鑽石舞台

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原創丨彤心未泯（學研匯 技術中心）

編輯丨風雲

長期以來，人類從大自然中汲取靈感創造出能夠模仿特定功能的工具。近幾十年來，研究人員已將這一理念提升到納米級，比如受生物系統啟發創造用於水淨化的合成結構。水通道蛋白是一種天然存在的蛋白質，稱為水通道，具有顯著的水滲透性和選擇性。然而，這些節能結構難以模仿。第一個人工水道可以容納水分子，但流動性很慢。後來的合成結構保持了高水導，同時也排斥鹽，包括 NaCl，甚至質子。當水流被限制在具有疏水內表面的亞納米通道中時經典的流體動力學不再適用。水分子的聚集排列分解並導致在通道內形成單行水「線」。這種單行排列再加上通道壁處無摩擦「滑流」的增加被認為是使水通道蛋白及其模擬物能夠實現極快水流的關鍵因素。

含氟聚合物聚四氟乙烯（PTFE）提供了一種獨特的超疏水表面，其上密集的碳-氟（C-F）鍵具有疏水性。然而，單個C–F鍵是極性的，可以與極性官能團靜電作用形成氫鍵（H鍵）。這種被稱為極性疏水性的顯著雙邊特徵可歸因於氟的性質，其中包括最大的電負性和所有元素中第二小的原子尺寸。含氟表面與水之間的相互作用已被廣泛研究。基於拉曼光譜的最新報告表明，含氟化合物附近的水團簇斷裂產生許多羥基懸掛鍵，而碳氫化合物類似物產生的懸掛鍵相對較少。這一觀察結果表明，具有類似PTFE的超疏水內表面的納米通道可以抑制水分子團簇的形成，而水分子團簇的擴散速度可能比無團簇的水分子慢。但相關的研究依然存在以下問題：

1. 橫截面積流速降低：當管道的直徑縮小時，由於表面積與體積比更大，每個橫截面積的流速將降低。

2. 水簇擴散得更慢：具有類PTFE超疏水內表面的納米通道可以抑制水簇的形成，這些水簇可能比非簇狀水分子擴散得更慢。

3. 形成氫鍵：單個C-F鍵是極性的，可以與極性官能團發生靜電相互作用以形成氫鍵（H鍵）。

關鍵問題

通過對合成化學進行精細控制，可以在納米尺度上設計合成通道以實現水通道蛋白的超快速性能。然而，在這項技術得以應用之前仍然存在以下問題：

1. 低合成產率

2. 通道濾料整合性差

3. 膜韌性差

4. 耐氯性不足

新思路

有鑑於此，東京大學工程學院Takuzo Aida教授等人受特氟龍（一種著名的超疏水氟材料）的特性啟發創造了一類新的合成通道。他們開發了一系列氟基大環通道，其透水性超過水通道蛋白的100倍以上。Aida等人通過縮合反應將含氟酰胺單體低聚從而實現了納米級的化學反應。由於氟原子的高電負性，氟原子與相鄰極性酰胺基的氫原子靜電相互作用形成氫鍵。這使得碳-氟鍵指向內部，整個大環變硬，從而形成一系列孔徑在0.9到1.95 nm之間的含氟低聚酰胺納米環。當這些環在類脂膜內相互疊置之後，納米通道的內表面就被氟原子密集地覆蓋着。

