致病性细菌和病毒以及癌细胞在人体内可快速甚至爆炸性增殖, 长期对人类生命健康造成严重威胁。特别是2019年末, 全球范围内暴发的新冠病毒肺炎疫情引起了全球对此类重大突发公共卫生事件的高度关注。细菌、病毒、癌细胞的快速检测、诊断及治疗对维护人类生命健康发挥着重要作用。除了常规的医学诊疗手段, 基于一些功能纳米材料发展的新型传感技术, 对病毒、细菌、癌细胞的检测及对三者引起的疾病治疗, 展现出广阔的发展前景, 但在新型诊疗策略向临床验证转化方面还面临着生物活性、稳定性、可重复性等挑战。目前实际用于临床诊疗的新技术非常少。

一些具有电学、磁学、光学功能性的纳米材料, 因其特殊的表面性质、量子尺寸效应、小尺寸效应而展现出的优异传感特性, 可用于构建快速响应、高灵敏度、高准确率的生物传感器件, 并可通过光热、磁热、高催化活性达到治疗目的, 有望使诊疗一体化成为现实。随着纳米材料、纳米传感技术、生物技术的发展, 材料和医学检测的结合不仅致力于控制大规模暴发的疫情, 实现生物分子的快速筛查和诊断, 而且有望构建一种普适化的检测诊断平台, 及时应对各种突发的疫情和疾病。在生物材料和医学检测领域, 一方面需要考虑材料的性质所受生物环境的影响, 如复杂生物环境内杂质的干扰造成的结果误判, 被检生物分子或杂质对材料荧光造成不可预判的淬灭等; 另一方面需要考虑材料对生物分子的毒性、材料的可控性及大规模生产、体内检测时生物屏障的影响、诊疗一体化的实现等问题。此外, 一些纳米技术本质上缺乏特异性, 生物传感技术应考虑如何巧妙地构建传感元件（包括但不限于构建特殊微观结构和功能化修饰）来保证对目标分子的高特异性。最重要的是, 为了应对新型冠状病毒肺炎这类大规模暴发的疫情, 新型诊疗技术应该具备高通量特性。

近年来, 我国科研人员在材料生物传感技术的合理设计、制备、功能化修饰、理化机理探索以及生物医用等方面做出了许多代表性工作。为集中展示我国科学家在生物医学检测领域的最新研究成果, 激发社会各界对生物材料及传感新技术的广泛兴趣, 本人应《无机材料学报》编辑部邀请担任特邀编辑, 组约稿件出版 “抗疫生物材料”专栏。本专栏收录了病毒、细菌、癌细胞检测和诊断相关的最新综述文章和研究论文, 涉及用于新冠病毒检测的新型生物传感技术（电化学传感器、SERS生物传感器、SPR生物传感器等）, 荧光检测技术、抗菌纳米酶技术等。希望通过本专栏的一得之见, 促进来自多个领域、具有不同学科背景的研究人员合作, 共同推动生物医学检测这一领域的发展, 以期创新、发展临床医学对各种疾病的诊断和治疗方式, 更好地造福人类健康。

新型冠状病毒肺炎(Corona Virus Disease 2019, COVID-19)疫情大流行引起全球对此重大突发公共卫生事件的高度关注。新型冠状病毒(SARS-CoV-2)经过多次突变, 出现传染速度加快、免疫逃逸、隐匿性传播等特性, 令防控形势至今仍异常严峻。对患者的早发现、早隔离仍然是目前最有效的防控措施。因此, 迫切需要快速、高灵敏的检测手段来甄别此病毒, 以便及早识别感染者。本文简要介绍了SARS-CoV-2的一般特征, 并针对核酸、抗体、抗原及病原体作为检测靶标的不同检测手段及最新进展进行分类概述; 对一些光学、电学、磁学以及可视化的新型纳米传感器在SARS-CoV-2检测技术上的应用进行了分析。鉴于纳米技术的应用在提高检测灵敏度、特异性以及准确率上具有优势, 本文详细介绍了新型纳米传感器在SARS-CoV-2检测中的研究进展, 包括表面增强拉曼基生物传感器、电化学生物传感器、磁纳米生物传感器以及比色生物传感器等, 并探讨了纳米材料在新型生物传感器构建中的作用和挑战, 为纳米材料研究人员开发各种类型的冠状病毒传感技术提供思路。

新冠疫情暴发对全球公共卫生构成了巨大威胁, 病毒的快速、准确诊断对新冠疫情防控具有至关重要的作用。近年来, 以纳米材料为基础的电化学传感技术在快速、高灵敏度/高特异性分子诊断方面显示出巨大的潜力。本文简要介绍了新型冠状病毒（SARS-CoV-2）的结构特征及常规检测方法, 总结了电化学生物检测相关传感特点和机制。在此基础上, 详细评述了金纳米材料、氧化物纳米材料、碳基纳米材料等为基础的电化学传感器用于快速、准确检测新冠病毒的研究进展。最后, 展望了基于电化学传感技术在未来生物分子诊断中的应用。

