非生命体系中的主动离子输运

生命体系中，电能的产生和释放与一系列跨膜离子输运过程紧密相连。一般来说有两个主要部分，其一是通过一个耗能的主动输运 (active transport) 过程，建立跨膜的离子浓度梯度；其二是将体内的化学浓度梯度通过选择则性的离子通道进行释放，利用扩散驱动的被动输运过程 (passive transport) 将其转换成为电能。在过去的十年中，对于生物电体系的仿生研究，也正是从这里开始的。大量的研究成果集中在如何将化学梯度转换为电能，然而，在完全非生命体系里实现抗浓度梯度的主动输运过程，是一件非常不容易的事。几乎所有的仿生体系都需要有生物组件的参与，比如蛋白质生物马达，才能够实现抗浓度梯度的输运。

实现主动输运过程的主要瓶颈在于，现有的分子输运体系为了实现抗浓度梯度的离子转运，往往需要分子量是所输运物质成百上千倍的大分子载体 (ion-binding shuttle molecules) 参与，并且这些载体分子是基于液态膜或者磷脂膜的。这些特性大大降低了仿生输运体系的效率和稳定性，使得人工体系内的主动输运过程并不能得到任何真正的实际应用。

最近，由中国科学院理化技术研究所郭维研究员（点击查看介绍）领导的团队提出了一系列开创性的方法，在完全非生命的材料体系里，利用光照的能量来驱动抗浓度梯度的主动输运过程。2019年初，他们提出了一种纯粹物理的驱动模式 (Nat. Commun., 2019, 10, 1171)，将光子-光生载流子-离子的输运过程耦合起来，实现了氧化石墨烯多层膜中的跨膜主动输运。最近，该团队通过异质二维多层膜结构上的光化学反应作为驱动力，实现了质子的定向转运，建立跨膜pH梯度。

他们将氧化石墨烯纳米片作为基本组装单元，分别用光酸 (photoacid, HA) 和光碱 (photobase, BOH) 分子对其进行掺杂，并通过二次抽滤的方法构筑了具有宏观异质结构的氧化石墨烯双面膜 (Janus graphene oxide membrane)。研究发现，这种异质掺杂的二维多层膜结构，可以在紫外光的照射下，将膜外的质子定向地由光酸分子掺杂的一侧，输送到光碱分子掺杂的一侧，并由此形成跨膜的pH梯度 (如下图所示)。在光照条件下，这种由光酸和光碱分子掺杂的异质膜结构类似一个光驱动的质子发动机：在膜的一侧，光酸分子参与的光化学反应不断产生质子；而在另一侧，光碱分子参与的光化学反应不断消耗质子。从而形成了膜两侧的非对称极化和膜内的质子浓度梯度，并由此完成了从光酸膜一侧溶液中的质子提取 (proton uptake)，和光碱膜一侧的质子释放 (proton release)，从而完成整个输运过程。实验中，该体系所能形成的最大pH梯度达0.8 pH units/mm²，质子传输速率达到3.0 mol h^-1 m^-2，远高于以往人工合成体系所能实现的速率。

这一成果近期发表在Advanced Materials，文章的第一作者是北京化工大学的博士后研究员王丽丽。北京化工大学为第一完成单位。

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Light-Driven Active Proton Transport through Photoacid- and Photobase-Doped Janus Graphene Oxide Membranes

Lili Wang, Qi Wen, Pan Jia, Meijuan Jia, Diannan Lu, Xiaoming Sun, Lei Jiang, Wei Guo*

Adv. Mater., 2019, DOI: 10.1002/adma.201903029

郭维博士简介

郭维，中国科学院理化技术研究所，研究员，博士生导师，国家优秀青年科学基金获得者，中国科学院卢嘉锡青年人才奖获得者，北京市科技新星。1982年生于北京，成长于军队科研机构大院，2009年毕业于北京大学物理学院，获博士学位。专注于纳米孔道研究十余年，重点解决纳米孔道内的非对称离子输运和功能化问题。发表第一作者/通讯作者论文 40 篇，包括 J. Am. Chem. Soc. (3篇), Nature Communications (1篇), Angew. Chem. Int. Ed. (1篇), Adv. Mater. (6篇), Adv. Funct. Mater. (5篇), Energy Environ. Sci. (1篇), Chem. Sci. (1篇), ACS Nano (1篇), Small (1篇), Acc. Chem. Res. (1篇), Chem. Soc. Rev. (1篇) 等 22 篇，被引用 3100 余次。申请中国发明专利 6 项，PCT专利 1 项。

https://www.x-mol.com/university/faculty/48530