纳米人-顶刊日报丨9篇JACS，杨金龙院士、任斌、陈鸥、伍志鲲、杨丹等成果速递20200612

顶刊日报丨9篇JACS，杨金龙院士、任斌、陈鸥、伍志鲲、杨丹等成果速递20200612

纳米人 2020-06-12

1. PNAS：利用纳米颗粒递送免疫刺激寡核苷酸可增强检查点抑制剂的治疗效果

免疫检查点抑制剂(CPI)抗体已被证明可以用于癌症治疗，但这一疗法的疗效仍然有限。一系列在人类患者和动物模型上的研究表明，局部信号可在肿瘤内产生强烈的免疫抑制微环境。最近的研究结果表明，将免疫刺激分子递送到肿瘤内可产生一定的治疗效果。有鉴于此，麻省理工学院Sangeeta N. Bhatia教授开发了一种模块化纳米颗粒系统，它能够封装免疫刺激寡核苷酸并在体外的免疫细胞中激活炎症信号。

本文要点：

1）这些免疫刺激性纳米颗粒可以通过在体内激活信号来抑制肿瘤生长，从而提高治疗对象对于免疫检查点抑制剂抗体治疗的响应性。

2）研究发现，该工程纳米颗粒可作为CpG DNA配体TLR9的载体，进而在多种癌症动物模型中抑制肿瘤生长，并会对远处肿瘤产生远端效应，其在被瘤内给药后可通过协同效应提高治疗对象对于antiCTLA4治疗的响应性。而通过结合肿瘤归巢多肽，该免疫刺激性核苷纳米颗粒在被静脉注射后也能产生显著的抗肿瘤效果。

Colin G. Buss. et al. Nanoparticle delivery of immunostimulatory oligonucleotides enhances response to checkpoint inhibitor therapeutics. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2020

https://www.pnas.org/content/early/2020/06/02/2001569117

2. JACS：金纳米颗粒中的结构振荡

振荡是自然界中一种有趣的现象。然而，由于原子级的结构解析困难，尚未在半导体纳米颗粒中发现结构振荡。金纳米团簇（超小型纳米颗粒）为解决纳米颗粒领域的一些难题提供了极好的机会。近日，中科院固体物理所伍志鲲，中科大杨金龙等报道了Au₂₈（CHT）₂₀（CHT：环己硫醇）团簇异构体（Au_28i和Au_28ii）之间的结构振荡。

本文要点：

1）作者采用类反伽伐尼法合成了两个团簇异构体（Au_28i和Au_28ii），这两个团簇可以通过溶解和结晶过程，实现多次可逆相互转化。

2）实验发现，从Au_28ii到Au_28i的转变取决于溶剂介电常数，并具有明显的CH₂Cl₂同位素效应。

3) 此外，这两种异构体具有明显不同的荧光性质，这不仅对结构-性质相关性具有重要意义，而且在转换，传感等方面具有潜在的应用。

Nan Xia, et al. Structural Oscillation Revealed in Gold Nanoparticles. J. Am. Chem. Soc., 2020

DOI: 10.1021/jacs.0c02117

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c02117

3. JACS：界面Plasmonic作用传感用于溶液浓度测试

Plasmonic传感器在超灵敏的化学/生物分析中有广泛的应用前景，但是通常得到plasmonic相关结果，包括折射率（refractive index）和plasmonic峰之间的非线性相关关系、超出理论预期的高灵敏度。通过溶液中的分子吸附在界面上，对界面上折射率产生了一定影响（界面上分子排列密度、排列方向的变化），因此界面上和体相中的折射率发生明显区别。当溶液中的分子浓度较低时，界面上和体相中的折射率随浓度变化，并导致折射率的变化情况非常复杂。当溶液中的分子浓度较高时，体相折射率的变化和浓度线性相关。

这种过程导致通过体相折射率的测试不不能很好的展现出实际情况。因此，基于界面上的折射率的plasmonic传感器有一定的应用前景。厦门大学任斌等通过相关实验对界面上的折射率现象和其应用进行研究。

