不对称电荷分布镶嵌膜的简易制备及其离子电流整流效应研究

　　本研究针对传统离子电流整流(ICR)膜制备工艺复杂的问题，开发了一种通过水相浸渍法构建单层不对称电荷镶嵌膜的新策略。该膜通过表面磺化/季铵化实现电荷不对称分布，对Na3 PO4 等多元离子展现出最高23.81的整流比，为生物传感和盐差发电提供了新型膜材料解决方案。

　　

在生命活动中，生物离子通道通过精妙的电荷调控实现单向离子传输（即整流效应），这种特性对神经信号传导和细胞代谢至关重要。然而，天然生物膜存在体外稳定性差的致命缺陷，而现有仿生膜又面临制备工艺复杂（如需要光刻或离子束刻蚀）、成本高昂（设备超百万美元）的困境。如何通过简单方法构建兼具高离子选择性和整流性能的人工膜，成为膜科学领域的重大挑战。

中国科学技术大学的研究团队在《Journal of Membrane Science》发表的研究中，创新性地采用水相浸渍法，通过同步磺化/季铵化反应在普通聚合物膜（WLB）两侧构建不对称电荷表面，同时内部形成正负电荷镶嵌结构。这种"外不对称-内均质"的设计使膜材料对多元离子（如柠檬酸根和磷酸根）展现出显著整流效应，最高整流比达23.81，且100 mM离子浓度时性能最优。该成果为开发新一代离子选择性膜提供了新思路。

关键技术包括：1）三元共聚制备基膜（9,9-二(3-溴丙基)-9H-芴/联苯/三氟丙酮）；2）水相双面同步改性（磺化引入-SO₃
^-
，季铵化引入-N⁺
(CH₃
)₃
）；3）分子动力学模拟电荷不对称驱动的离子迁移机制；4）跨膜I-V曲线测试系统评估整流比。

【Membrane fabrication and asymmetric charge distribution】
通过¹
H NMR证实基膜溴丙基的成功取代（图2），表面zeta电位测试显示两侧分别带-35.7 mV（磺酸侧/S-side）和+28.3 mV（季铵侧/Q-side）。这种"双极表面"结构使Na₃
PO₄
在+2V/-2V偏压下的电流比达23.81，远超NaCl（4.72）。

【Conclusions】
研究揭示了浓度依赖性整流机制：低浓度（<100 mM）时离子迁移受限，高浓度（>100 mM）则因电双层(EDL)压缩削弱电荷选择性。分子模拟显示Q-side对C₆
H₅
O₇
^3-
的迁移能垒比PO₄
^3-
低17.3%，这与实验测得整流比顺序（PO₄
^3-

C₆
H₅
O₇
^3-
SO₄
^2-
）高度吻合。

该工作突破了传统复合膜需要多材料组装的限制，通过单层聚合物本征电荷工程实现高效整流，不仅解决了生物膜脆性问题，更将复杂工艺简化为一步浸渍改性。这种膜在医疗透析（高效清除磷酸根）、盐差发电（提升反向电渗析效率）等领域具有重要应用前景。作者Tongwen Xu团队指出，未来可通过调控官能团密度进一步优化Donnan平衡，有望将整流比提升至生物通道水平（>50）。