人类活动释放的金属纳米颗粒不可避免地进入水环境中。大量研究表明,金属纳米颗粒会对水生生物产生生殖毒性和遗传毒性等,金属纳米颗粒还可能沿着食物链传递,对环境生物和人类健康造成威胁。细胞内金属纳米颗粒定量分析是研究金属纳米颗粒生物效应的重要基础。此外,单细胞之间存在异质性,具有特殊生理特性的细胞个体可能影响细胞群体的命运。而基于细胞群体平均值的定量分析则忽略了细胞个体的异质性,遗漏了对群落具有重要功能的细胞群体信息。因此,在单细胞水平上定量分析水环境中底层营养级的单细胞微生物细胞内金属纳米颗粒,对认识金属纳米颗粒与水生生物的相互作用,评估其进入食物链的潜在风险至关重要。本文梳理了已用于单细胞水生生物体内金属纳米颗粒的单细胞定量分析方法,阐述了它们的工作原理和在相关研究中的应用,总结了各方法的优缺点,期望为今后相关研究的方法选择提供参考,最后展望了该领域未来的研究方向。

手性无机纳米材料因为具有优异的光物理特性及广泛的应用价值而备受关注。通过采用手性配体对无机纳米材料的表面进行修饰或将无机纳米材料与手性模板进行组装获得的手性结构,可以与光子强烈作用引起偏振态的改变,产生圆偏振光(circularly polarized light, CPL)。从产生机理来讲,CPL主要包括圆偏振荧光和圆偏振散射,在一些情况下这两个机理是共存的。本文总结了硫族半导体纳米材料、金属纳米团簇、钙钛矿、镧系配合物及其他复合纳米材料中CPL的研究进展。此外,还讨论了不同的手性无机纳米材料中CPL的主要来源。本综述得出的结论有望在分子水平上实现对CPL活性材料的各向异性因子进行调控,促进其在量子计算、光学数据存储、信息加密、3D显示器和光学传感等多个领域的发展。

NADH依赖的氧化还原酶广泛应用于精细化学品合成和手性药物开发等领域。NADH作为还原当量在氧化还原酶催化过程中起着关键作用。鉴于高成本NADH的计量性使用,寻求绿色、经济和高效的NADH再生策略是该领域的研究热点和难点。近年来,光(电)催化NADH再生受到了广泛的关注。本文从模拟自然界光合作用的Z机制出发,基于光(电)催化辅酶再生过程中的光诱导电子转移、空穴捕获等关键问题,总结了NADH再生领域的相关工作,为进一步设计高效的辅酶再生体系提供了研究思路。本文最后还简介了NADH依赖的光-酶协同催化的研究进展,并对仿生光催化辅酶再生体系面临的挑战和光-酶偶联的发前景展进行了讨论与展望。

有机碳材料因电荷传导效率高、结构可调、无污染等特点被广泛应用于光电催化领域。将含有机碳材料的催化剂作为电极材料已成为光电催化领域的研究热点之一。本文介绍了几种常见的有机碳材料的结构、特点、制备方法及其研究方向,并将含有机碳材料的电极进行分类。主要总结并论述了有机碳材料在光电催化系统中的五种作用:(1)作为催化剂;(2)作为光敏剂(3)作为电子介质;(4)作为催化剂载体;(5)作为光电极的稳定剂,最后阐述了有机碳材料在光电催化系统中的研究现状及难点问题。

单原子催化剂具有高原子利用率、高催化活性和高选择性等优点,兼具了均相催化剂“独立活性位点”和非均相催化剂“易循环利用”的特点,有效解决贵金属昂贵稀少的缺陷。其中载体不仅能影响单原子的稳定性,还影响其电子结构,从而影响催化性能。作为一种新型二维无机材料,MXene具有比表面积大、带隙可调、导电性好和螯合位丰富等特点,是制备单原子催化剂的理想载体材料。本文简要总结了MXene的结构特点,综述了MXene基单原子催化剂的制备策略,并着重介绍了MXene基单原子催化剂在电化学能源转换领域的应用,包括析氢反应、氧电极反应、氮还原反应、二氧化碳还原反应,以及在电池储能方面的应用。最后,总结了当前MXene基单原子催化剂在研究和实用方面所面临的挑战与机遇。

