纳米分子

单分子器件可用于研究电荷传输的微观机制，并可为在纳米尺度研究物质的基本物理化学性质提供理想平台。传统上，单分子器件的构建通常需要在功能分子的末端引入杂原子锚定基团，从而将分子固定在电极之间。然而，长期以来，受限于这一方法，单分子器件的研究对象主要局限于结构相对简单的线性分子体系。 　　在中国科学院院士、中科院化学研究所有机固体院重点实验室研究员朱道本的指导下，臧亚萍课题组与和合作者首次报道了基于碳纳米环带的单分子器件，并发现了其由于独特的环张力效应带来的异于常规线性分子的新奇电子学和化学性质。 　　碳纳米环带是一种通过自下而上合成的新型碳基纳米材料，被视为碳纳米管的最短单元结构，具有高度精确可调的尺寸、边缘和拓扑结构。臧亚萍课题组和合作者发现，无需引入任何杂原子锚定基团，由于独特的环张力作用，碳纳米环分子可以利用弯曲的径向π轨道直接和金电极键合，构筑具有超低接触电阻的碳纳米环单分子器件。研究进一步利用不同尺寸碳纳米环分子张力的变化，可以实现对其电导的高效调控。此外，臧亚萍课题组、化学所陈传峰课题组及中国科学技术大学杜平武课题组合作，探讨了碳纳米环带边缘结构对其导电性质的影响规律，发现了在碳骨架中引入“五元环”边缘能够显著促进电荷传输，因而带来超高电导。 　　近日，臧亚萍课题组发现环张力能够影响分子的电荷输运性质，并使其展现出特殊的化学反应能力。该研究通过对碳纳米环单分子器件施加定向电场，在温和条件下(常温，0.6 V电压)实现了相邻苯环间非极性C-C键的断裂，形成了由Au-C共价键连接的线性寡聚苯单分子器件。对照实验和DFT计算进一步表明，这一独特反应遵循经典芳香亲电取代(EAS)机理，其中静电场发挥了关键的催化作用。该方法对不同尺寸的纳米环具有普适性。利用这一方法，课题组制备了目前最长的八聚苯单分子器件，揭示了电子的隧穿传输距离可以延长至八个苯环单元。该原位反应方法为在表界面精准构筑新型碳纳米结构以及研究其电子学性质提供了新手段。相关研究成果发表在《自然-通讯》(Nature Communications)上。 　　上述成果将单分子器件的研究拓展到复杂环形分子体系，揭示了环张力这一独特结构效应对分子电子学和化学性质的特殊调控作用。这为未来发展具有复杂几何和拓扑结构的新型分子材料和器件提供了新思路。研究工作得到国家自然科学基金和中科院的支持。碳纳米环带单分子器件

p 　　韩国科学技术信息通信部发布消息称，韩国先进软性物质研究团组利用纳米粒子研制出表面活性剂。该研究结果刊登在国际学术杂志《自然》上。 /p p 　　表面活性剂是广泛用于肥皂、洗涤剂、洗发水等生活用品的化学物质。在一个分子中存在易粘附于水和易粘附于油两个部分，使用表面活性剂可将水、油分离，呈现水滴形态。因此，利用表面活性剂传送特定物质(药物等)可作为新一代医学材料，特别是作为调节液体水滴的技术可广泛应用于制药、疾病诊断、新药开发等领域。 /p p 　　现有调节液体水滴的技术多采用“分子表面活性剂”，是使表面活性剂包裹的液体水滴受到外部刺激的分子结构设计方式，但想实现两种以上刺激反应难度较大。此次研究组利用纳米粒子具有杀死细菌以及运送酵素等多种功能的特点，研制出可在多种刺激下控制液体水滴的“纳米粒子表面活性剂”，比现有分子表面活性剂具有更多样的功能。通过纳米表面活性剂可对电、光、磁场全部反应,磁场和光可以调节液体水滴的位置以及移动、旋转速度,并可以与电场结合。例如,使用操纵液体水滴移动或组合的工具可将活体细胞植入液体水滴里培养或将利用液体水滴还原细胞内的酵素反应等需要特殊环境的制药、生物医学领域。 /p p br/ /p

北京大学郭雪峰研究员在市基金“石墨烯导电材料在纳米/分子器件中的应用基础研究”(项目编号：2112016)等项目的资助下，以纳米/分子电子学中的核心研究——纳米/分子器件为研究方向，重点围绕纳米材料的控制生长、纳米材料的性质和器件功能构筑等方面开展了系统研究工作。在功能化的碳基单分子电子器件方面，发展了一种制备锯齿形石墨烯点电极阵列的普适方法，提高了分子电子器件的制备成功率，并通过光、质子和离子等手段实现了对器件导电性的可逆调控。在功能复合纳米/分子电子器件的设计和构筑方面，瞄准当前原理纳米器件探索的难点，研究纳米材料与纳米器件中的构效关系 利用有机无机半导体材料的特异性质和能带优势，重点发展了若干光响应纳米器件和具有特殊界面的场效应晶体管，有望发展成为新一代的高灵敏度光检测器，为进一步构建多功能复合逻辑器件奠定了基础。　　研究成果在Chem. Soc. Rev.、Angew. Chem. Int. Ed.、Nano Lett.等权威期刊发表学术论文25篇，其中影响因子大于7的高影响力论文19篇 申请专利6项，授权专利4项。郭雪峰研究员2012年度获得国家自然科学基金杰出青年基金、王宽诚教育基金，2015年度入选科技部中青年科技创新领军人才 研制出的“稳定可控的单分子电子开关器件”入选2016年度中国科学十大进展。

经过30多年的发展，纳米孔在核酸测序领域已经成功实现商业化，在分子诊断领域（分析化学）也取得了巨大的进步。期间，研究者发展了不同种类的纳米孔，包括蛋白质纳米孔、高分子纳米孔、玻璃纳米孔和各种无机薄膜纳米孔。于此同时，理论研究和各种功能化技术也逐渐完善。研究内容从核酸测序扩展到对药物小分子、蛋白质、核酸碱基突变及其他一些重要的对象进行检测。本文主要介绍王家海教授团队在纳米孔领域取得的一系列进展和成果。（一）将纳米孔的离子整流现象运用到分析化学，提高纳米孔的应用范围和深度2008年之前，基于纳米孔的分子检测主要使用电阻脉冲方法（Resistive-pulse method）（图1）：在纳米孔两边施加电压时，纳米孔一端的离子在电场的作用下通过纳米孔，可观察到稳定的恒电流；当带有一定体积和电荷的探测物存在于溶液中时，电场的作用使其通过纳米孔，纳米孔中的离子浓度临时改变，可观察到一系列的电阻脉冲峰（Resistive pulse）。根据峰的大小、持续的时间和频率，即可对探测物进行定量和定性测量。图1. 基于蛋白质纳米孔的电阻脉冲方法电阻脉冲方法高度依赖纳米孔的孔径、稳定性、长度和表面的电荷及表面功能基团。譬如用于基因测序的蛋白质纳米孔，孔径只有两纳米左右。这些苛刻的要求，限制了该方法广泛用于生物体系中不同对象的探测及其实用化。因此发展新方法能使纳米孔分析化学应用更广泛和深入。2008年，为了提高纳米孔在分析化学上使用范围和深度，把离子整流现象运用到分析化学（Nanomedicine, 2008, 3, 13-20）。相关工作两次在国际大会进行专题报告。离子整流方法：在锥形纳米孔（带负电）两端实行电压扫描时，观察到一个非线性的电流对电压的曲线（I-V curve）；把带正电的探测物置于溶液，探测物会选择性吸附到锥形纳米孔内表面，探测物改变或逆转了孔内表面电荷数目，当再次对锥形纳米孔两端实行电压扫描时，会观察到一个改变的非线性的电流对电压的曲线，通过对电流改变值进行分析，即可对探测物进行定量分析（图2）。图2. 基于锥形纳米孔的离子整流方法随后，该团队进一步把这个原理运用于探测不同疏水性药物小分子（Talanta, 2012, 89, 253-257）。药物检测原理如下（图3）：（1）当不断改变药物分子在锥形纳米孔小端一侧的浓度时，观测到一系列变化的电流电压曲线。当药物分子达到一定值时，药物在纳米孔内的吸附达到饱和，电流电压曲线不再发生变化，这时候表面覆盖率达到1。（2）没有药物分子的时候，药物表面覆盖率为0，电流电压曲线为黑线。对应一定药物浓度的表面覆盖率，可以利用特定电压所对应的电流计算。（3）表面覆盖率与药物在溶液中的浓度和药物与表面的结合常数相关联。（4）如果以表面覆盖率为Y轴，药物浓度为X轴，结合Langmuir方程式，就可以拟合出药物与薄膜内表面的结合常数。不同疏水小分子在薄膜上的吸附能力不一样，所以可以用电流电压曲线区分不同小分子（图4）；小分子Hoechst 33342 在20微摩尔时薄膜内表面吸附达到饱和（图4A），分子Propidium Iodide 在1毫摩尔时薄膜表面吸附达到饱和（图4B）。分子Bupivacaine hydrochloride 在8毫摩尔时在薄膜内表面吸附达到饱和（图4C）。图3. 离子整流定量检测药物分子。（A）不同浓度的药物引起不同的离子整流和电流电压曲线。（B）药物在纳米孔表面的覆盖率可以通过相对电流改变量计算。（C）药物表面覆盖率与溶液中的药物浓度和药物与表面的结合常数通过Langmuir方程式相关联。（D）如果以表面覆盖率为Y轴，药物浓度为X轴，结合Langmuir方程式，就可以拟合出药物与薄膜内表面的结合常数。图4. 区别不同疏水性带正电的药物小分子。（A）对应于小分子Hoechst 33342的电流电压曲线图和相应的表面覆盖率随药物浓度变化图。（B）对应于小分子Propidium Iodide的电流电压曲线图和相应的表面覆盖率随药物浓度变化图。（C）对应于小分子Bupivacaine hydrochloride的电流电压曲线图和相应的表面覆盖率随药物浓度变化图。相对于电阻脉冲方法，离子整流方法带来新的期待，它对纳米孔大小、表面修饰、膜厚度的要求都比电阻脉冲方法宽松很多。尽管如此，离子整流仍然需要更进一步的发展：高分子膜中50纳米以下纳米孔在电镜的观测下，会变形，测量不准，误差很大，且操作费事；高分子膜表面的疏水性影响了探针分子的修饰，纳米限域内的分子探针修饰无论是成功率还是重现性都比开放表面修饰差很多；基于高分子纳米孔离子整流，离子整流的整流系数变化还不太理想，使整个体系的检测限与其他表面技术和荧光方法相比较，还有一定差距；离子整流的应用范围需要继续扩展。（二）发展基于光透射技术的纳米孔孔径测量方法此前常用的表征核孔膜孔径的方法有电子扫描显微镜（SEM）和光学显微镜。SEM测试费用昂贵，操作时间长。光学显微镜只能测量微米尺度以上的物体。况且这两种方法都不能够实现在线监测。为了纳米孔孔径测量更方便，测量时孔径不变化，该团队发展了一种基于光透射技术的测量方法（Chem. Commun., 2013, 49, 11451-11417）。运用紫外分光光度计测量出核孔膜的大小（图5），可以覆盖50纳米到1微米的区间，有望填补在线检测核孔膜生产的技术空缺。该团队发明的这个方法，优势在于简单（图6），可以生产出微型化的装备快速检测孔径大小（图7），主要运用于高分子核孔膜的制备与表征（Track-etched Membrane），实现实时在线检测。该团队已经基于该方法开发了相关检测仪器，已经与企业开始技术转化洽谈。[1]图5. 核孔膜孔径在增大的过程中孔的周边会有一个缓冲带，这个区域会随着孔径增大而同时变大，会反射光。逐渐增大的缓冲带会使薄膜越来越不透明图6. 薄膜仅仅需要放在紫外样品池支架上（静电吸附）图7. 核孔膜孔径与光反射log值呈现良好的线性关系（三）设计无探针修饰的纳米孔分析平台，消除限域纳米孔内立体阻碍的干扰高分子膜表面的疏水性影响了探针分子的修饰，纳米限域内立体阻碍对探针和被测物之间的相互作用有很大的影响，造成纳米限域内分子探针修饰无论是成功率还是重现性都比开放表面的修饰差很多。针对这个不足之处，该团队设计了无探针修饰的纳米孔分析平台（Microchim. Acta, 2015, 59, 4946-4952 Talanta, 2015, 140, 219-225 Biosens. Bioelectron., 2015, 63, 287-293 J. Mater. Chem. B, 2014, 2, 6371-6377）。在运用纳米孔作为检测平台时，探针修饰是常用的做法，但这种方法有不足之处，譬如纳米孔内表面的立体阻碍，影响检测限的优化。纳米孔内高电场也影响了探针在孔内的稳定性。在该团队的工作中，探针游离在溶液当中，可以高选择性的和目标对象结合（多余的探针被单碳纳米管除去），只有结合了目标物的探针才能被纳米孔吸附，从而改变纳米孔表面的电荷，因此能用纳米孔选择性检测目标分子。这个新方法的优势在于，探针与目标对象的作用完全在溶液中，不受表面影响。将该方法用于对三价镉离子的探测，仅仅通过选择适当的缓冲溶液就可以做到。图8. （a-c）在纳米孔表面吸附高分子PEI，然后吸附Zr4+离子，纳米孔具备吸附核酸探针的能力；（d）与探测物结合的核酸适配体吸附到纳米孔表面，没有与检测对象相结合的自由核酸适配体被单壁碳纳米管吸附带走。纳米孔表面的电荷改变可以通过离子整流探测。基于高分子的纳米孔整流器容易发生非特异性吸附，尤其是含有胺基的小分子容易吸附在纳米通道表面，这会降低纳米通道传感器的效率。该课题组利用主客体相互作用来消除过量小分子的影响，在检测三聚氰胺中利用环糊精（Cyclodextrin）解决了这一个问题。与单壁碳纳米管（SWNTs）相结合，β-环糊精（β-CD）为涂覆有聚乙烯亚胺（PEI）和锆离子（Zr4+）的锥形纳米通道提供了优异的传感性能。以三聚氰胺为检测对象，制备的纳米通道可以选择性检测三聚氰胺诱导的双链DNA（dsDNA）（Biosens. Bioelectron., 2019, 127, 200-206）。全部工作在广州大学完成。图9. 环糊精可以屏蔽三聚氰胺的非特异性吸附（四）借助纳米通道支撑基底，发现高分子膜材料上具备完美的离子二极管效应和离子整流现象高分子纳米孔离子整流系数变化不够大，其检测能力与其他表面技术和荧光方法还有一定差距。通过提高纳米孔的离子整流效率可以进一步降低检测限。借助纳米通道基底，该团队发现气体高分子响应膜材料上完美的离子二极管效应和离子整流现象（RSC Adv., 2015, 5, 35622-35630）。二极管效应早先是电子二极管很重要的一种现象，有广泛的应用实例。在后来的蛋白质纳米通道中也发现了二极管效应，与电子二极管不同的是电流的载体是离子，这种效应是离子二级管效应，其原理也被其他人工材料采用。本文发明了一种全新的离子二极管，并用新的物理化学机理解释了超薄气体响应高分子膜的这种离子二极管效应。该高分子膜除了可以应用在油水分离、海水淡化和能源隔膜等领域中，对应用在分析化学中也是很有前景，其离子整流系数达到几万倍，几乎接近完美。图10. （A）和（D）核孔膜电镜图（200 nm），（B）和（C）长满高分子膜的PET膜的上下两面。（E）和（F）高分子膜的厚度（1.6 μm）。图11. 只要调换溶液和控制电压方向，就可以制备可开关的离子二极管。电压方向可以控制离子在薄膜附近的浓度，从而引起薄膜亲水或者疏水。（五）运用离子整流解释高分子薄膜内羧基可以带正电纳米孔分析化学的应用范围需要继续扩展，譬如运用离子整流观测表面化学反应，把纳米孔集成到微小器件中用于体内检测。2011年该团队运用离子整流解释了高分子薄膜内羧基可以两步质子化反应带正电（Nanoscale, 2011, 3, 3767-3773）。发现不对称锥形纳米孔内新的物理和化学性质：聚脂薄膜内表面的羧基可以通过两步质子化使薄膜内带负电荷、呈中性、带正电荷三种状态。该工作打破了近十年的传统观念，以前认为薄膜内表面只能具备带负电荷、呈中性两种状态。表面羧基（COOH）是由NaOH刻蚀聚脂薄膜PET产生的，在中性溶液中薄膜内表面带负电荷（COO-），在溶液pH 下降到3 或更低时，电流电压曲线发生反转。要通过电流电压曲线观测到这个现象，需在比较宽电压范围内扫描。图12. 不需要生物化学修饰的离子整流器。（A）锥形纳米孔图，（B）薄膜表面电荷性质发生变化。（六）将二维纳米孔折叠成三维微米器件，用于细胞培养和药物释放目前基于纳米孔的分析检测都是在体外进行，要想将更加先进的检测技术运用到体内，必须和能用于体内的其他智能化的微小器件相结合。该团队曾经把二维的纳米通道折叠成三维的微米器件（Nano, 2009, 4, 1-5）。这种立体盒子的每个面都带有纳米孔，可以进一步功能化。该立体盒子（微米）可以用作细胞存放的容器，譬如能产生胰岛素的细胞。盒子的每一面的纳米孔都能感知周围的环境，根据需要用于营养成分的交换，保证盒内的细胞正常生长，并且在体内为患者提供源源不断的胰岛素。还可以把其他的药物分子放入微米器件内，为患者提供帮助。该工作只是初步的把纳米孔和其他先进器件相结合，后续的应用还需要更多的研究工作。图13. 三维纳米孔器件（七）小分子功能化的纳米孔通道可以调控离子流在家禽业中滥用金刚烷胺（ADA）及其衍生物作为兽药，可能会给人类带来严重的健康问题。因此，迫切需要开发一种快速、廉价、超灵敏的ADA检测方法。该团队建立了一种灵敏的锥形纳米通道传感器，利用主客体竞争的独特设计快速定量检测ADA。该传感器使用对甲苯胺类对纳米通道表面进行功能化来构建，然后用葫芦素（Cucurbit[7]uril，CB[7]）组装而成。当ADA加入时，由于主客体的竞争，它会占据CB[7]的空腔，使CB[7]从CB[7]-p-甲苯胺类络合物中释放出来，导致纳米通道的疏水性发生明显变化，这可由离子电流确定。在最佳条件下，该策略允许在10-1000 nM的线性范围内灵敏检测ADA。基于纳米通道的ADA传感平台具有高灵敏度和良好的重复性，检测限为4.54 nM。该文首次利用纳米通道系统实现了基于主客体竞争的非法药物快速、灵敏的识别，并详细阐述了该方法的原理和可行性。该策略为将主客体系统应用于小分子药物检测纳米通道传感器的开发提供了一种简单、可靠、有效的方法（Talanta, 2020, 219, 121213）。全部工作在广州大学完成。图14. 葫芦素调控的纳米孔检测三维金刚烷胺（ADA）（八）核酸纳米结构作为纳米孔信号传导载体检测病毒基因片段运用纳米孔直接检测小分子或者其他目标对象挑战性非常大，如果把对目标对象的检测转化成对核酸纳米结构的检测，可以解决很多以前不能解决的问题（Analyst, 2022, 147, 905-914）。特别是，具有明确三维纳米结构的DNA四面体是用作信号传感器的理想候选。该团队展示了在反应缓冲液中检测HPV18的L1编码基因作为测试DNA靶序列，其中连接DNA四面体到磁珠表面的长单链DNA被靶DNA激活的CRISPR-cas12系统切割。DNA四面体随后被释放，可以通过玻璃状纳米孔中的电流脉冲进行检测。这种方法有几个优点：（1）一个信号传感器可以用来检测不同的目标；（2）孔径比目标DNA片段大得多的玻璃状纳米孔可以提高对污染物和干扰物的耐受性，避免纳米孔传感器性能的降低。图15. 纳米孔结合CRISPA-cas12 检测病毒片段王家海教授简介王家海，广州大学化学化工学院教授、研究生和博士后导师，2008年5月美国University of Florida化学系毕业，师从Charles R. Martin；2008年5月至2009年1月，美国约翰霍普金斯大学化学生物工程系博士后，从事微纳米器件加工课题，致力于智能器件的设计及其应用性能的探讨；2009年1月至2014年8月，分别在中科院苏州纳米所和长春应用化学研究所任副研究员，从事体外诊断纳米孔检测相关的技术开发。2014年10月加入山东大学，任研究员，从事氢能源催化剂材料的开发。2017年至今加入广州大学，百人计划教授。入选中国科学院首批促进会会员，广州市高层次青年后备青年人才，全球顶尖十万科学家之一。目前团队研究方向包括能源催化材料、锂电池、生物化学传感器、纳米孔单分子计数器和5G通讯。代表性成果发表在Advanced Materials、Biosensor and Bioelectronics、J. Am. Chem. Soc.、Nano Letters 等国际著名期刊上。精彩会议预告：点击图片免费报名参加“第五届基因测序网络大会”

