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科学家成功研制出用于光门控离子传输的微孔聚合物膜

文章来源：贤集网更新时间：2022-07-05 15:51:38

6月30日消息，发表在《科学进展》上的一份新报告中，周宗耀和沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学的研究团队开发了一种使用共轭微孔聚合物的人造光门控离子通道膜.这些离子通道在许多生物活动中发挥重要作用，通过自下而上的设计和电聚合在分子水平上精确调节膜孔径和厚度方法。该团队受到细胞膜中光门控离子通道的启发，研制了可逆的“开/关”光控制，用于光门控离子跨膜传输，以传递氢、钾、钠、锂、钙、镁和铝离子。

用于构建人工光门控离子通道膜的“自下而上”设计策略示意图。(A) 合成的偶氮-CMP 单体的反-顺-反可逆异构化和 (B) 偶氮-CMP 膜的基本孔结构。图片来源：科学进展（2022 年）
用于离子传输的光门控膜
光门控离子通道可以调节活细胞中的离子运输，从而调节电兴奋性、钙内流和其他关键的细胞过程。目前，通道视紫红质是生物学中发现的第一类也是唯一一类光门控离子通道，近年来备受关注。光门控通道视紫红质的直接使用受到蛋白质在外部环境中通常最小的化学和物理稳定性的限制。因此，研究人员进行了广泛的研究，以开发用于神经生物学、生物电子学和废物净化的人造光门控离子通道。
通过用光响应官能团修饰纳米孔，可以在实验室中产生人造光门控离子通道。如先前的工作所示，共轭微孔聚合物 (CMP) 提供了一类独特的多孔有机材料。在这项工作中，Zhou 等人合成了一种从头刚柔结合的含偶氮苯单体 (azo-CMP)，以实现预期的光门控响应。该团队光门控结构明确的基本微孔并将它们互连以在偶氮CMP膜中形成智能离子通道。该设置最适合促进光开关机制，以成功实现“开-关-开”光异构化，以实现良好调节的离子传输。
偶氮 CMP 膜。(A) 合成单体的结构和电聚合机理。(B) 记录超过 50 个 CV 扫描循环的电化学氧化还原反应的 CV 曲线。(C) 膜厚度作为 CV 循环次数的函数。(D) azo-CMP@200-50c 膜在铜网格上的大面积表面 SEM 图像。(E) azo-CMP@200-50c 膜表面的高倍 SEM 图像。(F) azo-CMP@200-50c 膜在阳极氧化铝 (AAO) 载体上的横截面 SEM 图像。(G) 转移到硅片上的偶氮 CMP@200-50c 膜的 AFM 高度图像和 (H) 膜的相应高度轮廓。(I) azo-CMP@200-50c 膜的 AFM 图像。RMS，均方根。(J) 具有峰值力定量纳米力学映射 (PFQNM) 的 AFM 图像和 (K) 膜的相应杨氏模量分布。图片来源：科学进展（2022 年）。
偶氮-CMP单体保持蝴蝶翼状结构，偶氮苯作为翼的光可切换铰链，烷基链作为软连接体连接铰链和电活性咔唑支架。该团队设计了软连接器的长度以增加净距离，并为偶氮苯部分的光异构化提供了足够的空间，他们通过分子模拟对其进行了分析。在实验过程中，单体通过改变照射波长显示出快速和可逆的光异构化。
科学家们通过在三阴极电化学电池中的电聚合开发了偶氮 CMP 膜。他们优化了光滑且无缺陷的偶氮 CMP 膜的反应条件，并通过傅里叶变换红外光谱观察了所得的化学结构。结果证实了咔唑的聚合和膜中偶氮苯单元的存在。该团队通过修改合成参数来改变表面亲水性和膜的外观，以创建具有许多微米和纳米结构的坚韧且不均匀的膜表面。
azo-CMP@200-50 膜的反-顺-反可逆异构化。(A) 膜的实时原位 KPFM 图像和 (B) 相应的电位分布。(C) 紫外光下反式-顺式异构化的紫外-可见吸收光谱和 (D) 反式/顺式状态与紫外光照射时间的比值。(E) 可见光下顺反异构化的紫外-可见光谱和 (F) 反式/顺式状态与可见光照射时间的比值。图片来源：科学进展（2022 年）。
光异构化可导致分子的结构变化和离子通道的几何变化。这种结构变化会导致偶氮 CMP 膜的表面电位差，Zhou 等人通过使用实时开尔文探针力显微镜观察到。该团队记录了紫外线照射后跨膜表面电位的变化。UV-Vis 光谱进一步证实了膜的异构化，以表明偶氮 CMP 膜的快速和稳定的光响应反式-顺式-反式异构化。该团队使用额外的实验通过氮吸附等温线测量显示反式和顺式膜通道尺寸的变化，然后进行分子动力学模拟揭示通道尺寸的变化，以获得不同的离子渗透性和选择性。
科学家们在具有两个腔室的实验室石英电池中使用电驱动离子渗透测试研究了用于控制离子传输的光门控离子通道膜的性能。他们用相似浓度的盐溶液填充两个腔室，并通过反式和顺式偶氮 CMP 膜的电流-电压特性测量离子传输。
他们注意到“开启状态”下膜电流/离子电导的动力学以及紫外线照射时电导的降低，表明离子传输状态降低，可以通过可见光照射来恢复离子传输状态，从而调节离子在智能通道膜上的传输. 结果突出了用于制药应用和智能透析的光门控离子通道膜的范围。
通过这种方式，Zongya Zhou 及其同事受到天然存在的通道视紫红质的启发，创造了可逆和可回收的人造光门控离子通道膜。他们通过引入光可切换偶氮苯核心单元、软烷基链和刚性电活性咔唑，在分子水平上设计了含偶氮苯的共轭微孔 (CMP) 单体。膜通道的化学性质提供了高效的反式到顺式光异构化响应，以远程和动态地调节离子传输。该产品对分离行业非常重要，包括纳米级分子存储器应用，智能药物释放和光响应化学传感器。

原文链接：https://www.xianjichina.com/special/detail_512272.html
来源：贤集网
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