本文要点：

实验内容。构建了六方Au的阵列结构的plasmonic传感器，对不同浓度的甘油溶液进行测试。界面上的吸附在高灵敏度测试待测物分子中起到关键作用，并建立了描述界面上的折射率（refractive index）的定量分析方法。对plasmonic传感器中测试结果测试得到的界面折射率和理论计算结果之间的区别，为plasmonic系统更接近实际情况的模拟给出了方案。此外，由于固液界面/气固界面上广泛存在着吸附现象，这种界面折射率能应用在电介质谐振器传感器中，并且能够描述光/物质在界面上的相互作用。

Chao Zhan, et al. Determining the interfacial refractive index via ultrasensitive plasmonic sensors, J. Am. Chem. Soc. 2020

DOI：10.1021/jacs.0c01907

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c01907

4. JACS：ZIF-Ag-巯基苯酚体系温和条件Kolbe-Schmitt反应

南洋理工大学Xing Yi Ling、波士顿学院Chia-Kuang Tsung等设计了一种复合结构催化剂，在金属有机框架化合物MOF中负载金属纳米粒子，进而实现了苯酚芳环上和CO₂反应得到对应的羧酸，作者原位观测了反应中的选择性，通过Kolbe-Schmitt反应模型，作者发现纳米金属粒子/MOF界面上产生了CO₂的高压微环境，进而在温和条件中能够和CO₂反应生成羧酸分子。与之相比，正常条件中，Kolbe-Schmitt反应的发生通常需要在＞125 ℃和＞80 atm的条件中进行反应。特别是，作者发现芳烃和CO₂能够进行传统的Kolbe-Schmitt反应中无法进行的反应过程（在间位而不是在邻位进行羧酸化）。本文为有机合成反应、温室气体的消除提供了相关经验。

本文要点：

作者通过具有CO₂吸附作用的ZIF和Ag构建了反应体系，通过SERS作用监测反应过程中变化过程。具体的，作者对121±5 nm的Ag纳米粒子上通过Ag-S键合作用负载单层的巯基苯酚分子。随后在负载巯基苯酚的Ag上包覆ZIF。观测到1 atm CO₂和25 ℃中能够在巯基苯酚的芳环上修饰羧酸根。进一步的，作者发现该过程在间位上修饰羧酸根，而不是通过通常的Kolbe-Schmitt反应在邻位上修饰羧酸根。在间位进行羧基化的反应原因有两点：Ag-巯基苯酚通过与酚羟基和ZIF中的Zn形成Zn-O键，抑制了和CO₂在邻位上形成六元环状中间体的过程（未有ZIF修饰的材料中，则会进行传统的邻位Kolbe-Schmitt反应）；由于附近有能够接收电子的Ag纳米粒子，间位取代的羧酸根上较多的电子能够离域到Ag上进而得以稳定。DFT计算结果显示，间位单取代/双取代产物的生成Gibbs自由能分别降低了48 KJ/mol、109 KJ/mol。

Hiang Kwee Lee, et al. Applying nanoparticle@MOF interface to activate an unconventional regioselectivity of an inert reaction at ambient conditions, J. Am. Chem. Soc. 2020

DOI：10.1021/jacs.0c04144

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c04144

5. JACS：Mn-卟啉-MOF催化剂CO₂还原电催化剂表征

包括酶催化、合成催化等大量的系统中，通过自适应性调控能使其催化反应活性达到最大化。金属有机框架材料中有类似的作用，在受到客体分子反应后会发生结构上的变化。对其进行原位表征具有较大的挑战性，但是对理解材料的功能性并调控这种功能性有较大帮助。因此，蒙特利尔大学Nikolay Kornienko等通过对一种含有Mn-卟啉结构的MOF材料电催化过程中的动态变化过程进行表征。作者通过UVVIS、Raman、FTIR方法结合，发现Mn-卟啉催化剂在催化反应过程中发生了结构上的重构，在改变电压中发现Mn(III)/Mn(II)氧化还原过程中，配位结构、分子立体结构发生变化。此外作者通过实验中的结果和DFT计算结果相结合，发现Mn-MOF材料在电催化CO₂还原反应中的中间体物种，该研究结果为设计MOF材料的动态类酶电催化系统提供了经验。

