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Introduction to the laboratory

2024年夏令营期间对我们团队感兴趣的同学可以加入如下群聊,以便了解团队情况或者预约与导师面谈。

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中国科学院长春应用化学研究所/中国科学技术大学应用化学与工程学院牛文新研究员招收优秀硕士研究生(保送及统考)

 

牛文新,研究员、博士生导师、国家级人才计划(青年)入选者。2004年在中国科学技术大学高分子科学与工程系获学士学位,2010年在中科院长春应化所获理学博士学位。博士毕业后,先后在美国佛罗里达大学(合作导师:W. David Wei教授)、新加坡国立大学(合作导师:Xianmao Lu教授)、和南洋理工大学(合作导师:张华教授)从事博士后研究。2018年12月回到中科院长春应化所工作至今,现为电分析化学国家重点实验室研究员。研究团队目前主要研究方向是纳米表界面化学,包括纳米分析化学、手性界面化学、纳米界面催化、纳米精准合成、等离激元材料、环境纳米技术等。牛文新研究员从事科研工作以来已发表学术论文100余篇,其中包括以第一/通讯作者发表的论文J. Am. Chem. Soc. 5篇、Adv. Mater. 2篇、Angew. Chem. Int. Ed. 1篇、 Nat. Commun. 1篇,Nano Lett. 2篇,Small 4篇。参与撰写英文专著2章,获得中国专利4项。论文SCI引用8000余次,研究成果被美国化学会C&EN News,德国化学会Nachrichten aus der Chemie等杂志作为研究亮点进行了报道和评述。课题组发展的纳米合成方法处于世界领先水平,受到国际同行广泛认可,已获得国内外70多个研究组在Science和Nat. Mater.等110多篇论文中直接采用。

课题组已形成合理的科研团队,其中具有博士学位的人员包括研究员1名、副研究员2名、特别研究助理1名。目前课题组承担国家级人才计划(青年)经费、中科院人才匹配经费、国家自然科学基金面上和青年项目、以及吉林省自然科学基金等项目。课题组有完备的纳米材料设计合成、组装、以及光学和电化学应用的配套设施,包括Schlenk line合成系统、水热及溶剂热合成、光化学合成系统等,自有台式快速扫描电子显微镜, LB(Langmuir-Blodgett)膜分析仪,单粒子成像系统, Thermo Scientific气相色谱仪TRACE GC Ultra、气体敏感传感器测试系统、上海辰华电化学工作站若干台、油浴/水浴若干、高速离心机若干、氙灯、激光器等。

研究生教育方面,长春应化所与中国科学技术大学共建中国科学技术大学应用化学与工程学院,按中国科学技术大学招生、培养和授予学位。课题组共有两个招生专业,保送生与统考招生名额共为2-3人:

1. 理学-分析化学专业,研究方向为纳米分析化学,包括手性界面分析化学、纳米酶合成与应用、等离激元增强光谱等。

2. 工学-材料化学工程专业,研究方向为功能纳米材料,包括纳米催化材料、纳米传感材料、纳米光学材料等。

研究所及课题组提供非常有竞争力的研究生补助,欢迎全国具有化学、材料和物理光学以及化学工程类专业的优秀学子保送或报考,随时欢迎咨询。有意保送或报考的优秀学子可直接扫描下图二维码或发邮件至niuwx@ciac.ac.cn咨询。

 

等离激元手性超材料的设计合成与光学传感

表面等离激元(surface plasmon)是一种光与物质相互作用的特殊现象,已发展成一个新兴的学科:等离激元光子学。手性等离激元是手性科学与等离激元光子学的交叉研究方向,创造了众多超越传统光学材料性质的新颖材料——等离激元手性超材料(plasmonic metamaterials)。等离激元手性超材料在提高化学传感灵敏度和品质因子方面具有重要的研究意义。其中,探索具有手性特性和传感能力的手性超材料合成方法对于构建丰富传感体系,并深入了解其传感机制,是亟待解决的科学问题。

氢气传感手性等离激元Au@Pd超材料:近年来,具有三维本征手性结构的金属helicoid纳米颗粒已经成为一类具有杰出手性等离激元性质的新型等离激元材料,然而它们在手性等离激元传感方面的能力仍不清楚。我们首次设计合成了Au@Pd helicoid核壳纳米材料,保持了helicoid的手性形貌并集成了Pd的传感能力。基于Au@Pd helicoid纳米颗粒暴露于氢气时由钯到钯氢化合物的相变引起的光谱位移成功构建了手性等离激元氢气传感平台。作为手性等离激元超材料,Au@Pd helicoid纳米颗粒在可见光区表现出灵敏度更高的手性等离激元氢气传感性能,圆二色光谱的位移值近似是消光光谱的3倍,最大位移高达206.1 nm,超越了所有在可见光区的等离激元氢气传感器。这不仅推动了高灵敏的等离激元氢气传感器的发展,也为利用helicoid纳米颗粒进行手性工程来构筑丰富的手性等离激元传感超材料提供了机遇。此外,Au@Pd helicoid纳米颗粒作为手性等离激元氢气传感平台时表现出更高的品质因子,在1.5-6.0%氢气浓度范围内具有良好的线性关系,优异的循环性能以及良好的选择性。基于该手性等离激元氢气传感平台,我们首次发现碘离子能够减缓氢气吸附和脱附动力学,进一步表明了Au@Pd helicoid纳米颗粒作为手性等离激元氢气传感平台的可用性,也对设计理想的氢气传感器以及稳定的钯氢化合物具有指导意义。相关结果发表在《Advanced Materials》(2023, 34, 2305429)。

