QSense石英晶體微天平助力調控Turing結構COF膜實現高效肽分離
用戶成果｜南京工業(yè)大學汪勇/張哲團隊Angew. Chem. Int. Ed.: 調控Turing結構COF膜實現高效肽分離
背景知識
Turing結構源于數學家艾倫·圖靈提出的“形態(tài)發(fā)生的化學基礎”理論，通過反應-擴散機制形成周期性圖案。近年來，這種結構在分離膜領域嶄露頭角，其內部超滲透空腔可顯著提升水通量，但傳統(tǒng)Turing膜因高度交聯(lián)的致密孔隙難以滿足分子分離需求。共價有機框架（COF）材料憑借均勻亞納米孔道和可逆反應特性，成為理想候選，但如何在其表面構建Turing結構仍具挑戰(zhàn)。近日，南京工業(yè)大學汪勇/張哲團隊以“Turing-Structured Covalent Organic Framework Membranes for Fast and Precise Peptide Separations”為題在《Angewandte Chemie International Edition》上發(fā)表相關研究。
研究方法
研究團隊通過金屬-多酚化學在聚合物基底上構建多孔親水調制層（TA-Fe復合物），用于調控胺類單體的吸附與釋放速率，觸發(fā)“局部激活-橫向抑制”的動力學不穩(wěn)定性，從而形成外部條紋狀、內部多空腔的Turing結構。
QSense耗散型石英晶體微天平（QCM-D）在此研究中發(fā)揮如下作用：
吸附與脫附定量：TA-Fe層對胺單體（Pa）的吸附量達1718 ng/cm²，是普通基底的8倍，脫附速率則降低7倍，證實其可有效減緩單體擴散。
擴散速率調控：通過QCM-D數據，明確TA-Fe層如何通過熱力學不穩(wěn)定性觸發(fā)Turing結構的形成機制。
實驗結果與分析
結構表征： SEM和AFM顯示，Turing型COF膜表面呈現46 nm寬度的迷宮狀條紋，內部含豐富空腔，厚度僅28 nm。非Turing結構膜表面平滑，水通量僅為3.4 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹。
分離性能： 水通量提升13倍：Turing型膜達45.0 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹，同時保持86.3%的甲基橙（1.5 nm）截留率。
肽分離高選擇性：對分子量3751 Da的利拉魯肽截留率超90%，Gly 6（360 Da）僅36.2%，分離因子高達638，優(yōu)于多數文獻報道。
結論與展望
本研究首次在COF膜中實現Turing結構的可控構建，突破了傳統(tǒng)膜材料在滲透性與選擇性間的“權衡效應”。通過金屬-多酚層與QCM-D技術結合，為高性能分離膜設計提供了新思路。未來可拓展至藥物純化、生物分子分離等領域，推動高效節(jié)能分離技術的發(fā)展。
基金支持
國家自然科學基金（U24A2083, 22308147）。
原文鏈接
https://doi.org/10.1002/anie.202503090
背景知識
Turing結構源于數學家艾倫·圖靈提出的“形態(tài)發(fā)生的化學基礎”理論，通過反應-擴散機制形成周期性圖案。近年來，這種結構在分離膜領域嶄露頭角，其內部超滲透空腔可顯著提升水通量，但傳統(tǒng)Turing膜因高度交聯(lián)的致密孔隙難以滿足分子分離需求。共價有機框架（COF）材料憑借均勻亞納米孔道和可逆反應特性，成為理想候選，但如何在其表面構建Turing結構仍具挑戰(zhàn)。近日，南京工業(yè)大學汪勇/張哲團隊以“Turing-Structured Covalent Organic Framework Membranes for Fast and Precise Peptide Separations”為題在《Angewandte Chemie International Edition》上發(fā)表相關研究。
研究方法
研究團隊通過金屬-多酚化學在聚合物基底上構建多孔親水調制層（TA-Fe復合物），用于調控胺類單體的吸附與釋放速率，觸發(fā)“局部激活-橫向抑制”的動力學不穩(wěn)定性，從而形成外部條紋狀、內部多空腔的Turing結構。
QSense耗散型石英晶體微天平（QCM-D）在此研究中發(fā)揮如下作用：
吸附與脫附定量：TA-Fe層對胺單體（Pa）的吸附量達1718 ng/cm²，是普通基底的8倍，脫附速率則降低7倍，證實其可有效減緩單體擴散。
擴散速率調控：通過QCM-D數據，明確TA-Fe層如何通過熱力學不穩(wěn)定性觸發(fā)Turing結構的形成機制。
實驗結果與分析
結構表征： SEM和AFM顯示，Turing型COF膜表面呈現46 nm寬度的迷宮狀條紋，內部含豐富空腔，厚度僅28 nm。非Turing結構膜表面平滑，水通量僅為3.4 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹。
分離性能： 水通量提升13倍：Turing型膜達45.0 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹，同時保持86.3%的甲基橙（1.5 nm）截留率。
肽分離高選擇性：對分子量3751 Da的利拉魯肽截留率超90%，Gly 6（360 Da）僅36.2%，分離因子高達638，優(yōu)于多數文獻報道。
結論與展望
本研究首次在COF膜中實現Turing結構的可控構建，突破了傳統(tǒng)膜材料在滲透性與選擇性間的“權衡效應”。通過金屬-多酚層與QCM-D技術結合，為高性能分離膜設計提供了新思路。未來可拓展至藥物純化、生物分子分離等領域，推動高效節(jié)能分離技術的發(fā)展。
基金支持
國家自然科學基金（U24A2083, 22308147）。
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https://doi.org/10.1002/anie.202503090
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