技術方案：

作者報告了一系列內徑從0.9-1.9 nm的含氟寡酰胺納米環，在磷脂雙層膜中進行超分子聚合形成含氟納米通道，其內壁被氟原子密集覆蓋。

1. 製備了一系列含氟寡酰胺納米環：能夠在碳氫化合物介質中進行超分子聚合以疏溶形成氟納米通道時它們的內表面被氟原子密集覆蓋，因此可以破壞水簇。

2. 增強水團簇分解：超疏水氟化表面增強了水團簇的分解，從而顯著提高了水的傳輸速率。

3. 氟內表面強大靜電屏障可忽略氯離子滲透性。該納米通道有望顯示出近乎完美的脫鹽鹽反射率用於海水淡化。

技術優勢：

通過縮合反應將含氟酰胺單體低聚從而實現了納米級的化學反應。

1. 氟納米通道的內表面被氟原子密集覆蓋，因此可以破壞水簇。

2. 具有最小直徑的納米通道表現出比水通道蛋白和碳納米管大兩個數量級的透水通量。

3. 除F18NC6外所有的納米通道都表現出良好的鹽反射特性。

技術細節

含氟納米環和通道的合成

作者開發了一系列含氟寡酰胺納米環（FmNRns），它們經過超分子聚合產生具有不同內徑的納米通道（FmNCns）（圖1A）。利用了 C-F 鍵的極性和疏水性設計FmNRns和FmNCns。由於C-F鍵具有高極性但難以原子極化，所以FmNRns中的C-F鍵可以與相鄰的極性酰胺基團發生靜電相互作用以形成H鍵。這一方面使大環骨架剛性並導致C-F鍵向內指向。當FmNRns能夠在碳氫化合物介質中進行超分子聚合以疏溶形成氟納米通道 （FmNCns）（圖1B）時它們的內表面被氟原子密集覆蓋，因此可以破壞水簇。

作者通過計算研究了內部納米通道表面的疏水性對水簇的影響（圖1C和E）。在基於具有不同比例因子的Lennard-Jones壁的分子動力學(MD)模擬中改變了內表面的疏水性（圖1D和E）。正如從氟化化合物附近的水簇的行為所預期的那樣（圖1C），觀察到隨着內表面變得更加疏水（圖1D），出現了大量的羥基懸空鍵。隨後研究了疏水性對水流速的影響。如圖1E所示，隨着壁的疏水性增加流速也增加。

通過酰胺縮合反應合成了一系列含氟納米環F12NR4、F15NR5、F18NR6和F12NR6（圖1A）。根據先前報道的方法合成了兩種起始化合物-3,5二氨基-4-氟苯甲酰胺衍生物和2,3-二氟對苯二甲酸。在考慮的酰胺縮合試劑中只有五氟苯基二苯基膦酸鹽（FDPP）允許化合物1和2在微波輻射下連接。為了從反應混合物中分離F12NR4、F15NR5和F18NR6進行了再沉澱、製備循環硅膠柱色譜和凝膠滲透色譜以去除大量線性低聚物。作者還成功地使用3,5-二氨基苯甲酰胺和2在與上述條件類似的條件下合成了部分氟化版本（F12NR6）。無論採用哪種優化條件都無法獲得無氟版本。

圖1一系列含氟納米環和跨膜含氟納米通道的形成

含氟納米通道的形成與模擬

FmNRns的核心結構通過密度泛函理論（DFT）計算進行了優化。F12NR4的CPK表示表現出平面構象（圖2A），而其他納米環表現出傾斜構象（圖2B-D）。儘管對苯二甲酰胺單元是可旋轉的，但優化結構中的所有氟原子都被建議向內指向以形成分子內的「C-F···H-N」氫鍵。計算出與F12NR4、F15NR5、F18NR6和F12NR6的分子內氫鍵相互作用相關的能量增益分別為-36.2、-47.1、-44.4和-47.9 kcal mol-1。這些結果表明FmNRns的構象方面是由分子內「C-F···H-N」鍵組成的H鍵環狀陣列決定的。在這種情況下將FmNRns（2.0 mM）的氘代二甲基亞碸（DMSO-d6）從25°C加熱到65°C時19F NMR 光譜中與Ar-F相關的所有信號都表現出0.5的最大上場偏移百萬分之幾（ppm），這比報告的類似結構的線性類似物小近一個數量級。即使在25°C下用DMSO-d6將樣品溶液從2.0 mM稀釋到2.0 mM 1000倍也沒有觀察到明顯的光譜變化。觀測到的核磁共振波譜特徵與計算得到的結果一致。為了確認含氟納米環F12NR4、F15NR5、F18NR6和F12NR6形成了納米通道，將它們的二甲基亞碸溶液添加到十五烷中，將混合物在50°C下退火5分鐘並在冷卻至室溫後進行透射電子顯微鏡（TEM）。如圖2M至P所示，TEM成像可以成功地觀察到F12NR4、F15NR5、F18NR6和F12NR6中存在的直徑分別為5.1、6.0、6.4和6.4 nm的超長納米管，這與分子模擬研究（圖2I至L）中估計的結果一致。這些結果表明FmNRns（圖1A）可以在用於滲透研究的囊泡磷脂雙層膜（圖1B和圖2I至L）中形成含氟納米通道FmNCns。

