上海交大杨晓伟/同济赵晓莉利用石英晶体微天平技术研究层状二维材料膜智能运输微观机制

在生物系统中，营养物质（如氨基酸和糖等）通过生物通道进行可控传输，对于维持生命活动至关重要。这些通道由特定的蛋白质构成，具有门控和选择性传输功能，能够调节细胞与外部环境之间的物质交换和信息传递。在受到电压、配体、温度等因素的刺激时，这些蛋白通道可以迅速打开或关闭，实现有选择性和门控的物质传输。由于其独特的通道结构、均匀的限域空间以及优越的界面特性，生物通道中的传质过程非常高效。构建具有门控功能的人工通道对于深入理解生命活动，并实现高效的仿生功能，如传感、分离和按需递送等，具有重要意义。

目前人工仿生通道中的可控传输依赖于运输物质与通道之间的静电或特异性吸附作用。然而，与通道相互作用较弱的中性小分子（例如葡萄糖）在人工孔道中精确的输运调控仍然是一个重大挑战。上海交通大学杨晓伟与同济大学赵晓莉采用具有亚纳米通道的层状二维过渡金属碳化物膜，实现了葡萄糖的电压门控选择性输运。该工作以“”为题，与2023年7月11日在线发表在Angewwandte Chemie International Edition上。

近年来，纳米多孔材料在超级电容器及电容除盐等领域得到了广泛深入的研究。其中，由MXene交错堆叠形成的层状膜材料展现了巨大的潜力。作者利用层状MXene膜具有的亚纳米级通道尺寸和高比电容性质，通过电位深度调控了通道内的离子数目与分布。有趣的是，作者发现电化学过程也可以改变通道中水分子的排布与运动，进而影响物质在通道内的输运。通过耗散型电化学石英晶体微天平、低场核磁共振谱及分子动力学模拟，作者解析了水分子在亚纳米通道内的排布与运动及其电压响应特征，从而揭示了通道内葡萄糖电压门控输运的机理：当电位降低，孔道内水分子贴近孔道壁分层取向排列，在通道中心形成由水的氧原子组成的传输通路，导致葡萄糖以一定的取向态快速扩散。

图1 层状MXene膜的结构与电位响应运输性能

图2 电化学联用耗散型石英晶体微天平、低场核磁和分子动力学模拟解析葡萄糖运输的电位响应机制

电化学联用耗散型石英晶体微天平测试表明电位降低时发生水合阳离子嵌入，并伴随层状MXene膜剪切模量降低（图2）。这一现象启发了作者研究水分子动力学对于葡萄糖运输的作用机制。他们通过低场核磁测试发现，在电位降低时，水分子的受限程度升高。分子动力学模拟结果表明，在阳离子嵌入时，层间水分子发生分层排列，导致片间滑移变容易，这与低场核磁和石英晶体微天平耗散因子变化的结果一致。低电位下MXene层间水分子这种排布和动力学性质导致通道中间位置更为空旷，且葡萄糖分子可以以一定的取向状态通过二维通道，因此葡萄糖的扩散速率得以显著提高。

总结：杨晓伟团队通过简单的方法实现了中性埃级分子的门控和选择性输运，结合实验、表征及计算模拟，展示了限域通道中表面电势对于水分子动力学的作用及其对于通道传输性质的显著影响。由于用于调控的电位处于与生理条件相容的电压范围，因此该方法有望应用于快速选择性透析和药物控制释放等多个领域。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202309024