目前，精准识别并高效分离具有相似半径和化学性质的目标稀土离子仍然是一个巨大的挑战。在此，兰州大学陈熙萌和李湛团队将工程生物膜与氧化石墨烯层结合，成功构建了一种具有高效分离性能的二维异质结通道，显著提升了钪离子的选择性识别与筛分分离能力。利用工程化的大肠杆菌膜和氧化石墨烯层之间构建了精确的二维异质结通道，而镧离子结合蛋白(LanM)与稀土离子在异质通道中的结合能力差异及其相应的构象变化，使得能够精确识别并筛选钪离子(Sc3+)。工程化的大肠杆菌膜不仅能够保护LanM的结构和功能完整性，还能通过丰富的脂质和糖类与氧化石墨烯纳米片紧密贴合，防止膨胀并精确控制层间距至亚纳米级别。这种二维异质通道对三价离子(特别是对稀土元素中的Sc3+)表现出优异的选择性(SFce/sc≈167，SFLa/sc≈103)，并且具有长期稳定性和出色的拉伸应变性能。该项工作为构建二维层间异质通道提供了一种简单、高效且成本效益高的方法，并为高效提取Sc3+提出了宝贵的策略。
背景介绍
稀土元素作为重要的战略元素，在先进制造以及生命医学领域具有极其重要的意义。此外，稀土放射性核素在癌症治疗等领域具有广泛应用，其高纯度和稳定性对提高疗效和安全性至关重要。因稀土元素半径相似和化学性质相近，传统的包括化学过程的萃取分离和基于物理过程的膜分离等方法面临环境友好性差、选择性低、成本高等问题，稀土元素之间的有效分离面临巨大的挑战。生物离子通道通过其亚纳米级别的精确孔径控制和特殊结合位点的创建，对特定离子的跨膜运动具有显著的选择性。基于此，仿生离子通道的设计重点是模仿这些特征以实现选择性识别和分离特定离子。然而，精确调控孔径尺寸和构建具有高选择性的结合位点面临着双重挑战，开发经济高效的仿生选择性膜至今仍未实现。
氧化石墨烯因其稳定性、生物相容性以及特殊的渗透性而成为膜技术的有吸引力的平台。氧化石墨烯膜的亚纳米级通道包含未氧化的疏水区域有利于水分子能够快速移动，此外，其紧密堆积的层状结构则有助于尺寸筛分。然而，氧化石墨烯膜在实际应用中存在在水溶液中容易膨胀，导致层间距增大和选择性降低问题，以及在埃尺度上精确调节层间距技术上具有挑战性。这些问题限制了氧化石墨烯膜在离子分离中的直接应用。为解决上述问题，引入与氧化石墨烯纳米片具有稳定相互作用力的2D纳米片，通过逐层组装策略构建紧密堆积的膜结构，这将有效减轻少氧化石墨烯纳米片之间的膨胀效应，增强膜的稳定性，并提高离子渗透性。此外，通过在氧化石墨烯膜的层间通道中引入靶向位点，可以显著提高膜的选择性。
研究出发点
Dan M.Park、Cotruvo Jr.团队发现LanM蛋白对Sc具有高亲和力，这为稀土元素的分离提供了新的设计思路。受此启发，兰州大学陈熙萌和李湛团队借鉴细胞仿生膜的特性，将其与氧化石墨烯结合，进一步优化了膜的选择性和稳定性。采用基因工程技术将LanM蛋白引入周质空间，创建了LanM改性的生物膜(LnOM)，然后将LnOM插入到氧化石墨烯纳米片之间，构建了具有二维层间异质通道的LnOM-GO(LP-GO)膜。该膜结构利用LanM蛋白的独特结合位点来靶向和选择性地筛选Sc3+，实现了稀土元素的高效分离。LnOM与氧化石墨烯纳米片之间的相互作用有助于在离子分离过程中保持膜的稳定性和选择性。此外，插入氧化石墨烯层之间作为间隔物的LnOM可以改善层间距，提高离子渗透性。总之，该设计结合了亚纳米级的精确通道和丰富的靶向位点，成功地模拟了生物离子通道的功能。工程生物膜与先进纳米材料的跨学科融合不仅展示了仿生学在膜技术中的潜力，而且对稀土元素分离的实际应用具有重要意义。
图文解析