本文要点：

1）催化剂制备。将TiO₂纳米粒子负载到干净的FTO玻璃上，随后在400 ℃中煅烧30 min。将负载了TiO₂的FTO玻璃浸泡在2-氨基乙基膦酸溶液中。之后，在0.1 mM Zn(NO₃)₂、Mn-卟啉、4,4’-联吡啶溶液中于40 ℃乙醇溶液中进行生长15 min并进行多次循环。通过类似的过程分别得到Co-卟啉、Fe-卟啉的MOF材料（将无金属的卟啉应用在MOF生长过程中，并随后将生长后的无金属卟啉浸渍到60 ℃的CoCl₂/FeCl₃乙醇中）。

2）在电催化反应过程中，Mn-卟啉结构会迅速发生还原和缓慢的氧化，同时结构中的羧酸根会发生重构，这项发现为MOF在结构动态调控催化剂中的应用提供了可能性，作者通过DFT模拟了反应中生成CO的反应机理。

通过UVVIS，作者发现Mn-MOF的吸收峰发生红移，并且吸收峰变宽，说明卟啉的配位环境发生变化。在N₂保护气氛中原位表征了电催化反应过程，结果显示Mn(III/II)的还原电势在-0.8 V附近。在0~-1 V的电压变化过程中对Mn(II)在442 nm附近的吸收峰进行表征，结果显示在1 min内就能够对Mn(III)有效的还原，但是Mn(II)的氧化需要更长时间，接近30 min。

Nina Heidary, et al. Electrochemically Triggered Dynamics Within a Hybrid Metal-Organic Electrocatalyst, J. Am. Chem. Soc. 2020

DOI：10.1021/jacs.0c04758

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c04758

6. JACS：无铅层状Cs₄CuSb₂Cl₁₂双钙钛矿纳米晶体

基于铅的钙钛矿的具有毒性，这引起了人们对无铅钙钛矿型材料的开发的极大兴趣。最近，理论计算预测，Pb²⁺阳离子可以被Cu²⁺和Sb³⁺阳离子的组合取代，以形成具有优异光电性能的空位有序的层状双钙钛矿结构。然而，这类钙钛矿型材料的难以获得，阻碍了它们在各种应用中的实际应用。近日，布朗大学陈鸥等首次报道了钙钛矿型Cs₄CuSb₂Cl₁₂纳米晶体（NCs）的胶体合成。

本文要点：

1）实验发现，合成的Cs₄CuSb₂Cl₁₂NCs具有层状双钙钛矿结构，并具有有序的空位和1.79eV的直接带隙。作者通过研究一系列Cs₄Cu_xAg_2-2xSb₂Cl₁₂钙钛矿型NCs（0≤x≤1），建立了组成-结构-性质的关系。

2）作者发现该材料可发生成分诱导的晶体结构转变，从而通过实验观察探索了其电子带隙演化，并通过理论计算进一步进行了证实。

3) 利用独特的电子结构和溶液可加工性的优势，作者成功将Cs₄CuSb₂Cl₁₂ NCs用作具有超快光响应和窄带宽的高速光电探测器。

该工作将促进未来的研究，以设计和制造新颖，高性能的无铅钙钛矿型NCs用于各种应用。

Tong Cai, et al. Lead-Free Cs₄CuSb₂Cl₁₂ Layered Double Perovskite Nanocrystals. J. Am. Chem. Soc., 2020

DOI: 10.1021/jacs.0c04919

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c04919

7. JACS：生物燃料电池中的发电药物释放

基于导电聚合物材料的自动化载药体系能够免于使用外部能源，在临床治疗上有重要的意义，位于爱尔兰的利莫瑞克大学Xinxin Xiao、Edmond Magner等通过锇的氧化还原分子协助的葡萄糖/O₂的酶催化燃料电池，同时在阴极表面负载一层导电聚合物。在酶催化燃料电池的放电工作中，能够将储存在导电聚合物层中的药物分子快速的释放。当电池不工作时，基本上没有药物分子的释放。作者对布洛芬IBU（ibuprofen）、荧光素FLU（fluorescein）、蓝色荧光团4'，6-二氨基-2-苯基吲哚DAPI（4',6-diamidino-2-phenylindole）三种模型药物分子的释放情况进行测试，并测试了组装到视网膜色素上皮组织中的DAPI在细胞中原位的释放过程。

