研在合工大 | 遙感、化學(xué)等領(lǐng)域新進(jìn)展

目錄

1.紅外遙感圖像處理研究領(lǐng)域

2.仿生晶態(tài)多孔材料組裝及手性藥物分離領(lǐng)域

3.低碳比污水脫氮領(lǐng)域

01

紅外遙感圖像處理研究領(lǐng)域

儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院劉羽教授團(tuán)隊在紅外小目標(biāo)檢測研究方向取得新進(jìn)展。相關(guān)研究成果發(fā)表在遙感領(lǐng)域頂級期刊《ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing》（IF：12.2）上。

紅外小目標(biāo)檢測是低空偵察、戰(zhàn)略預(yù)警和高精度導(dǎo)航等遠(yuǎn)距離態(tài)勢感知系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)。受探測距離限制，目標(biāo)多呈現(xiàn)像素有限、信雜比低、紋理稀缺及邊緣模糊等特點。同時，背景雜波往往具有強(qiáng)熱輻射響應(yīng)，容易將目標(biāo)信號淹沒，使得該任務(wù)極具挑戰(zhàn)。近年來，紅外小目標(biāo)檢測方法取得了顯著進(jìn)展，但多數(shù)方法仍依賴由可學(xué)習(xí)線性映射和固定激活函數(shù)構(gòu)成的MLP范式。然而，在檢測過程中，從圖像到掩碼的映射常涉及目標(biāo)強(qiáng)度、空間結(jié)構(gòu)與上下文信息等多因素之間的強(qiáng)非線性關(guān)系。受限于函數(shù)表達(dá)能力，傳統(tǒng)MLP方法難以充分刻畫上述映射關(guān)系，從而制約了模型在復(fù)雜場景下的檢測性能。

圖1 SP-KAN總體框架示意圖

針對上述問題，團(tuán)隊提出了基于稀疏正弦感知的科爾莫戈洛夫-阿諾德網(wǎng)絡(luò)SP-KAN，將該任務(wù)建模為由稀疏非線性模塊驅(qū)動的全局上下文調(diào)制問題：提出模式互補(bǔ)模塊PCM，將符號化表示的通道映射與結(jié)構(gòu)化表示的局部空間統(tǒng)一建模，增強(qiáng)目標(biāo)與雜波的可分性；引入稀疏正弦感知層SPKAL在像素層面感知原始非線性空間與高維正弦潛空間，建立神經(jīng)元間細(xì)粒度關(guān)系。實驗結(jié)果表明，SP-KAN在檢測精度、魯棒性和泛化能力方面優(yōu)于主流方法。該項研究提出的紅外小目標(biāo)檢測方法能夠為復(fù)雜場景下紅外小目標(biāo)魯棒檢測與智能感知提供理論方法和關(guān)鍵技術(shù)支撐，對遠(yuǎn)距離態(tài)勢感知系統(tǒng)建設(shè)具有重要意義。

圖2 稀疏正弦感知層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

合肥工業(yè)大學(xué)為論文的第一完成單位。儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院博士后袁帥為論文的第一作者，劉羽教授和西安電子科技大學(xué)延翔副教授為論文的共同通訊作者。該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金（62576132、U23A20294）和教育部基礎(chǔ)學(xué)科和交叉學(xué)科突破計劃（JYB2025XDXM109）等項目的資助。

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02

仿生晶態(tài)多孔材料組裝

及手性藥物分離領(lǐng)域

化學(xué)與化工學(xué)院朱成峰、吳祥教授團(tuán)隊聯(lián)合德州農(nóng)工大學(xué)王焜昱、周宏才教授團(tuán)隊在仿生晶態(tài)多孔材料組裝及手性藥物分離領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展。相關(guān)研究成果發(fā)表于國際化學(xué)領(lǐng)域頂級期刊《美國化學(xué)會志》。合肥工業(yè)大學(xué)為論文第一完成單位，23級碩士生馬曉玉、24級碩士生王夢雅以及普林斯頓大學(xué)李文軒為論文的共同第一作者。