一个纳米量级的振动梁能够测量单个分子的质量。 图片来源：Scott Kelber、Michael Roukes、Mehmet Selim Hanay 　　就像浴室里的一台小磅秤一样，一个物理研究小组如今报告说，他们的一个摇摆的小发明已经能够测量单个分子的质量。新的装置为质谱学敞开了一扇新的大门——这是一种通过测量分子质量从而确定它们是什么的科学。然而，对于这项技术的最终效用依然是众说纷纭。 　　并未参与此项研究的美国马里兰州盖瑟斯堡国家标准与技术研究所的生物物理学家John Kasianowicz表示：“如何将其运用到广义质谱学中去，时间会告诉我们一切。但我认为这是一项巨大的进步。” 　　传统质谱学利用一个磁场来弯曲带电分子的路径。它们的路径弯曲的程度揭示了它们的质量。但这项技术对于巨大的生物分子——其质量大约是一个质子的100万倍——并不理想。例如，这些巨大的分子移动得异常缓慢，因此并不会触发位于磁场另一端的传统粒子探测器。因此科学家一直在探索其他的替代方法。10多年来，帕萨迪纳市加利福尼亚理工学院(Caltech)的Michael Roukes及其研究小组尝试了能够切割出物质——例如硅——的微小振动梁。测量约一万亿分之一克的重量，可使振动梁在每秒周期内产生数以百万计的从一侧到另一侧的振动。 　　原则上，这样一种装置能够测量一个分子的质量。当一个分子黏附在这样一个振动梁上时(这一过程被称为物理吸附)，其额外的质量促使振动梁以一种低频产生振动。因此如果想要测量分子的质量，研究人员只须测量频移便可。 　　然而这里也有一个问题。这种频移同时还取决于分子在振动梁上落脚的位置，因为一个较轻的分子停留在振动梁中间所产生的频移，同一个较重的分子落在振动梁一端所产生的频移是相同的。 　　如今，Roukes与他的博士后Mehmet Selim Hanay，及其在Caltech和法国原子能委员会的同事终于找到了一种解决办法。关键就在于同时以两个不同的频率摇晃振动梁。研究人员在8月份出版的《自然—纳米技术》上报告了这一研究成果。

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1996年，Kasianowicz等人首次发现单链DNA和RNA电泳穿过α溶血素（α-HL）纳米孔的时候会产生对应的阻塞电流信号。此后，众多科研学者在这一研究基础上开始了更为广泛的研究。经过二十余年发展，生物纳米孔技术现已开始商业化，且市面已有成型的基于生物纳米孔单分子测序技术的基因测序仪产品。纳米孔最具前景的应用之一是其可以用于第三代DNA测序技术，因其不需要复杂的酶扩增以及荧光标记，且其具有低成本高通量的特点而受到广大研究者们的青睐。纳米孔是单分子测序仪最核心部件图1 纳米孔DNA测序的基本原理图。（a）基于纳米孔的DNA测序传感器搭建示意图，图中显示一条单链DNA正在电泳穿过石墨烯纳米孔。（b）单链DNA过孔时产生的阻塞离子电流信号细节示意图，每个碱基的体积及其与纳米孔之间的相互作用强度不同导致对应的阻塞电流幅值存在差异，从而可以用来区分不同的DNA碱基。【Si Wei, et al. Chin. Sci. Bull., 2014, 59(35): 4929-4941.】纳米孔单分子DNA测序传感器基于库特计数器原理，如图1所示在固态薄膜的顺式端（cis）和反式端（trans）都注满了离子溶液，两端的溶液仅通过纳米孔进行连接，当带电的DNA分子被置入到液池的顺式端后，在纳米孔的两侧施加电压，DNA分子会在电场力的作用下电泳穿过纳米孔，由于DNA碱基自身在孔内的物理占位以及其与纳米孔间较强的相互作用使得通过纳米孔的电流会被阻塞。一条单链DNA（ssDNA）由腺嘌呤（A），鸟嘌呤（G），胸腺嘧啶（T）和胞嘧啶（C）组成。因为四种碱基的尺寸及特征各异，当单链DNA穿过跟自身尺寸相当的纳米孔时，不同的碱基会产生对应幅值的阻塞电流，通过研究这些电流之间的差异就可以实现对DNA四种碱基的辨识，如图1所示。通过分析这些阻塞电流信号（如阻塞电流幅值和过孔时间等），DNA链上所含的碱基很有可能被检测和区分开来。纳米孔作为单分子测序仪器设计与制造的核心检测部件，因此如何保证纳米孔单分子传感器的检测灵敏度、时间空间分辨率、稳定性和寿命等是影响纳米孔单分子测序仪器工作效率和稳定性的关键技术问题。三大技术突破成就了如今的纳米孔单分子测序仪自1996年纳米孔被Kasianowicz等人发现以来，众多科学家投入大量精力深入研究，在研究过程中也遇到很多难题。例如，尽管研究者们都相继报道了纳米孔离子电流可以用于四种碱基的区分，然而他们得到的结论却大相径庭，使得阻塞电流的幅值和相应碱基之间的对应关系至今仍然含糊不清。研究者们对单链DNA均聚物在过孔时产生的阻塞电流幅值跟碱基体积大小的相关性进行了研究，组成DNA四种碱基的体积大小顺序为GATC，理论上DNA碱基的尺寸对离子电流信号的影响较大，然而其与纳米孔的强相互作用在阻塞电流幅值检测方面也会起到主导作用，且在不同的纳米孔材料或者实验条件下获得的实验结果差异较大，这也制约了基于纳米孔DNA测序的发展。经历了20余年的发展，三大技术突破与革新也成就了现今的纳米孔单分子测序仪的研制。首先是纳米孔检测DNA或RNA全新技术方案的提出，其次是采用酶对DNA分子的剪切或复制用于纳米单分子测序技术中，最后是单碱基信号的测序精度精准调控。之后数年的时间，Oxford Nanopore 公司于2013年11月启动了MinION测序仪的早期试用计划，这时首款纳米孔单分子测序仪也正式开始步入人类的视野。便携、低成本和高通量 纳米孔单分子测序成为最具潜力的DNA测序技术人类基因组计划人类基因组计划在2003 年完成人体全序列的基因测定，历时12 年，耗资数十亿美元，人类基因序列图已成为全人类共同的财富。但是，第一代的 Sanger测序方法也给基因组测序贴上了数亿美元的价格标签，让人望而生畏。近两年发展迅猛的第二代测序仪让人类基因组重测序的费用降低到10 万美元以下，测序时间也缩短到6 个月。但是，这样的价格和时间，相对于个人用户仍然太高，极大地限制了其临床应用和基础理论研究。与传统Sanger测序技术相比，纳米孔单分子测序技术的核心优势在于它的便携性、低成本和高通量。强大的市场需求和探索生命科学未知领域的渴望，有力地推动着DNA 检测水平的提高。2004 年，美国国家人类基因组研究所（NHGRI）启动了“千元基因组测序研究项目”, 目的是让人类基因组的测序费用降至1000 美元以下。基于纳米孔的单分子DNA 测序方法是第三代测序技术中成本最低，最具有竞争力的技术。同年，美国国家卫生研究院（NIH）提出了“1000美元测序”的概念，而基于纳米孔的DNA测序技术是最有潜力实现这一目标的方法之一，众多实验研究也进一步验证了纳米孔DNA测序技术的可行性。该方法的优势在于它简化了对DNA 的化学修饰、扩增和表面吸附等工艺，具有结构简洁、速度快、操作简便等特点，同时省去了昂贵的荧光试剂和CCD照相机的费用。最为重要的是它的效率高，单个核苷酸分子通过纳米孔的时间仅在微秒级，如果考虑单个芯片上集成成百上千个纳米孔阵列，有望在24 小时内完成对个体的基因测序，而目前的二代基因测序仪则需要6 个月时间。 商业化进展慢 提高纳米孔稳定性迫在眉睫纳米孔单分子测序技术现有市场的典型产品是Oxford Nanopore Technologies（ONT）公司的MinION纳米孔测序仪，它具有低成本、高通量、读速快、读长长（约150kb）和高便携等特点，因此纳米孔单分子传感器目前已被广泛应用于物理学、生物学和化学等学科涉及单分子应用的科学研究，助力人类科技的发展，造福人类。基于上述纳米孔单分子测序技术的特点，相比传统测序仪器而言，它的典型应用场景之一是极端环境中病毒或细菌的高精度检测。例如，在偏远贫困地区，在疫情爆发或在没有足够的设备资源的情况下，便携的纳米孔单分子测序仪可以快速的协助病毒检测和疾病诊断。数年前西非爆发埃博拉病毒时，单分子测序仪便在病毒检测过程中起到的重要作用。再例如，存放在外太空空间站的土壤和水等是否已经出现微生物依然成谜，要将样品带至地球进行采样分析方能揭晓，而轻便的纳米孔单分子测序仪仅有u盘大小，可以方便的携带至外太空，在其他辅助条件下协助检测。虽然基于纳米孔的单分子测序仪具备很多优势，而且已经进入商业化进程，但是它的市场占有率相比传统测序技术而言依然偏低。其原因主要是目前市场已有的纳米孔测序仪采用的仍然是生物纳米孔和磷脂膜，这样的生物体系不可避免的面临着寿命短和稳定性不持久的缺陷。因此要推进纳米孔单分子测序技术的发展，这些问题必须得到解决。而固体纳米孔（例如氮化硅，二硫化钼）目前的报道也可以辨识单碱基，因此固体纳米孔有望在未来代替生物纳米孔实现稳定、可重复利用的高精度DNA测序。然而固体纳米孔在信噪比方面不如生物纳米孔，而且DNA在相同条件下通过固体纳米孔的速度偏快，因此如何提高固体纳米孔的信噪比和实现有效的DNA控速也是亟需解决的关键科学问题。作者简介：司伟，博士，东南大学硕导/讲师，2020年度东南大学“至善青年学者”，江苏省2019年度优秀博士学位论文和东南大学2019年度优秀博士学位论文获得者，入选2019年、2020年东南大学机械工程学院“优才培育计划”，担任《MaterialsInternational》(ISSN: 2668-5728)期刊助理编辑和《Bioengineering International》(ISSN 2668-7119)期刊编委，获得2019年Nanotechnology期刊杰出审稿人奖。主要研究方向：（1）机械操控及机器人技术、（2）工程流体动力学及传感器、（3）结构工艺设计及加工制造、（4）程序语言算法和三维建模与仿真。