本文要点：

生物电池系统构建。通过将Au/Ag合金在浓HNO₃中30 ℃中刻蚀30 min的方法制备孔径30 nm的多孔Au修饰的电极，随后将得到的多孔Au电极负载到玻碳电极上。分别制备NPG/Os(bpy)₂PVI-GOx和NPG/Os(bpy)₂PVI-Box生物电极。通过电沉积方法将负载有IBU药物分子的PEDOT层沉积到生物电极上；将负载有FLU或DAPI药物分子的PPy聚合物沉积到生物电极上。

Xinxin Xiao, et al. Enzymatic Biofuel Cells for Self-Powered, Controlled Drug Release, J. Am. Chem. Soc. 2020

DOI：10.1021/jacs.0c05749

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c05749

8. JACS：电催化偶联反应制备肼

肼是一种重要的化工原料和燃料，并在液体燃料电池中受到了广泛关注，在理论上通过氨的氧化偶联反应能合成肼，但是问题在于该反应的动力学和热力学限制。威斯康星大学麦迪逊分校Shannon S. Stahl等报道了三种不同的电化学反应过程，通过二苯甲酮亚胺的偶联反应进行合成反应，通过生成二苯甲嗪进而通过水解反应得到肼和二苯甲酮，并且能够通过回收循环反应。电催化N-N偶联反应包括三种不同的方法：phosphate base促进的氢耦合电子转移反应；包含N-I中间体的碘介导反应；Cu催化N-N偶联反应。通过分析这些反应中的热力学过程，作者发现在Cu催化或碘介导的反应中仅仅通过较低的过电势（η）（分别为：390 mV和470 mV）就得以进行，与之相比氢耦合过程的过电势更高（~1.6 V）。作者通过这种过程对NH₃合成N₂的反应进行测试。

本文要点：

1）氢耦合偶联反应优化。反应通过二苯甲基亚胺作为反应物，加入0.5倍量N(nBu)₃MeOP(O)(OBt)₂碱，0.1 M ⁿBu₄PF₆，在0.1 M CH₃CN/MeOH中的室温中和2 mA恒电流中反应，正负极分别选择石墨和Pt，在不分开的电解池中反应，优化后的反应中实现了84 %的N-N偶联产物收率。该反应中的碱对反应有较大影响，当碱选择NaOAc或4-MeO-PhCO₂Na，反应中未见产物生成。当碱选择三甲基吡啶（2,4,6-Collidine）、二甲基吡啶（2,6-Lutidine）时，反应的产率分别为35 %、10 %。

2）碘介导反应优化。在二苯甲基亚胺作为反应物，加入10 mol % KI，0.1 M KPF₆，正负极分别选择石墨和Pt，在0.1 M CH₃CN/MeOH溶剂中于室温中在5 mA电流中反应，以86 %反应产率生成亚胺偶联产物。当反应中通过ⁿBu₄NI作为催化剂，产率明显降低。降低KI的量，反应的产率同样降低（5 mol %、7.5 mol % KI时的反应产物收率为61 %、80 %）。反应中加入的MeOH量为8倍量。反应可能机理：I^-在正极氧化生成I₂，随后将反应物上的N-H键转变为N-I键，生成的N-I中间体和一分子原料进行偶联反应，生成产物分子。

3）Cu催化偶联反应优化。通过二苯甲基亚胺作为反应物，20 mol % [Cu(CH₃CN)₄]PF₆作为催化剂，加入3倍量吡啶、4倍量的KHCO₃碱、0.2 M KPF₆，在45 ℃的0.1 M CH₃CN中进行反应，正负极分别使用石墨和铂，在分开的电解池中进行反应，以86 %的产率得到N-N偶联产物。

