用.但仅能测量M中间体以后的衰减过程,为了研究M以前的K,L等动力学过程,必须用纳秒激光分析研究微秒量级的过程.我们采用7ns的激光作为激发光源,同时测量到K,L等中间产物的形成和衰减过程,这对利用K过程研究BR双稳态和深入了解紫膜的光动力学过程都有重要作用.     

交联液晶聚合物光致形变及其柔性器件

光响应聚合物材料是指能够在光的作用下发生某些化学或物理反应,产生一系列结构和形态变化的功能聚合物材料.在光响应聚合物体系中引入液晶基元通过适度交联可形成光响应交联液晶聚合物,它结合了液晶的各向异性以及聚合物网络的橡胶弹性,具有优异的协同作用.且因为光能具有环保性、远程可控性、瞬时性等优异的特性,光响应交联液晶聚合物备受关注.通过合理的设计,光响应交联液晶聚合物可以实现全光驱动的形变,并且可以制成多种柔性智能执行器,在人工肌肉、微型机器人、微泵、传感器等仿生和智能微机械系统领域有着广泛的应用前景.本文综述了光响应交联液晶聚合物近年来的研究进展,包括其二维和三维形变、微观形变引起的表面形貌或其他性质的变化以及基于形变制成的柔性智能执行器,阐述了光响应的机理,并展望了该领域的发展前景.     

不同状态菌紫质分子的光电响应及其与pH的关系

菌紫质分子是嗜盐菌紫膜中分子量为26,000的唯一蛋白质成分,它在天然紫膜中以六角形二维晶格结构排列,并以三个分子为单位组成三聚体。菌紫质分子的功能为光驱动质子泵,在膜两边形成质子梯度,嗜盐菌则可利用此电化学梯度合成ATP。有人把天然紫膜碎片装到人工板膜上,光照后可以测量到光电响应信号。有人认为,若把菌紫质分子的光化学循环、质子泵以及光电响应联系在一起,光化学循环过程中泵出质子,而这质子流就产生光电响应信     

粘附分子在小鼠胸腺基质细胞克隆活化同系脾细胞增殖中的作用

在免疫应答中,不同类型细胞之间的相互作用是免疫应答诱导与维持所必须的,相互作用的特异性尽管是由TCR介导和调节,但膜表面其它分子的作用也十分重要.已证明粘附分子是参与这一过程的重要膜分子之一.胸腺内,发育T细胞经粘附分子介导与胸腺基质细胞(TSC)的相互作用是TSC参与辅助抗原识别以及克隆选择等T细胞发育事件的一个重要机制.利用体外建立的TSC克隆分析介导TSC与不同发育阶段T细胞相互作用的膜分子性质及作用将有助于揭示T细胞发育的分子机理.我室建立的MTECl和MTSCS可直接与成熟T细胞相互作用,使之活化增殖.为此,本文进一步报道了粘附分子在该过程中的作用.     

三蝶烯及其衍生物的合成与应用研究进展

三蝶烯及其衍生物是一类具有独特的三维刚性结构的化合物, 它们在过去的20多年内受到了人们很大的关注, 并已在包括分子机器、材料化学以及超分子化学等许多领域内得到了广泛的应用. 本文将概述三蝶烯及其衍生物的主要应用研究成果, 重点介绍我们研究组于近年来在基于三蝶烯的新型受体分子合成及其在分子识别与组装中应用的研究进展.     

宏观构筑基元表面柔顺性的调控与组装

宏观超分子组装的研究对象是表面修饰有大量超分子识别基团的10μm以上的宏观构筑基元,以及它们之间基于超分子多重相互作用的碰撞、识别和组装的过程,它是超分子化学的新兴研究方向,为体相超分子材料的制备提供了新的思路.宏观构筑基元的表面柔顺性是决定构筑基元间能否通过多重相互作用,增强相互作用,实现组装的关键要素之一.本文从界面间相互作用出发,通过交替层状自组装方法,在刚性聚二甲基硅氧烷(PDMS)构筑基元表面分别构筑不同层数的聚电解质多层膜,以调控宏观构筑基元的表面柔顺性,并研究聚电解质多层膜层数对于宏观构筑基元组装行为的影响.通过研究在水中叠加组装的时间与聚电解质多层膜层数的关系,我们发现当构筑基元表面修饰的聚电解质多层膜层数较少时,经过长时间叠加也不能发生组装;随着构筑基元表面修饰的聚电解质多层膜层数的增加,可以在较短的时间内叠加实现组装.同时对构筑基元之间的相互作用力随时间的变化进行了原位测量,其力值与上述组装行为一致.本工作验证了"具有高柔性表面是宏观超分子组装的设计原则",说明通过调控构筑基元表面柔顺性可以调控其宏观组装行为.     