11月20日，教育部科技司组织验收专家组对依托山东师范大学建设的“分子与纳米探针”省部共建教育部重点实验室进行了验收。由南京大学陈洪渊院士任组长，来自北京大学、南开大学、湖南大学、厦门大学、中科院化学所等6位国家杰出青年和国家自然科学基金委员会的管理专家组成了验收组。在听取了实验室负责人唐波教授的建设工作总结汇报，进行了答辩交流和实地考察后，专家们认为该实验室全面完成了各项建设任务，达到了计划建设目标，一致同意通过验收。 　　验收会议在山东师范大学国际交流中心召开。教育部科技司基础处明媚副处长、省教育厅副厅长郭建磊、教育厅科研处处长张厚吉、副处长吕序峰，山东师范大学校长赵彦修教授、副校长唐波教授以及科技处、化学化工与材料科学学院负责人和实验室有关人员参加了会议。会议由教育部科技司基础处明媚副处长主持。赵彦修校长首先致欢迎辞，对各位领导和专家多年来给予学校的支持和帮助表示感谢，并简要介绍了学校科学研究及重点实验室建设情况。山东省教育厅郭建磊副厅长介绍了山东省重点实验室建设情况。教育部明媚副处长就验收的要求作了具体说明，实验室负责人唐波教授全面汇报了实验室的建设情况。 　　“分子与纳米探针”省部共建教育部重点实验室是2007年教育部批准立项建设的。自建设以来，实验室以设计并构建探针为基础，构造具有分析、分离与识别功能的分子与纳米探针 利用探针与客体的相互作用，对生命以及化学过程进行跟踪分析，认识其转化及分离、识别机制，从理论和实验上进行了系统性的开拓研究，形成了光学探针、识别与分离材料、电化学探针、微纳结构设计与应用等四个研究方向，定位准确，重点突出，特色鲜明。 　　在建设期间引进和培养了多名学术带头人，培养了国家杰出青年基金获得者1名、全国先进工作者1名，国家级百千万人才工程1名，泰山学者1名和山东省杰出青年基金获得者1名。从国内外引进博士后、博士13名。形成了以院士、国家杰出青年基金获得者和泰山学者等为学术带头人的富有创新活力的研究团队，人员梯队结构合理，2009年，实验室研究团队荣获山东省优秀创新团队，并记省政府集体一等功。 　　建立了“农药、医药中间体清洁生产”教育部工程研究中心和精细化学品清洁合成山东省重点实验室 三年来，完成国家自然科学基金11项，教育部新世纪优秀人才支持计划项目1项，其他省部级项目16项，鉴定科技成果7项，申请和授权国家发明专利46项，发表SCI论文200余篇，其中J. Am. Chem. Soc. 7篇，IF大于5.0的25篇, 获得国家及省部级科研奖励13项，省部级教学成果奖励4项 实验室与多家企业签订了技术合作合同，完成横向合作课题13项 培养硕士研究生218人，博士研究生7人，为企业培训技术人员200人。 　　所培养的研究生1人获全国优秀博士学位论文提名奖、1人获2008年全国首届优秀教育硕士论文奖，4人获山东省优秀博士、硕士奖，2人获山东省研究生优秀科技创新成果奖。科技创新能力得到明显提升，在科技创新、成果转化、人才培养、学术交流、条件建设、产学研结合等方面取得了显著成绩，促进了学校创新能力和学术水平的提高，扩大了学校的学术影响。 　　验收专家组还对实验室今后的建设提出了建议，希望教育部、山东省、山东师范大学继续加大投入，并给予政策倾斜，以推进实验室的建设，使学术水平、人才队伍建设等方面达到更高层次。

p style=" LINE-HEIGHT: 1.75em" & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp DNA测序能够从血液或唾液中分析测定基因全序列，预测罹患多种疾病的可能性，同时可以帮助患者精准治疗。但目前的DNA测序技术，昂贵的价格让普通大众望其项背。寻找低成本、快速的DNA测序技术，成为科学家们研究的热点，生物纳米孔单分子分析技术因其低成本、快速和无需荧光标记等优点被视为最具前景的DNA测序技术之一。 /p p style=" LINE-HEIGHT: 1.75em" 　　近期，华东理工大学化学与分子工程学院的龙亿涛科研团队在生物纳米孔超灵敏单核苷酸分辨领域取得独创性突破，该研究成果以华东理工大学作为独立研究单位，于4月25日在《Nature Nanotechnology》(自然-纳米技术)发表了题为“Discrimination of oligonucleotides of different lengths with a wild-type aerolysin nanopore”的研究论文。 /p p style=" LINE-HEIGHT: 1.75em" 　　生物纳米孔单分子分析技术的原理是通过电场力驱动单链DNA穿过纳米尺寸的孔道，由于不同的脱氧核苷酸通过纳米孔道时产生了不同阻断程度和阻断时间的电流信号，由此可根据电流信号读出每条DNA序列上的碱基信息。但在实际实验过程中，单链DNA穿过纳米孔的速度极快(约1微秒/碱基)，造成了的电流阻断信号极小(皮安级)，阻碍了纳米孔测序技术发展。 /p p style=" LINE-HEIGHT: 1.75em" 　　基于自主研制的超低电流检测装置，龙亿涛课题组首次使用野生型且无任何修饰的Aerolysin(气单胞菌溶素)生物孔，将单链DNA的过孔速度降低了三个数量级(2.0毫秒/碱基)，从而极大地提高了电流检测的灵敏度，完成了对仅有单个碱基差异DNA分子的超灵敏识别，并实现了混合复杂体系的超灵敏检测和核酸外切酶“分步降解”单链DNA过程的实时观测。此外，该研究还通过改变检测体系的酸碱度，调节了气单胞菌溶素孔道内腔的电荷分布，同时结合单链DNA在孔内有效电荷数的计算，获得了纳米孔表/界面上电荷的分布信息，促进了对DNA与气单胞菌溶素孔道内腔表面氨基酸残基相互作用的深入理解。 /p p style=" LINE-HEIGHT: 1.75em" 　　据介绍，气单胞菌溶素来源于嗜水气单胞菌，主要存在于水生环境包括海水、湖泊、蓄水池和供水系统中，是一种天然的纳米蛋白孔，具有成本低、简单易得的特点。早在2006年，龙亿涛教授就发现气单胞菌溶素能够作为一种纳米蛋白孔，并具有实现高灵敏单分子检测的潜力。该论文的第一作者曹婵，于2011年进入龙亿涛课题组以来一直从事生物纳米孔的相关研究，通过大量的实验尝试和经验积累，实现了气单胞菌溶素纳米通道的成功制备和单分子信号的获取。 /p p style=" LINE-HEIGHT: 1.75em" 　　“这一独创性研究成果不仅进一步降低纳米孔单碱基分辨的成本，同时也将大大提高纳米孔DNA测序的精确度。”据龙亿涛介绍，未来，结合高带宽低噪音的电流检测仪器，气单胞菌溶素纳米孔有望实现单碱基直接分辨以及对DNA损伤的检测，这将大大推动DNA测序技术以及个性化医疗的发展。 /p p br/ /p

糖是一类具有重要生物学功能的大分子，具有高度复杂的化学结构。目前，糖的结构解析依赖于传统的色谱法、质谱法和核磁法等结构表征手段。虽然这些方法相对成熟，但存在检测步骤复杂、无法实时动态检测等局限性，无法满足糖基础和应用科研需求。与另一类生物大分子核酸已实现高通量测序相比，糖的结构解析技术滞后。生物纳米孔作为高度敏感的传感器，应用于核酸分子以及多肽测序，而在糖测序方向是否可行尚未被证实。　　近期，中国科学院上海药物研究所研究员高召兵/副研究员夏冰清（纳米孔方向）、研究员文留青（糖化学方向）与研究员程曦（计算生物学方向）等，设计并构建了一种工程改造的生物纳米孔，识别和捕捉到糖分子官能团乙酰氨基和羧基的特征电信号，描绘了含有这两种官能团不同聚合度糖的电信号指纹图谱，并运用于混合体系中不同糖分子的结构鉴定。该工作为以生物纳米孔为基础的糖测序技术打开一扇门。相关研究成果以Mapping the Acetylamino and Carboxyl Groups on Glycans by Engineered α-Hemolysin Nanopores为题，在线发表在《美国化学会志》（JACS）上，并被选为封面文章。　　科研团队将纳米孔α-溶血素（α-HL）的敏感位点113位的甲硫氨酸（M）作了基因工程改造，通过对极性、体积、电荷等氨基酸筛选，获得敏感性、特异性最佳的工程纳米孔M113R。该研究利用该纳米孔清晰地表征了单糖分子中乙酰氨基和羧基两种糖官能团的电流信号，并建立了两种糖官能团结构与电信号对应的指纹图谱。该团队利用分子动力学模拟和基因突变进一步剖析了糖分子进入该纳米孔中的动态过程，明确了纳米孔M113R识别两种官能团的分子机制。基于此，该研究利用两种官能团的特征电信号绘制了含有乙酰氨基和羧基寡糖的指纹图谱。该工作采用指纹图谱在糖混合体系中识别了含有两种基团的单糖、二糖和三糖。这一技术采用工程改造的纳米孔，无需对糖进行额外化学修饰或桥接。这一概念验证研究为高效建立糖分子指纹图谱库奠定了重要基础。　　糖类化学信息的高效表征是糖结构解析中的关键挑战。与其他根据化学位移或峰强度信息的技术不同，该研究依据特征电信号分析糖分子结构信息，获得糖分子中特定官能团的特征信号，将分子结构信息与传感事件产生的特征电信号直接联系。研究发现，特征电信号能表征单糖分子的特殊结构，并可同时精确解读寡糖链的聚合度的大小，从多个维度反映糖分子结构的多方面特征。该工作获得的糖电信号指纹图谱是基于纳米孔糖结构鉴定分析的重要一步。同时，该研究提出了基于纳米孔糖测序的可能路线。随着对糖分子更多官能团和其他特定结构的鉴定，该团队逐步完善糖分子指纹图谱的全方位绘制，建立了基于电信号的糖指纹图谱库，有望实现不同于现有技术路线的高效糖结构表征——纳米孔糖测序。

磁学是物理学古老的研究领域之一，也是具生命力的发展领域，利用电子自旋的研究来推进数据的存储、传输和计算等多方面的应用进展一直是科研工作者执着追求且不断探索的方向。 在众多研究过程中，电子自旋结构的成像与可控操作成为磁学领域研究的巨大挑战。与之相关的电子自旋现象包括斯格明子、刺猬状自旋结构、磁通漩涡等，其中，磁通漩涡电子自旋结构是研究多位磁学存储介质的一个重要现象。以往关于磁通漩涡中心性反转的研究工作都是针对微米尺度开展的，纳米尺度的磁通漩涡中心性反转工作目前仍需进一步探索和研究。 Elena P. 等人利用德国attocube公司的低温强磁场磁力显微镜—attoMFM在实验中清晰的观测到了25nm尺寸单个分子中磁通漩涡中心性反转现象。为了实现纳米尺寸单分子中磁性研究，Elena等人选取的纳米尺寸磁性分子为K0.22Ni[Cr-(CN)6]0.74体系。该体系分子尺寸可控制调整，且具有易于制备的特点。研究单分子纳米尺度的磁性，具备低噪音、高灵敏度、以及较高的空间分辨率等特征的磁性表征技术就显得为重要。德国attocube公司的低温磁力显微镜attoMFM可提供可变磁场的环境，是实现纳米磁性分子在低温下磁通漩涡性质表征与操控的有力设备。如下图实验数据，只需通过施加很小的外加磁场（600 Ｏｅ左右），单分子中的磁通漩涡就可实现中心性反转。在４.２ Ｋ的低温环境中，通过施加连续变化的外加磁场与attoMFM成像的实验数据分析，可观察到纳米单分子磁通漩涡磁性随着外加磁场发生清晰的中心性反转。attoMFM实验观测到纳米分子中磁通漩涡中心性反转 下图为具有纳米别高分辨率的磁力成像结果。图中清晰显示了分子的磁力分布情况。原本分子磁通漩涡中心性导致在垂直方向磁力分布可被外加微小磁场改变（下图中的白色部分表明，经过磁场施加针样品由排斥力转变为吸引力）。另外，作者也详细分析研究了不同尺寸单个分子中的磁通漩涡中心性反转机制。attoMFM直接观察到NP4单分子磁通漩涡中心性反转 作者预见，该次实验结果中纳米尺寸单分子的磁通漩涡中心性转换的特性可能为未来数据存储开创新篇章，数据的读写可以通过很小的磁场来操纵。 相关产品：低温强磁场原子力/磁力/扫描霍尔显微镜 - attoAFM/attoMFM/attoSHPM系统：http://www.instrument.com.cn/netshow/C159542.htmAttocube低温强磁场扫描近场光学显微镜：http://www.instrument.com.cn/netshow/C81740.htm

