【分析】非共价修饰和剥离二维氮化碳提升电化学发光生物传感性能
注：文末有研究团队简介 及本文作者科研思路分析
二维材料由于其在厚度方向从三维体相层状降维到单层或少层纳米片会产生许多奇异的物理化学性质，这些性质有望激发下一代的科技革新，从而成为了目前世界范围的研究焦点。近日，东南大学的张袁健团队通过运用非共价的方式实现了二维氮化碳纳米片的剥离和功能化，并将制备的功能化的氮化碳纳米片应用于生物分析偶联生物分子中。
作为纳米材料中重要的一种类型，二维材料在催化、光电、电化学、生物医学、传感器等许多关键技术领域产生重大影响。近来，石墨相的氮化碳由于其合适的电子结构，高的稳定性和化学可调节性，在光催化、光电催化和智能组装方面有广泛应用。相比于其他的二维材料，如石墨烯、二硫化钼和黑磷等，石墨相氮化碳的一个显著优势是其有机的属性，使得它的分子结构和电子特性可以很容易调节，例如通过不同前驱体实现的聚合。特别是与传统C3N4相比，最近报道的C2N, C3N2和C3N5都具有令人瞩目的新特性。
氮化碳纳米片通常由两种方法合成，液相超声剥离法和热氧化剥离法。到目前为止，氮化碳纳米片广泛地应用于生物成像和发光免疫中。但是，在其应用于生物分析领域之前，有几个问题需要被解决。首先，氮化碳在大多数的溶剂中分散性差，这限制其进一步应用；再者，传统方法的剥离效率低，常用的超声16小时获得的纳米片的浓度只有0.15 mg/mL；最后，本征氮化碳纳米片是化学惰性的，使得氮化碳纳米片与外来生物分子的有效偶联难以实现，这些都极大地限制了其在生物分析中的应用。
尽管近期研究纳米碳材料如碳纳米管和石墨烯的非共价功能化提供了机会去解决上述面临的挑战，但是氮化碳的非共价剥离和界面修饰到目前为止未报道过。为此，研究团队利用芳香分子与氮化碳之间的非共价相互作用，采用简单的机械研磨即实现了氮化碳的自发剥离和表面功能化。此氮化碳纳米片不仅保持了体相氮化碳基本的光电性质，还优化了纳米片的界面，使其能进一步偶联生物分子，解决了氮化碳纳米片在生物分析中面临的界面惰性的挑战。研究团队通过以共价连接DNA为模型，构建了一个检测目标DNA的电化学发光生物传感器，对比于物理吸附DNA的传感器，显示出更高的灵敏度。这种非共价界面修饰的方法极大的拓宽了氮化碳的在生物传感领域的应用范围，并有望应用于智能组装、催化等领域。而且此方法也适用其他二维材料的界面修饰。
这一成果近期发表在Journal of the American Chemical Society 上，文章的第一作者是东南大学博士研究生姬静静，张袁健教授为通讯作者。
该论文作者为：Jingjing Ji, Jing Wen, Yanfei Shen, Yanqin Lv, Yile Chen, Songqin Liu, Haibo Ma, and Yuanjian Zhang
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
Simultaneous Noncovalent Modification and Exfoliation of 2D Carbon Nitride for Enhanced Electrochemiluminescent Biosensing
J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 11698−11701, DOI: 10.1021/jacs.7b06708
张袁健教授简介
张袁健，东南大学化学化工学院教授。1998年-2007年先后在南京大学（NJU）基础学科教学强化部和中国科学院长春应用化学研究所（CIAC, CAS）学习获学士和博士学位，2008年-2012年先后在德国马普胶体界面研究所（MPI-KG）和日本国立物质材料研究所（NIMS）国际青年科学家中心（ICYS）从事科研任博士后和ICYS Researcher（Tenure-Track），2012年起受聘于东南大学（SEU）化学化工学院，任教授、博士生导师。以分析传感为导向，利用电化学和光谱等技术对富碳功能材料的化学制备、电子结构调控、表面性质改性、分子界面组装等方面进行系统研究，探索它们在光电转换和（光）电化学催化效应，并基于此发展新型光、电化学传感应用。 已在J. Am. Chem. Soc.和Angew. Chem. Int. Ed.等发表SCI论文100余篇。研究成果受到国际国内同行的广泛关注，所发表论文被SCI期刊论文正面引用或大篇幅图文并茂重点介绍5000余次，H-index 40。入选第四批中组部“青年千人计划”，作为项目负责人承担国家自然科学基金委、江苏省科技厅、日本学术振兴会等相关项目。
研究方向：
分析化学：电化学与发光生物传感新策略和生物电化学界面构筑
信号转导/人工能源转换：光电转化、光/电化学催化
材料化学：可持续发展仿生富碳材料的设计、制备和功能化
http://www.x-mol.com/university/faculty/19298
科研思路分析
Q：这项研究的最初目的是什么？或者说想法是怎么产生的？
A：如上所诉，我们的研究兴趣是研究对富碳的纳米材料的结构、界面和性能调控。众所周知，自被称为“神奇材料”的石墨烯发现以来，其他二维材料如雨后春笋般相继被制备出来，而制备的方法也多种多样。对于氮化碳材料来说，常用的剥离方法包括：超声溶剂剥离法和热氧化剥离法，但这两种方法得到的本征纳米片无法最好的满足生物分析的应用，所以运用非共价的方法对氮化碳进行机械剥离，可以解决上述问题。所以在这个想法基础上做了这个工作。
Q：在研究中过程中遇到的最大挑战在哪里？
A：这芳香分子的选择上，我们也尝试了带氨基的芘的衍生物，发现只有带负电的芘的衍生物才能实现剥离，并运用Zeta电位进一步的解释了为什么只有带负电的芘的衍生物能剥离。且用带负电的刚果红进一步验证了剥离机理。
Q：本项研究成果最有可能的重要应用有哪些？哪些领域的企业或研究机构最有可能从本项成果中获得帮助？
A：首先，本文中因非共价作用使得氮化碳纳米片带上了丰富的羧基，在生物分析偶联生物分子，智能组装，传感器，催化等方面具有广阔的应用前景。其次，我们只是选取了其中一类芳香分子（芘的衍生物）去赋予氮化碳一个新的特性，同时未改变其本身的电化学发光性质。我们相信对于氮化碳的非共价功能化，还有多种多样的拥有各种特性的芳香化合物可以探索。同时，此方法对于其他的二维材料也适用。
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