要点1： Lanmodulin(LanM)是一种在扭脱甲基杆菌AM1中发现的高亲和力镧系元素结合蛋白，其独特的EF-臂结构使其对镧系离子(Ln3+)具有高亲和力。研究人员设计了两种质粒，通过基因工程将LanM蛋白表达在细菌的外膜或周质间隙中，以研究其对稀土元素的结合亲和力。研究结果表明，LanM蛋白表达在周质间隙中的大肠杆菌具有更高的Ln3+亲和力，因此被选为后续研究的对象。通过Western blotting验证了LanM在大肠杆菌中的成功表达，并且超声处理后大肠杆菌膜能够脱落，保持了大肠杆菌内外膜结构的完整性和稳定性，这些发现表明LanM成功地用于构建LP-GO分离膜。此外，还研究了不同超声处理时间对提取LnOM的影响，以及LnOM与GO纳米片的相互作用。这种膜不仅具有亚纳米级的精确通道，还具有丰富的靶向位点，成功模拟了生物离子通道的功能。
图1.合成工艺及形貌表征。(A)利用成熟的基因工程技术，将LAMM蛋白直接导入到大肠杆菌的周质空间。(B)LnOM修饰的大肠杆菌膜的扫描电子显微镜横断面图像。(C)对LANM基因表达的SDS-PAGE分析。(E)LP-GO-B膜的SEM截面表征。(F)不同区域中的GO和(G)LnOM纳米片的AFM图像。其中，蓝线和灰线分别代表GO和LnOM在不同区域的深度分布。并且在(G)旁边的GO和LnOM纳米片形态的相应高度分布为~1.50 nm和~10 nm。(H)不同区域LP-GO膜的AFM图像。其中，黄、蓝、红、黑线分别代表不同区域LP-GO的深度分布。插入片和LP-GO膜形态在(H)旁边的相应高度分布为~7.8 nm、~15.8 nm、~16.8 nm和~16.4 nm。(I)LP-GO-B膜的TEM图像结合相同区域(由橙子线框标记)中的EDS映射以及C(红色)、N(绿色)、O(蓝色)、P(绿色)和S(紫色)元素的相对强度。
要点 2 ： LP-GO-a膜的水通量显著高于GO膜，这归因于LnOM作为间隔物增加了GO层间的间距，从而加速了水分子的迁移。LanM蛋白的存在并未影响膜的透水性，而LP-GO-b和LP-GO-c异质结构膜的水通量进一步增加，这可能由于更多的LnOM引入导致额外疏水通道的形成，减少了层间摩擦。研究还发现，增加跨膜压力可以线性提高LP-GO-a膜的水通量，而不会在膜结构中引起失效或压实。通过选择不同的稀土元素，评估了LP-GO-x膜(x=a、b、c)的分离性能。实验结果表明，加入诱导剂可以提高LanM蛋白的表达，从而提高膜对Sc3+的选择性识别功能。此外，LnOM的超声提取时间对LP-GO-a膜的分离性能有显著影响，过长的超声时间可能会破坏生物膜的结构完整性。LP-GO-b膜表现出良好的稳定性和选择性，即使在长时间运行后也能保持较高的分离因子。LP-GO-c膜在长时间运行后选择性降低，可能是由于过量的LnOM未被充分保护。LP-GO-b膜还表现出优异的抗溶胀性和耐酸性。LP-GO-b膜在模拟含钪矿物溶液中的离子分离性能结果表明，LP-GO-b膜Fe3+/Sc3+和Mg2+/Sc3+的分离因子较高，但与先前报告的结果存在差异，这可能是由于生物膜中的磷酸盐基团和其他官能团与金属离子如Mg2+的相互作用，影响了LP-GO膜对Sc3+的选择性。
图2.稀土元素在LP-GO异质结构膜中的渗透分离(A)GO和LP-GO-a异质结构膜0.5h的纯水通量。(B)在pH=4.0的条件下，用不同LnOM含量(a=0，0.5)的一系列膜，测定了分离因子(SFX1/X2，X1=Ce，X2=Sc)。(C)在pH=4.0的条件下，在不同的时间，用不同的LP-GO膜(GO，LP-GO-a，LP-GO-B，LP-GO-c)的分离因子(SFX1/X2，X1=Ce，X2=Sc)。(D)在pH为4.0的条件下，在不同时间，REE3+离子通过不同LP-GO-B膜的渗透通量。