一． 瞬态二维红外光谱探测技术

    现阶段的生物分子动力学研究中，基于激光泵浦-探测技术的UV-Vis吸收谱是最常见的观测能量转移、电荷转移、异构化等超快过程的手段。基于光克尔效应和上转换的荧光光谱和时间相关单光子计数（TCSPC）也被用于测量纳米团簇的荧光量子产率和发光寿命。但是这些激发态光谱手段对于荧光探针及周围环境之间的弱相互作用灵敏度很低，极难捕捉到生物大分子的结构变化过程。常规瞬态红外光谱虽然可以解决这一问题，但其信号灵敏度却远不及荧光光谱手段，对于样品浓度的要求通常是后者的千倍。发展一套同时具有信号灵敏度和结构灵敏度的瞬态光谱手段，对于研究激发态电子/质子转移、能量迟豫等动力学过程，重新认知激发态分子与周围环境（溶剂、DNA、蛋白等）的弱相互作用具有重要意义。二维红外光谱技术在一维红外光谱基础上，解决了不同特征峰重叠的问题，通过交叉峰揭示不同分子内和分子间的相互作用关系，对蛋白质的二级结构变化有着很强的灵敏度。与常规二维红外光谱技术相比，瞬态二维红外光谱系统将纳秒与飞秒激光器同步，利用纳秒脉冲诱导生物分子周围温度或pH值改变，引发生物分子的解离、折叠等反应，再通过飞秒脉冲同步观测相应的动力学过程。（J. Phys. Chem. Lett., 2020, 11, 4353-4358；J. Phys. Chem. B, 2024,128，1884）

二．生物分子的相互作用、自组装、相分离动力学过程

生命体内的相分离是指生物大分子由于相互作用导致分布不均，形成凝聚相（dense phase）和稀释相（dilute phase）的过程。该过程广泛存在于生命体内，通过协助蛋白质与配体的结合，帮助细胞建立生化活性区，进而在时间和空间尺度上调控生物大分子的功能。近几年研究表明，相分离可能是细胞形成无膜细胞器的物化基础，与癌症等疾病的发生高度相关，因而成为生命科学领域的研究热点，相关文章和应用呈井喷式增长。在微观尺度上，相分离形成多肽微液滴可以经由细胞内传递将药物分子运输到细胞中，避免了人工合成纳米载体的毒性风险，开辟了载药系统制备的新途径。在宏观尺度上，相分离可以促进、调控蛋白质的自组装过程，最终形成具有高强度、高韧性等性质的可降解材料，避免了高分子聚合物材料的环境污染问题，在仿生皮肤、食品包装等方面有着广阔应用前景。相分离过程及局域环境的复杂性，对研究手段的时间和空间分辨率提出了极高要求。瞬态二维红外光谱技术与常规二维红外光谱技术相比，利用纳秒脉冲诱导生物分子周围温度或pH值改变，引发生物分子的解离、折叠等反应，再通过飞秒脉冲同步观测相应的动力学过程，从而揭示生物分子反应过程中的重要中间体结构。（Biomacromolecules, 2022, 23,2662 ; ACS Appl. Mater. Inter., 2022，14, 21945）

三．生物大分子的识别动力学及其局域微环境

   蛋白质-蛋白质，蛋白质-离子相互作用的研究对于理解人体功能的基本过程（信号传导、细胞周期调控和代谢等）以及治病机理（阿尔兹海默症、糖尿病等）至关重要。尤其以组氨酸为核心，作为一类具有独特生理功能的氨基酸，在许多金属酶反应中成为至关重要的配体。在人体内，组氨酸与体内铜离子转运过程高度相关，并可以导致几种致命的神经退行性疾病。在这些动力学过程中，蛋白质与金属离子的结合位点及诱导的结构变化将直接影响着反应路径、结合速率、生成物稳定性等。这部分工作将为生物大分子的调控和修饰，以及先导药物的开发提供重要的研究手段。（J. Phys. Chem. B, 2024,128,1884; Commn.Biol., 2020, 1, 525; J. Phys. Chem. B, 2016, 130, 5134）

四．仿生材料的分子机理研究

新型仿生材料的研发是近年来的热门领域，在医学、AI智能方面都有重要应用。稳态、瞬态光谱手段可以帮助人们理解材料性能的分子层面机理，进而为新型材料研发提供理论指导。（Matter, 2020, 2, 948；Nat. Chem., 2022, 15, 119; Cell Rep. Phys. Sci., 2023, 4, 101644; Macromolecules, 2023, 56, 5001）