超分子材料与分子纳米器件团队在“分子识别与精准测量”方向取得重要研究进展

jianchi

国家基金委重大项目指南指出“如何实现在单分子尺度上揭示分子的结构和物性、分子间相互作用本质以及分子化学反应机理是现代化学发展的核心科学问题之一。这不但对实验技术发展是一个重大的挑战，也是丰富和发展基本化学理论的重要机遇。”我校“超分子材料与分子纳米器件团队”基于分子识别概念，致力于设计高灵敏分子识别探针，建立精准、快速和高灵敏的检测方法与原位表征技术，为监测分子间动态相互作用及精准诊疗提供科学和技术支撑。该团队近期取得了阶段性研究成果，在国际主流期刊发表系列研究论文。

        该团队基于葫芦脲分子与金属和客体分子的结合特性，将客体分子引入葫芦[7]脲（CB[7]）与金电极构建的“分子结”，发展了主客体相互作用的拉曼信号和隧道电流信号研究新方法。该团队创造性地构建了金纳米颗粒-葫芦脲分子-金纳米电极（NPoNE）模型，可以有效增强葫芦脲的C=O的拉曼信号，正电压可以有效增强金原子与羰基之间的相互作用。客体分子可以影响“分子结”的稳定性，也可以观察到客体分子在葫芦脲空腔内的“翻转”运动。研究表明，表面增强拉曼光谱技术（SERS）可以作为有效方法，监测主客体动态相互作用。研究论文“Observing Dynamic Molecular Changes at Single-Molecule Level in a Cucurbituril Based Plasmonic Molecular Junction”（https://doi.org/10.1039/D0NR03360J）在《Nanoscale》杂志发表。我校博士研究生艾秋爽和周疆豪为该论文的共同第一作者，常帅教授、梁峰教授与美国佛罗里达国际大学何劲教授为该论文的通讯作者。

        此外，葫芦脲分子可以让没有锚定基团的客体分子稳定在两个电极之间，并和两个电极通过较强的范德华力相互作用，最终形成稳定的电子传输路径。该方法为研究缺少锚定基团分子的电信号检测和表征提供了一种全新的方法，也为实现分子电路的高效电子传输开辟了一条新的途径。研究论文“Reliably Probing the Conductance of a Molecule in a Cavity via van der Waals Contacts”（https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpcc.0c02411）在《The Journal of Physical Chemistry C》杂志发表，并被选为封面文章。我校博士研究生黄明柱与青年教师孙铭骏为该论文的共同第一作者，常帅教授与美国佛罗里达国际大学何劲教授为该论文的通讯作者。
        受到“乐高”模块化设计理念的启发，在分子科学中，超分子化学通过非共价键作用实现了分子积木的可逆自组装。其中，超分子框架以其周期性的多孔结构、较大的比表面积等特点，在气体吸附与分离、催化及生物医药等领域展现出了广泛的应用前景。该团队通过二十面体硼簇（B12）与葫芦[8]脲（CB[8]）之间独特的“离液效应（chaotropic effect）”，制备了一种分子积木型超分子框架材料，并将其应用于智能光动力学治疗，极大地提升了超分子框架材料的制备效率和应用范围。该研究通过模块化的设计理念，在分子层面上制备具有多种功能的超分子自组装体，对于同类多功能材料的开发和应用有着重要的启示作用。研究论文“Modular Design of Supramolecular Organic Frameworks for Image-Guided Photodynamic Therapy”（https://doi.org/10.1002/adfm.202004452）在《Advanced Functional Materials》杂志发表。论文第一作者为青年教师王雯静，通讯作者是刘思敏教授、“生物物理化学与催化团队”刘义教授和“先进材料与人工智能微生物团队”王晓强教授。

        该团队也将单分子力谱（SMFS）和识别隧道电流（RT）技术应用于分子界面主客体相互作用研究，分别实现力、电、光单分子技术监测主客体动态相互作用。研究论文“Regulating Host-Guest Interactions between Cucurbit[7]uril and Guests on Gold Surfaces for Rational Engineering of Gold Nanoparticles”（https://doi.org/10.1021/acsanm.0c00435）在《ACS Applied Nano Materials》杂志发表；“Observing Host-Guest Interactions at Molecular Interfaces by Monitoring the Electrochemical Current”（https://doi.org/10.1021/acsomega.0c01077）在《ACS Omega》杂志发表；“pH-Mediated Single Molecule Conductance of Cucurbit[7]uril”（https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fchem.2020.00736）在《Frontiers in Chemistry》杂志发表。这些研究结果为设计新型力、电、光超分子材料奠定了坚实的基础。
        上述论文第一单位为武汉科技大学省部共建耐火材料与冶金国家重点实验室。研究工作得到国家高层次人才计划、国家自然科学基金、湖北省楚天学者计划、湖北省高等学校优秀中青年科技创新团队项目、省部共建耐火材料与冶金国家重点实验室、武汉科技大学人才/团队培育基金、武汉科技大学研究生短期出国访学项目、武汉科技大学研究生创新创业项目的资助。（超分子材料与分子纳米器件团队）


       文章来源：武汉科技大学