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苏彬课题组在纳米均孔膜电化学分析和分离领域获进展
浙江大学化学系苏彬课题组 / 时间:2016-11-11 08:37:23

  据浙江大学化学系网2016年11月3日讯 基于纳米孔道的生化分析和分离已成为分析化学基础和应用研究的热点领域之一。纳米均孔膜是指孔道结构高度有序、孔径在纳米尺度且均一的多孔薄膜,其能够在分子水平上精确实现对不同分子选择性分离和识别,分离和分析对象包括无机离子、有机小分子、蛋白质、DNA或异构体等。纳米均孔膜在分离分析、样品纯化、海水淡化、分子传感、药物控释、纳流控、模拟细胞膜等领域中展现出众多潜在的应用价值。目前制备纳米均孔膜的常用方法包括:聚合物径迹蚀刻技术、阳极氧化技术、微纳加工技术、嵌段共聚物自组装、碳纳米管自组装和石墨烯钻孔等。每种方法可制备的通道尺寸、孔隙度和膜厚度各不相同,也各有优缺点,但大多需要大型仪器设备、苛刻的实验条件或昂贵的试剂材料。
  我系苏彬教授课题组围绕二氧化硅纳米均孔膜(silica isoporous membrane, SIM)开展了一系列研究工作。SIM具有孔径高度均一(直径为2~3nm)、孔密度高40000μm-2)、超薄(20~200nm)等结构特征,进而赋予薄膜优异的分子筛分能力并表现出显著的纳米限域效应和表界面效应。课题组紧紧围绕这些方面,主要研究了其在电化学分析和分子分离领域的应用,实现了复杂体系中有机电活性小分子的选择性萃取富集和电化学检测、以及孔道双通薄膜的制备和分子选择性识别与分离。
  有机小分子的选择性萃取和电化学分析
  SIM的制备以十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)为模板剂,其在电极表面自组装形成有序棒状胶束并与二氧化硅协同生长得到复合薄膜(即BASMMF, 如图1所示)。每个胶束的内核具有一个CTAB分子的碳氢链通过疏水作用聚集形成的疏水空腔,其可以萃取富集溶液中疏水、电中性的电活性有机分子,如硝基苯类爆炸物、有机磷、药物分子和抗氧化剂等,并可扩散至胶束/电极界面发生电化学氧化或还原,最终实现其定量检测。此外,由于孔道孔径只有2~3nm,所以具有尺寸排阻/筛滤作用,以及优异的抗表面污染和抗钝化能力,可以实现复杂体系(如水体、土壤浊液、牛奶、果汁、血清、全血等)中的直接电化学检测,而不需要对样品进行复杂的前处理(图1)。以全血中氯霉素的检测为例,实验结果表明在全血中浸泡45分钟后,检测信号仍为初测信号的79%,同等时间内裸ITO电极的检测信号只有初测信号的25%。从孔道中去除CTAB得到的孔道内壁含有大量羟基(即SP-SMF, 如图1所示),适合亲水性分子进入。基于上述亲疏水和尺寸的选择性,可以实现果汁中疏水性抗氧化剂和亲水性抗氧化剂的直接筛分检测,不需要对橙汁进行复杂的前处理过程。


