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研究方向

代表性研究方向一:基于功能核酸模板的手性圆偏振荧光材料设计及其应用探索

       具有圆偏振荧光(CPL)性质的手性功能材料在3D显示、生物探针等领域具有广泛的应用前景。近年来关于CPL功能材料的设计及应用引起人们的兴趣与关注,亟需制备得到量子产率高、不对称因子glum大、合成简单的材料,同时兼具如刺激响应等特性。此外关于CPL材料的生物功能应用仍待探索。

       富G核酸序列能够形成G-四链体,广泛存在于细胞端粒中,参与调节体内一系列重要的生理过程,与癌症等疾病的发生密切相关,也是潜在的药物靶点。我们课题组首次利用其灵活可控的手性超分子自组装材料设计,以独特G4-DNA为模板得到左/右旋CPL信号,研究发现DNA结构可直接决定CPL方向,手性信号通过DNA转移到嵌入其中的染料分子。平行结构G-四链体可诱导出强的右手负向手性CPL信号,反平行结构引起的信号正好相反,而当G-四链体为杂化结构时,CPL手性方向和强度取决于组成单元G-四联体空间堆叠情况(J. Mater. Chem. C, 2019, 7, 13947-13952) 

                                                 

                                      图1基于特殊G4 DNA的CPL体系设计及左/右旋CPL信号。

       同时,以G-四联体平面为基本单元的自组装纳米材料长期吸引研究者的广泛关注。课题组在前期工作中明确了G-四联体纳米结构的螺旋手性,首次通过离子调节实现螺旋手性和方向的调控,构建了可见波段全发射的CPL材料,其g值可达2.0´10-2,且CPL不对称因子(glum)被放大1个数量级(Chem. Commun., 2020, 56, 7706–7709) 进一步设计合成G-四联体基本结构单元的手性螺旋纳米线,螺旋程度和CPL光学强度可通过金属离子(K+Sr2+)和外界环境(如温度)等精确调控,并讨论了其形成的动力学过程和模板中不同染料分子间的荧光共振能量转移过程(FRET)(J. Mater. Chem. B, 2021, 9, 7140-7144, Emerging Investigators Issue) 。除染料小分子外,也可有效组装金属纳米材料,并首次实现了对手性氨基酸,半胱氨酸的高灵敏检测(J. Phys. Chem. C, 2020, 124, 38, 21094-21102可进一步拓展基于功能DNACPL材料在光/电化学领域,包括手性分子识别、生物成像和传感等方向的应用。

代表性研究方向二:基于特殊核酸分子识别的光/电化学生物传感器设计和应用

       将特殊生物分子识别及不同功能材料等关键技术运用于电化学生物医学传感器的构建,实现对复杂背景下癌症标记物(小分子、核酸、蛋白等)的检测及预后追踪等。包括:(1)功能石墨烯及其衍生材料修饰的电化学传感器。利用特殊G-四链核酸适配体分子AS1411与细胞表面蛋白的较强结合能力,实现了在石墨烯表面构建传感器对癌症细胞和正常细胞直接进行区分相关文章入选ESI“高被引论文Biomaterials2011322930-2937。成功检测癌细胞内过量表达的细胞周期蛋白家族中的Cyclin A2蛋白,并可判断常见抗癌药物的预后效果(Adv.Mater.201224125-128)系统地总结了基于特殊分子识别的石墨烯及其相关材料在疾病诊断和治疗方面的进展,综述文章入选ESI“高被引论文并被多家媒体网站,如IEEE SpectrumNanowerkWiley-VCH Hot Topics等报道 (Adv.Mater.2013)。(2)构建一类基于特殊核酸结构的手性电化学传感器,根据信号响应变化分为增强型和减弱型,选择性地控制电流在表面的单向电子传递行为,放大电流信号,增强传感器的灵敏度(Biosens. Bioelectron, 201566, 62-68)。通过把适配体识别功能与逻辑门计算相结合,并利用分子整流器进行电信号放大,实现生物分子的多级电子逻辑门(INH-AND-XOR)连接。可对生物识别过程进行了全新的逻辑判断,能够将复杂环境中的多种目标物存在信号简化为“0”“1”的智能读取方式(Angew.Chem.Int.Ed. 201554, 7693-7697,文章他引76)系统梳理了其在生物传感器,尤其是电化学传感设计中的构象可调控性、功能多样性,及其应用的拓展性等(Biosens. Bioelectron, 2019131, 237-249)。目前课题组在开展包括对microRNAs、手性小分子的诊断设计等项目。

