师资队伍 | 白净卫, PhD

白净卫

研究员,博士生导师

2006年本科毕业于北京大学化学与分子工程学院,2011年毕业于美国加州大学洛杉矶分校获材料学博士学位。 2011.6-2013.6,在IBM 沃森实验室从事博士后研究。2013.8-2016.8,受聘于美国基因测序技术公司Illumina Inc.从事研发工作。攻读博士期间结合前沿半导体工艺完成了石墨烯纳米筛结构和超高频石墨烯射频晶体管等原创性科研成果。博士后期间在IBM前沿半导体制成技术的基础上拓展纳米制备技术在单分子生物传感器方面的应用,研究基于“Top down”技术路线制备固态纳米孔的制成工艺。之后加入了基因测序技术领域处于世界领先地位的Illumina Inc.研发基于纳米孔和一维晶体管构造的第三、四代基因测序技术。截至目前为止已在Nature,Nature Nanotechnology,Nano Letters, PNAS等期刊上发表论文30篇,申请17项美国发明专利,其中已授权有8项。


研究方向:

生物电子器件在临床诊断、即时检测等方面有很大的发展前景。近年来,在新兴的半导体纳米加工工艺的推动下,生物电子器件已经开始向单分子领域迈进,为研究单分子酶动力学,高灵敏度生物检测以及单分子基因测序提供了基础。除了生物传感器方面的应用,电子-生物交互传感是纳米电子学的一个新的研究方向,以纳米电子学为基础的生物-电子复合器件可以对单个生物大分子的活性、运动等方面进行控制,可以更加接近本源的研究生物体系的动态和稳态,对生物-信息化提供很好的研究参考。本课题组主要研究单分子层面生物体系与电子器件界面的物理和化学相互作用,在这个基础上通过纳米加工和定点生物耦合制成生物-电子复合器件,并应用于DNA测序、免疫分析、高通量药筛和神经芯片等领域。本课题组重点研究方向如下:
1) 基于生物电子复合结构的单分子传感器和DNA测序仪:主要研究如何在VLSI制成的纳米电子器件传感界面进行定点耦合单个生物活性分子。比如以酶为敏化核心,以蛋白质纳米孔、固态纳米孔和纳米缝隙为载体的复合纳米器件可以应用于新一代的单分子DNA测序器件和分子诊断器件。
2) 生物分子的图案化:生物分子在流体芯片表面的图案化在多功能生物传感和高通量药物筛选方面有很大的应用前景。同时,纳米级别的生物分子图案化也是深入研究生物-无机表面相互作用的基础。本课题组在生物分子图案化过程中引进了半导体加工中的镶嵌结构磨平技术,通过软磨平技术在纳米凹槽的基底上有选择性的耦合生物分子,应用于高通量药物筛选基底制备以及临床检测等方面。
3) 电子信号控制的生物活性体系:构建生物-机器交互性平台对研究生物体对环境的刺激反应具有重要的意义。而在单分子尺度研究生物酶活性对外界应力的响应,不仅对理解生物分子的结构-功能效应有着重要的意义,也将对构建宏观尺度的交互仪器产生指导。我们通过将生物活性分子直接耦合到纳米孔和金属纳米缝隙中,施加局域电场和电场引发的机械力影响这些分子的生物活性,从而探索生物大分子结构-功能关系。在此基础上,我们主要构建电场控制的神经递质代谢系统,从分子尺度对神经刺激进行精确的控制和长期的影响,这项技术可能对理解大脑功能和治疗神经疾病产生变革性的影响。

科学贡献:

  • 三金属电极镶嵌的固态纳米孔和深纳米尺度隧穿纳米缝隙对单分子DNA的控制和碱基识别。

图一: 透射电镜下的多电极固态纳米孔(左),和隧穿纳米缝隙(中)对不同核苷酸分子的的响应(右).
  • 单分子基因测序平台的研究和二代测序平台中流体芯片的研发。
     