pH敏感型α-氧化铝陶瓷复合膜的制备

采用化学接枝方法, 以丙烯酸为接枝单体, 氧化铝陶瓷膜为基膜, 制备了pH敏感型智能陶瓷复合膜, 研究了单体浓度对接枝膜的pH开关系数的影响, 测定了膜接枝前后的红外光谱、表面接触角、水通量等. 结果表明单体浓度对接枝膜的过滤通量、膜的pH感应开关系数有很大的影响. 此外, 接枝膜对溶液pH具有良好的快速响应性和可逆性.     

紫膜Langmuir-Blodgett膜中菌紫质的光电压

80年代生物分子电子学和生物计算机的研究蓬勃兴起,嗜盐菌紫膜蛋白菌紫质由于其结构稳定,具有光驱动质子泵功能、双稳态特性以及皮秒到毫秒级的光电响应特性,使其成为目前国内外关注的研究生物分子电子器件的理想材料之一,应用前途是发展生物分子器件和生物芯片等.由于紫膜具有不对称性而菌紫质的光驱动质子泵具有方向性,因而必须有序组装而且可以有序组装.紫膜Langmuir-Blodgett(LB)膜是这种有序     

pH响应活体自组装生物材料及其在肿瘤诊疗中的应用进展

自组装纳米材料在肿瘤部位具有被动靶向富集效应,提高了药物的递送能力,在生物医学领域具有广阔的发展前景.然而,本质上处于动态平衡的自组装纳米材料在体内传送时会与各种生物界面或生物大分子相互作用,存在结构不稳定的问题,目前还难以实现对其结构的精准控制,这妨碍了它们的进一步临床应用.pH会影响氨基酸的电荷状态,从而对多肽自组装过程中的静电相互作用造成影响,因此改变pH是调控多肽自组装过程的常用方法之一.在此,我们基于活体自组装(invivoself-assembly)的理念,着重综述了基于pH响应型多肽的纳米生物材料的原位制备方法并探讨了其在肿瘤诊断和治疗中的应用研究.通过把用于肿瘤诊疗的功能分子与pH响应型多肽结合,可以构建更复杂的具有生物功能的组装体系,提高成像剂的诊断功能和化疗药物的治疗效果.因此,利用pH响应型多肽在活体中原位构建有序组装体的新策略为开发肿瘤诊疗的纳米材料铺平了道路,为推向临床应用带来了新希望.     

膜蒸馏技术在能量转换过程中的应用: 基础与展望

膜蒸馏技术是传统蒸馏工艺与膜分离技术相结合的一种新型高效分离技术. 根据膜蒸馏的机理和能量转换过程的特点, 通过焓-浓度图等方法, 对膜蒸馏技术应用于典型能量转换过程的热工学和制冷技术中的原理及可行性进行了分析, 主要包括利用膜蒸馏技术对溶液的浓缩分离特性, 提出了基于真空膜蒸馏技术的盐类溶液的真空膜蒸馏解吸/再生过程, 可应用在溴化锂吸收式制冷系统和蓄能系统中, 也可应用在温/湿度独立控制空调系统中溶液除湿剂的再生循环系统中, 目的是使系统能充分利用低品位的废热、余热以及可再生能源如太阳能、地热能等廉价能源, 提高热源的可利用温差; 利用膜蒸馏技术中因传质而携带的潜热传递作用和膜间导热作用, 提出了基于直接接触式膜蒸馏的新型膜式热交换器, 可应用于溴化锂吸收式制冷系统的溶液热交换器和可进行热量与纯净水双重回收的特种换热器中. 对于膜蒸馏技术能量转换过程的工程应用问题, 指出了今后的主要研究重点和内容.     

