检索历史 清除

摘要生物离子通道具有高选择性和高通量的特性，通过仿生的思路将其用于解决实际问题。随着结构解析技术的发展，离子通道的高分辨率结构逐渐被发现，通过制备控制离子传递的关键结构已实现不同离子的高效分离。K+通道一直是仿生研究的热点，在离子检测领域K+/Na+一直是研究的难点。另一方面，Mg2+通道逐渐受到学术界和工业界的关注，由于其具有完全排斥传输一价离子的特性，对于盐湖提锂中的Mg2+/Li+分离具有重要的启发意义。碳纳米管以及石墨烯一直是仿生研究中的热点材料。碳纳米管作为一维材料广泛应用于仿生离子通道研究领域。石墨烯作为新型的二维材料，原子级的厚度使其具有优异的电学性能、良好的导热系数以及机械性能，在分离膜领域显示出了巨大的潜力。K+/Na+、Mg2+/Li+分离始终是离子分离领域的挑战，主要原因在于二者之间具有相近的原子半径，很难通过孔径筛分的方法进行分离。通过对特定模型下受限的离子水化微结构进行细致的分析我们发现，水化结构的差异造成离子在过孔的时候受到不同的阻力实现了不同离子分离。我们的研究思路是通过提取生物离子通道中控制离子传输的关键结构，使用纯态或者修饰的碳纳米管以及多孔石墨烯，考察尺寸、基团对于离子分离的影响，细致的分析尺寸和基团对于离子水化结构的影响。全文的主要研究结果如下所示:<br>　　1.第二章在碳纳米管内部修饰羰基(-CO)模拟生物K+通道中的选择性过滤器结构，通过施加电场研究K+/Na+分离。PMF结果表明Na+在基团修饰区域的势阱更低倾向于停留在此处，随着电场强度的增大，K+、Na+的通量均增大，与此同时K+/Na+选择性也逐渐增大。通过调控碳纳米管内部的表面化学性质，施加电场调控离子传递的阻力来实现K+/Na+分离。<br>　　2.第三章主要通过模仿Mg2+通道选择性过滤器的特征尺寸，使用三种尺寸0.789、1.024、1.501 nm的石墨烯纳米孔，研究在电场条件下Mg2+/Li+分离性能。结果表明只有在选择性过滤器的特征尺寸0.789-1.024 nm范围内才能实现较好的分离效果。其分离的本质在于离子第二水化层的去水化难易程度。相比较于Mg2+而言，Li+在通过孔道的时候不仅需要脱除更多的水分子同时需要破坏更多的氢键，使其过孔阻力增大促进了Mg2+/Li+分离。在1.0 nm孔以下，离子阻断效应的存在促进了Mg2+/Li+分离。<br>　　3.第四章通过在石墨烯孔口处修饰羰基(-CO)和羧基（-COO-）官能团模仿Mg2+通道蛋白(TmCorA)中的离子结合位点。结果表明无论是哪种修饰基团均能促进Mg2+/Li+分离。其本质在于修饰基团中的氧原子能够“完美”取代离子第二水化层中脱去的水分子。进入Mg2+水化层中的氧原子不仅实现了“饱和”配位，同时“完美”的取代了第二水化层中的水分子的作用，进入Li+第二水化层中的氧原子不能起到“完美”配位的效果，使得Mg2+、Li+在过孔的时候受到的阻力不同实现分离。