近日，中国科学院合肥物质院健康所杨良保研究员课题组开发了一种AgNP/MoS2纳米“口袋”自动捕获目标物分子的表面增强拉曼光谱方法，可实现部分化学反应过程的高灵敏长时间动态监测。相关成果发表在分析化学顶刊 Analytical Chemistry 上，并且被选为当期正封面(图1)。 　　表面增强拉曼光谱(SERS)是一种分子光谱，具有快速、高灵敏和指纹识别的特性。杨良保研究员团队一直从事SERS方面的研究，在之前的研究基础上(DOI：10.1021/jacs.1c02169)，团队在大面积单层纳米粒子膜上覆盖了二维材料MoS2(图2)，制备成AgNP/MoS2纳米“口袋”，将其覆盖在待测目标物分子之上，采用多物理场模型的有限元模拟方法，分析了AgNP/MoS2纳米“口袋”结构在溶液和空气中的电场增强分布和溶液蒸发的动态过程。研究表明，该纳米“口袋”不仅具有高密度的热点，还具有主动捕获分子的能力，与单层Ag NP膜相比，覆盖MoS2后减缓了溶液的蒸发，延长了SERS检测的窗口期，同时进一步增强了电场。该结构可以实现长达8分钟的高灵敏度、高稳定性的SERS动态检测。此外，该结构还可用于检测抗肿瘤药物和监测血清中次黄嘌呤的结构变化。相关方法有望更多地应用于生物系统中物质转化或其他化学反应动力学的现场监测。 　　该工作的第一作者为健康所2019级博士生陈思雨、2018级博士生葛美红以及博士后翁士瑞。该项研究受到中国科学院科研仪器装备开发项目、国家自然科学基金、安徽省自然科学研究项目等资助。图1 Analytical Chemistry的正封面图2 (上) 通过在液液界面组装大面积单层纳米粒子膜(下)在大面积单层纳米粒子膜覆盖二维材料MoS2，形成的AgNP/MoS2纳米“口袋”

目前，全球信息技术正跨入以量子效应为特征的&ldquo 后摩尔&rdquo 时代。单分子尺度体系具有丰富的功能结构和独特的量子性质，将成为量子计算和信息技术物质载体的最佳选择之一。 　　十余年来，中科院院士、中国科学技术大学教授侯建国领衔的&ldquo 单分子尺度的量子调控研究集体&rdquo 对单分子尺度体系进行不断的探索，取得了一批重要创新成果，并由此获得2014年度中科院杰出科技成就奖。　　领先国际水平 　　单分子尺度量子调控研究是国家量子调控科学领域的重大科学问题和需求。近年来，该研究集体进一步发展和提升了单分子尺度量子态的探测、操纵及调控技术，率先实现了国际上最高水平的亚纳米分辨的单分子拉曼成像。 　　&ldquo 2013年，我们在单分子化学识别方面取得重大突破，实现了亚纳米分辨的单分子拉曼成像。该工作在《自然》杂志上发表后，立即引起国际科技界的广泛关注。&rdquo 中国科学技术大学教授杨金龙在接受《中国科学报》记者采访时表示。 　　&ldquo 我们通过技术上的创新和概念上的突破，将非线性效应融入到常规的针尖增强拉曼散射过程中，从而大大提高了拉曼信号的探测灵敏度和空间分辨能力，将光学光谱探测推进到前所未有的亚分子亚纳米水平，使单分子尺度的化学识别成为现实。&rdquo 中国科学技术大学教授董振超说。 　　团队成员之一、中国科学技术大学教授王兵表示，尽管科学发展进程非常快，但他们在拉曼成像方面取得的成绩迄今仍保持着世界纪录。 　　此外，该集体还利用单分子选键化学实现了单分子磁性自旋态控制 成功设计并实现具有多重功能集成的单分子器件 利用纳腔等离激元共振实现了单分子电致发光 揭示出氧化物表面光催化分解水的微观机制等。 　　团队建设尤为重要 　　&ldquo 我们能取得现在的成绩，离不开团队的长期密切合作。&rdquo 杨金龙表示，单分子尺度体系的研究并不是一项短平快的研究，这个&ldquo 硬骨头&rdquo 需要很多人一起慢慢地&ldquo 啃&rdquo 。 　　中国科学技术大学单分子尺度的量子调控研究集体由侯建国(实验)和杨金龙(理论)领衔，一共10位成员组成。&ldquo 团队合作对于整个研究获得新突破是非常重要的，协作是全方位的，贯穿了整个团队发展的始终。每一次新的发现，都是整个团队共同协作和努力的结果。&rdquo 王兵说。 　　其中一位团队成员告诉记者，每次新加入的成员都会带来新的思路，团队建设实际上也是一个逐渐积累和发展，然后不断提升创新研究能力的过程。 　　在董振超看来，团队的支持对自己的科研工作非常重要。&ldquo 在学术上，我们经常进行热烈的探讨和争辩，有时甚至争论得面红耳赤，大家都在试图攻击对方的弱点。待这些弱点被攻克后，课题研究自然也就往前迈进了一步。&rdquo 　　&ldquo 我们的团队研究有两个最鲜明的特色：一个是实验和理论紧密结合，因为量子里面有很多实验现象需要理论支撑 第二个是多学科交叉，包括物理、化学、电子、光学、生物等，这样才能有效促成技术的创新集成和知识的融会贯通。&rdquo 董振超说。　　应用前景广阔 　　&ldquo 目前，我们的研究尚属于基础研究阶段。&rdquo 杨金龙表示，团队成员并不满足于现在的进步，会一直探究下去。 　　&ldquo 科学的魅力在于对未知的探索。&rdquo 董振超说，当你朝着某个方向努力，但作出来的结果与原来的想象和理论不一样时，就会出现新的信息，这样会反过来促进对一些现象新的理解，进而推动科研向前发展。 　　该团队一位研究人员表示，他们的目的是深刻理解和有效调控分子尺度上的量子行为。目前的研究离真正的应用还有一段距离，但是研究课题都是瞄准未来的能源、信息、生物等前沿领域，旨在为这些未来技术提供基本信息和科学依据。 　　&ldquo 比如单分子拉曼成像技术，其最主要的优点是能把微观世界里相邻分子的成分和结构&lsquo 看&rsquo 出来，这在材料科学、纳米催化、分子纳米技术、生物技术等领域可能都有很重要的应用前景。&rdquo 董振超介绍说。 　　&ldquo 在生命科学领域，拉曼成像的应用有可能提高疾病的早期检测技术水平。比如现有技术只能检测出已达到一定量的癌细胞，如果能事先对生命体作单分子检测，就能在癌变细胞极少的情况下将其检测出来，这对癌症早期治疗意义重大。&rdquo 杨金龙表示。 　　&ldquo 在研究过程中，我们一方面从科学角度出发，另一方面也从国家整体需求出发，在进行科学探索的同时，关注国家战略方向。&rdquo 王兵说。

金三角催化活性位动态变化过程及催化反应前后形貌变化　　在能源催化领域，对纳米粒子活性位分布及动态变化的认识是设计催化材料和提高能源催化效率的关键。　　近日，中国科学院先进化学电源实验室徐维林课题组及美国A. Paul Alivisatos课题组利用动态光学超分辨成像技术，对纳米粒子不同位点催化过程中的荧光信号的进行跟踪，获取了Sb修饰的TiO2纳米棒及金三角不同位点的活性信息及随时间依赖关系(PNAS 2015 , doi:10.1073/pnas. 1502005112)。　　该课题组对Sb修饰的二氧化钛纳米棒及金三角催化过程中的活性位跟踪，发现纳米粒子缺陷处具有更高的催化活性，但是其稳定性较差，如端点及角的位置活性位具有低活长效性的特点，而在中间部位活性位具有高活稳定性的特点。尤其是有一些活性位呈现出“自愈”现象，即催化位点失活后由于吸附物种的脱附重新体现出催化活性，这一发现对于指导催化剂合成具有重要意义。　　该工作获得973 项目、自然科学基金、“青年千人计划”及美国能源部支持。　　(能源催化过程课题组)

威斯康星大学Milwaukee分校的研究团队，用X射线激光器以慢动作的形式展示了一个光敏性生物分子的快速动态。&ldquo 人们能够在这一技术的基础上，以原子水平的空间分辨率和超快的时间分辨率制作纳米世界的电影，&rdquo 领导这项研究的Marius Schmidt教授说。 　　研究人员将PYP蛋白(photoactive yellow protein)作为模式系统，PYP是一种蓝光感受蛋白，在特定细菌的光合作用中起作用。PYP蛋白捕获蓝光光子之后，会经过一系列中间结构获得光子的能量，然后再回到初始状态。PYP光循环的绝大多数步骤已经被人们研究过了，是验证新方法的理想模型。 　　为了获得PYP的动态快照，研究人员制造了微小的PYP晶体，这些晶体的直径大多小于0.01毫米。他们在LCLS(目前最强的X射线激光器)系统中喷射这些微晶体，并用精确同步的蓝光脉冲启动它们的光循环。LCLS生成了极短极密集的X射线快照，捕捉到了PYP在光循环不同阶段的形态改变，分辨率达到了前所未有的0.16纳米。随后研究人员将自己获得的快照组成视频，展示了慢动作的PYP光循环。 　　这项研究再现了PYP光循环的所有已知过程，验证了这个新技术的可靠性，同时还揭示了PYP光循环的更多细节。这一技术的时间分辨率非常高，能揭示不到1皮秒的分子活动，这是以前无法想像的。 　　&ldquo 这是一个真正的突破，&rdquo 文章的共同作者Henry Chapman教授说。&ldquo 我们现在可以在原子水平上对动态过程进行时间分辨研究。&rdquo 　　与其他方法相比，X射线激光器在研究超快分子动态时有着更多的优势。该技术能生成世界上最明亮的X射线，提供飞秒级别的时间分辨率。X射线激光器成像时使用新鲜样本，样本中不会积累辐射伤害，而且特别适合研究非常小的晶体。实际上，一些很难结晶的生物分子只能用X射线激光器进行研究。另外，晶体小也有助于分子的同步，使人们能更灵敏的检测到分子发生的改变。换而言之，X射线激光器能够揭示其他方法无法企及的分子动态。

p 　　 近日，中科院理化技术研究所研究员王树涛团队与大连化学物理研究所研究员梁鑫淼团队合作，开发出一种具有亲水/疏水异质纳米孔的聚合物微球。该微球能在不同极性的溶剂中选择性吸附生物分子，进而从复杂样品中高效地分离出痕量的糖肽。相关研究成果发表于《先进材料》，研究工作得到了国家自然科学基金杰出青年基金、中组部国家“万人计划”领军人才项目和北京市科委计划项目等资金的大力支持。 /p p 　　目前高分子多孔材料已广泛地应用于分离领域，传统的高分子多孔材料具有均质的组成或孔隙，例如聚苯乙烯多孔微球，这些材料往往很难从复杂的样品中分离出痕量的目标分子。为了实现选择性分离，通常需要对这些材料表面进行功能基团的修饰。然而，这些修饰仅仅是在分子尺度，往往造成在材料表面的修饰密度低、不均匀等各种问题，难以消除含量较高的背景分子的非特异性吸附。在临床上，痕量疾病标志物分子的分离和检测意义重大，例如与阿尔茨海默氏症紧密相关的内源性糖肽的分离。 /p p 　　该工作是在乳液界面聚合的研究基础上取得的又一新进展。王树涛团队前期发展的乳液界面聚合策略，实现了拓扑结构和化学组成可调的两亲性Janus微球材料的可控制备，这些两亲性的Janus微球可用于油水乳液的高效分离。同时，这种界面聚合的方法还可以拓展到二维Janus膜材料的制备上。 /p p 　　王树涛表示，这种具有亲水/疏水异质纳米孔的微球为开发新型的生物分子分离材料提供了新的思路，有望应用于生物分子分离及后续的临床诊断等领域。该工作一经发表便得到了国内外同行及媒体的广泛关注。 /p p br/ /p

对大多数研究团队或制药公司而言，生物基质中单克隆抗体药物的定量分析常常面临着两个棘手的问题：首先是由于样品前处理方法不合适导致的选择性、重复性不佳；其次，若使用LC-MS/MS 进行分析时，会出现耗时或灵敏度不理想的情况。 岛津公司生命科学研究中心一直致力于开发一类通用型前处理方法，以实现对单克隆抗体药物便捷、高效地分析。蛋白酶解方法是目前常用方法之一，其将单克隆抗体分子水解为多个多肽片段，通过对特征性肽段进行检测，从而实现对抗体药物的定量分析。然而，经该方法酶解得到的多肽片段种类数量众多，组分较复杂，因此大大减弱了检测灵敏度。为了简化该前处理方法， 岛津公司推出了一项全新的技术——纳米表面分子导向限制性酶解（nSMOL, nano-Surface and Molecular Orientation Limited Proteolysis）技术，该技术由岛津公司 Takashi Shimada 博士开 发，可用于所有单克隆抗体药物的定量分析。 nSMOL 技术可在近生理条件下，完成对抗体药物的选择性酶解，并获得与之相应的特征性肽段组分。其工作原理是利用抗体树脂对样品中单克隆抗体药物进行捕获，之后通过蛋白酶纳米颗粒对树脂上抗体成分进行限制性酶解，得到多肽片段。该酶解主要针对抗体的 Fab 区域，Fab 区域外余下部分不受酶解作用且仍保留在原树脂上（如图所示）。因此，nSMOL 技术不仅能够保证获得特异性的抗体序列片段，而且限制性酶解技术大大降低了样品的复杂性，缩短样品前处理时间，提高了检测灵敏度。 针对 LC-MS/MS 分析时出现耗时或灵敏度不理想的情况，岛津公司推出的新一代三重四极杆质谱仪 LCMS-8050 和 LCMS-8060，实现了灵敏度和速度的创新性突破。其全新的离子导向技术增强了离子聚焦能力和信号响应，30000 u/sec 超快的数据采集速度和 5 msec 极性切换速度，使 LCMS-8050 和LCMS-8060 在保证高灵敏度的同时还具有出众的分析速度。因此， LCMS-8050 和 LCMS-8060 的问世为复杂的生物分析提供了高灵敏度、高稳定性，并缩短了分析时间。 nSMOL 技术与 LCMS-8050 或 LCMS-8060 的完美融合，为单克隆抗体药物的定量分析铺平了道路，开拓了视野。基于该技术，岛津公司完成了人血浆中曲妥珠单抗、贝伐珠单抗、利妥昔单抗等单克隆抗体药物的分析，研究成果已在多个国际期刊中发表。 nSMOL 技术结合岛津三重四极杆质谱仪 LCMS-8050 或 LCMS-8060 能够较好地解决单克隆抗体药物在定量分析中面临的问题，我们希望该技术能为有关从业人员提供新思路、新方法，也希望该技术能在抗体药物临床前及临床研究中发挥重要作用。岛津三重四极杆质谱仪 LCMS-8050 或 LCMS-8060