甲烷传感器气敏材料的研究现状与进展

甲烷气体检测传感器在保障居民生活安全用气、天然气管道的安全运行以及煤矿安全生产等领域发挥着不可或缺的作用.基于气体分子吸附和解吸从而引起特定物理量相对变化的气敏传感技术,使得快速响应和低成本的甲烷检测传感器得以发展和应用,传感器的性能得到了很大的提高.本文详细介绍了气敏型甲烷传感器的分类及原理,并根据纳米敏感材料与甲烷气体分子之间作用的原理,综述了近年来包括金属氧化物及其复合材料、有机聚合物复合材料、超分子穴番-A、碳纳米管及其掺杂材料在内的关于甲烷气敏材料制备和气敏性能等方面的研究成果,并展望了基于气敏原理的甲烷传感器及其气敏材料未来的研究方向.     

G蛋白偶联受体的结构研究与药物研发

G蛋白偶联受体(G protein coupled receptors,GPCRs)是人体内最大的膜受体蛋白家族,具有保守的7次跨膜螺旋结构.GPCR可识别细胞外的各种信号分子,如激素、神经递质、离子、光、气味分子等,与之结合后发生构象改变,随后与细胞内的效应蛋白(包括G蛋白、GPCR激酶GRK和阻遏蛋白)相互作用,从而诱导各种细胞反应.作为分布最广泛的细胞表面蛋白,GPCR在所有重要的生理活动中发挥不可或缺的功能作用,是心血管疾病、神经系统疾病、炎症、代谢性疾病、癌症等多种疾病的重要药物靶点.美国食品药品监督管理局(FDA)批准的药物中约34%以GPCR为作用靶点,2011~2015年间,GPCR药物的销售份额占据全球上市药物的27%.近年来,GPCR的结构生物学研究取得了长足的发展,研究成果揭示了GPCR对配体识别和信号转导的分子机制,并为基于结构的药物研发提供了重要信息.本文详细介绍GPCR的结构研究与药物研发进展,并就GPCR结构和功能研究的未来发展方向提出建议.     

细菌视紫红质LB膜光电器件三态光电响应特性的表征与应用

存在于嗜盐菌紫膜中的唯一蛋白质——细菌视紫红质(bacteriorhodopsin,bR)具有奇特的功能:受可见光照射时,能发生光致变色并具有质子泵功能.在生物体外,bR的稳定性极好.可以利用Langmuir-Blodgett制膜技术或其它方法,在透光的载体(如导电玻璃)上形成单层和多层的bR-LB膜或化学增强膜.这种薄膜具有独特的双稳态光色互变特性、非线性光学特性和微分光电响应特性,已被用来研究构造生物分子型的光-光和光-电器件.近年来的研究结果表明,基于bR-LB膜制作的光电器件在信息传感领域有着潜在的应用前景.这方面的研究工作已经引起人们的极大关注.     

基于可逆加成-断裂链转移聚合的孕酮分子印迹膜制备与检测

基于可逆加成-断裂链转移(reversible addition fragmentation chain transfer,RAFT)聚合原理,通过紫外光引发方式,以2-(十二烷基硫代碳酸酯基)-2-甲基丙烯酸(DDMAT)作为唯一的控制试剂,在DDMAT修饰的金膜表面合成了针对孕酮分子的分子印迹物聚合物(molecularly imprinted polymers,MIPs)薄膜,并作为表面等离子体共振(SPR)传感器的识别单元.通过现场原位监控MIPs薄膜生长动力学,使其厚度得到有效控制.聚合动力学研究表明,DDMAT在紫外光引发聚合过程中起到引发剂和链转移试剂双重作用.对MIPs薄膜表面进行接触角、红外光谱、扫面电子显微镜表征,结果表明通过紫外光引发的方式能够有效地将MIPs薄膜接枝到DDMAT修饰的金膜表面,且MIPs薄膜厚度均一,其表面布满的纳米尺寸孔径的孔穴,为识别孕酮分子提供了通道.在pH 7.4的PBS缓冲液中对浓度范围10~(-12)~10~(-7) mol/L的孕酮样品进行检测,结果表明该MIPs薄膜修饰的传感器对孕酮分子具有较高的灵敏度,检测限为3.24×10~(-13) mol/L(信噪比,S/N=3),且具有良好的选择识别性能和重复使用性能;稳定性实验结果显示,MIPs薄膜修饰的SPR传感器芯片在N_2气保护下,室温存储30 d对低浓度的孕酮分子样品仍具有良好的信号响应.实际水体及人工尿液中测得孕酮回收率为92.9%~96.5%,说明此传感器可用于实际样品测定.