手性纳米界面的精准构筑与手性识别研究

手性广泛存在于自然界与生命体中,许多重要的化合物如核酸、酶、氨基酸和糖都具有手性,这些手性化合物所具有的不对称结构在维持生命过程中起着决定性的作用。在生命过程中,各种生物与化学反应的发生均伴随着手性识别。构建手性识别材料和发展手性识别方法不仅对生命过程、药物和酶的作用机理有重要意义,而且在化学领域的手性药物拆分和对映体识别与分离等领域都具有重要的应用。

单手性晶面的精准构筑与电化学手性识别:手性表面在许多重要的对映选择性化学过程中广泛应用。其中,具有本征手性的金属表面具有出色的稳定性,被视为发展对映选择性表面化学的理想候选者。然而,如何可控化学合成单手性金属表面极具挑战,已成为对映选择性表面化学领域的关键挑战之一。我们首次发展了合成具有精确单手性晶面的手性金纳米颗粒的湿化学方法。以半胱氨酸作为手性诱导剂,我们揭示了一条新的手性纳米晶体生长途径,可以选择性地合成具有同手性R和S晶面的手性三八面体金纳米颗粒,其单手性晶面具有精确的米勒指数。此外,我们还首次考察了单手性晶面金纳米晶对映选择性识别特性,实现对L-/D-色氨酸的高效手性区分的电化学方法。我们进一步合成了其他本征手性表面的金纳米晶,并通过异质外延生长策略首次将本征手性金属纳米晶的合成扩展到钯元素,并基于这些手性材料开发了一系列用于手性识别的电化学传感器,实现多种手性分子的手性识别。其中异质外延生长策略有望大大扩展本征手性材料的种类,为利用具有本征手性的纳米材料构建手性传感器提供了广阔的前景。相关结果发表在Nano Lett., 2022, 22, 2915-2922; Sens. Actuators B Chem., 2022, 362, 131757; 以及Rare Metals, 2023, 42, in press上。

 

等离激元耦合圆二色光谱用于手性信号放大:纳米材料中的局域表面等离激元可通过将电磁辐射聚焦到小于入射辐射波长的尺寸,从而实现巨大的局域场增强。因此,等离激元在增强光-物质相互作用方面也被引入圆二色谱中,以提高耦合体系的手性信号强度。目前,该技术仍存在手性信号增强倍数较低和稳定性差等问题。为了解决增强倍数低的问题,我们系统地研究了不同形貌银纳米粒子与手性硫醇耦合体的圆二色信号强度,阐明了纳米粒子的各向异性对增强效果的影响,证实了离散的银纳米棒作为手性放大器实现了前所未有的3000多倍的增强倍数,这为开发用于手性识别的超灵敏传感方法开辟了新的可能性。为了解决稳定性差的问题,我们提出手性分子包埋在Ag纳米粒子的策略。研究表明,手性分子的包埋显著增加了手性分子与Ag纳米粒子之间的耦合,实现了相较于手性分子超过4900倍的高手性放大。更为重要的是,半胱氨酸包埋的Ag纳米粒子的CD信号在储存三个月后几乎没有变化,这也得益于我们所发展的包埋策略能够有效防止手性分子的脱落。我们的方法将为设计具有高手性放大和优越稳定性的新型等离激元耦合CD体系开辟新的可能性并奠定基础。相关结果发表在Chem. Commun., 2021, 57, 7390-7393;Chem. Mater., 2023, 35, 3226-3235。

纳米酶界面催化反应原理与活性提升策略

纳米酶作为一类新兴的人工酶,与天然酶相比,具有高稳定性和低廉制造成本等显著优势,在构建生物传感器等领域体现出广泛且重要的应用价值。

纳米酶界面催化反应原理研究:纳米酶界面催化机理研究对指导高活性和特异性纳米酶的制备至关重要。基于此,我们对纳米酶催化氧化邻苯二胺(OPD)氧化的过程和机理进行了深入研究,并发现了其与天然酶催化过程明显不同的机理。酶催化OPD的反应是确定酶活性的标准方案之一,但在纳米酶领域,学术界仍沿其在天然酶领域的基本催化原理。我们结合傅里叶变换红外光谱、核磁共振、电喷雾电离质谱和电子显微镜提供的可靠依据,确定在多种纳米酶的表面发生了OPD的聚合,并导致在纳米酶上形成了致密的聚邻苯二胺(POPD)包覆层,改变了纳米酶的固有特性。该项研究突出了在催化反应中监测纳米酶表面变化的重要性,并表明在多相催化中结合使用表征技术可能有益于纳米酶催化机制的研究及其真正催化活性位点的鉴定。该结果发表在Small, 2021, 17, 2104083。

 

纳米酶界面催化活性提升策略:提高纳米酶的催化性能对于其在生物分析、癌症治疗和环境管理中的广泛应用至关重要。我们提出了通过引入亲氧性金属来提升钯基类过氧化物酶活性的新策略。基于我们发展的UPD策略,我们成功将铋引入钯基纳米晶之中,获得了一系列形状和成分可调的PdBi合金纳米晶。亲氧性Bi可促进Bi-(OHads)3的形成,有利于H2O2的键合,降低进一步分解生成*OOH中间体的势垒,从而获得活性显著高于纯钯的过氧化物酶纳米酶。在PdBi纳米酶的基础上,我们设计了一种检测碱性磷酸酶的间接比色法,其具有良好的线性范围和较低的检测限。该工作不仅发现了UPD合成新体系,更提出了通过引入亲氧元素来提高纳米酶性能的新方法,为设计合成金属基纳米酶提供了新的思路。该研究结果发表在Small, 2023, 19, 2205997。

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