QSense石英晶体微天平助力调控Turing结构COF膜实现高效肽分离
2025-05-16 来源:本站 点击次数:96
用户成果｜南京工业大学汪勇/张哲团队Angew. Chem. Int. Ed.: 调控Turing结构COF膜实现高效肽分离
背景知识
Turing结构源于数学家艾伦·图灵提出的“形态发生的化学基础”理论，通过反应-扩散机制形成周期性图案。近年来，这种结构在分离膜领域崭露头角，其内部超渗透空腔可显著提升水通量，但传统Turing膜因高度交联的致密孔隙难以满足分子分离需求。共价有机框架（COF）材料凭借均匀亚纳米孔道和可逆反应特性，成为理想候选，但如何在其表面构建Turing结构仍具挑战。近日，南京工业大学汪勇/张哲团队以“Turing-Structured Covalent Organic Framework Membranes for Fast and Precise Peptide Separations”为题在《Angewandte Chemie International Edition》上发表相关研究。
研究方法
研究团队通过金属-多酚化学在聚合物基底上构建多孔亲水调制层（TA-Fe复合物），用于调控胺类单体的吸附与释放速率，触发“局部激活-横向抑制”的动力学不稳定性，从而形成外部条纹状、内部多空腔的Turing结构。
QSense耗散型石英晶体微天平（QCM-D）在此研究中发挥如下作用：
吸附与脱附定量：TA-Fe层对胺单体（Pa）的吸附量达1718 ng/cm²，是普通基底的8倍，脱附速率则降低7倍，证实其可有效减缓单体扩散。
扩散速率调控：通过QCM-D数据，明确TA-Fe层如何通过热力学不稳定性触发Turing结构的形成机制。
实验结果与分析
结构表征： SEM和AFM显示，Turing型COF膜表面呈现46 nm宽度的迷宫状条纹，内部含丰富空腔，厚度仅28 nm。非Turing结构膜表面平滑，水通量仅为3.4 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹。
分离性能： 水通量提升13倍：Turing型膜达45.0 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹，同时保持86.3%的甲基橙（1.5 nm）截留率。
肽分离高选择性：对分子量3751 Da的利拉鲁肽截留率超90%，Gly 6（360 Da）仅36.2%，分离因子高达638，优于多数文献报道。
结论与展望
本研究首次在COF膜中实现Turing结构的可控构建，突破了传统膜材料在渗透性与选择性间的“权衡效应”。通过金属-多酚层与QCM-D技术结合，为高性能分离膜设计提供了新思路。未来可拓展至药物纯化、生物分子分离等领域，推动高效节能分离技术的发展。
基金支持
国家自然科学基金（U24A2083, 22308147）。
原文链接
https://doi.org/10.1002/anie.202503090
背景知识
Turing结构源于数学家艾伦·图灵提出的“形态发生的化学基础”理论，通过反应-扩散机制形成周期性图案。近年来，这种结构在分离膜领域崭露头角，其内部超渗透空腔可显著提升水通量，但传统Turing膜因高度交联的致密孔隙难以满足分子分离需求。共价有机框架（COF）材料凭借均匀亚纳米孔道和可逆反应特性，成为理想候选，但如何在其表面构建Turing结构仍具挑战。近日，南京工业大学汪勇/张哲团队以“Turing-Structured Covalent Organic Framework Membranes for Fast and Precise Peptide Separations”为题在《Angewandte Chemie International Edition》上发表相关研究。
研究方法
研究团队通过金属-多酚化学在聚合物基底上构建多孔亲水调制层（TA-Fe复合物），用于调控胺类单体的吸附与释放速率，触发“局部激活-横向抑制”的动力学不稳定性，从而形成外部条纹状、内部多空腔的Turing结构。
QSense耗散型石英晶体微天平（QCM-D）在此研究中发挥如下作用：
吸附与脱附定量：TA-Fe层对胺单体（Pa）的吸附量达1718 ng/cm²，是普通基底的8倍，脱附速率则降低7倍，证实其可有效减缓单体扩散。
扩散速率调控：通过QCM-D数据，明确TA-Fe层如何通过热力学不稳定性触发Turing结构的形成机制。
实验结果与分析
结构表征： SEM和AFM显示，Turing型COF膜表面呈现46 nm宽度的迷宫状条纹，内部含丰富空腔，厚度仅28 nm。非Turing结构膜表面平滑，水通量仅为3.4 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹。
分离性能： 水通量提升13倍：Turing型膜达45.0 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹，同时保持86.3%的甲基橙（1.5 nm）截留率。
肽分离高选择性：对分子量3751 Da的利拉鲁肽截留率超90%，Gly 6（360 Da）仅36.2%，分离因子高达638，优于多数文献报道。
结论与展望
本研究首次在COF膜中实现Turing结构的可控构建，突破了传统膜材料在渗透性与选择性间的“权衡效应”。通过金属-多酚层与QCM-D技术结合，为高性能分离膜设计提供了新思路。未来可拓展至药物纯化、生物分子分离等领域，推动高效节能分离技术的发展。
基金支持
国家自然科学基金（U24A2083, 22308147）。
原文链接
https://doi.org/10.1002/anie.202503090
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