宫绍琴Nat. Nanotech.、吉大Nat. Commun.、颜德岳/朱新远Matter丨顶刊日报20191031

纳米人

2019-10-31

1. Nat. Nanotech.：可生物降解的纳米胶囊递送Cas9复合物用于体内基因组编辑

递送CRISPR-Cas9基因编辑系统通常需要病毒载体，这给治疗性基因组编辑带来了安全隐患。或者，阳离子脂质体或聚合物可用于将多个CRISPR组分包封为大颗粒（直径通常大于100nm）；然而，这种递送系统受到药物装载变化的限制。于此，美国威斯康星大学麦迪逊分校宫绍琴教授与KrishanuSaha教授合作设计了一种可定制的合成纳米颗粒用于递送Cas9核酸酶和单向导RNA（sgRNA），该纳米颗粒能够实现CRISPR组分的控制化学计量，并降低了体内可能存在的安全隐患。

研究人员在Cas9核酸酶和sgRNA之间的预组装核糖核蛋白（RNP）复合物的周围合成了一层可被谷胱甘肽裂解的共价交联的聚合物薄涂层（NC）。NC是通过原位聚合合成的，其水合直径为25 nm，且可以通过便捷的表面改性进行定制。NCs在体外有效地产生靶向基因编辑，而没有任何明显的细胞毒性。此外，局部给药后，NCs可在小鼠视网膜色素上皮（RPE）组织和骨骼肌中产生强大的基因编辑效果。这种可定制的NC纳米平台可有效递送CRISPR RNP复合物用于体外和体内体细胞基因编辑。

Chen, G., Abdeen, A.A., Wang, Y. et al. Abiodegradable nanocapsule delivers a Cas9 ribonucleoprotein complex for in vivogenome editing.Nat. Nanotechnol. 14, 974–980 (2019)

Doi:10.1038/s41565-019-0539-2

https://doi.org/10.1038/s41565-019-0539-2

2. Nat. Commun.：集体激发Au-纳米链耦合等离子体以提高半导体光催化性能

利用贵金属的局域表面等离子共振（LSPR）效应来提高半导体催化剂的电子空穴分离效率，已经被广泛的应用于光催化研究中。但是，由于多数金属-半导体的构建是依赖表面的金属纳米粒子的LSPR效应，因此这对等离子体增强光转换依然具有限制。基于此，吉林大学Gang Liu,吉林大学Wenfu Yan及达尔豪斯大学Peng Zhang等人，通过巧妙的设计将Au纳米链引入到ZnxCd1−xS半导体内部。这种引入内部Au纳米链的半导体，比传统分散的Au纳米粒子相比性能提高了3.5倍。

作者还通过理论模拟跟实验表征证明出，在太阳光的激发下，Au纳米链产生的局域电磁场要比孤立的Au纳米粒子高的多，电磁场强度的增加从根本上提高了半导体中电子跟空穴的分离效率，最终提高了其光催化产氢性能。这种嵌入式耦合金属纳米结构的方法为设计与构建，为后续设计构建高性能光催化剂提供了思路。

Guiyang Yu, Peng Zhang*, Wenfu Yan*, Gang Liu*et al. Collective excitation of plasmon-coupled Au-nanochain boostsphotocatalytic hydrogen evolution of semiconductor.

DOI: 10.1038/s41467-019-12853-8 

https://www.nature.com/articles/s41467-019-12853-8?utm_source=other_website&utm_medium=display&utm_content=leaderboard&utm_campaign=JRCN_2_LW_X-moldailyfeed

3. Nat. Commun.：MoTe₂的快速电化学活化用于析氢反应

电化学产氢是生产可持续燃料的关键技术。过渡金属二硫属化物（TMDCs）是析氢出应（HER）的电催化剂具有广阔的前景。过渡金属二硫属化物（TMDCs）是催化析氢反应（HER）良好的电催化剂。该类材料最吸引人的特性之一是一些TMDCs在电解水过程中易于原位活化，从而使得电催化活性逐渐增强。TaS₂和NbS₂都表现出这种特性，在反应过程中代表HER性能的基本指标逐渐提高。但是，到目前为止，这是已知的唯一显示出这种特性的TMDC材料。因此，发展新的能在电催化过程中原位操作活化的电催化剂至关重要，并且对于理解HER的反应机理和新型电催化系统的未来发展具有重要意义。

有鉴于此，近日，格拉斯哥大学Jessica C. McGlynn，Alexey Y. Ganin等合成了一种1T'-MoTe₂电催化剂，研究发现，当电极置于在阴极偏压下时，金属1T'-MoTe₂的催化性能得到显著提高。实验表明，维持10µmAcm^-2的电流密度所需的过电位从320µmV降低到了178µmV。进一步研究表明，这种快速和可逆的激活过程的起源是H吸附到1T'-MoTe₂表面的Te位置上。该活化过程突出了电极材料电子结构中细微变化的重要性，以及这些细微变化如何影响随后体现出的电催化活性。