苏彬课题组在纳米均孔膜电化学分析和分离领域获进展


  该部分研究工作发表于美国化学会《Analytical Chemistry》杂志(2015, 87(8): 4436-4441;2016, 88(17): 8364-8368;2016, DOI: 10.1021/acs.analchem.6b02823),论文第一编辑分别为在读博士生晏菲和孙琴琴。
  1. http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.analchem.5b00433
  原文标题:Highly Ordered Binary Assembly of Silica Mesochannels and Surfactant Micelles for Extraction and Electrochemical Analysis of Trace Nitroaromatic Explosives and Pesticides
  2. http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.analchem.6b02091
  原文标题:Anti-Biofouling Isoporous Silica-Micelle Membrane Enabling Drug Detection in Human Whole Blood
  3. http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.analchem.6b02823
  原文标题:Tailoring Molecular Permeability of Nanochannel-Micelle Membranes for Electrochemical Analysis of Antioxidants in Fruit Juices without Sample Treatment
  双通薄膜的制备和分子选择性识别与分离
  采用本课题组前期报道的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)辅助转移法得到氮化硅(SiN)支撑的双通薄膜,即DP-SMF(ACS Nano, 2015, 9(11): 11266-11277,点击阅读相关),搭建了基于紫外吸取技术研究SIM分子选择透过性的分析装置(如图2所示)。选取不同大小、不同电荷的光活性分子为探针,研究结果表明较小的甲基紫精(MV 2+ )可以透过薄膜,而较大的细胞色素c(Cyt c)不能透过,体现出SIM具有良好的分子尺寸选择性。同时,由于SIM具有2~3nm的超小孔道,所以具有非常明显的分子电荷选择性。实验中选用了MV 2+ 、荧光素钠(FL 2- )和1,5-萘磺酸钠(NDS 2- ),改变离子浓度,验证了SIM的电荷筛分能力。此外,外加电场可以显著提高SIM的分离能力,在浓度梯度与电迁移力共同作用下可使MV 2+的通量增加9倍。除了具备良好的分子选择性外,由于SIM具有超薄、孔道垂直和孔隙率高的特点,使得分子跨膜传输速率比普通商品化膜高出两个数量级。


苏彬课题组在纳米均孔膜电化学分析和分离领域获进展


  以上研究工作发表于美国化学会《Analytical Chemistry》杂志(2016, 88(20): 10252-10258),论文第一编辑为在读博士生杨倩。
  4. http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.analchem.6b02968
  原文标题:Molecular Filtration by Ultrathin and Highly Porous Silica Nanochannel Membranes: Permeability and Selectivity
  采用聚二甲基硅氧烷(polydimethysiloxane,PDMS)蒸发修饰法,在超小、超短纳米通道中上方选择性区域沉积疏水的PDMS,形成不对称亲疏水结构,即膜内纳米通道上方修饰有PDMS的疏水区域,而下方是未修饰、保留亲水性质的二氧化硅通道(图3)。该薄膜既可以用于疏水小分子(如有机磷农药)的电化学传感,呈现出优良的检测性能(灵敏度高、检测限低和线性范围宽)。基于孔道尺寸筛分作用,该薄膜同样可以用于复杂样品中的直接电化学检测。进一步可以从电极表面剥离后用于基于分子亲疏水性质的选择性分离,比如其可有效地分离具有类似结构的疏水分子三硝基甲苯和亲水分子多巴胺,分离比高达335。


苏彬课题组在纳米均孔膜电化学分析和分离领域获进展


  以上研究工作发表于美国化学会《Analytical Chemistry》杂志(2016, 88(15): 7821-7827),论文第一编辑为2016年6月毕业的博士生林星宇。
  5. http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.analchem.6b01866
  原文标题:Polydimethysiloxane Modified Silica Nanochannel Membrane for Hydrophobicity-Based Molecular Filtration and Detection
  此外,采用双通的SIM支撑不相混溶的两种电解质溶液,构建了纳米液/液界面(Nano-ITIES)阵列(图4),基于离子伏安法研究了SIM对非光电活性离子的选择透过性。实验中选用了小尺寸阳离子四乙铵阳离子(TEA+)和阴离子甲基橙(MO-),不仅进行了SIM电荷选择性的研究,还研究了TEA+离子转移过程和机理。选用较大尺寸的卟啉分子和小尺寸的对甲苯磺酸钠分子研究了SIM的尺寸选择性。实验证实Nano-ITIES具有尺寸和电荷的选择性,同样适用于非电化学活性物质在多种复杂生物样品(如尿液、血清和血液)中的定量分析,在离子传感、药物检测、蛋白质分离等领域有广泛的应用价值。


苏彬课题组在纳米均孔膜电化学分析和分离领域获进展


  以上研究工作发表于美国化学会《Analytical Chemistry》杂志(2016, 88(12): 6563-6569),论文第一编辑为在读硕士黄晓。
  6. http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.analchem.6b01383
  原文标题:Permselective Ion Transport across the Nanoscopic Liquid/Liquid Interface Array
  以上研究工作是苏彬课题组近2年以来在纳米均孔膜界面电化学分析和分离方面研究工作的延伸与深化,得到了国家自然科学基金(21335001,21575126)以及浙江省自然科学基金(LR14B050001)的大力资助。


浙江大学化学系教授苏彬

浙江大学化学系教授苏彬

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