Advanced Functional Materials:阴阳相成——葫芦脲介导的贵金属纳米粒子

《易经・系辞》有言:“易有太极,是生两仪。两仪生四象,四象生八卦。”又言:“一阴一阳之谓道,继之者善也,成之者性也。阴阳合德,而刚柔有体,以体天地之撰,以通神明之德,以类万物之情。”中国古代哲学家认为阴阳之间的相互作用是世间万物生成和变化的肇始,即“阴阳相成”,这为人们认识世间万物的繁衍规律和创造新的事物提供了思路。

贵金属纳米粒子(NMNPs)由于其具有表面效应、尺寸效应、可调谐的光学和电子性能、良好的催化活性等特点,在诸多领域都有着广泛的应用前景。此者,可视为阴。葫芦脲(CB[n]s)是由n个甘脲单元通过亚甲基桥联形成的第四代大环主体分子,具有刚性、高度对称性、生物相容性、特异的主客体识别等性质。独特的空腔性质和杰出的主客体识别能力赋予了CB[n]s在超分子化学和材料科学中的标志性地位。此者,可视为阳。NMNPs和CB[n]s二者之间看似毫无联系,却可相互依存、相互化生、相互为用、相互吸引地共处于一个统一体中,不仅结合并增强了二者的优异特性,而且产生了一系列新型的多功能超分子杂化纳米材料,极大地扩展了其应用范围,使其成为具有广阔应用前景的多功能平台。此乃,阴阳相成以至万物化生。

随着现代材料研究不断地向交叉融合方向发展,合理利用各种材料的优点以获得更加优异的性能成为了重要的研究方向。近日,西北工业大学材料学院谭丽丽副教授、尚利教授和吉林大学化学学院杨英威教授在Advanced Functional Materials上发表了题为“Cucurbiturils-Mediated Noble Metal Nanoparticles for Applications in Sensing, SERS, Theranostics and Catalysis”的综述文章(DOI: 10.1002/adfm.202007277),并入选“Hot Topic: Surfaces and Interfaces”。该文章系统地综述了超分子大环葫芦脲介导的贵金属纳米粒子的研究现状,梳理归纳了构筑策略及其在传感、表面增强拉曼散射(SERS)、诊疗和催化领域所取得的重要应用进展,全面解读了葫芦脲与贵金属纳米粒子“阴阳相成”以至“万物化生”的过程,并展望了其发展前景和目前存在的挑战。该论文的共同第一作者为西北工业大学材料学院在读硕士生魏梦莹。

由于CB[n]s具有带负电荷的羰基端口和极性内腔,对金属和稳定剂具有很高的亲和力,因此通常采用自组装、配体交换和原位合成三种方法构建CB[n]s介导的NMNPs,其中原位合成方法包含两种策略:一是CB[n]s或其主客体复合物作为稳定剂,二是CB[n]s同时作为还原剂和稳定剂。CB[n]s的引入实现了简单、精确地控制NMNPs的形状、尺寸、稳定性、生物相容性、表面功能、组装、光学和催化性能等,这也是限制NMNPs发展的挑战性难题。值得注意的是,结合CB[n]s可逆的主客体识别性能,有效提高了传感、SERS、疾病诊疗和催化的灵敏性、可控性和选择性。首先,CB[n]s介导的NMNPs用于表面等离子体共振传感、荧光传感和电化学传感,实现了快速定量检测酶和蛋白及其活性、高灵敏多通道癌细胞识别、药物和尸胺等的抗干扰检测,展现了在疾病检测诊断、药物代谢、食品质量、环境污染等领域的应用前景。第二,CB[n]s介导的NMNPs是理想的SERS基底,通过3D组装、各向异性1D链组装、表面组装三种超分子组装方法可控、精确地构筑了刚性的、可重复、可接近的SERS“热点”,实现了SERS性能调控,CB[n]s独特的拉曼活性和主客体识别捕获性能大大提高了检测灵敏度和选择性,实现了单分子检测分析。第三,CB[n]s介导的NMNPs作为智能材料,已经在高效和智能的疾病诊疗方面取得了重要的进展,包括调控药代动力学和毒性、提高药物装载效率和组织穿透深度、可控和靶向给药治疗、保持药物生物活性、多重治疗等方面。第四,CB[n]s介导的NMNPs具有更高的催化活性、稳定性、选择性、可回收利用性、生物和经济友好性,在生物正交催化、化学催化、电催化、光催化等领域都展现了优异的性能。最后,作者从材料制备、性能调节、材料形成机理及其构效关系、应用开发等方面详细阐述了CB[n]s介导的NMNPs遇到的瓶颈问题、面临的挑战以及发展的方向和前景。这一快速发展的领域必将在不久的将来产生更先进的功能材料,并随之产生新的应用。