JessicaC. McGlynn,* Alexey Y. Ganin,* et al. The rapid electrochemicalactivation of MoTe₂ for the hydrogen evolution reaction. Nat.Commun., 2019

DOI: 10.1038/s41467-019-12831-0

https://www.nature.com/articles/s41467-019-12831-0

4. Nat. Commun.：拥有超长端粒的小鼠代谢衰老更少寿命更长

端粒变短会引发与年龄相关的疾病，缩短小鼠和人类的寿命。在过去，我们制造的小鼠胚胎(ES)细胞端粒比正常细胞(超长端粒)更长，这是在没有基因操作的情况下实现的。为了研究超长端粒是否会产生有害影响，西班牙国家癌症中心（CNIO）的研究人员用具有超长端粒的ES细胞产生了100％的细胞都拥有超长的端粒的小鼠模型。

研究结果表明，随着年龄的增长，这些小鼠的端粒变长，DNA损伤减少。超长的端粒小鼠很瘦，胆固醇和低密度脂蛋白水平较低，葡萄糖和胰岛素耐受性较好。超长端粒小鼠的癌症发病率也较低，寿命也较长。这些发现表明，在特定物种中，端粒比正常长度长并不是有害的，而是有益的。

Miguel A. Muñoz-Lorente, Alba C. Cano-Martinand Maria A. Blasco. Mice with hyper-long telomeres show less metabolic agingand longer lifespans. Nature Communications, 2019.

DOI: 10.1038/s41467-019-12664-x

https://www.nature.com/articles/s41467-019-12664-x#Ack1

5. Matter：铂（IV）结合可降解PEG用于癌症治疗

基于大分子工程的药物递送系统（DDS）由于其用途广泛且可调节的化学性质而在生物技术和医学领域引起了广泛关注。然而，对聚合物载体的生物安全性问题的关注正在增加。例如，高分子量聚乙二醇（PEG）的不可生物降解性会导致严重的副作用。为了解决这个问题，上海交通大学颜德岳院士和朱新远教授合作提出了一种具有药物-聚合物混合大分子工程概念的更安全，更简单，更有效的聚合物DDS。

该DDS由可降解的PEG与疏水性铂（IV）前药组合而成，该前药在聚合物主链中具有刺激响应键。该聚合物具有双重优势：（1）激活前，高分子量的PEG能在肿瘤组织中具有高药物滞留性并提高药物的药代动力学。（2）激活后，低分子量PEG具有易于降解的优势，从而降低了其副作用。同时，药物-聚合物杂化作用又使得其与可调节两亲性和药物载药效率相关。这项工作为可生物降解聚合物DDS的设计提供了一种新颖的策略。

Qian,Q.; Zhu, L.; Zhu, X.; Sun, M.; Yan, D., Drug-Polymer Hybrid MacromolecularEngineering: Degradable PEG Integrated by Platinum(IV) for CancerTherapy. Matter (2019).

https://doi.org/10.1016/j.matt.2019.09.016

6. Joule：钙钛矿太阳能电池的移动离子浓度测量和开放获取能带图仿真平台

斯坦福大学Luca Bertoluzz和美国国家可再生能源实验室Michael D.McGehee团队提出了两种方法来计算高效钙钛矿太阳能电池的能带图，这两种方法都是基于单个移动离子（卤化物空位）的迁移。第一种是全面的分析方法，可以快速计算钙钛矿能带图的主要特征，并轻易地从实验数据中提取出移动空位浓度。

第二种方法是一个在线开放访问平台，任何人都可以使用该平台来准确模拟自己的频段图。将第一种方法与当前的瞬态测量相结合，以提取六种不同钙钛矿成分的移动离子浓度，包括效率超过19％的钙钛矿太阳能电池。对于此处测量的设备，获得的离子浓度范围为7×10¹⁶-5×10¹⁷cm^-3。使用第二种方法来定量讨论根据设备性能和稳定性测量的移动离子浓度的含义。

MobileIon Concentration Measurement and Open-Access Band Diagram Simulation Platformfor Halide Perovskite Solar Cells

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2542435119304854

7. PNAS: 自身免疫抗体与免疫检查点治疗引起的毒性相关

免疫检查点（IC）疗法可为癌症患者带来巨大益处，但也可能引起被称为免疫相关不良事件（irAEs）特有的毒性。预测毒性的生物标志物对于改善正在接受IC治疗的患者的管理是很有必要。美国德州大学MD安德森癌症中心诺奖得主James P. Allison及其夫人Padmanee Sharma教授团队依靠重组cDNA表达文库的血清学分析来评估IC疗法治疗的患者的血浆样品，并在irAEs发生之前的预处理和治疗中的样本中鉴定出自身抗体，这些自身抗体与免疫相关性垂体炎的（ 抗GNAL和抗ITM2B自身抗体）和肺炎（抗CD74自身抗体）发生有关。

