QSense石英晶體微天平助力調(diào)控Turing結(jié)構(gòu)COF膜實(shí)現(xiàn)高效肽分離
用戶成果｜南京工業(yè)大學(xué)汪勇/張哲團(tuán)隊(duì)Angew. Chem. Int. Ed.: 調(diào)控Turing結(jié)構(gòu)COF膜實(shí)現(xiàn)高效肽分離
背景知識(shí)
Turing結(jié)構(gòu)源于數(shù)學(xué)家艾倫·圖靈提出的“形態(tài)發(fā)生的化學(xué)基礎(chǔ)”理論，通過(guò)反應(yīng)-擴(kuò)散機(jī)制形成周期性圖案。近年來(lái)，這種結(jié)構(gòu)在分離膜領(lǐng)域嶄露頭角，其內(nèi)部超滲透空腔可顯著提升水通量，但傳統(tǒng)Turing膜因高度交聯(lián)的致密孔隙難以滿足分子分離需求。共價(jià)有機(jī)框架（COF）材料憑借均勻亞納米孔道和可逆反應(yīng)特性，成為理想候選，但如何在其表面構(gòu)建Turing結(jié)構(gòu)仍具挑戰(zhàn)。近日，南京工業(yè)大學(xué)汪勇/張哲團(tuán)隊(duì)以“Turing-Structured Covalent Organic Framework Membranes for Fast and Precise Peptide Separations”為題在《Angewandte Chemie International Edition》上發(fā)表相關(guān)研究。
研究方法
研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)金屬-多酚化學(xué)在聚合物基底上構(gòu)建多孔親水調(diào)制層（TA-Fe復(fù)合物），用于調(diào)控胺類單體的吸附與釋放速率，觸發(fā)“局部激活-橫向抑制”的動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定性，從而形成外部條紋狀、內(nèi)部多空腔的Turing結(jié)構(gòu)。
QSense耗散型石英晶體微天平（QCM-D）在此研究中發(fā)揮如下作用：
吸附與脫附定量：TA-Fe層對(duì)胺單體（Pa）的吸附量達(dá)1718 ng/cm²，是普通基底的8倍，脫附速率則降低7倍，證實(shí)其可有效減緩單體擴(kuò)散。
擴(kuò)散速率調(diào)控：通過(guò)QCM-D數(shù)據(jù)，明確TA-Fe層如何通過(guò)熱力學(xué)不穩(wěn)定性觸發(fā)Turing結(jié)構(gòu)的形成機(jī)制。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
結(jié)構(gòu)表征： SEM和AFM顯示，Turing型COF膜表面呈現(xiàn)46 nm寬度的迷宮狀條紋，內(nèi)部含豐富空腔，厚度僅28 nm。非Turing結(jié)構(gòu)膜表面平滑，水通量?jī)H為3.4 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹。
分離性能： 水通量提升13倍：Turing型膜達(dá)45.0 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹，同時(shí)保持86.3%的甲基橙（1.5 nm）截留率。
肽分離高選擇性：對(duì)分子量3751 Da的利拉魯肽截留率超90%，Gly 6（360 Da）僅36.2%，分離因子高達(dá)638，優(yōu)于多數(shù)文獻(xiàn)報(bào)道。
結(jié)論與展望
本研究首次在COF膜中實(shí)現(xiàn)Turing結(jié)構(gòu)的可控構(gòu)建，突破了傳統(tǒng)膜材料在滲透性與選擇性間的“權(quán)衡效應(yīng)”。通過(guò)金屬-多酚層與QCM-D技術(shù)結(jié)合，為高性能分離膜設(shè)計(jì)提供了新思路。未來(lái)可拓展至藥物純化、生物分子分離等領(lǐng)域，推動(dòng)高效節(jié)能分離技術(shù)的發(fā)展。
基金支持
國(guó)家自然科學(xué)基金（U24A2083, 22308147）。
原文鏈接
https://doi.org/10.1002/anie.202503090
背景知識(shí)
Turing結(jié)構(gòu)源于數(shù)學(xué)家艾倫·圖靈提出的“形態(tài)發(fā)生的化學(xué)基礎(chǔ)”理論，通過(guò)反應(yīng)-擴(kuò)散機(jī)制形成周期性圖案。近年來(lái)，這種結(jié)構(gòu)在分離膜領(lǐng)域嶄露頭角，其內(nèi)部超滲透空腔可顯著提升水通量，但傳統(tǒng)Turing膜因高度交聯(lián)的致密孔隙難以滿足分子分離需求。共價(jià)有機(jī)框架（COF）材料憑借均勻亞納米孔道和可逆反應(yīng)特性，成為理想候選，但如何在其表面構(gòu)建Turing結(jié)構(gòu)仍具挑戰(zhàn)。近日，南京工業(yè)大學(xué)汪勇/張哲團(tuán)隊(duì)以“Turing-Structured Covalent Organic Framework Membranes for Fast and Precise Peptide Separations”為題在《Angewandte Chemie International Edition》上發(fā)表相關(guān)研究。
研究方法
研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)金屬-多酚化學(xué)在聚合物基底上構(gòu)建多孔親水調(diào)制層（TA-Fe復(fù)合物），用于調(diào)控胺類單體的吸附與釋放速率，觸發(fā)“局部激活-橫向抑制”的動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定性，從而形成外部條紋狀、內(nèi)部多空腔的Turing結(jié)構(gòu)。
QSense耗散型石英晶體微天平（QCM-D）在此研究中發(fā)揮如下作用：
吸附與脫附定量：TA-Fe層對(duì)胺單體（Pa）的吸附量達(dá)1718 ng/cm²，是普通基底的8倍，脫附速率則降低7倍，證實(shí)其可有效減緩單體擴(kuò)散。
擴(kuò)散速率調(diào)控：通過(guò)QCM-D數(shù)據(jù)，明確TA-Fe層如何通過(guò)熱力學(xué)不穩(wěn)定性觸發(fā)Turing結(jié)構(gòu)的形成機(jī)制。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
結(jié)構(gòu)表征： SEM和AFM顯示，Turing型COF膜表面呈現(xiàn)46 nm寬度的迷宮狀條紋，內(nèi)部含豐富空腔，厚度僅28 nm。非Turing結(jié)構(gòu)膜表面平滑，水通量?jī)H為3.4 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹。
分離性能： 水通量提升13倍：Turing型膜達(dá)45.0 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹，同時(shí)保持86.3%的甲基橙（1.5 nm）截留率。
肽分離高選擇性：對(duì)分子量3751 Da的利拉魯肽截留率超90%，Gly 6（360 Da）僅36.2%，分離因子高達(dá)638，優(yōu)于多數(shù)文獻(xiàn)報(bào)道。
結(jié)論與展望
本研究首次在COF膜中實(shí)現(xiàn)Turing結(jié)構(gòu)的可控構(gòu)建，突破了傳統(tǒng)膜材料在滲透性與選擇性間的“權(quán)衡效應(yīng)”。通過(guò)金屬-多酚層與QCM-D技術(shù)結(jié)合，為高性能分離膜設(shè)計(jì)提供了新思路。未來(lái)可拓展至藥物純化、生物分子分離等領(lǐng)域，推動(dòng)高效節(jié)能分離技術(shù)的發(fā)展。
基金支持
國(guó)家自然科學(xué)基金（U24A2083, 22308147）。
原文鏈接
https://doi.org/10.1002/anie.202503090
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