(E)用LP-GO-B膜在pH 4.0下不同时间的分离因子(SFX 1/X2，X1=Y、La、Ce、Yb和Lu，X2=Sc)。(F)各种材料的X/Sc选择性的总结，X=La、Ce、Lu。(G)研究了LP-GO-B和GO膜在不同溶液(去离子水、La3+、Ce3+、Sc 3+、Y3+、Yb3+、Lu3+)中的XRD特征峰的变化。(H)采用LPGO-b异质结构膜进行分离的循环稳定性。(I)GO、LP-GO-a、LP-GO-B、LP-GO-c膜的典型拉伸应力-应变曲线。(J)LP-GO-B异质结构膜对模拟稀土钪矿溶液分离性能的检测分离因子为X1/X2，X1代表Fe和Mg，X2= Sc。
要点 3 ： 通过使用大于Sc3+半径的非稀土元素锶(Sr)进行实验，研究者发现Sr2+的渗透率显著高于其他稀土元素离子，表明尺寸筛分效应对选择性的影响很小。吸附动力学数据和伪二阶动力学模型表明，Sc3+的吸附主要受化学吸附影响，LanM蛋白在LP-GO膜中作为“捕集器”，通过化学螯合作用吸附3+稀土元素，导致蛋白质发生显著构象变化。LanM与Sc3+的结合优先于其他稀土离子。高分辨率XPS和TEM图谱进一步证实了LanM对Sc3+的高亲和力，与其他3+稀土元素离子相比，Sc3+显示出更高的渗透性和亲和力。这些发现支持了3+稀土元素离子和LanM蛋白之间的螯合作用是竞争性的观点，其中Sc3+具有最高的亲和力。SEM图像观察到的LP-GO-b膜表面和深层区域之间的浓度梯度变化，提供了膜内选择性浓差极化的证据。浓差极化现象导致Sc3+在LP-GO-b膜表面积累，而其他3+稀土元素离子则因LanM蛋白的弱亲和力而保持正常通量。这种选择性浓差极化提高了膜上的Sc3+含量，同时不影响其他离子的通量，从而增强了LP-GO-b膜在稀土元素分离中的选择性性能。
图3.LP-GO-B分离稀土离子的机理探讨(A)不同稀土元素(La3+、Ce3 +、Sc3+、Y3+、Yb3+、Lu3+)的渗透率与其半径的关系(B)LP-GO-B膜在稀土溶液(m0 = 3 ± 0.1mg，pH = 4 ± 0.1，T = 25 °C)中的吸附行为。(C)LP-GO-B异质结构膜分离稀土元素后的典型高分辨XPS N1s谱。(D)LP-GO-B选择性分离Sc3+的机理(E)在5 mM REE中，根据REE扩散的Arrhenius图的能垒与通过LP-GO-B的渗透之间的关系溶液(La3+、Ce 3+、Sc3 + Gd 3+、Y3+、Yb 3+、Lu3+)，pH值为4。(F)分离后LP-GO-B膜的SEM图像。在从其表面撕下第一层LP-GO-B膜之后拍摄图像。并将该图像与同一区域(用橙子线框标记)的EDS图谱以及Sc(黄色)、La(绿色)、Ce(蓝色)、Yb(橙子)、Lu(浅黄色)和Y(红色)元素的相对强度相结合。(G)LP-GO-B内选择性浓差极化机理图。
总结与展望
该研究从生物离子通道中获得灵感，利用工程大肠杆菌膜在氧化石墨烯层之间构建精确的二维非均质通道，有效地改善了目前渗透率和选择性之间难以权衡的挑战。采用LanM修饰的大肠杆菌膜(LnOM)作为隔层，有效地防止了溶胀并扩大了层间距，从而增强了离子的渗透性。同时，LnOM与氧化石墨烯通过相互作用紧密包裹，具有精确的二维非均质通道。与各种稀土离子相比，间隔层上的LanM对Sc3+表现出特殊的亲和力和构象变化，对SFce/sc≈167，SFLa/sc≈103，SFYb/Sc≈69具有显著的选择性。LP-GO膜在分离模拟含Sc矿物溶液方面也表现出良好的性能，显示了其在工业应用中的潜力。长期稳定性和拉伸应变测试验证了LP-GO膜的稳健性。这种经济高效的膜设计为未来的功能提供了适用性和指导。