研究人员开发了一种酶联免疫吸附测定法，并测试了其他患者样品，以证实他们的初步发现。 总体而言，数据表明自身抗体可能与IC治疗相关的irAE有关联，以及特定的自身抗体可能在早期被检测到并用于处理irAE。

Tahir,S. A.; Gao, J.; Miura, Y.; Blando, J.; Tidwell, R. S. S.; Zhao, H.; Subudhi, S.K.; Tawbi, H.; Keung, E.; Wargo, J.; Allison, J. P.; Sharma, P., Autoimmuneantibodies correlate with immune checkpoint therapy-induced toxicities. Proceedings ofthe National Academy of Sciences 2019, 116 (44),22246-22251.

https://doi.org/10.1073/pnas.1908079116

8. Chem. Reviews:电化学析氢反应的研究进展

能源是人类赖以生存的重要基础，是推动国民经济与社会发展的动力。随着人们对能源需求的不断增加以及环境污染问题的日益严重，寻求清洁可持续能源已经成为人类迫在眉睫的问题。氢气作为清洁能源在未来的能源版图中将发挥重要作用，然而氢气不是自然存在的，需通过一定方法进行制备。电解水制氢具有成本较低、效率高、环境友好、安全性较好等优点，是光/电能到化学能转换的理想路径，备受人们青睐。催化剂是电催化反应的关键，高效的电催化剂能够有效降低反应过程所需的能耗，因此研究高效的电催化剂成为可持续能源技术探索的重中之重，电催化析氢反应(HER)是水电解制氢的关键步骤，在过去几十年里一直是广泛研究的课题。

近日，香港理工大学的Kwok-Yin Wong、LiangshengHu和中国工程物理研究院的Pengxiang Zhao等综述了纳米颗粒催化电化学析氢反应的研究进展，首先总结了HER的基本原理，并介绍了基于贵金属和非贵金属的低成本和高性能催化剂以及不含金属的HER电催化剂的最新进展，然后系统地讨论了催化活性、形态、结构、组成和合成方法之间的关系，总结和强调了开发高效催化剂的策略，包括增加活性位点的内在活性和/或增加活性位点的数量两种主要方式，最后对HER电催化研究的存在的挑战和未来的研究方向进行了展望。

Jing Zhu, Liangsheng Hu, Pengxiang Zhao, LawrenceYoon Suk Lee, Kwok-Yin Wong. Recent Advances in Electrocatalytic HydrogenEvolution Using Nanoparticles. Chemical Reviews, 2019.

DOI: 10.1021/acs.chemrev.9b00248

https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.9b00248

9. Chem. Reviews: 纳米颗粒电催化剂的精细化理论

全球人口不断增加，能源需求日益扩大，气候变化和环境问题日益严重，如何保护我们赖以生存的地球家园，迫在眉睫，和可再生能源相结合，电催化能源转化和存储技术是取代化石能源，减少排放，获取高价值化学品的重要途径。其中，电催化剂材料是电催化能源转化和存储的核心，起到了提高转化效率和选择性的作用。设计和发展新型电催化剂，是目前电催化能源转化的当务之急，过去十年以来，以水、H₂、O2为主的电催化转化过程获得了大量进展，理论和实验的结合使研究人员对电催化的机理的理解得到了进一步加深。电催化中实验与理论的关系具有深远的意义。

直到最近，理论在这个领域的主要作用是解释实验结果。然而，在过去的十年中，这种情况开始发生变化，理论结合实验，也成为了催化剂材料设计的趋势。现在理论经常主导电催化材料的设计，尽管这一趋势令人满意，但还远远没有达到理论精确指导实验的水平，实验研究人员和理论研究人员仍依赖于不同的模型。理论学家的预测是基于个体的、完美的结构模型，而实验人员的工作是基于更复杂和非均匀的电催化剂系统。通过理论计算和实验评价的有机结合，加深对电催化机理的理解，控制设计更高活性、选择性和寿命的电催化剂，是未来全面实现可持续能源的重要方向。

近日，德克萨斯大学奥斯汀分校的GraemeHenkelman和RichardM. Crooks合作综述了纳米颗粒电催化剂的精细化理论研究进展。随着计算能力的提高，实验人员能够通过微观结构深入研究理论，可控程度更高的更复杂的电催化剂的设计制备为理论研究提供了更广泛的材料选择和研究平台。该综述有利于真实催化剂和计算模型之间的差距，通过精确控制电催化实验，结合理论预测，有望理解电催化的本质和机理。

Jamie A. Trindell, ZhiyaoDuan, Graeme Henkelman, Richard M. Crooks. Well-Defined NanoparticleElectrocatalysts for the Refinement of Theory. Chemical Reviews, 2019.