                                                                  

                          图2. 基于生物分子识别的功能石墨烯生物传感器设计及对不同目标物的检测。

代表性研究方向三:核酸二级结构和功能纳米材料的特异性分子识别及调控

       系统研究不同核酸结构及其他特殊构象与功能纳米材料方面的作用前期碳纳米管曾被报道可调控特殊DNA过渡构象,具有靶向DNA结构的功能。由于这些特殊结构往往是许多抗癌药物或功能化蛋白结合靶点,从而可抑制相关基因的转录表达。针对碳家族材料对核酸构象的影响,首次报道一类具有较强发光性质的新型碳家族纳米材料,荧光碳量子点,能够在标准缓冲溶液中诱导并稳定特殊左手螺旋核酸结构 (Nucleic Acids Res. 2013 41, 7987-7996)。共同参与的工作发现羧基化的单壁碳纳米管与四链核酸具有较好的尺寸匹配,可以诱导人类端粒末端序列形成特定的G-四链结构。并且能通过静电吸附、π-π堆积调控胞嘧啶的解离模式,实现在生理调节下稳定三链核酸结构(J.Am.Chem.Soc. 2009131, 13813-13818)。由于此类特殊的核酸结构广泛应用在基因调控,生物分子马达以及作为药物设计的靶点,碳家族材料对其特殊构象的影响为后续从分子水平上理解纳米材料的生物活性,及其在分子马达、新型药物设计等方面提供了靶点和思考方向。

                                              

                                    图3. 功能碳量子点材料选择性地诱导特殊DNA发生B-Z构象转化。

      探索系列以生物分子为模板制备贵金属纳米簇纳米簇材料,并用于生物成像和诊断等。如利用特殊的三链核酸结构制备了具有较高荧光强度,发光单元均一,高稳定性的金属银纳米簇材料。通过设计合理DNA序列,可以得到发光单元均一的结构。并利用三链和双链序列对材料合成的不同作用方式,设计一种独特的哑铃型核酸结构实现纳米材料的可控组装行为,并进一步用于生物分子的高灵敏检测。(Nucleic Acids Res. 2012e122; Biosensors and Bioelectronics, 2017, 98, 378-385 )

代表性研究方向四:构建高效过渡金属复合材料及其能源转化应用探索

       近年来,电化学水分解(Water Splitting),可逆燃料电池以及金属-空气电池等新型能源转换和储能技术受到人们越来越多的关注。这些能量储存和转化技术均涉及氧析出反应(OER),氢析出反应(HER)和氧还原反应(ORR)等化学反应。其中,OER具有复杂的多电子转移过程,反应能垒高,动力学过程缓慢,严重制约了整体的能量转化效率。亟需开发高效,稳定和低成本的OER电催化材料。过渡金属(CoNiFeMo等)具有地球储量和价态丰富,成本低,类贵金属电子结构和优异的抗中毒性,在OER反应中具有巨大的潜力。相关代表性工作示例:(1)针对单金属Co(OH)2材料导电性弱及活性位点数受限的问题,通过一步原位水热法,在氮掺杂碳点(NCDs)的辅助下制备了Co(OH)2耦合NCDs杂化材料NCDs能够调控Co(OH)2的形貌进而调控活性位点的暴露密度。同时,提供了额外的电荷传输通道,加快了电子的快速转移。由于NCDs对活性位点数和电子传递能力的协同调控效应,海胆状Co(OH)2@NCDs复合材料的OER性能得到显著提升。并通过系列非原位手段揭示了NCDsCo(OH)2的形貌调控机理(Chem. Eng. J., 2021, 420, 127598)

                          

                          4. 具有不同形貌的碳量子点-钴基复合材料OER反应。

        (2)缺陷引入能够有效增强催化剂电子导电性,促进电子转移速率。我们提出了一步溶剂热法,在有机混合溶液中制备了富缺陷钴镍层状双金属氢氧化物(NiCo LDH)材料。通过调控溶剂类型和金属组分比例,实现了NiCo LDH晶体和形貌结构的精准调控(从聚集颗粒到密堆积球再到三维开放花)。在合成过程中引入丰富的氧缺陷,有效提高了电荷传输效率,加快了反应动力学过程,极大底提高了OER性能和稳定性(Sustain. Mater. Technol., 2020, 25, e00170) 


实验室常用设备

 电化学工作站                                                                           紫外-可见-近红外光谱仪

    


荧光光谱仪                                                                                傅里叶红外光谱仪

    

圆二色谱                                                                                   圆偏振荧光光谱仪