作者利用FmNCn的分子結構進行了水滲透的分子動力學模擬。顯示結果表明FmNCns 可以比它們的非氟版本更快地滲透水分子。為了評估水的滲透性，最初將FmNCns嵌入1,2-二油基-sn-甘油3-磷酸膽鹼（DOPC）囊泡中並使用停流法結合光散射分析相應的水滲透曲線。觀察到滲透曲線存在很大偏差很可能是由於通過射流囊泡膜的自發漏水引起的，所以使用了1,2-二甲酰-sn-甘油-3-磷酸膽鹼（DPPC）囊泡代替。據報道，在很寬的溫度範圍內（包括環境溫度）這種脂質形成了一種厚度為3.7 nm的不太流動的凝膠相雙層膜，在環境溫度下幾乎不滲透水。為了提高信噪比，還將光散射法改為熒光發射法。

圖2含氟納米通道的形成

停流熒光測量評估滲透動力學

作為典型示例，將NaCl的HEPES緩衝溶液（[HEPES]=10 mM，[NaCl]=500 mM）添加到F12NR4嵌入的DPPC囊泡（[HEPES]=10 mM，[NaCl]=100 mM，[DPPC]=2.9 mM，[F12NR4]=0.079 mM）的HEPES緩衝分散液中。DPPC囊泡膜的外部（[NaCl]=300 mM）和內部（[NaCl]=100 mM）中產生的鹽濃度彼此不同（圖3A，ii）。因此滲透壓在膜中產生，導致DPPC囊泡通過向外滲透水收縮至其原始體積的三分之一。為了探究滲透壓是否會導致每根肉離子向內的NaCl釋放壓力，通過一組單獨的實驗確認向內的NaCl滲透太慢，不會影響向外的水滲透評估（圖4C）。參考現有方法使用羧基熒光素（CF；圖3A）作為封閉的熒光探針用於研究水通過含氟F12NC4的滲透，因為CF的熒光強度是濃度依賴性的並且由於體積收縮時的自猝滅而降低。當25°C下的磷脂雙層膜在0.0018的摩爾分數百分比下含有通道形成F12NR4時，大於500 nm的時間依賴性熒光強度變化表明CF熒光（[CF]0=0.5 mM）在10 ms內猝滅（圖3B，紅色）。相比之下，在沒有通道形成F12NR4的情況下（圖3B，黑色）沒有發生熒光猝滅，正如之前報道的DPPC囊泡缺乏透水性所預期的那樣。圖3B（紅色）所示的猝滅曲線允許評估校準的囊泡收縮的動力學曲線並計算滲透水滲透係數Pf為0.22 cm s-1。如圖3C所示，當摩爾分數百分比從0增加到0.0027時Pf值線性增加，表明實驗摩爾分數百分比範圍內的囊泡收縮老化率受滲透通道的水量控制。類似地，其他含氟FmNCns的Pf值如圖3D至F所示。為了驗證通過含氟納米通道FmNCns發生水滲透，在流體動力學直徑(Dh)範圍為0.4至3.2 nm的聚（乙二醇）(PEG) 存在下使用 F15NR5 進行了一組水滲透實驗。正如通常觀察到的聚合物堵塞對水滲透的干擾一樣，當PEG的Dh範圍為1.1至1.8時Pf顯着降低，類似於F15NR5的內徑（1.46 nm）。

圖3 停流熒光測量評估水通過含氟納米通道的滲透動力學

水和離子滲透性

根據F12NR4的DFT優化堆疊距離（0.41 nm）和DPPC囊泡的膜厚度（3.7 nm）建議每個通道中F12NR4分子的數量（N）接近10。根據該值計算出的單通道電導與在50至175 mV電壓範圍內使用平面雙層膜觀察到的電導一致。由於Pf代表磷脂雙層膜單位面積的透水性，使用Pf、N、摩爾分數百分比以及囊泡的內徑和外徑計算了單通道透水性Pf（圖4A）。出乎意料的是計算出的pf為5.5×10-10（cm3 s-1每個通道）大於AQP家族報告的pf值（AQP1：pf=1.2×10-13 cm3 s-1 37°C時每個通道），CNT（pf=2.3×10-13 cm3 s-1 室溫下每個通道）。同時評估了F15NC5、F18NC6和F12NC6（圖4A）的pf值，並注意到這些納米通道表現出較高透水性，其大小與F12NC4相同。