DOI:10.1021/acs.chemrev.9b00246

https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.9b00246

10. Chem. Reviews：钙电池的成就，挑战和前景

高效且随时可用的能量存储对于帮助解决现代社会当今面临的一些挑战至关重要：空气污染，石油依赖和气候变化等。电化学能量存储被认为是一项关键技术，而流行的锂离子电池（LIB）技术使我们的便携式电子设备成为可能。并且这项技术还提供了短期解决方案，可实现更具可持续性的运输，同时减少对环境的影响，并为太阳能和风能等可再生能源提供固定式能量存储。然而，锂电池同时包含镍和钴，并且会出现供应不足或价格大幅上涨的风险。相比之下，钙是地壳中含量第五高的元素，无毒，钙电池也极具应用潜力。

近日，巴塞罗那材料研究所M. RosaPalacín团队报道了一篇关于钙电池技术的综述，全面讨论了钙电池技术当前面临的挑战。要实现可再充电Ca电池技术，首先需要识别和开发合适的电极和电解质，并实现在金属-阳极界面处钙的可逆镀覆和剥离等。这篇综述对可再充电钙电池的要求和目前的电解质和电极进行了全面分析，并最终提出一些方案以解决这些问题。

M.Elena Arroyo-de Dompablo, Alexandre Ponrouch, Patrik Johansson, M. Rosa Palacín. Achievements, Challenges, andProspects of Calcium Batteries. Chem. Rev., 2019.

DOI：10.1021/acs.chemrev.9b00339

https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.9b00339

11. Chem. Reviews: 金属纳米粒子对σ-H-H、σ-C-H、σ-Si-H键的催化活化

通过σ键配位激活H-H、C-H、Si-H等化学键键在过去30年间已经从简单的科学探索发展成为了碳氢化合物官能化的重要工具。研究人员陆续发现了σ键官能化的几种机制：氧化加成、异裂、σ键置换以及亲电攻击等。由于金属纳米粒子相比普通的均相催化、非均相催化在调节反应活性等方面更具优势因而在近年来受到了广泛关注。

在本文中，法国图卢兹大学的Bruno Chaudret等对包括胶体负载金属纳米粒子在内的金属纳米粒子参与的表面催化或液相催化等发展历程进行了回顾。作者介绍了金属纳米粒子催化剂在溶液中的制备以及采用聚合物、配体或载体对催化剂进行稳定的相关工作。文章讨论的重点在于传统分子型化合物与金属纳米粒子催化剂对σ键活化和功能化反应的异同点。

JuanM. Asensio, Bruno Chaudret et al, σ-H–H, σ-C–H, and σ-Si–H BondActivation Catalyzed by Metal Nanoparticles, Chemical Reviews, 2019

DOI:10.1021/acs.chemrev.9b00368

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemrev.9b00368

12. EES：基于石墨烯的高效稳定的钙钛矿太阳能电池

碳基钙钛矿太阳能电池（C-PSC）逐渐成为低成本的光伏电池。然而，它们的功率转换效率（PCE）仍然偏低。近日，大连理工大学Yantao Shi教授团队介绍了一种创新的模块化PSC设计，该设计使用了碳背电极，该碳背电极通过使用另一种碳涂层FTO玻璃覆盖，大大降低了薄层电阻和厚度，且这两个单独的元素可以反复组装和分离。

此外，在各种商业碳源（碳黑，石墨片和石墨烯）中，石墨烯表现出最佳的整体性能。石墨烯基PSC（G-PSC）的PCE为18.65％，是迄今为止报道的C-PSC最高效率之一。此外，经过优化的无封装器件在85℃的高温下老化1000小时后仍保留了其初始PCE的90％。值得注意的是，G-PSC具有显著的结构灵活性，在反复拆卸和组装超过500个循环后，PCE的降解几乎可以忽略不计。我们的系统通过模块化互连为PSC的提供了一种便捷的方法，相关策略可能也会扩展到其他设备。

ChunyangZhang, Shi Wang, Hong Zhang, Yulin Feng, Wenming Tian, Ying Yan, Jiming Bian,Yuchen Wang, Shengye Jin, Shaik Mohammed Zakeeruddin, Michael Grätzel, YantaoShi. Efficient Stable Graphene-based Perovskite Solar Cells with HighFlexibility in Device Assembling via Modular Architecture Design. EnergyEnviron. Sci., 2019.

DOI：10.1039/C9EE02391G

https://doi.org/10.1039/C9EE02391G