对大多数研究团队或制药公司而言，生物基质中单克隆抗体药物的定量分析常常面临着两个棘手的问题：首先是由于样品前处理方法不合适导致的选择性、重复性不佳；其次，若使用LC-MS/MS 进行分析时，会出现耗时或灵敏度不理想的情况。 岛津公司生命科学研究中心一直致力于开发一类通用型前处理方法，以实现对单克隆抗体药物便捷、高效地分析。蛋白酶解方法是目前常用方法之一，其将单克隆抗体分子水解为多个多肽片段，通过对特征性肽段进行检测，从而实现对抗体药物的定量分析。然而，经该方法酶解得到的多肽片段种类数量众多，组分较复杂， 因此大大减弱了检测灵敏度。为了简化该前处理方法， 岛津公司推出了一项全新的技术——纳米表面分子导向限制性酶解（nSMOL, nano-Surface and Molecular Orientation Limited Proteolysis）技术，该技术由岛津公司 Takashi Shimada 博士开 发，可用于所有单克隆抗体药物的定量分析。 nSMOL 技术可在近生理条件下，完成对抗体药物的选择性酶解，并获得与之相应的特征性肽段组分。其工作原理是利用抗体树脂对样品中单克隆抗体药物进行捕获，之后通过蛋白酶纳米颗粒对树脂上抗体成分进行限制性酶解，得到多肽片段。该酶解主要针对抗体的 Fab 区域，Fab 区域外余下部分不受酶解作用且仍保留在原树脂上（如图所示）。因此，nSMOL 技术不仅能够保证获得特异性的抗体序列片段，而且限制性酶解技术大大降低了样品的复杂性，缩短样品前处理时间，提高了检测灵敏度。 针对 LC-MS/MS 分析时出现耗时或灵敏度不理想的情况，岛津公司推出的新一代三重四极杆质谱仪 LCMS-8050 和 LCMS-8060，实现了灵敏度和速度的创新性突破。其全新的离子导向技术增强了离子聚焦能力和信号响应，30000 u/sec 超快的数据采集速度和 5 msec 极性切换速度，使 LCMS-8050 和LCMS-8060 在保证高灵敏度的同时还具有出众的分析速度。因此， LCMS-8050 和 LCMS-8060 的问世为复杂的生物分析提供了高灵敏度、高稳定性，并缩短了分析时间。 nSMOL 技术与 LCMS-8050 或 LCMS-8060 的完美融合，为单克隆抗体药物的定量分析铺平了道路，开拓了视野。基于该技术，岛津公司完成了人血浆中曲妥珠单抗、贝伐珠单抗、利妥昔单抗等单克隆抗体药物的分析，研究成果已在多个国际期刊中发表。 nSMOL 技术结合岛津三重四极杆质谱仪 LCMS-8050 或 LCMS-8060 能够较好地解决单克隆抗体药物在定量分析中面临的问题，我们希望该技术能为有关从业人员提供新思路、新方法，也希望该技术能在抗体药物临床前及临床研究中发挥重要作用。岛津三重四极杆质谱仪 LCMS-8050 或 LCMS-8060关于岛津 岛津企业管理（中国）有限公司是（株）岛津制作所于1999年100%出资，在中国设立的现地法人公司，在中国全境拥有13个分公司，事业规模不断扩大。其下设有北京、上海、广州、沈阳、成都分析中心，并拥有覆盖全国30个省的销售代理商网络以及60多个技术服务站，已构筑起为广大用户提供良好服务的完整体系。本公司以“为了人类和地球的健康”为经营理念，始终致力于为用户提供更加先进的产品和更加满意的服务，为中国社会的进步贡献力量。更多信息请关注岛津公司网站www.shimadzu.com.cn/an/。岛津官方微博地址http://weibo.com/chinashimadzu。岛津微信平台

前文回顾（点击查看）：蛋白质测序技术发展漫谈（上篇）；蛋白质测序技术发展漫谈（中篇）；蛋白质测序技术发展漫谈（下篇）前面描述了目前成熟的蛋白质测序方法，并对最流行的基于质谱的蛋白质测序方法进行了综述。非质谱依赖的蛋白质测序手段，除了几十年前发展的基于Edman降解法通过气相或液相色谱测序的方法，最近热门领域的方法主要包括基于荧光或纳米孔的单分子蛋白质测序，代表了未来的发展方向。基于纳米孔单分子蛋白质测序方法纳米孔测序（nanopore sequencing）法是借助电泳驱动力使待测单个分子逐一通过纳米孔，通过检测纳米孔截面的电流变化来实现对序列的测定。纳米孔测序最初在1996年被提出，通过膜通道检测多核苷酸序列，也就是单分子DNA的测序[1]。随着使用纳米孔对单分子DNA测序技术的逐渐成熟[2-5]，纳米孔技术也被应用在单分子蛋白质的鉴定上。对于DNA来说，其二级结构和电荷相对比较一致，它的聚合物比较容易处理，而且仅由四种碱基组成，单分子DNA测序比较简单。相比之下，蛋白质分子由20种氨基酸组成，并且蛋白的电荷和疏水性多变，还存在大量的二级和三级结构，因此基于纳米孔技术对蛋白质的鉴定要比DNA困难很多[6]。当前的基于纳米孔对蛋白质分析的主要探索方向是通过寡核苷酸适配子或抗体等亲和分子对纳米孔进行功能化，当蛋白质或肽段分子通过纳米孔时，由于不同氨基酸在纳米孔附近的结合或通过会引起不同幅度的电流变化，基于这些变化就可以确定氨基酸的种类，从而逐个得到所测蛋白质或肽段的序列信息（图1）。图 1 借助纳米孔的横向电流检测单分子蛋白质[2]牛津大学的Hagan Bayley[7]团队将单个α-血溶素蛋白孔插入两侧带有电极的膜中，磷酸化的蛋白质在DNA寡核苷酸的牵引下展开，并穿过纳米孔，通过记录纳米孔的电流变化区分出了202个磷酸化蛋白质的4种不同亚型，但无法鉴定蛋白质的一级结构。Francesco[8]团队将蛋白质或氨基酸吸附在金纳米星上，并施加电等离子体力将粒子推进并约束在金纳米孔内，利用金纳米星与金纳米孔壁之间的单个热点，实现了单分子表面增强拉曼散射（SERS）探测，用于检测氨基酸，并且可以分辨仅含有两个不同氨基酸的单个多肽分子抗利尿激素和催产素。Cao等[9]通过单个定点突变，在具有锥形识别位点的耻垢分枝杆菌孔蛋白A（MspA）的纳米孔内腔中引入了甲硫氨酸，从而将该反应有目的的移植到了MspA纳米孔最尖锐的识别位点，并观测到了相应的单分子反应信号。该纳米孔可以引入更多的离子电流，从而放大检测信号，其狭窄的识别位点则提供了更高的空间分辨率，大大削弱了周围氨基酸的干扰，从而拓宽生物纳米孔的单分子检测功能，有望推进基于孔道的单分子蛋白质测序研究。Ouldali[10]研究团队研发出了一种新型气溶素纳米孔，此纳米孔借助将氨基酸附着在聚阳离子载体上，使氨基酸在纳米孔上停留时间变长，并检测其通过纳米孔时电流的变化，最终可识别出组成蛋白质的15种氨基酸，也能检测到组成蛋白质的其余5种氨基酸的电流变化，但是无法对其进行区分。虽然只是对氨基酸进行识别，但作者设想通过对蛋白或者肽段末端氨基酸逐个降解，利用纳米孔技术鉴定从末端释放出来的氨基酸，从而对蛋白质或肽段序列进行测定。Zhao[11]等将一对金属电极分隔在约2nm的孔洞旁，当氨基酸线性穿过这种纳米孔的时候，每一个氨基酸都会完成一个回路，并反馈出相应的电信号，常见的20种氨基酸在通过纳米孔时都可以产生电信号。有的氨基酸需通过大约50种不同信号特征被鉴定，但绝大多数的氨基酸仅需要不到10个信号特征被鉴别。这种方法不仅能够高可信度的鉴定氨基酸，还能区分翻译后修饰的氨基酸（肌氨酸）及其前体（甘氨酸）、区分同分异构体的亮氨酸与异亮氨酸、区分对应对映异构体的氨基酸镜像分子L-天冬酰胺和D-天冬酰胺。此技术被应用于对两条由四个氨基酸组成的短肽（GGGG 和GGLL）进行测序，单分子短肽穿过纳米孔，孔道两边电极记录每个氨基酸通过时产生的电信号，通过测序算法，识别代表不同氨基酸的特征信号，从而得到短肽的序列。基于纳米孔单分子蛋白测序目前还属于初步发展阶段，除了需要根据电信号准确区分组成蛋白质的氨基酸以外，另一个关键是设计可一次拉动一个蛋白质或氨基酸穿过纳米孔的“马达”。为了让蛋白质或肽段顺利穿过纳米孔，研究者们在蛋白质一端添加了一串带有负电的氨基酸或者一段短DNA，用氨基酸或DNA链拉动蛋白质，可以使一些蛋白质打开折叠并顺利穿过纳米孔，但另一些复杂折叠的蛋白需要更多拉力，于是研究者在引导序列上添加了可以打开折叠的ClpX的识别位点[12]。这个系统能够将简单折叠的目标蛋白牵引过纳米孔，但对于折叠非常紧密的蛋白质仍要使用变性剂来打开折叠。基于纳米孔技术对单分子肽段或蛋白质测序目前还停留在对氨基酸鉴定和对短肽的区分阶段，还不能实际应用于对蛋白质的测序。虽然纳米孔测序具有高通量、对样品需求量少的优点，但是现有的纳米孔过大，失去了对氨基酸的区分能力，同时蛋白质分子通过孔道过快，加大了对信号读取难度；其次由于需要将蛋白的三级和二级结构破坏掉，纳米孔道需要能够耐受非常苛刻的化学和力学条件；第三，由于蛋白带电不均匀，控制其穿孔的速率也非常困难。所以目前的方法还不能准确的测得蛋白质的序列，基于纳米孔的单分子蛋白质测序技术还有很大的发展空间。基于荧光的单分子蛋白质测序方法基于荧光的单分子蛋白质测序同纳米孔测序一样，都可以对极少量蛋白质样品进行检测，其原理是先将蛋白质酶解成肽段，对肽段中特定氨基酸选择性标记不同的荧光基团[13]，对不同氨基酸上的荧光进行观察，从而确定肽段部分氨基酸序列，再将这些序列与蛋白质组序列比对，即可确定肽段的来源蛋白（图2）。图 2 基于荧光的单分子蛋白测序流程[14]。Ginkel[15] 和Yao [16]都利用ClpXP蛋白酶辅助对肽段进行选择性荧光标记，可对序列中的赖氨酸和半胱氨酸进行标记，通过Förster共振能量转移依次读出被标记的肽段的氨基酸的信号。Swaminathan[14] 将蛋白质酶解成肽段，再将肽段固载到玻璃片上[17]，使用特定荧光基团分别对肽段中的赖氨酸和半胱氨酸选择性标记，通过Edman降解技术对固载的肽段进行降解，每次降解后都使用全内反射荧光（TIPF）显微镜进行观测。如果被标记的赖氨酸和半胱氨酸在Edman降解中从肽段N端释放出来，被标记的以上两种氨基酸的位置就会被检测到。同时还发展了用于监测单个肽荧光强度的图像处理算法，并对误差源进行分类和建模，可以测得序列中部分氨基酸的信息。将测得的部分序列与参考蛋白质组序列比对，即可确定肽段的来源蛋白，通过与蛋白质组序列比对，可以鉴定到在人源蛋白质组中的绝大多数蛋白质。基于荧光单分子蛋白测序技术主要有三方面难点，一方面在于目前仅能对赖氨酸和半胱氨酸等几种氨基酸进行特异性荧光基团的标记，无法对所有氨基酸都进行标记；第二个难点是Edman降解是在强酸或强碱的环境中进行，对这些荧光基团的稳定性要求很高；第三个难点是对后期图像处理有较高的要求，如果序列中每个氨基酸都标记上不同的荧光基团，且发光峰易交叠难分辨，这给荧光处理算法带来了难度。因此，基于荧光的单分子蛋白测序技术虽然可以对极微量蛋白质样品分析，但目前仅能测得部分氨基酸序列，对蛋白质全序列的测定目前尚不能实现。[1] Kasianowicz J J, Brandin E, Branton D, et al. Characterization of individual polynucleotide molecules using a membrane channel [J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 1996, 93(24): 13770-13773.[2] Branton D, Deamer D W, Marziali A, et al. The potential and challenges of nanopore sequencing [J]. Nanoscience and technology: A collection of reviews from Nature Journals, 2010: 261-268.[3] Laver T, Harrison J, O’neill P, et al. Assessing the performance of the oxford nanopore technologies minion [J]. Biomolecular detection and quantification, 2015, 3: 1-8.[4] Karlsson E, Lärkeryd A, Sjödin A, et al. Scaffolding of a bacterial genome using MinION nanopore sequencing [J]. Sci Rep, 2015, 5(1): 1-8.[5] Huang S, Romero-Ruiz M, Castell O K,et al. High-throughput optical sensing of nucleic acids in a nanopore array [J]. Nature nanotechnology, 2015, 10(11): 986-991.[6] Nivala J, Marks D B, Akeson M. Unfoldase-mediated protein translocation through an α-hemolysin nanopore [J]. 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Solid-Phase Peptide Capture and Release for Bulk and Single-Molecule Proteomics [J]. ACS Chem Biol, 2020, 15(6): 1401-1407.作者简介：中国科学院大连化学物理研究所 单亦初副研究员1997年于中国科学技术大学获理学学士学位。2002年于中国科学院大连化物所获理学博士学位。2002年10月至2009年5月在德国马普协会马格德堡研究所、美国德克萨斯大学医学院及澳大利亚弗林德斯大学工作。2009年7月应聘到中国科学院大连化物所任副研究员。主持多项研究课题，包括国家重点研发计划子课题、国家自然科学基金面上项目等。已在Analytical Chemistry、Journal of Proteome Research、Journal of Chromatography A等杂志发表论文近80篇。主要研究方向包括蛋白质组鉴定和蛋白质组相对及绝对定量、蛋白质翻译后修饰富集和鉴定、蛋白质组末端肽富集和鉴定、蛋白质相互作用分析、蛋白质全序列从头测定及药物靶蛋白筛选。（本文经授权发布,仅供读者学习参考）专家约稿招募：若您有生命科学相关研究、技术、应用、经验等愿意以约稿形式共享，欢迎邮件投稿或沟通（邮箱：liuld@instrument.com.cn ）。