细菌和病毒一直对人类健康构成威胁。SARS-CoV-2已经在世界各地肆虐了近三年, 给人类健康带来了巨大危险。面对细菌的抗药性和抗生素治疗效果不佳等种种挑战, 人们迫切需要新的方法来对抗致病微生物。最近, 具有内在酶活性的纳米酶作为一种有前途的新型“抗生素”, 通过催化生成大量活性氧, 在生理条件下表现出卓越的抗菌和抗病毒活性。此外, 基于纳米酶的治疗中, 纳米材料在独特的物理化学特性(如光热和光动力效应)的帮助下可以增强治疗效果。本文综述了纳米酶在抗菌、抗病毒-方向的研究进展, 从机制角度系统总结分析了纳米酶消除细菌、病毒等微生物的原理, 对未来的新型纳米抗菌抗病毒材料的研发方向及其所面临的挑战进行了展望, 为开发下一代抗微生物感染纳米酶提供了思路。

次氯酸(HClO)是一种活性氧(ROS), 在许多生理和病理过程中起着至关重要的作用。然而, 过量的HClO会导致组织损伤、动脉粥样硬化、神经退行性疾病甚至癌症。因此, 实时检测肿瘤细胞中HClO对于探索HClO在肿瘤进展以及免疫治疗中的作用具有重要意义。与目前常用的工艺复杂、水溶性差的有机分子探针不同, 本工作简单地将异硫氰酸荧光素(FITC)与中空介孔普鲁士蓝纳米粒子(HMPB)相结合, 构建了一种新型的无机亲水荧光纳米探针。由于内滤光效应, HMPB中FITC的荧光有一定程度的猝灭, 但通过Fe²⁺-ClO^-氧化还原反应可恢复荧光。 体外条件下, 加入HClO后, FITC在发射峰(520 nm)处荧光逐渐增强, HClO在5×10^-6-50×10^-6 mol/L范围内呈良好的线性关系, 检出限为2.01×10^-6 mol/L。此外, 在细胞水平上, 该纳米探针对癌细胞中的HClO显示出良好的特异检测能力, 且灵敏度高。

光催化被广泛用于去除水中的难降解有机污染物, 但是由于光生电子和空穴的复合率高, 抑制了半导体光催化剂的催化活性。本研究通过简便的溶剂热法成功制备了一种BiOBr/ZnMoO₄复合材料。通过结构分析、原位XPS、功函数测试、自由基捕获及电子顺磁共振(ESR)实验等证实了BiOBr/ZnMoO₄复合材料形成了S型异质结。实验结果表明, 适当ZnMoO₄含量的BiOBr/ZnMoO₄异质结可以显著提高BiOBr的光催化性能。与纯BiOBr、ZnMoO₄相比, 质量分数15% BiOBr/ZnMoO₄在可见光下表现出最佳的光催化活性, 双酚A的光催化降解率达到85.3% (90 min), 环丙沙星的光降解速率常数分别是BiOBr的2.6倍和ZnMoO₄的484倍。这可归因于BiOBr和ZnMoO₄之间形成了紧密的界面结合和S型异质结, 使得光生载流子可以实现有效的空间分离和转移。这项工作为定向合成Bi基S型异质结复合光催化材料提供了一种简便有效的方法, 对进一步理解Bi基多元异质结光催化材料的构效关系提供了新的理论和实验基础。

直接乙醇燃料电池(DEFC)具有燃料易得、绿色高效的优点, 得到了广泛的研究, 但是DEFC催化剂存在催化效率低、稳定性差的问题, 制约了其快速发展。本研究采用液相水热合成法, 以聚乙烯吡咯烷酮(PVP k-25)为分散剂和还原剂、甘氨酸为表面控制剂和共还原剂, 通过调控Pt-Co金属前驱体的摩尔比, 一步制备了XC-72R炭黑负载的Pt₁Co_x/C高指数晶面纳米催化剂, 实现了催化剂晶粒在碳载体上的原位生长。Pt₁Co_1/3/C纳米催化剂暴露的高指数晶面主要包括(410)、(510)和(610)晶面。在晶体生长过程中, Pt₁Co_1/3/C纳米催化剂晶粒由“类球体”转变立方块, 最终得到具有高指数晶面取向的内凹形貌。Pt₁Co_1/3/C高指数晶面纳米催化剂的电催化活性最高, 其电化学活性表面积为18.46 m²/g, 对乙醇氧化峰电流密度为48.70 mA/cm², 稳态电流密度为8.29 mA/cm², CO氧化峰的电位为0.610 V。这说明具有高指数晶面的催化剂表面存在的台阶、扭结等缺陷原子, 可增加活性位点, 进而显示出优异的电催化性能。本研究可为高指数晶面催化剂材料的开发及工业化应用提供理论依据。

