近日，中国科学院近代物理研究所重离子科学与技术全国重点实验室材料研究中心与兰州大学化学化工学院与近代物理研究所材料研究中心、东江实验室合作，在先进手性分离膜研究方面取得重要进展。合作研究团队基于依托兰州重离子加速器（HIRFL）提供的重离子辐照技术，成功制备创制出一种具有同手性特征的氢键生物杂化框架核孔膜（HBF@PET），实现了对氨基酸对映体的高效、精准分离。相关成果于近日以“Robust Homochiral Hydrogen-Bonded Biohybrid Nanochannel Membranes for High-Efficiency Enantioseparation of Amino Acids”为题，于近日发表在国际化学期刊《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）上。

手性结构在生命过程和药物活性中扮演着关键角色，获得高纯度的单一对映体纯化合物对于医药、农业等领域至关重要具有重要意义。然而，传统手性分离技术通常存在往往面临能耗高、效率低等问题，而现有手性膜材料也则常因结构不稳定、活性位点分布不均一等挑战，难以兼顾兼具高选择性与和高通量。

核孔膜是一种孔径均匀、孔道垂直贯通的精密微孔膜，通常由利用高能重离子辐照聚合物薄膜并结合化学蚀刻工艺制备而成。获得的一种孔径均匀、孔道直通的精密微孔膜。本研究中，合作团队依托利用兰州重离子加速器提供的高能Xe离子束，对在聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）薄膜上进行了均匀辐照，随后并通过精确控制的径迹蚀刻工艺，制备出孔径约400 nm纳米、孔道结构规整的锥形纳米通道膜。这种孔道贯通好、尺寸可调的核孔膜为后续功能材料的均匀组装负载提供了理想的限域空间和结构基础。

在此研究基础上，研究团队创新性提出一种电压驱动的原位组装策略：在2 V伏直流电压驱动下，带负电的牛血清白蛋白（BSA）和有机配体（HTBAPy）分子（HTBAPy）通过电泳作用力高效进入PET核孔膜的纳米通道内并实现均匀分布。BSA与配体通过定向氢键共组装，形成氢键生物杂化框架（HBF），。该结构既保留了BSA的天然手性微环境，又获得氢键有机框架的结构稳定性。分析表征证实表明，HBF沿通道内壁形成连续晶态层，使通道孔径缩小至约1.5 nm纳米，与氨基酸分子尺寸相当，显著增强了膜材料的手性识别能力。

实验结果显示，电化学测试表明，HBF@PET膜对L-组氨酸（His）表现出显著识别能力。无外加电压时，外消旋His透过膜24小时后，渗透液仅检测到D-His，对映体过量值（ee）>99%，D-His渗透通量高达4.52 ± 0.04 mmol m⁻² h⁻¹，约是L-His通量的3.6倍。该性能超越已报道的大多数手性纳米通道膜体系。该膜材料对色氨酸、精氨酸等多种氨基酸对映体均表现出也具良好的识别性能，显示具备广谱适用性。在连续9个循环（12小时/循环）或120小时连续运行后，D-His通量仍保持初始值的80%以上；在pH 2~11溶液中浸泡24小时后结构稳定，无材料泄漏，展现出优异的化学与机械稳定性良好。

进一步通过荧光滴定、等温滴定量热、微量热泳动和分子动力学模拟揭示：L-His与HBF的结合亲和力远强于D-His。分子对接显示，L-His在BSA手性口袋中能与更多残基形成氢键，而D-His仅与两个残基形成氢键。更强的结合作用阻碍了L-His的扩散，D-His则因弱相互作用快速通过通道，从而实现高效分离。

本研究充分发挥兰州大学在先进化学合成领域的技术积淀，以及与近代物理所/与东江实验室在核孔膜制备方面的平台优势，通过将可控核孔膜平台与生物功能材料有机结合，有效解决了手性膜稳定性与选择性难以兼顾的关键得难题，为开发新型生物杂化分离膜、实现手性药物绿色分离提供了新思路。

论文第一作者为博士生常新月和宋艳霞，通讯作者为兰州大学汪宝堆教授和近代物理所段敬来研究员。研究得到了国家自然科学基金和甘肃省科技领军人才计划等项目的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1021/jacs.5c22150

图：手性分离新型核孔膜制备与表征

（材料研究中心  供稿）