 
图二: 构建应用于二代DNA测序的流体芯片表面DNA扩增技术(左),和应用于三代测序技术的磷脂双层纳米盘密封的蛋白-固态复合纳米孔器件(中),以及基于一维纳米晶体管的未来测序技术(右)。
  • 石墨烯纳米结构的研究和晶体管应用
     
图3:(左二)石墨烯纳米带的形貌和巨型磁导现象;(中二)石墨烯纳米筛的形貌和晶体管效应;(右二)自洽组装的石墨烯射频晶体管横切透射电镜图和其高达400GHz的本征截至频率。

荣誉和奖励:

IBM First Plateau Invention Achievement Award, IBM T J Watson Research, 2013年
Harry M. Showman Prize, University of California, Los Angeles 2011年
Graduate Student Silver Award, Material Research Society (MRS) Fall Meeting 2010年

 代表论文:

1. J. W.  Bai†, D. Wang†, S.W. Nam, H. Peng, R. Bruce, L. Gignac, M. Brink, E. Kratschmer, S. Rossnagel, P. Waggoner, K. Reuter, C. Wang, Y. Astier, V. Balagurusamy, B. Luan, Y. Kwark , E. Joseph, M. Guillorn, S. Polonsky, A. Royyuru, S. Papa Rao, G. Stolovitzky, “Fabrication of sub-20nm nanopore arrays in membranes with embedded metal electrodes at wafer scales”, Nanoscale (2014), 6, 8900.
2. R. Cheng†, J. W.  Bai† (Co-author with Equal contribution), L. Liao, H. Zhou, Y. Chen, L. Liu, Y.-C. Lin, S. Jiang, Y. Huang, X. F. Duan, “High-frequency self-aligned graphene transistors with transferred gate stacks”, Proceedings of the National Academy of Sciences of The United States of America (2012), 109, 11588. 
3. J. W.  Bai, L. Liao, H. Zhou, R. Chen, L. Liu, Y. Huang, X. F. Duan, “Top-gated chemical vapor deposition grown graphene transistors with current saturation”, Nano Letters (2011) 11, 2555.
4. J. W.  Bai, Y. Huang, “Fabrication and electrical properties of graphene nanoribbons”, Materials Science and Engineering: R (2010) 70, 341. Invited Review
5. J. W.  Bai†, R. Cheng†, F. X. Xiu, L. Liao, M. S. Wang, A. Shailos, K. L. Wang, Y. Huang, X. F. Duan, “Very large magnetoresistance in graphene nanoribbons”, Nature Nanotechnology (2010) 5, 655.
6. J. W.  Bai, X. Zhong, S. Jiang, Y. Huang, X. F. Duan, “Graphene nanomesh”, Nature Nanotechnology (2010) 5, 190.
7. J. W.  Bai, X. F. Duan, Y. Huang, “Rational fabrication of graphene nanoribbons with nanowire etch mask”, Nano Letters (2009) 9, 2083.
8. J. W. Bai, S. Huang, L. Wang, Y. Chen, Y. Huang, “Fluid assisted assembly of one-dimensional nanoparticle array inside inorganic nanotubes”, Journal of Materials Chemistry (2009) 19, 921.
9. J. W. Bai, Y. Qin, C. Jiang, L. M. Qi, “Polymer-controlled synthesis of silver nanobelts and hierarchical nanocolumns”, Chemistry of Materials (2007) 19, 3367.
10. P. Pang, B. Ashcroft, W. Song, P. Zhang, S. Biswas, Q. Qing, J. Yang, R. Nemanich, J. W. Bai, J. Smith, K. Reuter, V. Balagurusamy, Y. Astier, G. Stolovitzky, S. Lindsay, “Fixed-gap Tunnel Junction for Reading DNA Nucleotides”, ACS Nano (2014), 8, 11994.
11. B. Luan, J. W. Bai, G. Stolovitzky, “Fabricatable nanopore sensors with an atomic thickness”, Applied Physics Letters (2013), 103, 183501.
12. L. Liao, J. W. Bai, R. Cheng, H. L. Zhou, L. X. Liu, Y. Liu, Y. Huang, X. F. Duan, “Scalable fabrication of self-aligned graphene transistors and circuits on glass”, Nano Letters (2012), 12, 2653.
13. Z. Zhong, H. Zhang, Y. Liu, J. W. Bai, L. Liao, Y. Huang, X. F. Duan, “High-capacity silicon-air battery in alkaline solution”, Chemsuschem (2012), 5, 177. L. Liu, H. Zhou, R. Cheng, Y. Chen, Y.-C. Lin, Y. Qu, J. W. Bai, I. A. Ivanov, G. Liu, Y. Huang, X. F. Duan, “A systematic study of atmospheric pressure chemical vapor deposition growth of large area monolayer graphene”, Journal of Materials Chemistry (2012), 22, 1498.
14. Y. Liu, R. Cheng, L. Liao, H. Zhou, J. W. Bai, G. Liu, L. Liu, Y. Huang, X. F. Duan, “Plasmon resonance enhanced multicolour photodetection by graphene”, Nature Communication (2011), 2, 579.
15. G. Xu, C. M. Torres, J. W. Bai, J. Tang, T. Yu, Y. Huang, X. F. Duan, Y. Zhang, K. L. Wang, “Linewidth roughness in nanowire-mask-based graphene nanoribbons”, Applied Physics Letters (2011), 98, 243118. 
16. Y. Qu, J. W. Bai, L. Liao, R. Cheng, Y.C. Lin, Y. Huang, T. Guo, X. F. Duan, “Synthesis and electric properties of dicobalt silicide nanobelts”, Chemical Communications  (2011), 47, 1255.
17. G. Xu, C. M. Torres, J. Tang, J. W.  Bai, E. Song, Y. Huang, X. F. Duan, Y. Zhang, K. L. Wang, “Edge effect on resistance scaling rules in graphene nanostructures”, Nano Letters (2011) 11, 1082.
18. L. Liao, Y. C. Lin, M. Bao, R. Cheng, J. W. Bai, Y. Liu, K. L. Wang, Y. Huang, X. F. Duan, “High speed graphene transistor with a self-aligned nanowire gate”, Nature (2010) 467, 305.
 