手性是自然界的基本屬性，光學(xué)純手性藥物與人類的生命健康息息相關(guān)。上世紀(jì)五十年代，沙利度胺外消旋體藥物的不當(dāng)使用導(dǎo)致上萬名“海豹”畸形胎兒誕生，成為醫(yī)藥史上的重大悲劇，也讓光學(xué)純手性藥物及其中間體的制備成為全球醫(yī)藥與化學(xué)領(lǐng)域的研究焦點。然而手性藥物分子的一對對映體的物理與化學(xué)性質(zhì)在非手性環(huán)境下高度相似，如何高效分離外消旋體以制備光學(xué)純手性分子，成為制約手性制藥行業(yè)發(fā)展的核心難題之一。

受真菌非特異性過氧酶中大孔腔結(jié)構(gòu)與手性識別功能的啟發(fā)，研究團(tuán)體首先以天然L-苯丙氨酸為手性源，設(shè)計合成了一種兼具C3對稱性、結(jié)構(gòu)剛?cè)嵯酀?jì)且富含肽鍵功能位點的手性配體。然后利用手性配體與鋅離子間的穩(wěn)定配位作用、以及配體分子間的N-H???O氫鍵、C-H???π等多重非共價相互作用，成功組裝出一種結(jié)構(gòu)新穎的手性金屬-有機(jī)框架（MOF）晶態(tài)材料（圖1）。該材料擁有一個尺寸為2.2 nm× 3.1 nm的超大手性空腔，且空腔內(nèi)壁密集修飾了42個苯丙氨酸殘基，構(gòu)建出模擬生物酶蛋白的復(fù)雜手性微環(huán)境；同時，手性空腔通過其3.3 nm的三角形開放窗口相互貫通，形成連續(xù)的手性分子傳輸孔道。該組裝策略既突破了柔性氨基酸難以直接構(gòu)筑大孔腔仿生晶態(tài)材料的技術(shù)瓶頸，也有望解決傳統(tǒng)微孔仿生材料分離手性物質(zhì)適用范圍窄的問題。

圖1 手性MOF的組裝及其孔腔結(jié)構(gòu)

研究團(tuán)隊通過動態(tài)吸附實驗和蒙特卡洛理論計算表明，該仿生手性MOF用作固相吸附材料時能對氧化苯乙烯（SO）、苯基縮水甘油醚（GPE）和三苯甲基縮水甘油醚（GTE）這三種手性藥物中間體實現(xiàn)高選擇性識別與吸附，精準(zhǔn)捕捉其S-構(gòu)型的對映體，展現(xiàn)出媲美生物酶空腔的手性識別能力（圖2）。在實際手性分離應(yīng)用中，該手性MOF材料還能拆分一系列電子效應(yīng)、空間位阻各異的22種外消旋環(huán)氧化物，對映體過量值（ee）高達(dá)99.9%，表現(xiàn)出優(yōu)異的底物普適性（圖3）。

圖2 手性MOF的對映選擇性吸附性能

圖3 手性MOF分離外消旋手性環(huán)氧化物的性能

研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，相較于傳統(tǒng)微孔手性MOF材料的較為單一對映體分離功能，所組裝的仿生手性MOF憑借其寬敞的內(nèi)部分子傳輸孔道與豐富的手性識別位點，分離范圍實現(xiàn)大幅拓展，并能以ee值高達(dá)99.9%的選擇性高效分離β-硝基醇（2a-d）、扁桃酸甲酯（3a-d）、α-苯乙醇（4a-e）、吲哚啉酮（5a-d）以及α-苯乙胺和檸檬烯等多種官能結(jié)構(gòu)、分子尺寸迥異的手性藥物合成中間體（圖4），還首次實現(xiàn)了分子尺寸超2.0 nm的手性仲醇的高選擇性分離（ee=99.1%，4e），表明了其對手性大尺寸分子的分離潛力。針對結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜、尺寸更加龐大的萘普生、奧美拉唑、托吡卡胺、益康唑等市售手性藥物（6a-d），該仿生手性MOF材料同樣能實現(xiàn)高效拆分，制備出光學(xué)純度高達(dá)99.9%的手性藥物，充分彰顯了其在醫(yī)藥領(lǐng)域的實際應(yīng)用價值。這讓其也成為迄今已報道的最為優(yōu)異的對映選擇性與底物普適性兼具的晶態(tài)多孔手性分離材料之一。

