苏州纳米所在蛋白质基均孔分离膜方面取得进展

膜分离已逐渐成为解决日益恶化的空气、水环境污染和水资源短缺的核心技术之一。目前广泛应用的高分子膜和无机膜，由于成膜材料和成膜方法的限制，膜有效孔径分布较宽、选择分离层较厚，一方面不能保证高的分离精度，另一方面也导致分离的选择性和通量相互制约。因此设计具有均一孔径的超薄分离膜实现高精度、高通量分离是分离膜材料研究领域的重要发展方向，同时也面临巨大挑战。

蛋白质作为一类重要的生物大分子，其具有独特的分子结构和空间构型。例如，膜蛋白由于其特定的孔道结构和生物功能，使物质（包括水、CO2、O2、离子、小分子等）的输运具有高度的选择性、高通量以及智能响应特性，为细胞提供物质高效传输，是维持生命系统的重要过程。受此启发，利用特定孔道结构的蛋白质无疑是构筑超薄均孔纳米分离膜的理想单元。

近日，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所研究员靳健课题组与王强斌课题组合作，利用具有特定孔道结构的烟草花叶病毒（TMV）衣壳蛋白组装体作为基元构筑超薄均孔膜，实现高精度、高通量分离。在这一工作中，研究人员首先通过基因工程在TMV基元侧面引入半胱氨酸基团，然后在铜离子的催化作用下，诱导基元间形成二硫键（S-S），并且以六方形式进行二维自组装，获得大面积TMV超薄纳米片（如图1所示）。进一步将TMV纳米片分散液抽滤到多孔氧化铝表面，构筑成厚度可控的选择分离层（如图2所示）。由于在TMV基元的中心具有一个直径为4 nm的孔道，经自组装后，在纳米片中就形成形状均一、排布有序的多孔结构。为了验证TMV超薄膜的高精度尺寸筛分的能力，研究者们选用两种尺寸相近的量子点，一种是直径3.2 nm的发绿色荧光的量子点，另一种是直径5.2 nm的发红色荧光的量子点。将两种量子点混合后，可以清楚看到直径较小的绿色量子点可以透过分离膜，而直径较大的红色量子点被截留。进一步，研究者们采用荧光光谱和TEM对原液、渗透量和截留液中的量子点进行表征，证实了TMV超薄膜的高精度尺寸筛分的能力（如图3所示）。该研究工作为构筑超薄均孔膜提供了新的研究思路，同时也扩宽的蛋白质自组装在分离膜中的应用。

以上工作发表在Nano Letters 杂志上（DOI: 10.1021/acs.nanolett.8b03155），论文第一作者为博士研究生张慎祥和张建庭，王强斌和靳健为论文的共同通讯作者。该工作得到国家杰出青年科学基金（21425103, 51625306）、国家自然科学基金重点项目（21433021）等的经费支持。

 

图1. TMV纳米片的结构与形貌表征。（a）TMV组装过程示意图；TMV纳米片的（b和e）TEM图、（c）荧光显微镜照片、（d）AFM图；（f）小角X射线衍射谱；（g）TMV组装结构示意图

 

图2.（a和b）TMV超薄膜的表面和截面SEM图；（c）不同厚度的TMV分离层对应的水通量与截留效果；（d）对不同分子量的PEG截留效果 

 

图3. 尺寸筛分性能表征。（a）分离装置的光学照片；（b，c，d）在365 nm紫外光下的光学照片；（e-g）分别为原液、渗透压和截留液的荧光光谱图；（h-j）分别为原液、渗透压和截留液中量子点的TEM图；（k-m）分别为原液、渗透压和截留液中量子点的粒径分布图