肽基材料由于其与蛋白质高度相似和结构可控等优势,是构建人工模拟酶的一种理想材料;此外,小肽中氨基酸排列的多样性、序列的自组装特性、纳米结构稳定性、结构简单易于设计、良好生物相容性等优势,使得构建具有高效催化活性的肽基模拟酶具有非常好的应用前景。利用肽基材料通过理性设计活性位点来构建模拟酶具有多方面优势:(1) 氨基酸序列可以直接从天然酶中的活性位点获得,保留酶的功能,但降低了酶固有的复杂性;(2) 肽序列中可以嵌入各种具有特定结构及功能的活性位点,便于对模拟酶进行人工理性设计;(3) 肽具有良好的生物相容性,可以在温和条件下催化反应进行。根据催化降解化学键的不同,可将肽基水解模拟酶分为以下几种:催化酯键降解的肽基模拟酶、催化肽键降解肽基模拟酶、催化糖苷键水解的肽基模拟酶。本文主要分析了具有水解酶活性的肽基模拟酶的活性来源、构建方法及微观结构、催化反应类型、催化影响因素、活性改善方法、作用机理及未来潜在应用等;以期为构建具有高效水解催化活性的模拟酶提供借鉴,推进肽基水解模拟酶的研究发展及实际应用。

金属有机框架(MOFs)材料因其丰富的拓扑结构和有序的孔洞结构被广泛关注,近年来人们按照其不同的应用前景分别进行了综述。尽管金属中心与有机框架材料的结构及性能有着密切联系,目前针对某种特定中心金属的金属有机框架材料的梳理还较少。金属铋是唯一一种具有较大丰度、低毒性的绿色重金属元素,铋基金属有机框架(Bi-MOFs)也因此在MOFs中脱颖而出,并具有广泛的应用。由于铋盐易水解的特性,在水相中合成铋基金属有机框架材料一直是一个挑战,所以对于Bi-MOFs的开发仍然处于开始阶段。本文介绍了近年来有关Bi-MOFs常用的合成配体以及一般的合成方法,综述了Bi-MOFs在光、电催化等领域的研究进展及其在药物载体、气体吸附剂及电极材料方面的应用概况。对存在的问题进行总结并提出可能的解决方法,对未来研究和应用提出展望,以推动Bi-MOFs材料的进一步研究与运用。

吸附分离过程具有高效率、低能耗等特点,广泛用于石油、化工、制药、环保等诸多领域。其中,吸附分离材料的结构特点(如比表面积、孔径、孔体积、表面官能团等)对吸附分离效果起决定性作用。金属有机骨架(MOF)材料具有优异的孔结构特点,同时其表面还具有丰富的官能团(—NH₂、—CHO等),易于后修饰功能化并赋予其特定的功能,从而增强MOF材料与吸附质之间的相互作用,实现较高的吸附容量和分离选择性。以此为导向,本文首先概括了氨/醛基MOF材料的合成策略,总结了亚胺共价后修饰MOF (ICPSM-MOF)材料的研究进展,并重点介绍了这类材料在气、液相吸附分离领域的应用,最后分析了当前ICPSM-MOF材料面临的困难与挑战,并对其未来研究方向进行了展望。

自2008年咔唑的有机室温磷光(Organic Room-Temperature Phosphorescence, ORTP)被证实后,以咔唑单元构建ORTP材料成为一种行之有效的方法,并发展出一系列结构多样、性能优异、应用广泛、极具代表性的ORTP材料体系。本文首先总结了改善ORTP材料磷光性能的三种策略,即H-聚集体、重原子效应和给受体结构。在此基础上,系统梳理了晶态咔唑类有机室温磷光材料的研究进展,介绍了通过上述三种策略,抑制三重态松弛、增强自旋轨道耦合,以及减小单重态-三重态能级差、增强分子间电荷转移相互作用力,从而稳定三重激发态、增加系间窜越速率、促进磷光发射,最终实现长寿命高效率晶态咔唑类ORTP材料。最后,介绍了ORTP材料在防伪、信息安全和生物成像等领域的应用。

人造细胞是模拟生物细胞结构,人工构建的与细胞功能相近的微米囊泡。人造细胞的构建主要有两种模式:自上而下模式主要利用生物学方法对生物基因序列进行重新设计,获得具有细胞类似结构功能的人造细胞;自下而上模式主要利用化学方法采用非生命物质构筑简化的细胞结构模型。自下而上化学模式构建的人造细胞大多只包含执行所需功能的最小单元,具有简单的细胞仿生的结构与功能。本文详细综述了人造细胞的构建模式以及化学构建人造细胞的常见类型,包括脂质囊泡、蛋白体囊泡、聚合物囊泡、凝集体液滴和胶体囊泡等,总结了人造细胞在分析传感、细胞结构与功能模拟、生物载体转运、微纳米反应器、疾病诊疗方面的生物医学应用现状。

