生物離子通道在許多生命活動(dòng)中起著至關(guān)重要的基于晶體作用。他們可以精準(zhǔn)識(shí)別目標(biāo)離子，多孔的仿具有很高的冠醚離子選擇性。例如，生鈉鈉通道的離選Na⁺/K⁺選擇性為~10-10²，Na⁺/Ca²⁺選擇性為~7，擇性這種選擇性對(duì)于神經(jīng)信號(hào)傳導(dǎo)非常重要。器件近幾十年來(lái)，材料人們對(duì)構(gòu)筑人工離子通道產(chǎn)生了極大的基于晶體興趣，這些人工離子通道可以模擬生物離子通道的多孔的仿某些功能，并由廣闊的冠醚應(yīng)用前景，如分子篩分、生鈉水處理、離選傳感、擇性能量轉(zhuǎn)換和提鋰等。器件然而，雖然以往的工通道能夠以各種方式控制離子傳輸，但它們通常缺乏區(qū)分不同陽(yáng)離子的能力。這是因?yàn)樵诩?xì)胞環(huán)境中存在的簡(jiǎn)單陽(yáng)離子(如Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺)僅具有亞納米大小，其大小差異范圍從<0.1 nm(裸K⁺?vs裸Na⁺)到~0.2 nm(水合K⁺?vs水合Mg²⁺)。這兩個(gè)因素對(duì)人工離子通道的構(gòu)筑提出了極大的挑戰(zhàn)：通道孔徑必須足夠小以準(zhǔn)確識(shí)別目標(biāo)離子，同時(shí)足夠精確以排斥其他離子。此外，離子在納米孔中的輸運(yùn)速率一般遵循K⁺>Na⁺的順序。相反順序的Na⁺>K⁺很少被發(fā)現(xiàn)。

圖1冠醚晶體結(jié)構(gòu)

在這項(xiàng)工作中，作者模仿生物離子通道，報(bào)道了一種仿生鈉離子選擇性器件，由多孔冠醚晶體組成。該種晶體由冠醚的空腔形成管狀亞納米孔。腔體最窄處為0.26 nm，大于Na⁺的直徑，略小于K⁺的直徑。這種結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)高通量和高選擇性。Na⁺/K⁺選擇性為15，與生物離子通道相當(dāng)。另外，Na⁺/Ca²⁺的選擇性為523，幾乎比生物高兩個(gè)數(shù)量級(jí)，而Na⁺/Mg²⁺的選擇性能達(dá)1128。結(jié)合實(shí)驗(yàn)與理論計(jì)算，作者提出這種選擇性可能來(lái)自于尺寸效應(yīng)和分子識(shí)別效應(yīng)。這項(xiàng)工作將有助于理解離子通道的構(gòu)效關(guān)系。

圖2基于多孔冠醚晶體的仿生鈉離子選擇性器件

該項(xiàng)工作由溫州大學(xué)2018級(jí)化學(xué)專業(yè)碩士研究生葉婷艷和比利時(shí)魯汶大學(xué)物理與天文學(xué)量子固體物理系博士后侯高壘為共同作者，廣東工業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院低維材料與能量存儲(chǔ)器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室黃少銘教授，溫州大學(xué)浙江省碳材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室化學(xué)與材料工程學(xué)院劉楠楠副教授以及中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所高軍研究員為通訊作者。

此項(xiàng)研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金、浙江省自然科學(xué)基金和溫州市重大研究規(guī)劃支持。

文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-25597-1

DOI: 10.1038/s41467-021-25597-1

英文題目

Artificial sodium-selective ionic device based on crown-ether crystals with subnanometer pores

英文摘要

Biological sodium channels ferry sodium ions across the lipid?membrane while rejecting potassium ions and other metal ions. Realizing such ion selectivity in an artificial solid-state ionic device will enable new separation technologies but remains highly challenging. In this work, we report an artificial sodium-selective ionic device, built on synthesized porous crown-ether crystals which consist of densely packed?0.26-nm-wide pores. The Na⁺?selectivity of the artificial sodium-selective ionic device reached 15 against K⁺?, which is comparable to the biological counterpart, 523 against Ca²⁺?, which is nearly two orders of magnitude higher than the biological one, and 1128 against Mg²⁺?. The selectivity may arise from the size effect and molecular recognition effect. This work may contribute to the understanding of the structure-performance relationship of ion selective nanopores.

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