中科院理化所JACS：納米孔/通道中的離子/分子傳輸——從基本原理到多功能應用

【引言】

納米孔/通道在生物系統是普遍存在的，并且視網膜、神經和肌肉等生命系統中的離子/分子運輸在生命活動中起著關鍵作用。而從細胞膜中的生物納米通道中獲取靈感，人工納米孔/通道已經被成功構建出來并用以通過調節界面相互作用來定向傳輸離子/分子。根據不同維度上的結構特征，這些人工材料可以分為零維體系、一維體系、二維體系和三維體系。同時，研究納米孔/通道中離子/分子運輸的基本原理有助于進一步改善不同人造材料的性能。基于這些原理，納米孔/通道系統有著廣泛的應用，諸如油水分離、海水淡化、藥物可控輸送、鹽差發電、壓力發電、DNA測序、環境監測等等。

【成果簡介】

近日，中科院理化所田野研究員（通訊作者）與江雷院士在J. Am. Chem. Soc.上發表了題為“Ion/molecule transportation in nano- pore/channels: From critical principles to diverse functions”的Perspective文章。文中作者首先介紹了納米孔/通道系統內離子/分子傳輸所涉及的基本原理、最新成果和廣泛應用，其中基于納米孔/通道的應用主要有四個部分：1. 基于納米孔/通道的離子/分子選擇性傳輸及其在分離領域的相關應用；2. 具有單、雙和多級門控態的離子/分子門控體系及其在藥物可控釋放領域的應用；3. 利用離子整流效應的清潔能源轉換系統；4. 基于納米孔的單分子測序和高靈敏檢測。此外在每部分的結尾，作者還討論了圍繞此部分納米孔/通道系統現存的挑戰。最后，文中還給出一個總結性的表格，介紹了圍繞以上四點應用的典型工作，現存挑戰及針對這些挑戰的可能解決措施。

【圖文導讀】

圖1 用于離子/分子傳輸的納米孔/通道的基本原理及應用的簡要介紹

(a) 納米孔/通道在不同維度上的物理模型；

(b) 納米孔/通道系統的關鍵原理可以簡明地概括為尺寸/形狀效應、浸潤性、電荷效應、主客體識別和其他相互作用（螯合，氫鍵等）；

(c) 基于關鍵原理的應用：多體系分離，可調節門控，能源轉換，單分子測序和檢測等。

圖2 通過納米孔/通道系統分離非均相和可混溶的混合體系?

(a) 基于預浸潤的電紡纖維膜分離不混溶液體；

(b) 借助液體注入的聚四氟乙烯膜分離不混溶的氣體和液體；

(c) 利用超薄沸石咪唑骨架膜分離丙烯與丙烷混溶氣體；

(d) 通過由氧化鋁負載的交聯鐵蛋白膜分離可混溶的有機分子；

(e) 金屬離子修飾的氧化石墨烯納米片分離可混溶的有機液體；

(f) 通過聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）膜分離可混溶的離子。

圖3 響應分子表面修飾后的可調節門控納米通道

(a) 由電場控制的單刺激響應性PET納米通道；

(b) 由磁場控制磁流體門控的單刺激響應性超親水氧化鋁納米通道；

(c) 由溫度和pH控制的雙刺激響應性PET納米通道；

(d) 由酸和堿調節的雙刺激響應性PET納米通道；

(e) 具有多種門控特征的三維DNA水凝膠網絡修飾的錐形納米通道；

(f) 具有可調節門控狀態的自組裝超分子修飾的多門控態納米通道。

圖4 基于能量轉換體系中界面電荷的離子傳輸

(a) 基于二硫化鉬一維納米孔的濃度-電流轉換系統的示意圖；

(b) 帶有氮化硼一維納米通道的滲透壓-電流轉換系統的示意圖；

(c) 基于二氧化硅一維納米通道的壓電轉換系統的示意圖；

(d) 基于DNA修飾一維錐形PET納米通道的光電轉換系統的示意圖；

(e) 具有二維石墨烯水凝膠膜的液壓-電流轉換系統的示意圖；

(f) 基于具有三維納米通道聚四氟乙烯膜的熱電轉換系統的示意圖；

(g) 基于帶相反電荷的層狀氧化石墨烯復合膜的滲透能轉換系統的示意圖；

(h) 基于超薄和離子選擇性復合Janus膜的滲透能轉換系統的示意圖。

【小結】

本文致力于探索納米孔/通道中離子/分子運輸的基本原理，并著眼于它們在分離、刺激響應門控、能量轉換、分子測序及檢測等領域中的應用。同時，作者指出盡管在過去幾十年中納米孔/通道領域取得了重大成就，也仍存在諸多挑戰：1.多功能集成同時具有高機械強度及穩定性的納米孔/通道膜是實際應用中的關鍵挑戰；2. 關于解釋納米孔/通道系統中離子/分子運輸行為的基本原理，仍然需要能夠通用且全面的模型。最后，作者認為未來的研究工作應該致力于系統地考察具有精確可控環境的單個納米孔或納米管，此外還需要努力開發簡便的制造工藝以制備能夠用于實際應用的大面積納米孔/通道陣列。

文獻鏈接：Ion/molecule transportation in nano- pore/channels: From critical principles to diverse functions?(J. Am. Chem. Soc., 2019, DOI: 10.1021/jacs.9b00086)

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