近日，上海交通大学生物医学工程学院“青年千人计划”获得者叶坚特别研究员和古宏晨教授共同指导博士生林俐等人组成的研究团队在新型表面增强拉曼纳米探针的制备与机理研究方面连续取得突破性进展，研究成果先后发表在材料学领域权威期刊《Nano Letters》(SCI IF = 13.592)和化学领域权威期刊《Chemical Communications》(SCI IF = 6.834)上。荧光探针是一类在紫外-可见-近红外区有特征荧光的分子，它们就像黑夜中的灯塔为科研工作者照亮了从微观到宏观各个层次上丰富多彩的生命现象，例如细胞凋亡。目前荧光探针已被广泛应用于分子检测和生物成像。然而传统的荧光探针存在稳定性差、容易发生荧光漂白、谱峰宽容易重叠、容易受到背景荧光的干扰等缺陷。与之相比，基于表面增强拉曼光谱的纳米探针具有信号强且稳定、谱峰窄、不易漂白、特异性好等优点。因此，越来越多的研究者将目光投向这一领域。拉曼光谱是一种散射光谱，与分子键的振动和转动有关，因此它可以作为分子鉴别的手段。传统的拉曼散射光信号较弱，但如果将分子吸附在纳米材料上，其拉曼光谱信号可以获得高达一百万倍以上的增强，这一现象称为表面增强拉曼效应。制备一个合适的纳米材料是获得高性能表面增强拉曼纳米探针的关键，也是材料领域研究人员的关注点之一。 该团队通过实验和理论上对核壳纳米探针的等离激元耦合效应的研究，发现传统的理论模型已经无法预测具有亚纳米缝隙核壳探针的近场和远场光学属性，需要引入量子效应和电荷转移效应来修正。此外，亚纳米缝隙核壳探针的表面增强拉曼光谱结果也表明在这种窄缝隙中有较强的电荷转移作用。该研究表明亚纳米尺度下材料的光学属性可能与传统理论所预期的完全不同，因此将可能进一步引导产生适用于该尺度的新理论，推动新型的量子等离激元纳米结构和表面增强拉曼纳米探针的发展。这项工作与美国莱斯大学的Peter Nordlander教授、西班牙国家材料物理中心的Javier Aizpurua教授和法国巴黎南大学的Andrei G. Borisov教授进行了合作。相关研究成果以林俐为共同第一作者，叶坚为共同通讯作者近期发表于《Nano Letters》(2015, 15, 6419-6428)。 另外，该团队还进一步制备出具有亚纳米缝隙多层核壳结构的表面增强拉曼纳米探针，通过调节外壳的数量，实现纳米探针拉曼光谱强度的调控 通过替换缝隙中的拉曼分子，实现纳米探针拉曼光谱峰位的调控。这项技术使得表面增强拉曼纳米探针的性能得到大幅度的提高，有望在高灵敏度的多指标分子检测和快速的多组分生物成像领域得到广泛应用。相关研究成果以林俐为第一作者，古宏晨和叶坚为共同通讯作者近期发表于《Chemical Communications》(DOI: 10.1039/C5CC06599B)。 该项研究工作得到了国家青年千人资助计划、国家自然科学基金和上海市自然科学基金的支持。

2002年SCIEX发布4000 QTRAP®系统产品时，首次将QTRAP®质谱推向市场，该质谱技术是一种将三重四极杆串联质谱与线性离子阱质谱高度结合的复合技术，可同时高灵敏地进行有机物的定量定性分析，目前已广泛应用于药物研发的各个阶段，同时也应用于蛋白、多肽的分析，是药物定性定量的分析利器。　　2022年是SCIEX QTRAP®质谱进入中国的第20个年头，吉林大学顾景凯教授是QTRAP®质谱在中国的首批用户之一。作为药物研发领域的资深专家，顾教授不仅见证了“中国创新药物”市场突飞猛进的发展，也感受到QTRAP®质谱分析技术助力药物研发时的强劲推力。　　药物分析贯穿药物从研发到上市乃至整个药物的生命周期，为药物研发和应用的全链条提供关键的技术和方法。随着纳米科技的迅速发展，纳米药物在疾病的早期诊断、预防和治疗等方面发挥出越来越重要的作用。为适应纳米药物相关的物理、化学及生物学特性，各种分离分析技术得以开发应用，那么当前纳米药物成分分析的常用方法有哪些?高分子药用辅料体内分析又面临哪些难题与挑战?未来纳米药代动力学研究的发展趋势如何?带着这些问题，仪器信息网特别采访了吉林大学顾景凯教授，与他进行了深入的交流。　　吉林大学 顾景凯教授　　相辅相成：仪器技术革命加速药物分析发展　　2021年生物学界公布了一项重要研究进展，人工智能(AI)技术已能精准预测上万对蛋白质的三维结构，其工作量及效率远超多年来该领域科学研究者人力工作的总和。消息一经公布便引发全球关注，该进展也随之被顶级期刊Science、Nature评选为年度技术之一。这一现象背后，反映的是人类科学研究的革命、科学探索的迭代升级，都离不开科学技术/仪器技术的精进。　　20世纪70年代，气相色谱、液相色谱、电化学分析和毛细管电泳分析等先进的仪器分析技术逐渐被用于药物及其制剂的常规杂质检查和定量分析。进入80年代后，为了适应新药研发，满足生物样品分析量少、药物浓度低等要求，各种微量和超微量分离分析技术得以开发应用。其中，最常用的分析方法有免疫测定法、气相色谱法、高效液相色谱法、高效毛细管电泳法及各种联用技术如气相色谱-质谱联用，液相色谱-质谱联用等。“90年代我们使用气相色谱法开展小分子药物分析，当时离子源技术不过关，联用质谱技术发展还不成熟，对现在来说司空见惯的肽、蛋白质、糖、核苷酸等化合物分析，在当时简直是不可思议的事。我最早是在1995年用热喷雾液相色谱-单四极杆质谱(LC-MS)开展药物分析研究，当时的仪器只能做全扫描和SIM(选择离子检测模式)。由于当时质谱技术分析化合物时的灵敏度与选择性不够高，致使药物的定性和定量分析研究工作进展非常有限。1997年以后，我开始全面接触基于大气压离子源(API，包括ESI与APCI)的液相色谱-串联质谱联用技术(LC-MS/MS)，那时候全国医药口的LC-MS/MS还仅是个位数，当时我就察觉到，如果能利用结合了强大液相色谱分离能力及质谱的高选择性、高通量和高灵敏度的LC-MS技术替代传统方法去开展药物代谢和药代动力学的研究工作，也许一周就能完成当时传统分析方法三年的工作量。而且，LC-MS/MS技术从通量、灵敏度、定性和定量等各方面可以把研究结果提高几个数量级，所以我真切感受到技术革命带来的最大变化是研究者可以利用技术创新完成原来做不到的事情。近三十年间，我见证着质谱仪器相关技术的更新发展，我的研究内容也随之不断拓展和延伸，从最初的小分子药物向如今非常火热的大分子、高分子以及纳米药物逐步扩展”，顾景凯说道。　　近几十年，药物分析技术的发展也从体外到体内，从小样本到高通量，从人工到自动化，由单一技术到联用技术。随着医学和生命科学的迅速发展，药物分析科学也呈现出多学科交叉融合的特点及优势，在此基础上发展起来的一系列质谱技术、超微量分析手段，被广泛用于新药研发、药品生产和临床应用的每个环节。　　高分子药用辅料及其PEG化药物的定性与定量分析方法的创新突破　　纳米药物的核心是药物的纳米化技术，包括药物的直接纳米化和纳米载药系统。纳米给药系统是对药物进行靶向递释、降低药物毒副作用的新手段。随着聚合物纳米载体在设计、合成方面不断取得进展，聚合物纳米材料在纳米给药系统中得到了广泛的应用。　　聚乙二醇(Polyethyleneglycol, PEG)是美国食品药品管理局(FDA)认证的无毒、无害且具有良好生物相容性的生物医用高分子材料，常用作与亲水端来修饰药物和纳米制剂。聚乙二醇化(PEG化)是一种将聚乙二醇聚合物以共价方式连接到治疗药物上的技术，具有增加药物水溶性、降低毒性、延长药物循环半衰期以及减少酶降解作用提高生物利用度等优点。但对于PEG这类分子量不唯一，且呈多分散性的高分子聚合物，常用的质谱定量分析方法要实现精准定量还存在多方面的挑战。顾景凯团队近期在国际上率先公开发表了关于PEG、单价与多价态PEG化前体药物及代谢产物定性定量分析的文章，是高分子聚合物全轮廓定量与定性分析领域的一大突破，目前该方法已成功获得中国发明专利授权。　　相比于单一直链型PEG，多价PEG化小分子药物可以大大提高载药量。然而，其体内动态释药规律及药代动力学过程也要比单一直链型PEG化药物要复杂的多。多价PEG化小分子药物除了围绕PEG化药物、PEG及游离药物等部分外还要同时考察不同价态PEG化药物的体内变化规律。随之而来对分析检测方法的考验更加严峻，基于此顾景凯团队利用SCIEX的高效液相色谱-四极杆串联飞行时间质谱技术，采用TripleTOF质谱的全谱分析模式(TOF-MS与MSAll)，先通过高效液相色谱将样本中的多价PEG化药及其体内不同形态代谢产物的混合物进行分组分离，使同一组内的同分异构体或同系衍生物具有相同的液相保留行为，再通过质谱选取共有特征性碎片实现各组分的绝对定量，意即在全扫描模式下，所有待测物在Q1中全通过，在Q2过程中经适宜的碰撞能(CE)将待测物打碎，TOF质量分析器扫描通过的全部子离子，获得所有碎片的精确质量信息，然后进行定性与定量分析。　　正如上文介绍的，顾景凯团队提出创新性分析方法，突破了串联质谱所无法全轮廓定量分析高分子药用辅料或PEG化药物的技术难题，使高分子聚合物或药物的全轮廓定量分析成为可能。当前越来越多的研究表明，许多过去被普遍认为是无活性的聚合物纳米材料可能具有某些活性或毒性。因此，建立针对聚合物纳米材料的体内定量分析方法，全面、深入地研究聚合物纳米材料的体内命运具有非常重要的药理学与毒理学意义。　　直面高灵敏度定量定性分析挑战： SCIEX QTRAP®质谱大显身手　　药代动力学是定量研究药物在生物体内吸收、分布、代谢和排泄的动态变化规律, 并阐明不同部位药物浓度与时间关系的科学。由于药代动力学的硬性要求，其对仪器的灵敏度、选择性以及分析通量等方面都提出非常高的要求。　　“曲普瑞林是由十个氨基酸组成的合成肽，用于治疗激素反应性癌症，比如前列腺癌和乳腺癌，当前该药物已在市场上广泛应用。对于多肽类药物分析来说，由于其与内源性肽和蛋白质的质荷比相近的非常多，背景化学干扰非常强，所以对这类药物分析存在两大挑战，即灵敏度和选择性。通常使用三重四极杆串联质谱进行常规分析时，尽管利用了前端固相萃取净化，高效液相色谱分离以及MRM(多重反应监测技术)母离子选择性极高的分析手段，我们仍然发现有很强的背景干扰，并且信噪比达不到药代动力学的准确定量要求。由于QTRAP® 质谱是将三重四极杆串联质谱技术与线性离子阱质谱技术高度结合的复合技术，所以我们引进了QTRAP® 质谱技术，在四极杆选择、打碎的基础上，利用线性离子阱再次裂解即可获得选择性很高的孙离子。由于离子阱同时具有很强的离子富集功能，这时利用孙离子进行定量分析，就可以大幅度地提高灵敏度，我印象中提高了十几倍，因此成功地满足了药代动力学的定量要求。我们利用 QTRAP® 6500系统成功建立了多肽药物曲普瑞林的分析方法，这让我印象非常深刻。“顾景凯介绍道。　　顾教授与研究生同SCIEX QTRAP质谱合影照片　　推进超低浓度、超强干扰药物分析与纳米药代动力学：串联质谱与差分离子淌度大有可为　　“不仅如此，我们还曾开发了一种选择性好、灵敏度和分析通量高的利马前列素分析方法。利马前列素临床使用剂量极低，用于后天性腰椎管狭窄症的给药剂量为5μg，达峰浓度(Cmax )仅为1.2 pg/mL，这要求利马前列素的定量下限至少达到0 .1～0 .2 pg/mL。同时，体内存在数十倍于利马前列素达峰浓度的内源性化学背景干扰，可以说该药物体内分析面临着以上“瓶颈”问题。　　“基于此，我们的分析方法是通过液相色谱、SelexION™差分离子淌度(DMS)和SCIEX QTRAP® 6500系统三维度分离分析相结合的策略，可降低对液相色谱分离度的要求，缩短了分析时间，提高分析通量，有效避免基质中内源物干扰，减少必需萃取次数，缩短了样品处理时间，在国内率先成功地完成了利马前列腺素片的人体BE评价研究工作。“顾景凯介绍说。　　”这是国际上首次采用DMS-MS/MS实现了如此低药物浓度的准确定量分析，并且我们依照国家药品监督管理局药品审评中心相关技术指南的要求，前后共完成了7500个生物样品的分析，这也是差分离子淌度技术首次用于如此多的生物样品分析评价工作。“顾景凯补充道。　　顾景凯也坦言，当前纳米给药系统的研究进展，国内已处于国际前沿，并且个别领域是国际领先。纳米药物载体的设计属于纳米药物产业上游，发展非常迅速，但针对纳米药物的药代动力学研究，国内外相对来说，是严重滞后纳米药物的设计与制备的，当前药物分析技术的能力远远达不到对纳米给药系统体内命运精准评价所提出的要求，目前主要还是主要依靠下游的药效或毒性评价来间接反映其体内命运，这严重制约了纳米药物的临床转化成功率。下一步需要通过新型的分离与分析手段，进一步推进纳米药代动力学研究的进程。　　对于下一步的研究计划，顾景凯表示，当前团队研究方向主要有三方面，一是多糖类药物的分析 二是mRNA、LNP疫苗不同形态的体内准确分析 三是高分子药用辅料准确定量和定性分析。此外其团队也在开展基于药代动力学性质的前体药物设计合成，目前作为主要参与单位的前体药物已经上市，同时还有两个作为负责单位的前体药物处于IND研究阶段。