二硫化钼(MoS₂)作为水系锌离子电池的正极材料, 受到锌离子(Zn²⁺)与主体框架之间的强静电相互作用表现出缓慢的反应动力学。并且MoS₂的层间距较窄难以嵌入大尺寸水合Zn²⁺, 导致MoS₂电极呈现出较低的放电比容量。本研究通过一种简单的氨水辅助水热法制备了NH₄⁺扩层的二硫化钼(MoS₂-N)电极, 氨水分解产生的氨气在促进硫代乙酰胺水解和提供还原性S^2-的同时, 还会产生大量NH₄⁺作为插层离子, 将MoS₂的层间距由0.62 nm扩展至0.92 nm, 进而大大降低了Zn²⁺嵌入能垒(改性电极的电荷转移电阻R_ct低至35 Ω)。当电流密度为0.1 A·g^-1时, MoS₂-N电极的初始放电比容量相比未扩层的MoS₂电极提高了1倍, 高达149.9 mAh·g⁻¹。同时在1.0 A·g^-1电流密度下放电比容量稳定在110 mAh·g^-1左右, 循环200圈后库仑效率将近100%。本研究提出的氨水辅助扩层法, 丰富了提升MoS₂电化学性能的改性策略, 为后续的正极材料开发提供了新的思路。

钒酸铋(BVO)可用于光电化学(PEC)水解产氢, 但受限于其缓慢的表面水氧化动力学, 在电极表面修饰单一的析氧助催化剂达不到理想的性能。本工作在BVO电极表面修饰FeNiO_x助催化剂可以显著降低起始电压, 增强光电化学性能。此外, 沉积g-C₃N₄后修饰FeNiO_x助催化剂得到的光电极具有更优异的性能。厚度适合的g-C₃N₄纳米片与BVO构成Ⅱ型p-n异质结, 有效抑制了光生电子空穴的复合, 促进了电极的电荷分离。电化学测试结果表明, 沉积了g-C₃N₄后, 电极的电荷分离效率达到88.2%, 比BVO/FeNiO_x (60.6%)提升了近1.5倍。经过g-C₃N₄和FeNiO_x协同修饰的BVO/g-C₃N₄/FeNiO_x电极, 表面电荷注入效率达到了90.2%, 同时, 在1.23 V (vs. RHE)条件下光电流密度达到4.63 mA∙cm^-2, 是纯BVO (1.86 mA∙cm^-2)的2.48倍。本工作为开发制备高性能光阳极提供了一种有效的策略。

SiAlON基荧光粉因其优异的化学和物理稳定性, 成为近年来发光领域的一个研究热点, 尤其在LED等领域, 受到研究者的热切关注。稀土掺杂SiAlON基荧光粉体有望成为新一代照明光源。由于缺乏青色光发射, 往往会造成显色性能不足。本研究通过传统高温固相法合成了β-Si5AlON7:Eu荧光粉, 采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)等研究了其结构、形貌、元素和价态。通过光谱仪表征了样品的激发光谱以及发射光谱的波长范围并测试了热猝灭性能, 发现激发波长覆盖紫外至蓝色光区域, 并且发射光谱显示出典型的Eu2+跃迁的宽谱。在300 ℃下, 样品的发射光强度依然可达到室温强度的40%左右, 热激活活化能(Ea)达到了3.7 eV, 相比较商用YAG:Ce3+(YAG)荧光粉, 热稳定性有一定的提升。在与蓝色芯片复合后成功制备了高显色（显色指数Ra=87）的白色发光LED, 对应的色温也达到了暖白光范围(CCT=4501 K)。本研究实现了SiAlON基青色发射, 获得了热稳定性较为优异的荧光粉, 在发光的可持续性能上也比商用YAG有明显优势。

TiAl合金具有低密度、高比强度的优异性能, 是一种潜在的航空发动机用结构材料。TiAl合金的服役温度范围为700~900 ℃, 在其表面制备高温热防护涂层可以进一步提高服役温度。本研究采用等离子喷涂技术在TiAl合金表面制备了新型TiAlCrY/YSZ涂层, 并与传统的NiCrAlY/YSZ热障涂层进行高温长时间服役性能对比研究。结果发现, TiAlCrY/YSZ涂层在1100 ℃空气环境中服役300 h保持完好, 表现出良好的高温性能, 而NiCrAlY/YSZ涂层在1100 ℃的服役寿命不足100 h。显微分析结果表明, TiAlCrY黏结层表面会形成一层连续且致密的TGO, 其主要成分为Al₂O₃, 与YSZ涂层的界面兼容性良好。并且TGO在1100 ℃空气环境中服役300 h后, 厚度仍<8 μm。以上研究表明, 与传统NiCrAlY/YSZ热障涂层相比, TiAlCrY/YSZ更适合作为TiAl合金表面的高温热防护涂层。