圖4 手性MOF分離的外消旋藥物分子及中間體

為考察該仿生手性MOF材料的工業(yè)化應(yīng)用潛力，研究團(tuán)隊將其與聚偏二氟乙烯（PVDF）復(fù)合，制備出手性混合基質(zhì)膜，也實現(xiàn)了氧化苯乙烯、1-苯乙醇等手性分子的連續(xù)分離。該膜在10分鐘內(nèi)可獲得光學(xué)純度為99.1%的氧化苯乙烯，30分鐘內(nèi)可獲得光學(xué)純度為97.1%的1-苯乙醇（圖5），為手性藥物的連續(xù)化、規(guī)模化制備提供了新途徑，展現(xiàn)出良好的工業(yè)應(yīng)用前景。

圖5 晶態(tài)手性MOF混合基質(zhì)膜的分離性能

綜上，該研究團(tuán)隊開發(fā)了一種大孔腔仿生手性分離材料的有效組裝策略，實現(xiàn)了手性藥物的高選擇性、廣譜性分離，為后續(xù)設(shè)計開發(fā)新型手性分離、手性傳感和手性催化等功能仿生材料提供了重要的理論指導(dǎo)和技術(shù)參考。研究工作得到了國家自然科學(xué)基金的資助以及合肥工業(yè)大學(xué)分析測試中心、國家蛋白質(zhì)科學(xué)研究（上海光源）設(shè)施等平臺的大力支持。

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03

低碳比污水脫氮領(lǐng)域

土木與水利工程學(xué)院王偉教授團(tuán)隊在低碳比污水脫氮領(lǐng)域取得新研究進(jìn)展，相關(guān)研究成果在自然指數(shù)（Nature Index）期刊《Water Research》在線發(fā)表。

光驅(qū)動生物混合系統(tǒng)作為有前景的新興污水脫氮技術(shù)，其性能卻受電子轉(zhuǎn)移效率制約。團(tuán)隊合成了三種異質(zhì)結(jié)光催化劑，并與厭氧氨氧化細(xì)菌耦合構(gòu)建光驅(qū)動生物混合系統(tǒng)，通過增強(qiáng)光生電子轉(zhuǎn)移實現(xiàn)氨氮與硝態(tài)氮同步去除。由特殊異質(zhì)結(jié)構(gòu)建的耦合系統(tǒng)展現(xiàn)出最優(yōu)異的電荷分離與氧化還原能力，在無需曝氣和有機(jī)碳的間歇光照下實現(xiàn)94.8%的總氮去除率。進(jìn)一步通過實驗證實了光刺激電子轉(zhuǎn)移效率的提升和微生物脫氮相關(guān)基因豐度的增加。該研究結(jié)果突破了低碳氮比條件下的電子供體限制，顯著降低了污水處理過程的能耗與碳排放。這些發(fā)現(xiàn)深化了生物-非生物混合界面電子傳遞機(jī)制的認(rèn)識，更為實現(xiàn)低碳氮比污水高效光驅(qū)動脫氮提供了新見解與技術(shù)支撐。

合肥工業(yè)大學(xué)為該研究的第一完成單位和通訊單位，博士研究生楊靖為論文的第一作者，王偉教授擔(dān)任論文的通訊作者。本研究得到了中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金（JZ2024HGTG0304）和安徽省生態(tài)環(huán)境廳科研項目（2023hb0003）的支持。

論文鏈接：

來源 | 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院 化學(xué)與化工學(xué)院

土木與水利工程學(xué)院

封圖｜李戌

編輯 | 尤心怡

責(zé)編 | 衛(wèi)婷婷 袁夢

投稿郵箱 | hfutxcb404@163.com

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