如何沉积纳米粒子——纳米粒子单层膜沉积实用指南 纳米颗粒的二维致密单层膜沉积是多种技术和科学研究的基础。例如，纳米粒子单层膜可以作为传感器上的功能层，也可以用来生产用于纳米球光刻的胶体掩模。但是，怎样才能高效、可靠地得到具有三维自由度的纳米颗粒溶液，并将这些颗粒限制在横跨大基底的(二维)单层中呢?传统的纳米颗粒沉积技术纳米颗粒沉积技术种类繁多。一些相对简单和快速的方法包括溶剂蒸发、浸渍镀膜和旋涂镀膜。然而，这些技术可能会浪费大量的纳米颗粒，并且无法有效控制纳米颗粒的密度和配位结构。溶剂蒸发溶剂蒸发容易产生所谓的咖啡渍圈环效应，这种效应是由马朗戈尼流动引起的。这将导致不均匀沉积，中心的纳米粒子沉积稀疏，而边缘则形成多层纳米粒子沉积。 浸渍镀膜另一方面，如果只是用纳米粒子覆盖基底，浸渍镀膜将是一种很好的技术。然而，使用这种方法沉积纳米颗粒单分子层是非常具有挑战性的。同时，浸渍镀膜需要大量的纳米颗粒，这在处理昂贵纳米颗粒材料时将成为一个大的限制因素。 旋涂镀膜旋涂镀膜也是一种很有吸引力的方法，因为它易于规模化放大，而且在半导体工业中是一种众所周知的技术。然而，使用这种方法，薄膜的质量和多个工艺参数紧密相关，如：自旋加速度、速度、纳米颗粒的大小、基材的润湿性和所用溶剂。这使得对薄膜属性的精确控制变得非常困难。而且，一般旋涂镀膜需要大量的纳米颗粒溶液。 气液界面的单层镀膜在这里，气液界面沉积纳米颗粒单层提供了一种高度可控的沉积方法，可以将其沉积在几乎任何基底上。纳米颗粒被限制在气液界面，界面面积逐渐减小，使得纳米颗粒更加紧密地聚集在一起，从而可以实现控制沉积密度的目的，因为单位区域面积沉积的纳米颗粒的数量很容易计算，这样对纳米颗粒的需求量就会大大降低。 单层薄膜形成后，可以通过简单的上下提拉基底即可将界面上的薄膜转移到基底上。 在线网络研讨会报名如果您对如何制备纳米颗粒单分子膜感兴趣，想获取更多这方面的知识，请报名参加由伦敦大学学院的Alaric Taylor博士举办的题为“纳米颗粒单分子层薄膜沉积实用指南”的网络研讨会。报告人Alaric Taylor简介：Alaric Taylor博士是伦敦大学学院工程和物理科学研究委员会（EPSRC）研究员，他在纳米光子材料的制造，尤其是通过在气-液界面开发胶体单层自组装方面有很高的造诣。 报告内容：? 详细讲解纳米颗粒沉积的具体操作? 指出需要注意的事情? 讲述纳米颗粒沉积的技巧 报告时间：2018年9月13日下午3:00（北京时间）报名联系：如需参会，请填好下列表格中的信息发送至，邮箱：lauren.li@biolinscientific.com；姓名单位邮箱电话特别提醒：因为可能会涉及电脑、系统、耳机等调试问题，建议大家提前5-10分钟进入链接。

p style=" text-indent: 2em " 根据英国《自然》杂志旗下《科学报告》近日发表的一项纳米科学研究，除了人体外，用于递送药物的医用纳米粒子也可以帮助治疗农作物的营养缺乏症，其将在农业生产领域帮助大幅提高作物产量。 /p p style=" text-indent: 2em " 在过去几十年中，脂质体作为一种先进的纳米药物传递系统，其优势已经被越来越多的人所承认。实际上，脂质体是指将药物包封于类脂质双分子层内而形成的微型泡囊体，这种纳米粒子可以穿过生物屏障，将填充在其内部的药物或其他物质递送至目标组织。它们已被证明可以有效地递送用来治疗癌症等疾病的药物。 /p p style=" text-indent: 2em " 由于这种纳米粒子的生物相容性良好，甚至可以被正常代谢，因此其作为载体的开发潜力巨大。此次，以色列理工学院研究人员艾维· 施罗德及其同事，测试了纳米粒子向幼苗和完全长成的樱桃番茄植株递送营养素的能力。研究团队分别采用两种方式对缺镁和缺铁的植株进行处理，一种是载有镁铁元素的纳米粒子，一种是不包含在纳米粒子内的工业镁和工业铁。 /p p style=" text-indent: 2em " 实验表明，经纳米粒子处理的植株克服了无法通过标准农业营养素治疗的急性营养缺乏症；施用14天后，经纳米粒子处理的营养缺乏植株恢复了健康，而用标准农业营养素处理的植株则没有。 /p p style=" text-indent: 2em " 研究人员表示，纳米粒子会遍布植株的叶子和根部，之后被植株细胞摄取，并在那里释放出营养物质。该研究结果表明，纳米粒子不但改变了许多疾病诊断、治疗和预防方法，将纳米技术应用于农业生产，同样有望提高作物产量。 /p p style=" text-indent: 2em " 编辑圈点 /p p style=" text-indent: 2em " 据估计，到2050年全球人口将达到98亿。人口在增长，耕地在减少，未来的地球如何养活如此多的人口令人担忧。对越来越多的人而言，饥饿的阴影正在远去，但它也很可能卷土重来。科学家们提出了多种多样的应对方案，比如学会食用蛋白含量丰富的昆虫或者在实验室培养人造肉。不过，这样的食物恐怕会让不少人反胃。依靠科技手段提高农作物产量，大概是最靠谱也最容易被接受的途径。 /p

目前，纳米材料已经被日益广泛地应用在电子、光电、生物电子、传感以及能源等领域的各种器件中。因此，理解和表征纳米材料的电学性能不仅是基础科学研究的兴趣所在，也是实现其广泛实用化的迫切需求。但是，传统的场效应晶体管(field-effect transistor, FET)方法在纳米材料电学性能的表征中遭遇到器件制备过程复杂、材料-电极欧姆接触不易实现以及检测通量较低等问题。　　中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所研究员陈立桅课题组与合作者共同发展了一种名为介电力显微术(dielectric force microscopy, DFM)的新型功能成像技术来解决上述难题。相关综述发表于近期的Accounts of Chemical Research 期刊(Accounts of Chemical Research 48:1788 (2015) )。　　半导体和金属材料对于外部电场介电响应的主要贡献来自于载流子迁移引起的宏观极化。因此，材料中的载流子浓度及其迁移率既决定了该材料的介电响应也决定了它的电导率。借助于扫描探针技术对微小作用力的超灵敏检测(~pN)，DFM通过测量材料的诱导偶极与针尖上的电荷之间的相互作用力来表征纳米材料的介电响应。此成像模式无需电极接触即可“看”到纳米材料中的载流子(图a)。以单壁碳纳米管(直径~1nm)和氧化锌纳米线(直径~30-50nm)作为研究模型，DFM成功地实现了对纳米材料介电常数的测量(Nano Letters 7:2729 (2007))、半导体与金属导电性的分辨(Nano Letters 9:1668 (2009))以及半导体材料中载流子类型的判定(Journal of Physical Chemistry C 116:7158 (2012))(图e-g)。更为有趣的是，DFM展现出传统FET方法无法实现的~20nm 的空间分辨率。　　此外，陈立桅与合作者通过比对同一单壁碳管的DFM与FET测量结果，证实了DFM与FET互为平行测量手段(Nano Research 7:1623 (2014))。相关研究结果揭示了DFM信号的门控调制比(DFM信号在不同门电压下的比值)正比于FET器件开关比的对数(图b)。这个半对数关系得到微观层面的Drude模型的解释和证实(图c)。这一模型将对未来DFM技术在不同材料与器件体系中的应用提供一个理论框架。　　在纳米材料电学性质测量领域中，由斯坦福大学教授沈志勋(Zhi-Xun Shen)开发的扫描近场微波显微术(scanning near-field microwave microscopy)具有与DFM类似的特性与功能(Review of Scientific Instruments 79:063703 (2008))。扫描近场微波显微术与DFM均具有无接触测量和纳米尺度空间分辨率等特性。不同的是，扫描近场微波显微术和DFM分别测量材料的高频和低频介电性质。DFM无需昂贵的高频网络分析器和特制的扫描探针，因而便于应用在多种复杂成像环境中。DFM这一成像模式可能在未来的基础研究与工业在线监测领域获得广泛应用。　　相关系列工作由国家自然科学基金、中科院先导专项计划、江苏省自然科学基金、美国化学会石油研究基金会和苏州纳米科技协同创新中心提供资助。　　图：(a)DFM二次扫描模式示意图。(b)DFM门控比与FET器件开关比之间的半对数关联性。(c)DFM信号与载流子浓度和迁移率依赖性的数值模拟结果。DFM纳米尺度空间分辨率展示：内部具有金属-半导体结的单壁碳管的形貌像(d)和介电响应像(e-g)。

neaSCOPE是德国neaspec公司推出的全新一代散射式近场光学显微镜（简称s-SNOM）。neaSCOPE基于散射式核心设计技术，不依赖于入射激光的波长，很大程度上提高了光学分辨率，能够在可见、红外和太赫兹光谱范围内，提供优于10 nm空间分辨率的光谱和近场光学图像。neaSCOPE同时支持s-SNOM功能与纳米红外（nano-FTIR）、针尖增强拉曼（TERS）、超快光谱（Ultrafast）和太赫兹光谱（THz）进行联用，实现高分辨光谱和成像。由于其高度的可靠性和可重复性，neaSCOPE已成为纳米光学领域热点研究方向的优选科研设备，在等离子激元、二维材料声子极化、半导体载流子浓度分布、生物材料红外表征、电子激发及衰减过程等众多研究方向得到了许多重要科研成果。本文将概述neaSCOPE在不同领域发表的高水平文献。 neaSCOPE纳米光谱与成像系统一、高效有机光伏材料nature materials 对于有机光伏材料来说，在纳米尺度上的供受体结构域的形貌控制是提高其激子的扩散和解离、以及载流子的传输和复合损耗抑制效率的关键所在。本文展示了一种基于多个不同长度尺度的三元供受体形貌生成的双原纤维网络。这种结构形貌是通过辅助共轭聚合物结晶器和非富勒烯受体丝组装结合使用得到的。本研究的关键点在于使用neaSCOPE纳米光谱与成像系统对双原纤维网络PM6/L8-BO有强烈红外信号对比度的1648/1532 cm-1波段进行纳米级的红外成像。在此之上，通过对横跨图像的线方向进行数据的采集与分析，文章估算出其材料的供体与受体原纤维的直径分别为22.1 nm和 22.6 nm。并就此得出结论：其供受体结构域这种较低的混合体积导致材料拥有了较低的配对重组率和较高的填充因子。 综上所述，通过利用这种双原纤维网络的形貌结构，该研究将损耗最小化，能力输出最大化，使得在单结有机光伏材料中获得20%的能量转换效率成为了一种可能。 Zhu et al., nature materials 21, 656 (2022)二、催化剂的分子特性J. Am. Chem. Soc. 明确地鉴别催化剂中毒的类别需要具有纳米级空间分辨率和提供吸附物的吸附位点和其吸附几何形状的详细的化学结构和表面官能团的准确信息。时至今日，不通过牺牲化学特性就在纳米级尺度上研究金属/金属氧化物界面的催化剂硫中毒还是一项非常困难的工作。本研究利用纳米傅里叶红外光谱和扫描式近场光学显微镜（nano-FTIR & s-SNOM）在纳米尺度上鉴定了基于Pd（纳米盘）/Al2O3(薄膜)平面模型催化剂表面上的硫基催化剂中毒的化学性质、吸附位点和吸附几何形状。在此之上，本研究揭示了对于单个Pd纳米粒子来说，即使只是所用的硫酸盐种类有纳米颗粒之间的不同，也会使硫中毒有所不同甚至产生巨大的变化。 nano-FTIR & s-SNOM提供关键的分子级视角对于开发具有更长寿命的高性能多相催化剂至关重要。 J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 8848&minus 8860三、固态电池Nature Communications 固态电池因其各种各样的优势（比如更高的安全性和能量密度），拥有显著影响能源存储行业的潜力。不过，电极/电解质界面的物理化学性质和过程仍然是其需要面对的挑战。因此，对此类界面的原位表征以及对催化工程方案的科学性理解的揭示变得十分需要。在本研究中，作者利用了各种尺度的原位显微镜（光学、原子力和红外近场）以及纳米傅里叶红外光谱nano-FTIR对电化学操作生成的石墨烯/固体聚合物电解质界面进行了无损表征。作者发现固体聚合物电解质固有的纳米结构和化学异质性在镀锂和脱锂的过程中引发了一系列额外的纳米级界面异质性；这其中包括锂离子电导率、电解质分解和界面形成的异质性。 He et al.. Nature Communications 13. 1398 (2022)四、纳米系统的光电特性Applied Surface Science 碳纳米管（CNTs）, 石墨烯纳米带, 以及过渡金属二硫属化物（TMDCs）等纳米尺度系统的光电特性是由它们的介电函数决定的。这个复杂的与频率相关的函数受激子共振、电荷转移效应、掺杂、样品的应力和应变以及其表面粗糙度影响。对于此介电函数的了解使科学家能够探知材料的透射和吸收特性。在本研究中，研究者使用扫描式近场光学显微镜s-SNOM相关的技术提取了局部区域介电变化的数据。并在此之上，将s-SNOM测量的结果与空间分辨光致发光（PL）光谱和开尔文探针力显微镜(KPFM)测量的结果相关联。 将s-SNOM与局域光致发光结果相关联是识别和表征层间激子的有力工具。这种新颖的方法也开始在低维系统（碳纳米管和石墨烯纳米带）上得以应用。 Applied Surface Science 574 (2022) 151672