為了嚴格地比較具有不同通道直徑的納米通道的透水率，作者考慮了相應的通量值 f (cm3 s–1 nm–2)。圖4B中總結的結果值得注意，因為最薄的納米通道F12NC4 (A = 0 .64 nm2) 表現出最大的f值 (8.7 × 10-10 cm3 s-1 nm-2)。第二薄的納米通道F15NC5與其他納米通道F18NC6 (A = 2.43 nm2, 1.2×10−10 cm3 s–1 nm–2) 和 F12NC6 (A = 2.83 nm2, 1.0×10−10 cm3 s–1 nm–2)相比顯示出稍大的f（A=1.67 nm2，1.9×10−10 cm3 s–1 nm–2），但這個值是F12NC4的五分之一。對管道流動的傳統理解表明較薄的通道提供較小的通量，因為內部通道表面上的剪切應力更占主導地位。然而，F12NC4到F18NC6的f值以及部分氟化的F12NC6的f值顯示出相反的趨勢。計算模擬表明這種受限納米空間中的水分子排列整齊，通道表面的剪切應力也相應降低。在這種情況下儘管納米通道的橫截面積大於0.64 nm2，但研究這種趨勢的原因是有意義的。對於AQP和CNT而言，破簇功能也是滲透水所必需的，因為它們的內徑[分別為~0.3 nm和~0.4 nm]小於水簇（~0.8 nm）。

開發透水納米通道的一個關鍵問題是鹽反射率，這在海水淡化應用中很重要。儘管AQPs可以實現完美的脫鹽，但碳納米管並不能有效地反射鹽。RC是NaCl（pf，NaCl）滲透壓與蔗糖（pf，蔗糖）滲透壓之比。最薄F12NC4（A=0.64 nm2）的計算RC為1.02，表明NaCl的反射基本完美（圖4C）。然而，隨着透水橫截面積A從F12NC4增加到F15NC5（A=1.67 nm2）和F18NC6（A=2.43 nm2），RC分別下降到0.93和0.79，表明A與反射NaCl的能力呈負相關。對於部分氟化的F12NC6（A=2.83 nm2），RC為0.91，與F15NC5相似。總的來說，除F18NC6外所有的納米通道都表現出良好的鹽反射特性。基於一種成熟的停流熒光技術進行單通道Cl通透性測量，該技術使用通道嵌入的DPPC囊泡，該囊泡封閉了對Cl敏感的染料。Cl–滲透性可近似為鹽的滲透性。一般來說，鹽的滲透要求電荷中性。因此，如果其陽離子或陰離子部分不滲透，則認為鹽被反射。雖然F12NC4和F15NC5的bCl值小於檢測限，但F18NC6表現出與bCl=9對應的Cl誘導熒光衰減特性。雖然F12NC6也顯示了Cl-的滲透，但bCl的滲透量為3.8×10−20 cm3 s–1每通道）比F18NC6（圖4C）小一個數量級。考慮到鹽反射（RC）和Cl-滲透實驗，最薄的F12NC4表現出近乎完美的反射率，儘管其內徑（0.9 nm）大於Cl-的水合直徑（0.66 nm）。作者通過繪製水滲透性（Pw）與水/鹽選擇性（Pw/Ps）的對比圖將所提出的含氟納米通道的脫鹽性能與已報道的示例進行了比較。如圖4D所示，如果Pw/Ps與Pw的關係圖更多地位於右上角，則總體脫鹽性能更高。F12NC4、F15NC5、F18NC6和F12NC6的Pw/Ps到Pw圖都位於圖的右上角。

圖4 通過DPPC囊泡中含氟納米通道的水和離子滲透性

展望

總之，作者證明具有類似PTFE的內表面和適當通道直徑的含氟納米通道可以以前所未有的高速率滲透水，並具有近乎完美的脫鹽效果。這些特性源自靜電負性含氟內表面，它可以打破水團簇以提高水的滲透性，還可以為Cl-的摻入提供強大的靜電屏障。如果目標是製造膜分離材料，未來的研究將需要側重於在可伸縮聚合物膜的結構中實現含氟通道的概念。此外，在考慮合成通道設計時選擇性仍然是最重要的方面。此次報道的含氟通道為未來合成通道和分離材料的設計帶來了更多的化學和可能性。

參考文獻：

Takuzo Aida et al. Ultrafast water permeation through nanochannels with a densely fluorous interior surface. Science, 2022, 376:738-743.

DOI: 10.1126/science.abd0966.

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abd0966