膜分離已逐漸成為解決日益惡化的空氣、水環(huán)境污染和水資源短缺的核心技術(shù)之一。目前廣泛應用的高分子膜和無(wú)機膜，由于成膜材料和成膜方法的限制，膜有效孔徑分布較寬、選擇分離層較厚，一方面不能保證高的分離精度，另一方面也導致分離的選擇性和通量相互制約。因此設計具有均一孔徑的超薄分離膜實(shí)現高精度、高通量分離是分離膜材料研究領(lǐng)域的重要發(fā)展方向，同時(shí)也面臨巨大挑戰。 

　　蛋白質(zhì)作為一類(lèi)重要的生物大分子，其具有獨特的分子結構和空間構型。例如，膜蛋白由于其特定的孔道結構和生物功能，使物質(zhì)（包括水、CO₂、O₂、離子、小分子等）的輸運具有高度的選擇性、高通量以及智能響應特性，為細胞提供物質(zhì)高效傳輸，是維持生命系統的重要過(guò)程。受此啟發(fā)，利用特定孔道結構的蛋白質(zhì)無(wú)疑是構筑超薄均孔納米分離膜的理想單元。 

　　近日，中科院蘇州納米所靳健研究員課題組與王強斌研究員課題組合作，利用具有特定孔道結構的煙草花葉病毒（TMV）衣殼蛋白組裝體作為基元構筑超薄均孔膜，實(shí)現高精度、高通量分離。在這一工作中，研究人員首先通過(guò)基因工程在TMV基元側面引入半胱氨酸基團，然后在銅離子的催化作用下，誘導基元間形成二硫鍵（S-S），并且以六方形式進(jìn)行二維自組裝，獲得大面積TMV超薄納米片（如圖1所示）。進(jìn)一步將TMV納米片分散液抽濾到多孔氧化鋁表面，構筑成厚度可控的選擇分離層（如圖2所示）。由于在TMV基元的中心具有一個(gè)直徑為4 nm的孔道，經(jīng)自組裝后，在納米片中就形成形狀均一、排布有序的多孔結構。為了驗證TMV超薄膜的高精度尺寸篩分的能力，研究者們選用兩種尺寸相近的量子點(diǎn)，一種是直徑3.2 nm的發(fā)綠色熒光的量子點(diǎn)，另一種是直徑5.2 nm的發(fā)紅色熒光的量子點(diǎn)。將兩種量子點(diǎn)混合后，可以清楚看到直徑較小的綠色量子點(diǎn)可以透過(guò)分離膜，而直徑較大的紅色量子點(diǎn)被截留。進(jìn)一步研究者們采用熒光光譜和TEM對原液、滲透量和截留液中的量子點(diǎn)進(jìn)行表征，證實(shí)了TMV超薄膜的高精度尺寸篩分的能力（如圖3所示）。該研究工作為構筑超薄均孔膜提供了新的研究思路，同時(shí)也擴寬的蛋白質(zhì)自組裝在分離膜中的應用。 

　　以上工作發(fā)表了在《Nano Letters》雜志上（DOI: 10.1021/acs.nanolett.8b03155），論文第一作者為博士研究生張慎祥和張建庭，王強斌研究員和靳健研究員為論文的共同通訊作者。該工作得到了國家杰出青年科學(xué)基金（21425103, 51625306）、國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項目（21433021）等項目的經(jīng)費支持。 

圖1.TMV納米片的結構與形貌表征。（a）TMV組裝過(guò)程示意圖；TMV納米片的（b和e）TEM圖、（c）熒光顯微鏡照片、（d）AFM圖；（f）小角X射線(xiàn)衍射譜；（g）TMV組裝結構示意圖

圖2.（a和b）TMV超薄膜的表面和截面SEM圖；（c）不同厚度的TMV分離層對應的水通量與截留效果；（d）對不同分子量的PEG截留效果

圖3.尺寸篩分性能表征。（a）分離裝置的光學(xué)照片；（b，c，d）在365 nm紫外光下的光學(xué)照片；（e-g）分別為原液、滲透壓和截留液的熒光光譜圖；（h-j）分別為原液、滲透壓和截留液中量子點(diǎn)的TEM圖；（k-m）分別為原液、滲透壓和截留液中量子點(diǎn)的粒徑分布圖