成果简报基于量子特性，电子自旋传感器具有高灵敏度，可以广泛应用于探测各种物理化学性质，如电场、磁场、分子或蛋白质动力学以及核或其他粒子等。这些独特的优势和潜在应用场景，使基于自旋的传感器成为当前热点的研究方向。Sc3C2@C80具有由碳笼保护的高度稳定的电子自旋，适用于多孔材料内的气体吸附检测。Py-COF是一种最近出现的具有独特吸附性能的多孔有机框架材料，它使用具有甲酰基和氨基的自缩合构建块制备，其理论孔径为1.38 nm。因此，一种金属富勒烯Sc3C2@C80单元（尺寸约0.8 nm）可以进入Py-COF的一个纳米孔。中国科学院化学研究所王太山研究员开发了一种基于金属富勒烯的纳米自旋传感器，用于探测多孔有机框架内的气体吸附情况。将顺磁性金属富勒烯，Sc3C2@C80嵌入基于芘基的共价有机框架(Py-COF)的纳米孔中。使用EPR技术(国仪量子EPR200-Plus)记录嵌入Sc3C2@C80自旋探针的Py-COF内吸附的N2、CO、CH4、CO2、C3H6和C3H8。研究表明，嵌入Sc3C2@C80的EPR信号有规律地随Py-COF的气体吸附性能有关。研究结果以“Embedded nano spin sensor for in situ probing of gas adsorption inside porous organic frameworks”为题，发表在Nature Communications上。利用 Sc3C2@C80 的分子自旋探测 Py-COF 的气体吸附性能在研究中，作者使用一种具有顺磁性金属富勒烯，Sc3C2@C80(尺寸约0.8 nm)作为自旋探针嵌入到基于芘基的COF(Py-COF)的一个纳米孔，检测Py-COF内的气体吸附。然后，通过记录嵌入的Sc3C2@C80 EPR信号，研究了Py-COF对N2、CO、CH4、CO2、C3H6和C3H8气体的吸附性能。研究表明，Sc3C2@C80的EPR信号有规律地随Py-COF的气体吸附性能有关。并且与传统的吸附等温线测量不同，这种可植入的纳米自旋传感器可以通过原位实时监测来探测气体的吸附和解吸。所提出的纳米自旋传感器还用于探测金属-有机框架(MOF-177)的气体吸附性能，证明了其多功能性。气体吸附性能与EPR信号的关系气压对EPR信号的影响EPR信号线宽分析用Sc3C2@C80的分子自旋法探讨MOF-177的气体吸附过程摘要Nature Communications：嵌入式纳米自旋传感器用于原位探测多孔有机框架内气体吸附Embedded nano spin sensor for in situ probing of gas adsorption inside porous organic frameworks. Nature Communications (2023)自旋传感器因其高灵敏度而备受关注。在此，我们开发了一种基于金属富勒烯的纳米自旋传感器，用于探测多孔有机框架内的气体吸附情况。为此，我们选择了顺磁性金属富勒烯Sc3C2@C80，并将其嵌入芘基共价有机框架（Py-COF）的纳米孔中。使用电子顺磁共振波谱（EPR）技术检测了Sc3C2@C80在Py-COF中吸附N2、CO、CH4、CO2、C3H6和C3H8后的信号。结果表明，嵌入Sc3C2@C80后EPR信号有规律变化，这与Py-COF的气体吸附性能有关。与传统的吸附等温线测量方法不同，这种植入式纳米自旋传感器可以对气体的吸附和解吸进行原位实时监测。所提出的纳米自旋传感器还被用于探测金属有机框架(MOF-177)的气体吸附性能、证明了它的多功能性。因此，该纳米自旋传感器适用于量子传感和精密测量。国仪量子EPR用户奖励政策细则1.IF 提及国仪量子仪器型号的方法：要求在实验方法中提及仪器品牌型号：国仪量子EPR200-Plus，国仪量子EPR200M等，英文参考如下：Electron paramagnetic resonance spectroscopy spectra were measured on Chinainstru&Quantumtech (Hefei) EPR200-Plus with continues-wave X band frequency.奖励实施流程：1.用户申请：需为测试申请者及文章作者，直接联系CIQTEK应用中心应用专家、登录CIQTEK官方网址http://www.ciqtek.com、拨打CIQTEK官方服务热线400-0606-976；2.资格审核：身份审核、对相应文章发表情况、提及仪器情况及影响因子进行审核（提供相应证明：发表论文的接收函及论文原文，或已发表论文的网上版本链接）；3.审核通过后由公司统一发放奖励，发放形式协商确定。奖励申请说明：1.奖励后我司内部备注，每篇文章原则上只奖励一次；2.作品获得奖励后，即默认为作者授权主办方可以使用作者名及成果名称进行宣传推广活动，包括但不限于媒体宣传、现场展示、网络推广等；3.本政策有效期自2023年6月30日至2023年12月31日（如有变化会另行通知）；4.本奖励政策最终解释权归国仪量子（合肥）技术有限公司所有。国仪量子电子顺磁共振波谱仪近年来，国家大力支持国产高端科学仪器发展，推进高水平科技成果自立自强，国产高端科学仪器迎来了长足进步。国仪量子电子顺磁共振波谱仪为直接检测顺磁性物质提供了一种非破坏性的分析方法。可研究磁性分子、过渡金属离子、稀土离子、离子团簇、掺杂材料、缺陷材料、自由基、金属蛋白等含有未成对电子物质的组成、结构以及动力学等信息，能够提供原位和无损的电子自旋、轨道和原子核等微观尺度的信息。在物理、化学、生物、材料、工业等领域具有广泛的应用。国仪量子EPR系列

1月20日，据媒体报道，云南一工厂尾气罐发生爆炸。据一位接近德方纳米人士向媒体透露，发生爆炸公司已确定系德方纳米控股子公司曲靖市麟铁科技有限公司，其余情况目前还在核实中。　　据了解，曲靖市麟铁科技有限公司成立于2018年，公司股东为宁德时代与德方纳米合资设立，双方分别持股40%和60%，认缴出资额分别为4000万元和6000万元。公司主营纳米粉体材料试剂、纳米粉体标准样品、纳米材料产品(均不含限制项目)的研发、销售 纳米磷酸铁锂(不含危险化学品)生产、销售 纳米材料产品及技术进出口 货物进出口业务(国家禁止或涉及行政审批的货物除外) 矿产品销售。

科学日报报道，近日美国加州大学圣塔芭芭拉分校的科学家们设计了一种具有一对独特且重要特性的纳米粒子。这种球形粒子的组成成分是银，它被包裹在一个涂满缩氨酸的壳内部，后者使得它能够攻击肿瘤细胞。此外，这个壳是蚀刻的，因此那些没有攻击到目标的纳米粒子会自行分解和消除。这项研究被发表在期刊《自然材料》(Nature Materials)上。 两个单独的银纳米粒子(红色和绿色)选中前列腺癌细胞为目标 　　纳米粒子的核心利用了一种名为电浆子光学(plasmonics)的现象。在电浆子光学里，纳米结构的金属，例如金和银，在被光线照射时会发生共振，且集中在靠近表面的地磁场。通过这种方式，荧光染料被增强，看起来比自然状态&mdash &mdash 也即没有金属存在时&mdash &mdash 要明亮10倍。但当核心被蚀刻时，这种增强效果会消失，粒子也就变得暗淡。 　　加州大学圣塔芭芭拉分校鲁奥斯拉蒂研究实验室发明了一种简单的蚀刻技术，利用了生物相容的化学制品快速分解和移除活体细胞外部的银纳米粒子。这种方法只会留下完整的纳米粒子用于成像或者量化，从而揭示了那些细胞被定位攻击目标，以及每一个细胞被内在化了多少。 　　&ldquo 这种分解是创造针对特定刺激物做出反应的药物的一个有趣概念。&rdquo 分子，细胞和发育生物学学院(MCDB)鲁奥斯拉蒂实验室的博士后研究员、斯坦福-桑福德伯纳姆医学研究所的盖里· 博朗(Gary Braun)这样说道。&ldquo 通过分解过剩的纳米粒子并通过肾进行清理，它能最小化偏离目标的毒性。&rdquo 　　这种移除无法渗透目标细胞的纳米粒子的方法非常独特。&ldquo 通过关注那些真正进入细胞的纳米粒子，我们能够理解哪些细胞是目标，并从更细节的角度研究组织传输通道。&rdquo 博朗说道。 　　有些药物能够独自穿透细胞膜，但很多药物，尤其是RNA和DNA基因药物，是带电的分子，它们会被细胞膜所阻隔。这些药物必须通过内吞作用进入细胞，在这个过程中细胞会吞没并吸收分子。&ldquo 一般需要纳米粒子作为载体来保护药物并护送它进入细胞，&rdquo 博朗说道。&ldquo 而这正是我们所要测量的：通过内吞作用载体的内在化。&rdquo 　　由于纳米粒子有一个核心壳结构，研究人员可以实现不同的表面涂层并对比各自肿瘤目标选择和内在化的效率。通过使用不同的目标受体转换表面药剂从而实现不同疾病的目标选择&mdash &mdash 或者细菌的目标生物体。根据博朗表示，这一方法应该能够发展一种药物传输极大化的方法。 　　&ldquo 这些新的纳米粒子拥有某些了不起的特性，在朝肿瘤传输目标药物相关的研究中它已经证明是一种非常有用的工具。&rdquo 加州大学圣塔芭芭拉分校纳米医学中心和MCDB学院特聘教授埃尔基· 鲁奥斯拉蒂(Erkki Ruoslahti)这样说道。&ldquo 它们在治疗感染方面也有潜在的应用。由可抵抗所有抗生素的细菌导致的危险感染越来越常见，现在急需解决这类问题的新方法。银常被用作抗细菌药剂，而我们的目标技术或可能将利用银纳米粒子治疗体内任何地方的感染变为现实。&rdquo (

最近几年，随着基于贵金属(如Pt、Pd、Au等)的纳米催化剂被深入研究，人们开始把注意力转移到非贵金属催化剂(Fe、Co、Ni、Cu等)的可控合成和催化性质研究上。如果能够开发出替代贵金属的非贵金属催化剂，无论是从基础研究还是工业应用上来说都是非常有价值的。不过，从物理和化学性质来说，贵金属和非贵金属的区别还是非常大的。　　考虑到金属催化材料一般是用来催化氧化还原反应，因此我们这里做一些简单的对比。对于贵金属来说，它们的纳米粒子一般来说性质比较稳定，经过还原后不太容易被氧化。即使在催化反应过程中，虽然位于表面的原子会发生价态的变化，但是对于纳米粒子的整体来说，这种价态的变化并不是那么的显著。相比之下，非贵金属的性质就更加难以控制和琢磨。对于Fe和Co来说，被还原后的金属纳米粒子非常不稳定，一旦接触空气就会被氧化。如果没有一些保护的配体或者载体，那么完全变成氧化物可能就是几秒钟的事。相对来说，Ni和Cu的金属态纳米粒子相对来说稳定一些。但是如果尺寸比较小(小于5 nm)，也非常容易被空气氧化。在绝大部分加氢反应中，非贵金属的催化剂都需要经过一个预先的还原过程来进行活化。而我们在对催化剂进行表征的过程中，很多时候催化剂已经接触了空气，和实际反应条件下的样品有区别了。这种差异在非贵金属催化剂上体现的特别明显。图1. 通过Kirkendall效应，实心的Co纳米粒子被氧化形成空心的CoO结构。图片来源：Science　　在氧化和还原的过程中，不仅仅是发生化学价态的变化，很多时候还会伴随着纳米粒子形貌的变化。十多年前，材料科学家们在制备Fe、Co纳米粒子的时候就发现这些实心的纳米粒子暴露空气后会逐渐被氧化，然后形成空心结构的CoO(Science, 2004, 304, 711)。这种现象可以用Kirkendall效应来解释。同时这也说明在化学态变化的同时，物质也在纳米尺度发生迁移。上述现象目前在非贵金属体系中比较普遍 而在贵金属体系则比较少见。考虑到在催化反应中，不光是催化剂的表面性质对反应性能影响很大，催化剂活性组分的几何结构也有至关重要的影响。因此，对于在氧化-还原过程中形貌会有显著变化的非贵金属催化剂，借助一些原位表征手段研究纳米粒子在氧化-还原过程中的结构演变就是很有意义的课题。　　在2012年，来自美国Brookhaven国家实验室和Lawrence-Berkeley国家实验室的电镜科学家就借助环境透射电镜研究了CoOx纳米粒子被H2还原到金属Co纳米粒子的过程(ACS Nano, 2012, 6, 4241)。如图2所示，小颗粒的CoOx粒子在逐步还原的过程中会发生团聚，然后得到大颗粒的金属Co纳米粒子。图2. 通过原位电镜来观察CoOx还原到金属Co的过程。图片来源：ACS Nano　　对于单组份的Co纳米粒子，情况可能还相对简单一些。对于双金属甚至更多组分的非贵金属纳米粒子，在氧化-还原条件下他们的结构演变就会变得更加复杂和有趣。最近，在2012年工作基础上，美国Brookhaven国家实验室的Huolin L. Xin博士和天津大学的杜希文教授等科学家用原位透射电镜研究了CoNi双金属纳米粒子在氧化的过程中形貌的变化(Nat. Commun., 2016, 7, 13335)。图3. CoNi合金纳米粒子逐渐被氧化为多孔的CoOx-NiOx结构。图片来源：Nat. Commun.　　首先，作者考察了单个的CoNi合金纳米粒子在400 ℃下被氧化的过程。如图3a所示，实心的具有规则几何外形的纳米粒子是初始的材料。经过61秒后，在这个纳米粒子的棱角处可以观察到形貌的变化。随着时间的延长，可以明显的观察到表面形成了一层衬度较低一些的氧化层。经过了大概十分钟后，整个纳米粒子的形貌已经发生了显著的变化，说明Co和Ni在氧化的过程中不是静止的，而是在运动。再经过一段时间，实心的纳米粒子就会呈现一种核壳结构出现了氧化层和金属内核之间的明显界限。如果延长粒子在氧气气氛中的时间，金属态的内核会进一步的被氧化，直到变成一个具有多孔性质的氧化物结构(如图3b和图3c所示)。为了考察在氧化过程中Co和Ni两种元素的分布情况，作者对中间形成的结构进行了EELS elemental mapping。如图3所示，本来是充分混合的CoNi合金粒子经过氧化后，发生了部分的分离。在氧化后的粒子上，可以看到在表面形成了一个富含Co的薄层。在原文中，作者对这个氧化过程进行了三维的元素分析，确认了Co和Ni发生了空间上的部分分离。　　为了解释在原位电镜实验中观察到的现象，作者对这个氧化过程进行了理论上的计算和分析。通过经典的固体物理和物理化学的理论，作者比较了Co和Ni的氧化趋势的强弱，发现Co更容易被氧化。同时，作者还考察了Co和Ni在氧化过程中的速率，发现Co具有更前的结合O的能力，也更容易在氧化的过程中发生迁移。这样结合起来就解释了在原位电镜实验中观察到了Co和Ni发生部分的分离的现象。　　总的来说，这项工作发现了非贵金属纳米粒子中一些有趣的现象。而这些现象其实和催化过程都是有紧密的关系，可以帮助我们更好的理解非贵金属催化剂在氧化-还原条件下的一些行为。

研究人员发现新型光伏纳米粒子可以发射相同的光子流。图片来源：美国《每日科学》网站据最新一期《自然光子学》杂志报道，美国麻省理工学院研究人员证明，新型光伏纳米粒子可发出单一的、相同的光子流，这可能为研发新的量子计算技术和量子隐形传态设备铺平道路。量子计算的大多数路线使用超冷原子或单个电子的自旋作为量子比特，以构成此类设备的基础。大约20年前，一些研究人员提出使用光作为基本量子比特单位的想法。这样做的好处在于无需再使用控制量子比特的昂贵而复杂的设备，只需要普通的镜子和光学探测器。研究人员表示，有了这些类似量子比特的光子，就可用家用线性光学系统建造一台量子计算机。因此，这些光子的准备是关键，他们最终选择了铅－盐类钙钛矿纳米颗粒。纳米颗粒形式的卤化铅钙钛矿有着极快的低温辐射速率，光发射得越快，输出就越有可能具有定义明确的波函数，因此，快速的辐射速率使卤化铅钙钛矿纳米颗粒能够发射量子光。为了测试它们产生的光子是否真的具有这种特性，研究人员采用了标准测试，即检测两个光子之间的洪－欧－曼德尔干涉。在没有任何辐射增强或光子结构的情况下，结果显示出高达0.56±0.12的校正可见度。这些结果证明了钙钛矿纳米晶体作为不可区分的单光子的可扩展胶体源的独特潜力。