专利:

1. Y. Astier, J. W. Bai, S. Papa Rao, K. Reuter, J. T. Smith. “Nanogap device with capped nanowire structures” US9097698 B2. (2015)
2. Y. Astier, J. W. Bai, M. Guillorn, S. Papa Rao, J. Smith. “Manufacturable sub-3 nanometer palladium gap device for fixed electrode tunneling recognition”. US9128078 B2. (2015)
3. Y. Astier, J. W. Bai, R. Bruce, A. D. Franklin, J. T. Smith. “Nanoporous structures by reactive ion etching”, US 9117652 B2. (2015)
4. Y. Astier, J. W. Bai, M. Lofaro, S. Papa Rao, J. Smith, C. Wang. “Nanogap in-between noble metals”, US9012329 B2. (2015)
5. J. W. Bai, E. Colgan, C. Jahnes, S. Polonsky.  “Nanochannel process and structure for bio-detection”, US8901621 B1. (2015)
6. Y. Astier, J. W. Bai, S. Papa Rao, K. Reuter, J. T. Smith. “Solid state nnaopore devices for nanoore applications to improve the nanopore sensitivity and methods of the manufacture”, US9085120 B2. (2015)
7. X. Duan, Y. Huang, J. W. Bai. “Graphene nanomesh and method of making the same”, US9012882B2. (2015)
8. J.W.Bai, Q.Lin, G. Stolovitzky, C. Wang, D. Qang. “Nanochannel Device with three dimensinal gradient by single step etching for molecular detection”, US 9322061 B2 (2016)

实验室主页:

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电话:010-62789815;
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