基于二氧化硅納米通道超薄膜的分子分離.pdf

1、分子分離膜是指具有高度有序且超小孔道的納米均孔膜，能在分子水平上精確實(shí)現(xiàn)對(duì)不同分子的選擇性分離。它們?cè)诜蛛x分析、樣品純化、海水淡化、分子傳感、藥物控釋、納流控、模擬細(xì)胞膜等領(lǐng)域中展現(xiàn)出潛在的應(yīng)用價(jià)值。細(xì)胞膜就是其中一類分子分離膜，它具有高密度的超短和超小蛋白通道，可以傳輸特定目標(biāo)物質(zhì)，既具有較好的選擇性，又具有較高的通量。然而，細(xì)胞膜的不穩(wěn)定性使其難以用于實(shí)際分離分析。受到細(xì)胞膜的啟發(fā)，人們嘗試合成一系列人工納米均孔膜用于分子分離。理想

2、的分子分離膜應(yīng)具有超薄的厚度、均勻且接近分子尺寸的孔徑、有序規(guī)則的垂直納米通道、較高的孔隙率以及優(yōu)良的穩(wěn)定性等特點(diǎn)。然而，制備出這樣的膜還具有一定的挑戰(zhàn)。本論文采用基底生長法結(jié)合聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)轉(zhuǎn)移法制備出自支撐二氧化硅納米通道膜(silica nanochannelsmembrane，SNM)，滿足理想膜的所有要求。該薄膜可以用于實(shí)現(xiàn)基于尺寸、電荷、親疏水的分子過濾，也可以進(jìn)行不對(duì)稱修飾用以模擬生物蛋白通道的選擇性傳輸和門

3、控效應(yīng)。
　　第一章介紹了分子分離膜的工作機(jī)理包括尺寸效應(yīng)、電荷效應(yīng)、親疏水效應(yīng)等。接著分別介紹了不同種類的分子分離膜包括微/納加工膜、徑跡蝕刻膜、陽極氧化膜、嵌段共聚物自組裝膜、垂直碳納米管膜、石墨烯膜和納米顆粒自組裝膜。并著重介紹了這些膜的制備方法以及其優(yōu)缺點(diǎn)。最后概述了分子分離膜的一些應(yīng)用。
　　第二章利用基底生長法結(jié)合PMMA轉(zhuǎn)移法制備了自支撐二氧化硅納米通道膜。通過詳細(xì)表征，發(fā)現(xiàn)其具有超薄厚度（10-200nm）、

4、高度有序的垂直孔道、均勻且超小的孔徑(2.3 nm)、極高孔隙率(4.0×1012 pores/cm2)以及良好的穩(wěn)定性。該薄膜可以實(shí)現(xiàn)基于尺寸、電荷的精確分子分離。同時(shí)分子通過超小納米通道的速率可以通過調(diào)節(jié)pH、離子強(qiáng)度或者表面修飾而改變。除了優(yōu)良的分子分離能力外，SNM也呈現(xiàn)出較高的分子通量，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通商品化膜。
　　第三章采用PDMS蒸發(fā)法修飾SNM，在其超小、超短納米通道中上方區(qū)域沉積上疏水的PDMS，而通道下方還保留原

5、始親水結(jié)構(gòu)，用于模擬細(xì)胞蛋白通道的選擇性傳輸、高通量以及門控效應(yīng)。該薄膜即使處在復(fù)雜體系內(nèi)，也展現(xiàn)出非常優(yōu)異的基于親疏水、電荷、尺寸的分子選擇性分離能力和較高分子通量。所以，既可以用于分子過濾，也可以用于疏水小分子（比如有機(jī)磷農(nóng)藥）的電化學(xué)傳感。同時(shí)，該通道也能在電壓、pH、鹽濃度等刺激下打開或關(guān)閉，類似生物體內(nèi)的咸味受體離子通道(transient receptor potential vanilloid type-1，TPRV1)和