纳米孔离子选择性

离子选择性是生物蛋白孔和仿生固态纳米孔的重要特征，是设计生物传感、离子筛分、渗透能转换等器件的理论基础。定量分析纳米孔的离子选择性对设计和提高其性能至关重要。通常测量纳米孔离子选择性的方法包括离子电流、离子通量和跨膜电位法。相对于其他的测量方法，膜电位法因其独特的优点而被广泛应用。膜电位法需要利用Nernst或Goldman−Hodgkin−Katz（GHK）方程去解释测量的跨膜电势从而得到离子选择性，然而这些公式的传统形式并没有体现跨膜电势的方向性，在实际计算中研究者通常使用跨膜电势的绝对值去计算离子选择性，这就需要分析纳米孔道的表面电性去判断其选择运输的离子，进而解释公式计算的离子选择性。然而对于物理化学性质未知的纳米孔道，是不可能从公式计算的选择性数值判断其选择输运的离子，极大的限制该方法的应用范围。此外，研究者通常随意的选择Nernst或Goldman−Hodgkin−Katz（GHK）公式去计算离子选择性，而忽略了这两个公式的前提假设，错误的理解公式计算的有效选择性，并在不同的测量条件下比较不同器件离子选择性。

针对这些挑战，中国地质大学（武汉）夏帆教授联合美国圣母大学Merlin L. Bruening教授和武汉纺织大学王金凤教授提出了Nernst或Goldman−Hodgkin−Katz（GHK）方程的“电极”形式，将测量实验中的电极信息融入到公式，以电极表示跨膜电势和浓度梯度的方向，建立起了离子选择性、跨膜电势（包括方向）和浓度梯度的确定关系，通过计算选择性的数值就可以判断纳米孔选择输运的离子，实现定性和定量分析纳米孔离子选择性，同时解决传统公式形式不能用于未知纳米孔道离子选择性计算的问题。通过实验验证，该电极形式不仅适用于阴阳离子选择性的计算，也适用于阳离子之间、阴离子之间选择性的计算。同时，文章通过实验、计算模拟和公式推导相结合的方法阐述了这两个公式的差异，揭示了跨膜电势和公式计算离子选择性的物理化学意义，并提出定量分析比较纳米孔离子选择性的建议，为设计高性能的纳米孔器件提供理论依据和指导。

图1. Nernst或Goldman−Hodgkin−Katz（GHK）方程的“电极”形式和实验验证

这一成果近期发表在Journal of the American Chemical Society 上，文章第一作者是武汉纺织大学先进纺纱织造及清洁生产国家地方联合工程实验室张守伟博士。

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Addressing Challenges in Ion-Selectivity Characterization in Nanopores

Shouwei Zhang, Jinfeng Wang, Andriy Yaroshchuk, Qiujiao Du, Pengyang Xin, Merlin L. Bruening*, and Fan Xia*

J. Am. Chem. Soc., 2024, DOI: 10.1021/jacs.4c00603

研究团队简介

张守伟，博士毕业于法语天主教鲁汶大学（Université catholique de Louvain, Belgium），先后在美国圣母大学（University of Notre Dame, USA）和中国地质大学（武汉）从事博士后研究工作。2022年加入武汉纺织大学先进纺纱织造及清洁生产国家地方联合工程实验室，从事功能性纤维材料在能量转换方面的研究。以第一作者在J. Am. Chem. Soc., Matter, Anal. Chem., Nanoscale, Macromolecules, Biomacromolecules等国际期刊发表SCI论文10篇。

王金凤，武汉纺织大学教授，先进纺纱织造及清洁生产国家地方联合工程实验室主任，先后作为博士后、研究院和高级研究员任职于澳大利亚迪肯大学（Deakin University）先进材料研究所，2021年入职武汉纺织大学，主要研究领域包括废旧纺织品的循环再生、纺织品与气味和功能纤维传感与能量转换器件。主持并完成17项研发项目，并有4项研究成果已转化。几年来，在Nano-Mirco Lett., ACS Nano, Matter, J. Mater. Chem. A等国际期刊发表SCI论文100余篇。

夏帆，中国地质大学（武汉）材料与化学学院教授，国家杰出青年基金获得者。2008年于中国科学院化学研究所取得博士学位，师从江雷院士，2008年至2012年在美国加利福尼亚大学圣芭芭拉分校诺贝尔化学奖获得者Alan J. Heeger教授课题组工作。2012年至2016年在华中科技大学工作，2016年加入中国地质大学（武汉）。研究领域为生命分析化学，并首次提出纳米孔外表面的分析化学作用。在相关专业领域发表SCI论文300余篇，包括以通讯作者发表的Nature Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. In. Ed., Chem, Adv. Mater., Matter, Adv. Funct. Mater., ACS Nano, Anal. Chem.等, 总被引超过20000余次。

https://www.x-mol.com/university/faculty/50061