AI視頻 | “智能”分離膜，讓“雙胞胎”分子不再難分

▲科研人員開發(fā)出新型“智能”分離膜（視頻由AI生成）

在現(xiàn)實(shí)生活中，人的左右手沒法完全重合。在化學(xué)世界里，這種“手性”現(xiàn)象也隨處可見。很多藥物分子就像人的左右手和“雙胞胎”，長相幾乎一樣，但“性格”迥異：一個(gè)能治病，另一個(gè)卻可能是無效甚至有害。如何在工業(yè)生產(chǎn)中高效精準(zhǔn)區(qū)分，把“好的”留下，把“壞的”剔除，一直是制藥行業(yè)的一大難題。

近日，中國科學(xué)院近代物理研究所等開發(fā)了一種新型“智能”分離膜，如同給傳統(tǒng)的過濾膜裝上了一個(gè)“分子導(dǎo)航系統(tǒng)”，能夠以超過99%的效率，精準(zhǔn)識別并分離“雙胞胎”氨基酸，單位時(shí)間內(nèi)的分離量也超越了目前大多數(shù)同類技術(shù)。

01

給膜裝上“導(dǎo)航”

分離這些分子級別的“雙胞胎”，膜分離技術(shù)是常用方法。如何讓膜在“篩得準(zhǔn)”（選擇性高）的同時(shí)還能“篩得多”（通量高），一直是科研人員努力的方向。

對此，團(tuán)隊(duì)提出了一種新思路——給膜裝上“導(dǎo)航”。首先，需要選好“地基”，團(tuán)隊(duì)先用一種叫核孔膜的特殊材料做載體。核孔膜經(jīng)過重離子輻照和化學(xué)蝕刻“精雕”，上面布滿了尺寸精確可控、排列整齊的納米級小孔。這一步就像在一片空地上先建好了排排標(biāo)準(zhǔn)化的“納米房屋”，房間的大小、位置都是提前設(shè)計(jì)好的，為后續(xù)的“精裝修”打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

隨后，在電壓的精準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)下，團(tuán)隊(duì)將兩種“裝修材料”引入“納米房屋”：一種是牛血清白蛋白（具有手性識別能力的蛋白質(zhì)），另一種是氫鍵有機(jī)框架（一種堅(jiān)固的多孔材料）。這兩種材料在孔道里自組裝，形成了一層連續(xù)均勻的、具有手性識別能力的“智能涂層”。

這樣一來，這座“智能納米小屋”既有氫鍵有機(jī)框架提供的堅(jiān)固結(jié)構(gòu)，保證了膜的穩(wěn)定性；又“繼承”了牛血清白蛋白的“慧眼”，能夠準(zhǔn)確分辨具有“手性”的L型和D型氨基酸分子。

▲手性雜化框架膜的制備及氨基酸對映體的分離示意圖

02

精準(zhǔn)識別“雙胞胎”

在實(shí)驗(yàn)中，新型膜對組氨酸“雙胞胎”表現(xiàn)出出色的分辨力。

L型組氨酸與膜上的“智能涂層”結(jié)合緊密，像被好多只“手”輕輕抓住，因此L型組氨酸通過得慢；而D型組氨酸與涂層的結(jié)合較弱，更容易“滑”過去。正是這種結(jié)合力的差異，實(shí)現(xiàn)了二者的高效分離。

團(tuán)隊(duì)將混合了L型和D型組氨酸的溶液作為進(jìn)料液，經(jīng)手性膜分離24小時(shí)后，滲透液中僅檢出D型組氨酸，L型組氨酸幾乎完全被“扣留”，分離效率超過99%，且D型組氨酸的透過速率是L型的3.6倍。

03

“抗造”又“多才”

穩(wěn)定性是技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向應(yīng)用的關(guān)鍵。

實(shí)驗(yàn)證明，這種膜連續(xù)工作120小時(shí)后，性能保持穩(wěn)定；在不同酸堿度的水里浸泡一整天，結(jié)構(gòu)也完好無損，展現(xiàn)出良好的耐用性。

更難得的是，它還是個(gè)“多面手”。除了組氨酸，它對色氨酸、精氨酸等多種氨基酸“雙胞胎”也都有識別能力，應(yīng)用前景廣闊。

從“左右為難”到“精準(zhǔn)識別”，科學(xué)家們用智慧之手，編織出了更精密的“智能篩子”。

這項(xiàng)技術(shù)未來有望在手性藥物、農(nóng)藥等復(fù)雜分子的分離純化中發(fā)揮作用，為制藥工業(yè)和生物傳感領(lǐng)域提供新的思路。

來源：中國科學(xué)院近代物理研究所

責(zé)任編輯：宋同舟