Janus粒子通常由两种或两种以上不同物理或化学性质的部分组成,其结构的不对称性导致了粒子形貌和性质具有不对称性。与“静态”Janus粒子相比,具有刺激响应性的“动态”Janus粒子能够与环境发生相互作用,在外界刺激下表达特殊功能。光响应Janus粒子是一类可以在光刺激下发生特定响应的Janus粒子,其两侧不同的组成不仅可以结合多种类型的光响应性,也能与其他类型的刺激响应进行配合,从而实现对特定体系的精确调控。由于光能易于调节的特性,光响应Janus粒子可以与无机纳米团簇或有机官能团产生特定反应,具有光热效应、色彩调节、光动力治疗等独特特性。它们还可以应用于药物递送、生物传感与成像、微纳米马达和光致发光等领域,为解决生物医学和光学器件相关的问题提供了新的方法。本文主要介绍光响应Janus粒子近期发展的制备方法,并着重阐述其独特调控机理以及其在生物医药、发光材料等领域的突出应用,最后对目前该领域的发展前景做出展望。

光动力治疗是一种基于光敏剂和光照的安全无创性治疗方法,在癌症治疗和杀菌等方面具有广阔的应用前景。光敏剂在光照激发下与氧气作用会生成高反应活性的活性氧。在细胞中过量的活性氧会氧化损伤蛋白质、核酸和脂质等细胞组分,诱导细胞凋亡或坏死。新兴的聚集诱导发光型光敏剂在分子聚集状态下光照激发能发射强的荧光,同时高效地产生活性氧,解决了传统光敏剂在分子聚集时荧光猝灭的问题,易实现成像指导的光动力治疗,近年来备受关注。线粒体作为细胞能量工厂富含氧气,是理想的光动力治疗靶点。本文总结了靶向癌细胞线粒体的聚集诱导发光型光敏剂的分子类型和设计策略,以及其在光动力治疗肿瘤方面的应用。

随着经济的飞速发展,社会对能源的需求日益扩大,对工业废水的无害化处理也提出了更高的要求。光催化燃料电池 (photocatalytic fuel cell, PFC) 在燃料电池中引入半导体光催化材料作为电极,实现了有机污染物高效降解和同步对外产电的双重功能,在废水无害化与资源化利用方面具有潜在的应用价值。半导体光催化电极是PFC系统高效运行的核心组件,增强其可见光响应和光生载流子分离是提高PFC性能的关键策略。反应器结构设计和运行参数优化也有利于改善PFC性能。本文从PFC基本原理和应用入手,综述了PFC在环境污染物资源化处理中的研究进展,并详细阐述了提高PFC的污染控制性能和产电效率的优化手段,为进一步设计高效稳定的PFC系统并实现其在水污染控制和清洁能源生产中的应用提供理论指导。

锂硒电池因其高能量密度、高体积比容量和适中的输出电压等优点而成为备受关注的二次电池。然而,由于穿梭效应、较差的导电性、低活性物质利用率以及较快的容量衰减等问题,锂硒电池的实际应用受到了极大的阻碍。近些年,研究人员深入研究了锂硒电池的充放电机理,同时也探索了各种碳材料、金属化合物等新材料作为正极载体、中间层和电解液添加剂对于电化学性能的影响。本文系统地总结了锂硒电池的电极材料、中间层和添加剂等的研究进展,并且重点介绍了在充放电机理和系统优化方面的进步,以期为锂硒电池的进一步发展提供新的思路。

耐药性细菌和生物膜相关的感染性疾病严重威胁全球公众健康。随着纳米技术在抗菌领域的渗透和发展,研发基于无抗生素的新型纳米抗菌剂在避免耐药性产生以及抗菌治疗方式的选择方面提供更多可能性。本文从细菌耐药性的产生机制出发,阐述利用纳米材料自身独特的理化性质,实现自体抗菌;作为纳米酶,利用类酶活性催化底物产生活性氧簇(ROS)等抗菌;随后讨论了构建随内源性/外源性环境刺激响应,以及协同多种新型治疗方式的智能纳米抗菌剂,实现高效抗菌。最后,提出了目前面临的挑战及临床应用前景,为开发更加安全、高效的纳米抗菌剂提供借鉴。