Nature Communications：基于多孔冠醚晶体的仿生钠离子选择性器件

生物离子通道在许多生命活动中起着至关重要的作用。他们可以精准识别目标离子，具有很高的离子选择性。例如，钠通道的Na⁺/K⁺选择性为~10-10²，Na⁺/Ca²⁺选择性为~7，这种选择性对于神经信号传导非常重要。近几十年来，人们对构筑人工离子通道产生了极大的兴趣，这些人工离子通道可以模拟生物离子通道的某些功能，并由广阔的应用前景，如分子筛分、水处理、传感、能量转换和提锂等。然而，虽然以往的工通道能够以各种方式控制离子传输，但它们通常缺乏区分不同阳离子的能力。这是因为在细胞环境中存在的简单阳离子(如Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺)仅具有亚纳米大小，其大小差异范围从<0.1 nm(裸K⁺ vs裸Na⁺)到~0.2 nm(水合K⁺ vs水合Mg²⁺)。这两个因素对人工离子通道的构筑提出了极大的挑战：通道孔径必须足够小以准确识别目标离子，同时足够精确以排斥其他离子。此外，离子在纳米孔中的输运速率一般遵循K⁺>Na⁺的顺序。相反顺序的Na⁺>K⁺很少被发现。

图1冠醚晶体结构

在这项工作中，作者模仿生物离子通道，报道了一种仿生钠离子选择性器件，由多孔冠醚晶体组成。该种晶体由冠醚的空腔形成管状亚纳米孔。腔体最窄处为0.26 nm，大于Na⁺的直径，略小于K⁺的直径。这种结构能实现高通量和高选择性。Na⁺/K⁺选择性为15，与生物离子通道相当。另外，Na⁺/Ca²⁺的选择性为523，几乎比生物高两个数量级，而Na⁺/Mg²⁺的选择性能达1128。结合实验与理论计算，作者提出这种选择性可能来自于尺寸效应和分子识别效应。这项工作将有助于理解离子通道的构效关系。

图2基于多孔冠醚晶体的仿生钠离子选择性器件

该项工作由温州大学2018级化学专业硕士研究生叶婷艳和比利时鲁汶大学物理与天文学量子固体物理系博士后侯高垒为共同作者，广东工业大学材料与能源学院低维材料与能量存储器件重点实验室黄少铭教授，温州大学浙江省碳材料重点实验室化学与材料工程学院刘楠楠副教授以及中国科学院青岛生物能源与过程研究所高军研究员为通讯作者。

此项研究得到了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金、浙江省自然科学基金和温州市重大研究规划支持。

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-25597-1

DOI: 10.1038/s41467-021-25597-1

英文题目

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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