Nature：给你一张有序的CD——膜！

在化工、石油、制药等工业应用中，45-55%的能耗都用于分离过程。相较于传统分离工艺，膜分离更加节能、环保，可以节省80%以上的能耗，但需要根据不同应用环境来调控膜的孔径。比如在制药提纯中，杂质与产物之间的分子尺寸差别可能小至数个埃米（0.1纳米），这就需要在亚纳米尺度上精准控制膜孔径，以达到两者的精细分离。然而，由于聚合物膜的无定形性，使其无法形成规整的膜孔。其孔结构也会在不同压力下、溶剂中及长时间的使用后出现坍塌、溶胀、变形，影响分离性能。因此，在埃米级别对膜孔径进行精准调控一直是个难题。大环分子（macrocycle），例如环糊精（cyclodextrin, CD），具有稳定固有的内在空腔，如能将其内腔有序地连接成通道贯穿于聚合物膜中，形成膜孔，或将解决上述难题。

近日，伦敦玛丽皇后大学/帝国理工学院Andrew Livingston教授课题组报道了一种策略将大环分子有序排列制备出厚度小于10纳米的超薄膜，实现了膜孔的精准控制及分子的精细筛分，为拓展膜在药物分离中的应用提供了新的思路。相关研究成果发表于最新一期的Nature 杂志上，论文第一作者为伦敦玛丽皇后大学的江志伟研究员和上海交通大学的董瑞蛟副教授。

大环分子，以CD为例，近年来科学家将其作为单体用于界面聚合反应中以制备复合膜，尝试将其内腔转化成膜孔。然而由于CD在中性水相里无法和油相中的酰氯反应，必须加入碱使其上下两端的羟基去质子化，增强反应活性。不过，在碱性条件下具有相近活性的两端会同时和酰氯反应，被无序地交联起来，无法形成连续直通的膜孔，增大了分子传质的阻力，以至于比CD内腔小的分子也会被截留，降低了分子间的选择性。

此篇论文中，作者为了实现大环分子CD的有序排列，其上端（较小开口端）的羟基被有选择地改性成活性更强的氨基，通过柔性的聚氨酯长链接在大环分子上，而其下端（较大开口端）的官能团保持不变。这样带来三大好处，首先，柔性的聚氨酯长链减少了分子内的氢键作用，让改性后的氨基大环分子能够直接溶解于水中。其次，氨基可以在中性水相里直接和油相中的酰氯反应，不需要加碱触发反应。最重要的是，中性环境避免了CD下端羟基的去质子化，使其失活，而活性更高的上端氨基将会优先与油相的酰氯（如对苯二甲酰氯）反应，让它们自发地上端氨基朝上向油相、下端羟基朝下向水相“站立”起来，从而在有序排列的情况下发生交联形成聚酰胺膜（图1a）。通过这种策略，CD的内腔就能连接起来形成膜孔，对相近尺度的分子进行精准筛分（图1b）。

图1. 氨基大环分子的改性和其分子筛分的示意图。图片来源：Nature

值得一提的是，相较于直接在基底上界面聚合一步法形成复合膜，本文采取了两步法。先在自由界面上聚合形成自支撑的聚酰胺膜分离层（图2a, b），然后将其转移到基底上形成复合膜（图2c）。这样做的好处在于能独立地测量分离层的诸多性能，如厚度、化学成分等。同时，在自由界面中，相对大容积的水相能有效疏散放热反应中的热量，维持界面稳定。因此，这种方法能更有效地控制膜的厚度，将其降至10纳米以下（图2d, e），比一步法成膜的厚度降低了一个数量级。这对大环分子的有序排列至关重要，后文将会重点阐述。

为了研究CD在膜内如何排列，作者利用了原位掠入射广角X射线散射（GI-WAXS）对自支撑的超薄膜进行了分析。实验显示，在平面和垂直方向都出现了散射峰，证明了CD在膜内、尤其是垂直于基底平面的有序排列（图2f, g）。这样的有序排列有利于将CD上端开口朝向膜表面，形成膜孔。为了证实这一猜想，作者用高真空原子力显微镜（UHV-AFM）扫描了膜表面（图2h）。有别于一般环境下的AFM，高真空环境避免了空气中的湿气和杂质附着于针尖上增大其直径，使得UHV-AFM能在埃米级别对膜表面进行成像，并测量膜孔径。比如对氨基β-CD（βCDA）膜进行扫描时，可以通过测量其表面上两个波峰之间的距离得出孔径大小，大约0.6纳米，与β-CD上端开口大小的理论值0.61纳米一致（图2i）。并且，在界面聚合中使用小、中、大三个不同大小内腔的CD单体，能对应地形成从小到大的膜孔径分布（图2j），从而在埃米尺度上控制膜孔直径。长久以来，对埃米大小的膜孔进行直接观测是一个难题，原因在于聚合物的无定形膜孔可能会在显微镜的真空环境下坍塌。而CD的固有内腔则可以在真空环境下维持其腔体的结构，且在有序排列下将上端开口朝向膜表面，实现了对埃米膜孔的直接观测。

