Nature Communications：基于多孔冠醚晶體的仿生鈉離子選擇性器件

生物離子通道在許多生命活動中起著至關重要的作用。他們可以精準識別目標離子，具有很高的離子選擇性。例如，鈉通道的Na⁺/K⁺選擇性為~10-10²，Na⁺/Ca²⁺選擇性為~7，這種選擇性對于神經信號傳導非常重要。近幾十年來，人們對構筑人工離子通道產生了極大的興趣，這些人工離子通道可以模擬生物離子通道的某些功能，并由廣闊的應用前景，如分子篩分、水處理、傳感、能量轉換和提鋰等。然而，雖然以往的工通道能夠以各種方式控制離子傳輸，但它們通常缺乏區分不同陽離子的能力。這是因為在細胞環境中存在的簡單陽離子(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⁺)。這兩個因素對人工離子通道的構筑提出了極大的挑戰：通道孔徑必須足夠小以準確識別目標離子，同時足夠精確以排斥其他離子。此外，離子在納米孔中的輸運速率一般遵循K⁺>Na⁺的順序。相反順序的Na⁺>K⁺很少被發現。

圖1冠醚晶體結構

在這項工作中，作者模仿生物離子通道，報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。這種結構能實現高通量和高選擇性。Na⁺/K⁺選擇性為15，與生物離子通道相當。另外，Na⁺/Ca²⁺的選擇性為523，幾乎比生物高兩個數量級，而Na⁺/Mg²⁺的選擇性能達1128。結合實驗與理論計算，作者提出這種選擇性可能來自于尺寸效應和分子識別效應。這項工作將有助于理解離子通道的構效關系。

圖2基于多孔冠醚晶體的仿生鈉離子選擇性器件

該項工作由溫州大學2018級化學專業碩士研究生葉婷艷和比利時魯汶大學物理與天文學量子固體物理系博士后侯高壘為共同作者，廣東工業大學材料與能源學院低維材料與能量存儲器件重點實驗室黃少銘教授，溫州大學浙江省碳材料重點實驗室化學與材料工程學院劉楠楠副教授以及中國科學院青島生物能源與過程研究所高軍研究員為通訊作者。

此項研究得到了國家重點研發計劃項目、國家自然科學基金、浙江省自然科學基金和溫州市重大研究規劃支持。

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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