纳米材料与生物大分子间相互作用对其生物学效应及应用研究具有重大意义。本组以氨基酸分子为研究对象，以环境因素、碳纳米管及典型纳米氧化物表面及氨基酸性质调控为研究内容，研究了氨基酸分子在不同性质碳纳米管上的吸附机理，不同氨基酸在碳纳米管表面的选择性吸附，氨基酸与典型纳米氧化物材料表面的相互作用过程等，获得了影响吸附过程的多种因素、碳纳米管物化性质的变化及不同氨基酸在碳纳米管上的吸附方式以及不同纳米氧化物表面与氨基酸相互作用的规律。 
(1)苯丙氨酸在单壁碳纳米管表面的吸附。 
    之前，针对氨基酸与单壁碳纳米管相互作用的研究中，只有少量理论计算工作发表。本组首次开启了氨基酸与单壁碳纳米管相互作用的实验研究，并切实获得二者相互作用机理，对理论计算的结果进行了验证。室温下无需任何化学处理，单壁碳纳米管(SWNTs)都会因苯丙氨酸的吸附，使之在水中形成稳定的透明悬浮液(210天以上)；经多种表征结果互相印证，苯丙氨酸通过π-π相互作用、氢键及共价键共同作用被吸附于SWNTs表面，SWNTs对吸附于其上的苯丙氨酸具有催化分解作用。该研究给出了一种绿色简单的方法，实现了单壁碳纳米管在水中的良好分散，并解释了苯丙氨酸与单壁碳纳米管间相互作的机理。上述工作发表在J. Phys. Chem. C(2008, 112: 2857 - 2863)、J. Nanosci. Nanotechno. (2009, 9(2): 1394-1399)等期刊上。并被Chemical Reviews、Analytical Chemistry等期刊作为重要结果引用，被引80余次。

苯丙氨酸在单壁碳纳米管表面的吸附。吸附前(A)后(B)的扫描电镜图；吸附前(C)后(DE)的透射电镜图；插图相片从左至右分别为SWNTs水溶液、SWNTs/苯丙氨酸悬浮液及210天后的悬浮液样品；下方为吸附前后SWNTs的红外光谱。

(2)不同氨基酸在单壁碳纳米管表面的吸附。 
    在工作(1)的基础上，本组选择三种典型氨基酸作为研究对象，唯一没有手性的氨基酸-甘氨酸、碱性氨基酸-赖氨酸和带有芳环的氨基酸-苯丙氨酸。由于氨基酸的吸附，室温下无需任何化学处理，SWNTs即可在水中形成稳定、良好的分散；在氧化后的SWNTs末端，氨基酸通过氢键和共价键被吸附；在SWNTs侧壁，苯丙氨酸与赖氨酸、甘氨酸分别通过π-π和极性相互作用被吸附；赖氨酸在SWNTs上的分子间氢键最强，吸附量最大；SWNTs对吸附于其上的氨基酸具有催化分解作用。上述研究为实现不同氨基酸在SWNTs表面的特异性吸附奠定了基础，也为研究多肽、蛋白与碳纳米管相互作用提供了进一步的数据。 上述工作发表在J. Phys. Chem. C(2012, 116: 1724–1731)上，被引用20余次。

         
不同氨基酸在SWNTs表面吸附机理。A：SWNTs水溶液；BCD：分别为苯丙氨酸、赖氨酸和甘氨酸与SWNTs的相互作用方式；EFG：分别为苯丙氨酸、赖氨酸和甘氨酸与SWNTs形成悬浮液。 
 

(3)纳米氧化钛、纳米氧化铝、纳米氧化硅与氨基酸的相互作用。 
    纳米氧化物粉体材料的生物安全性及生物医学应用成为近年来的研究热点。本组通过联合各类光谱、核磁共振、色谱及分子模拟等技术，对纳米氧化物与氨基酸相互作用进行了考察。氨基酸的吸附过程与环境、氧化物表面和氨基酸的特性紧密相关。由于氧化物表面结构、电荷分布不同，氨基酸对不同氧化物的吸附具有明显选择性。当氨基酸与氧化物表面的相互作用适中时，温和条件下(150-160℃)即可形成肽键。 
    上述工作发表在J. Phys. Chem. C(2009, 11: 18163–18172)、Planetary and Space Science(2009, 57(4): 460-467)及Eur. J. Mineral. (2007, 19: 321-331)等期刊。并被Langmuir、Biomacromolecules、Catalysis Today等期刊多次引用，总被引150余次。 

 
纳米氧化物与氨基酸相互作用机理。A：甘氨酸在纳米氧化铝表面吸附模型，甘氨酸以配位键与表面Lewis酸中心结合；B：甘氨酸/Al2O3 的13C核磁谱，上下两线分别为气相与液相吸附后的样品曲线；C：甘氨酸吸附在TiO2(b)和SiO2(c)上的微分热重曲线，a为锐钛矿TiO2 空白曲线；D：SiO2表面双氨基酸吸附选择性结果。