科研進(jìn)展
蘭州重離子加速器合作研究獲進(jìn)展：利用重離子輻照技術(shù)創(chuàng)制新型手性分離膜
近日，中國科學(xué)院近代物理研究所重離子科學(xué)與技術(shù)全國重點實驗室材料研究中心與蘭州大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院、東江實驗室合作，在手性分離膜研究方面取得重要進(jìn)展。研究團(tuán)隊依托蘭州重離子加速器（HIRFL）提供的重離子輻照技術(shù)，成功制備出一種具有同手性特征的氫鍵生物雜化框架核孔膜（HBF@PET），實現(xiàn)了對氨基酸對映體的高效、精準(zhǔn)分離。相關(guān)成果于近日發(fā)表在國際化學(xué)期刊《美國化學(xué)會志》（Journal of the American Chemical Society）上。
手性結(jié)構(gòu)在生命過程和藥物活性中扮演著關(guān)鍵角色，獲得高純度的單一對映體化合物對于醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域具有重要意義。然而，傳統(tǒng)手性分離技術(shù)通常存在能耗高、效率低等問題，現(xiàn)有手性膜材料也常因結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定、活性位點分布不均，難以兼顧高選擇性和高通量。
核孔膜是一種孔徑均勻、孔道垂直貫通的精密微孔膜，通常由高能重離子輻照聚合物薄膜并結(jié)合化學(xué)蝕刻工藝制備而成。本研究中，合作團(tuán)隊利用蘭州重離子加速器提供的高能Xe離子束，對聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）薄膜進(jìn)行均勻輻照，隨后通過精確控制的徑跡蝕刻工藝，制備出孔徑約400 納米、孔道結(jié)構(gòu)規(guī)整的錐形納米通道膜。這種孔道貫通好、尺寸可調(diào)的核孔膜為后續(xù)功能材料的均勻負(fù)載提供了理想的限域空間和結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。
在此研究基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊創(chuàng)新性提出一種電壓驅(qū)動的原位組裝策略：在2 伏直流電壓驅(qū)動下，帶負(fù)電的牛血清白蛋白（BSA）和有機(jī)配體分子（HTBAPy）通過電泳作用高效進(jìn)入PET核孔膜的納米通道內(nèi)并實現(xiàn)均勻分布。BSA與配體通過定向氫鍵共組裝，形成氫鍵生物雜化框架（HBF）。該結(jié)構(gòu)既保留了BSA的天然手性微環(huán)境，又獲得氫鍵有機(jī)框架的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。分析表征表明，HBF沿通道內(nèi)壁形成連續(xù)晶態(tài)層，使通道孔徑縮小至約1.5納米，與氨基酸分子尺寸相當(dāng)，顯著增強(qiáng)了膜材料的手性識別能力。
實驗結(jié)果顯示，該膜材料對色氨酸、精氨酸等多種氨基酸對映體均表現(xiàn)出良好的識別性能，具備廣譜適用性。在連續(xù)9個循環(huán)（12小時/循環(huán)）或120小時連續(xù)運(yùn)行后，D-His通量仍保持初始值的80%以上；在pH 2~11溶液中浸泡24小時后結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，無材料泄漏，展現(xiàn)出優(yōu)異的化學(xué)與機(jī)械穩(wěn)定性。
進(jìn)一步通過熒光滴定、等溫滴定量熱、微量熱泳動和分子動力學(xué)模擬揭示：L-His與HBF的結(jié)合親和力遠(yuǎn)強(qiáng)于D-His。分子對接顯示，L-His在BSA手性口袋中能與更多殘基形成氫鍵，而D-His僅與兩個殘基形成氫鍵。更強(qiáng)的結(jié)合作用阻礙了L-His的擴(kuò)散，D-His則因弱相互作用快速通過通道，從而實現(xiàn)高效分離。
本研究充分發(fā)揮蘭州大學(xué)在先進(jìn)化學(xué)合成領(lǐng)域的技術(shù)積淀，以及近代物理所與東江實驗室在核孔膜制備方面的平臺優(yōu)勢，通過將可控核孔膜與生物功能材料有機(jī)結(jié)合，有效解決了手性膜穩(wěn)定性與選擇性難以兼顧的關(guān)鍵難題，為開發(fā)新型生物雜化分離膜、實現(xiàn)手性藥物綠色分離提供了新思路。
論文第一作者為博士生常新月和宋艷霞，通訊作者為蘭州大學(xué)汪寶堆教授和近代物理所段敬來研究員。研究得到了國家自然科學(xué)基金和甘肅省科技領(lǐng)軍人才計劃等項目的資助。
論文鏈接：https://doi.org/10.1021/jacs.5c22150
圖：手性分離新型核孔膜制備與表征
（材料研究中心???供稿）