图2. 有序排列大环分子膜的表征。图片来源：Nature

有序对齐排列的膜孔能有效地降低分子在膜孔内的传质阻力，从而实现相近大小分子间的精准筛分。为了证明这个观点，作者通过更换交联分子、上下翻转膜以及调控膜厚度等三个方面研究CD排列对膜分离性能的影响。

首先，均苯三甲酰氯（trimesoyl chloride, TMC）取代了对苯二甲酰氯（terephthaloyl chloride, TPC）参与界面聚合制备超薄膜。这两款膜的厚度与交联度相似，然而有意思的是，相比于TPC制备出来的有序膜，TMC制备出来的膜是无序的，XRD实验中没有显示散射峰。这是由于TMC多出的一个酰氯官能团会增加交联过程中的自由度，使得CD分子更倾向于无序排列在膜中，从而导致更多疏水的腔壁而非亲水的上端开口朝向膜表面。因此，有序排列的膜展现了更高的极性溶剂（如甲醇）的通量，而无序排列的膜则有更高的非极性溶剂（如庚烷）的通量（图3a）。更重要的是，有序排列的膜其孔径与CD内腔的开口较小端大小一致，能对应其截留分子的尺寸。而无序排列的膜则有更大的传质阻力，能截留更小的分子，无法达成精准分离的目的（图3b）。接着，作者将自支撑膜上下翻面，让背面向上与溶液接触。由于背面富含在界面聚合过程中朝向水相的羟基，其表面更加亲水，因而有更高的极性溶剂通量（图3c, d）。另外，通过改变CD单体在界面反应中的浓度，膜厚度可以在6至20纳米间被精准调控。GI-WAXS显示，散射峰的强度会随着膜厚度变薄而增强（图3e），即CD有序排列的程度在薄膜中更高。这是因为更厚的膜给了CD更多的自由空间在膜内随意堆积，形成无序排列的结构，而超薄膜则一定程度上限制了这种行为。因此，超薄膜能更有效地将CD内腔转化成膜孔，对分子精准筛分，提高了分子间的选择性（图3f）。

图3. 有序排列大环分子膜的分离性能。图片来源：Nature

如前文所示，将CD的内腔转化为膜孔的一个优势在于，通过改变其本身内腔的大小，则可在埃米级别精准调控膜孔的大小。而实验也表明，不同孔径的膜确有与其内腔大小相对应的分离性能（图3g）。这也使得这些有序排列的CD膜比其他膜有更高的分子选择性（图3h）。

为了更好地阐述这种精准可控膜孔在高附加值药物分离中的重要性，作者选用了提纯大麻二酚（cannabidiol, CBD）作为一个示范案例。CBD是从大麻植物中提取的纯天然分子，对癫痫、焦虑都有明显的治疗、缓解作用。CBD的提纯需要将其在乙醇萃取溶剂中与其他杂质分离出来，杂质中既包括叶绿素（chlorophyll）、β胡萝卜素这样的大分子，也包括柠檬烯（limonene）这样的小分子，它们都与CBD有相近的分子大小，因此对它们的分离需要将膜孔精准地控制在CBD与杂质分子的尺寸之间，而这也恰恰是有序排列大环分子膜的优势。作者利用了两级膜过程提纯CBD，第一级选用较大孔径的膜将叶绿素与CBD、柠檬烯分离，第二级则选用较小孔径的膜将CBD与柠檬烯分离（图4a）。第一级中，有序排列CD膜成功分离了叶绿素（图4b）。更重要的是，在第二级中，有序排列CD膜展示了比商用膜高一个数量级的乙醇通量（图4c），并且对CBD的提纯度达到了商用膜的三倍（图4d）。

图4. 有序排列大环分子膜在药物分离中的应用。图片来源：Nature

总结

精准可调控孔径的膜材料是拓展膜在精细分离过程中应用范围的必备条件。多孔材料，如大环分子，在制造和调控膜孔上比传统聚合物更有优势。然而如何联结多孔材料形成完整无缺陷的膜，有效地将其内在的空腔转化成膜孔，并将其联通成传输分离的通道，是必须克服的难题，本文或可为此提供一个思路。（图/文供稿：江志伟）

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Aligned macrocycle pores in ultrathin films for accurate molecular sieving

Zhiwei Jiang, Ruijiao Dong, Austin M. Evans, Niklas Biere, Mahmood A. Ebrahim, Siyao Li, Dario Anselmetti, William R. Dichtel, Andrew G. Livingston*

Nature, 2022, 609, 58–64, DOI: 10.1038/s41586-022-05032-1

研究团队简介

江志伟博士，现为Future Leaders Fellowships（未来领军人才计划）独立研究员（PI），获得150万英镑科研经费，以第一作者发表论文于Nature, Nature Materials, Advanced Materials等期刊上。

董瑞蛟博士，现为上海交通大学副教授（PI），获得国家优秀青年基金（海外），以第一作者或通讯作者发表论文于Nature, Nature Chemistry, Advanced Materials, Angew. Chem. Int. Ed.等期刊上。

Andrew Livingston博士，现为伦敦玛丽皇后大学副校长，英国皇家学会、英国皇家工程院双院院士。以通讯作者发表论文于Nature, Science, Nature Materials, Nature Chemistry, Advanced Materials, Angew. Chem. Int. Ed., JACS等期刊上。