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    科研進展

    仿生鉀離子通道實現單價離子篩分

    稿件來源: 發布時間:2022-04-02

      向自然學習是永恒的主題。生命中的離子通道具有離子選擇性、門控性以及整流性,可以實現特定離子的選擇性跨膜運輸。鉀離子通道(KcsA)是一種常見的生命體離子通道,可實現K+/Na+的高效選擇性傳輸,其選擇比達到104。生物鉀離子通道具有埃米級的尺寸以及豐富的表面結合位點,每秒可以轉運108個鉀離子。 

      最近,納米結構材料和納米制備技術的興起促進了具有高效、精密的離子選擇性傳輸的仿生納米通道膜的快速發展。這些材料與技術實現納米限域環境下的埃米級離子通道的構筑,在尺寸上實現離子的初步分離。通過引入相應的基團,通道表面實現功能化,利用離子與功能基團作用力的差異,實現離子的進一步篩分。由于鋰、鈉、鉀等離子具有相同的價態以及相似的離子半徑,有效的單價離子篩分目前仍然是巨大的挑戰。 

      近日,中科院理化所聞利平研究員與吉林大學化學院賁騰教授(現為浙江師范大學教授)在Nature Communications上發表研究性論文,受生物KcsA通道的啟發,將一種螺旋多孔有機鹽分子籠(CPOS)原位生長在錐形納米孔中,實現鉀離子的快速選擇性傳輸以及單價離子的篩分作用。在亞納米尺度上,錐形結構的雙螺旋通道表現出典型的離子整流行為,鉀離子的傳輸速度達到94.4 mmol m-2 h-1,其中,K+/Li+K+/Na+的選擇性比分別為36331。實驗和模擬表明,這種選擇性傳輸可能是陽離子和靜電相互作用的協同效應使得Li+Na+的傳輸能壘更高導致的。該工作為設計與制備具有高性能K+離子篩分的仿生器件提供了一種有效的方法。 

      生物鉀離子通道依賴于非對稱的離子通道以及在亞納米限于空間表面基團對鉀離子的高度選擇性傳輸。構建具有類似KcsA的仿生離子通道有望實現K+離子的高效分離。利用徑跡蝕刻后的聚酰亞胺膜制備一個錐形的納米通道,通過原位合成策略,將CPOS材料組裝到上述單錐納米通道中,從而獲得仿生鉀離子通道膜材料。 

      

    1.a)生物離子通道及CPOS材料的孔結構(b)仿生離子通道的構筑

      實驗結果表明,仿生離子通道可以實現鉀離子的快速傳輸,其中K+/Li+的選擇性達到363,并且具有優異的循環性能。與其他文獻報道的數值相比,其分離性能達到先進水平。 

      

    2.仿生鉀離子通道的離子選擇性測試 

      這種鉀離子通道有望在水處理、能量轉換以及離子電池等方面展現進一步應用。 

      中科院理化所、中國科學院大學未來技術學院辛偉聞博士和浙江師范大學講師付靜茹為文章的共同第一作者。中科院理化所聞利平研究員與浙江師范大學賁騰教授為共同通訊,理化所為第一單位。 

        

      Weiwen Xin, Jingru. Fu, Yongchao Qian, Lin Fu, Xiang-Yu Kong, Teng Ben, Lei Jiang, Liping Wen. Biomimetic KcsA channels with ultra-selective K+ transport for monovalent ion sieving. Nat. Commun. 2022, 13, 1701-1711. DOI: 10.1038/s41467-022-29382-6. 

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