英文原题：Preparation of Vortex Porous Graphene Chiral Membrane for Enantioselective Separation
通讯作者：李湛、邱洪灯，中国科学院兰州化学物理研究所
作者：Hongxin Tan (谭洪鑫), Tianqi Liu (刘天琦), Xin Zhang (张鑫), Qiang Shan (单强), Jia Chen (陈佳), Zhan Li (李湛), Hirotaka Ihara (伊原博隆), Hongdeng Qiu (邱洪灯)
中国科学院兰州化学物理研究所手性分离与微纳分析课题组邱洪灯、李湛研究团队利用机械搅拌技术，在超滤膜表面制备出了具有共价涡旋结构的纳孔石墨烯手性分离膜，并将其成功应用于水溶液中苯丙氨酸对映体分子的选择性膜分离。该文章近期作为封面文章发表在Analytical Chemistry期刊上。
手性化合物是具有相同分子式但空间结构互成镜像的一对化合物，因其物理化学性质几乎相同，因此难以分离纯化。手性化合物不同对映体在药理活性、代谢作用以及毒性方面差异很大，但是手性化合物大多又以外消旋体形式存在，所以手性化合物的分离提纯具有重要的研究意义。现有的对映体分子分离纯化过程多采用色谱技术。与之相比，膜分离因其简单、无添加剂的引入且无相变过程等优点，极具工业化潜力，备受分析科学研究者的青睐。
纳孔石墨烯作为石墨烯的一种衍生物，表面纳米孔的存在显著提高了其比表面积和传质能力，为其在膜分离中的应用奠定了基础。然而普通的纳孔石墨烯材料没有手性中心，因此为了将其用于手性膜分离，首先需要赋予其手性特征。基于此，中科院兰州化学物理研究所手性分离与微纳分析课题组的研究人员利用机械搅拌技术，在超滤膜表面制备出了具有共价涡旋结构的纳孔石墨烯手性分离膜，并将其成功应用于水溶液中苯丙氨酸对映体分子的选择性膜分离(图1)。
图1 纳孔石墨烯手性分离膜的合成与应用
目前，纳孔石墨烯的制备多采用“自上而下”的化学或物理手段，然而该类方法首先需要合成石墨烯或氧化石墨烯，然后在一些专有的设备辅助下，或引入一些外源性模板作为蚀刻剂，通过复杂的实验步骤和漫长反应，制备出微量的纳孔石墨烯材料。因此，这类复杂、低效、高成本的制备限制了纳孔石墨烯的实际应用。为了解决上述问题，研究者将Hummers法适当的拓展，利用插入层间的高锰酸钾和硫酸的反应产物硫酸锰为纳孔模板，结合前面的燃烧合成法，两步连成一步，快速合成出纳孔石墨烯材料。该方法不再需要氧化石墨烯合成过程中反复洗涤的过程，巧妙的将反应副产物作为纳孔模板，实现了直接从石墨到纳孔石墨烯的快速合成(图2)。
图2 一步合成的纳孔石墨烯及其过滤膜表征
采用搅拌-抽滤策略，研究者将不同孔径的纳孔石墨烯制备成具有涡旋结构的纳孔石墨烯滤膜。利用激光共聚焦技术，在罗丹明B染色处理的滤膜表面成功的观察到了许多微米级的涡旋结构。实验结果表明，机械搅拌过程诱导了纳孔石墨烯膜表面涡旋的形成，同时该类涡旋膜的正面和反面具有相反的旋光性，这进一步佐证了非共价涡旋结构的存在。进一步研究证实，未经搅拌制备的纳孔石墨烯膜无法用于对映体分子选择性分离，而边搅拌边过滤制备的纳米石墨烯膜可实现外消旋苯丙氨酸的快速高效地分离，分离因子高达4.76(图3)。因此该膜在手性分离领域具有巨大的应用潜力，也将纳孔石墨烯首次引入手性分离领域。
图3 纳孔石墨烯手性分离膜表面涡旋结构的表征和手性分离性能优化
上述研究成果在Analytical Chemistry 期刊上以封面形式发表后，立即被科学网、中科院之声等新闻媒体宣传报道。该成果得到了国家自然科学基金、中科院西部青年学者A类人才项目和中科院青年创新促进会等多个项目的支持。
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Anal. Chem. 2020, 92, 20, 13630–13633 https://doi.org/10.1021/acs.analchem.0c02446
Publication Date: August 24, 2020