Fei Wang, et al. Electrochemical Strategy for Hydrazine Synthesis: Development and Overpotential Analysis of Methods for Oxidative N–N Coupling of an Ammonia Surrogate, J. Am. Chem. Soc. 2020

DOI：10.1021/jacs.0c04626

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c04626

9. JACS：Ni催化烷基试剂和CO₂反应羧酸化机理研究

对惰性烷基亲核试剂的催化羰基化反应得到了较好的发展，在多种Ni催化还原偶联反应中，研究者推测其通过Ni的菲咯啉/烷基中间体物种进行反应。巴塞罗那科学技术学院Ruben Martin、特罗姆瑟大学-挪威北极圈大学Kathrin H Hopmann等报道了合成这种Ni的菲咯啉中间体物种，并探索了其和CO₂的反应，厘清了该领域中长期不明晰的中间体问题，为羰基化反应的过程提供了更进一步的理解。

本文要点：

1）催化中间体的制备。通过Ni的菲咯啉作为反应物，和[Ni(COD)₂]在室温的THF中反应，生成三配位T形Ni中间体。将三配位Ni和叔丁基甲基溴化镁在-100~-35 ℃中进行反应，将烷基修饰到Ni上。通过X射线晶体学测试给出了三配位Ni分子的详细结构。

2）对三配位结构的Ni中间体和叔丁基乙酸进行反应，通过羧酸和Ni进行配合，通过ESR方法追踪了反应过程中自由基变化过程，由此给出了反应可能机理过程。通过DFT方法对内球/外球反应过渡态进行研究，结果显示通过羧酸结合到Ni位点上的内球过渡态能量更低。

Rosie J Somerville, et al. Ni(I)–Alkyl Complexes Bearing Phenanthroline Ligands: Experi-mental Evidence for CO₂ Insertion at Ni(I) Centers, J. Am. Chem. Soc. 2020

DOI：10.1021/jacs.0c04695

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c04695

10. JACS: 介导细胞器膜上的离子转运，以小分子选择性根除癌症干细胞

能够破坏细胞离子稳态的分子为治疗癌症提供了独特的机会。但是，先前报道的合成离子转运蛋白显示出有限的价值，因为混杂的离子破坏会不加选择地对健康细胞和癌细胞产生毒性。于此，香港大学杨丹等人报道了一个简单而有效的合成K⁺转运蛋白，以根除癌症干细胞。

本文要点：

1）该转运蛋白利用内源性亚细胞pH梯度和膜电位来选择性介导活细胞中线粒体和溶酶体膜上的K⁺/H⁺转运。

2）随之而来的线粒体和溶酶体损伤通过凋亡诱导和自噬抑制增强了对化学耐药性卵巢癌干细胞（cancer stem cells, CSC）的细胞毒性, 选择性高达47倍。根除CSCs可抑制小鼠的肿瘤形成。

研究人员认为该策略可用于下一代合成阳离子转运蛋白的结构设计和应用中，以治疗癌症和其他与K⁺通道功能失调相关的疾病。

Fang-Fang Shen, et al. Mediating K⁺/H⁺ Transport on Organelle Membranes to Selectively Eradicate Cancer Stem Cells with a Small Molecule. Journal of the American Chemical Society 2020.

DOI: 10.1021/jacs.0c02134

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c02134

11. ACS Nano：三维二硒化钼螺旋纳米棒阵列用于高性能铝离子电池

可充电铝离子电池是下一代高性能电池的理想候选者，但需要进一步开发正极材料，以提高其容量和循环寿命。有鉴于此，电子科技大学王志明教授，台湾国立清华大学Yu-Lun Chueh报道了在聚酰亚胺(PI)衬底上沉积了MoSe₂三维螺旋纳米棒阵列(HNRA)，通过沉积Mo螺旋纳米棒阵列，然后通过低温等离子体辅助硒化过程形成了新型的AIBs正极。

本文要点：

1）无粘结剂的3DMoSe₂基铝离子电池在0.3 A g^-1的电流密度下表现出753 mAh g^-1的高比容量，在5 A g^-1的电流密度下循环10000次后，可保持138 mAh g^-1的高比容量。