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研究利用仿生钾离子通道实现单价离子筛分

  向自然学习是永恒的主题。生命中的离子通道具有离子选择性、门控性及整流性,可实现特定离子的选择性跨膜运输。钾离子通道(KcsA)是常见的生命体离子通道,可实现K+/Na+的高效选择性传输,选择比达104。生物钾离子通道具有埃米级的尺寸以及丰富的表面结合位点,每秒可以转运108个钾离子。  

  纳米结构材料和纳米制备技术的兴起促进了具有高效、精密的离子选择性传输的仿生纳米通道膜的快速发展。这些材料与技术实现纳米限域环境下的埃米级离子通道的构筑,在尺寸上实现离子的初步分离。通过引入相应的基团,通道表面实现功能化,利用离子与功能基团作用力的差异,实现离子的进一步筛分。由于锂、钠、钾等离子具有相同的价态以及相似的离子半径,有效的单价离子筛分目前仍是挑战。  

  近日,中国科学院理化所研究员闻利平与吉林大学化学院教授贲腾(现为浙江师范大学教授),在Nature CommunicationsDOI:10.1038/s41467-022-29382-6上发表研究性论文。该研究受生物KcsA通道的启发,将一种螺旋多孔有机盐分子笼(CPOS)原位生长在锥形纳米孔中,实现钾离子的快速选择性传输以及单价离子的筛分作用。在亚纳米尺度上,锥形结构的双螺旋通道表现出典型的离子整流行为,钾离子的传输速度达94.4 mmol m-2 h-1,其中,K+/Li+K+/Na+的选择性比分别为36331。实验和模拟表明,这种选择性传输或是阳离子和静电相互作用的协同效应使Li+Na+的传输能垒更高所致。该研究为设计与制备具有高性能K+离子筛分的仿生器件提供了有效方法。  

  生物钾离子通道依赖于非对称的离子通道以及在亚纳米限于空间表面基团对钾离子的高度选择性传输。构建具有类似KcsA的仿生离子通道有望实现K+离子的高效分离。研究利用径迹蚀刻后的聚酰亚胺膜制备出锥形的纳米通道,运用原位合成策略,将CPOS材料组装到上述单锥纳米通道中,从而获得仿生钾离子通道膜材料。 

  实验结果表明,仿生离子通道可以实现钾离子的快速传输,其中K+/Li+的选择性达363,并具有优异的循环性能。与其他文献报道的数值相比,其分离性能达到先进水平。 

  这种钾离子通道有望在水处理、能量转换以及离子电池等方面得到进一步应用。中国科学院大学未来技术学院、浙江师范大学科研人员参与研究。 

1.a、生物离子通道及CPOS材料的孔结构,b、仿生离子通道的构筑

2.仿生钾离子通道的离子选择性测试