仿生石墨烯纳米孔中浓度依赖的动态离子电导切换行为

英文原题：Ion Density-Dependent Dynamic Conductance Switching in Biomimetic Graphene Nanopores

通讯作者：冯建东，浙江大学

第一作者：陈凡凡，浙江大学

动态离子电导切换（离子门控传输）是细胞物质传输的重要生命活动之一。但是在亚纳米限域的离子通道中，目前经典的连续流体力学无法解释这一现象。研究人员在亚纳米级别的石墨烯纳米孔中发现了浓度依赖的离子门控传输行为，分析了离子在纳米孔上的可逆吸脱附行为的机制。

快讯亮点

本文通过亚纳米级别的仿生石墨烯纳米孔研究动态离子电导切换过程，并采用分子动力学模拟揭示离子传输的物理过程：

（1）系统研究了浓度依赖和电压依赖的离子门控传输行为，并探究高浓度离子溶液中的传输机理。

（2）通过分子动力学研究亚纳米限域情况下的离子间和离子与表面电荷之间的库仑相互作用，发现钾离子在纳米孔上的可逆吸脱附行为引起动态离子电导切换。

内容介绍

图 1. 石墨烯纳米孔中的动态离子电导切换。（a）实验构型;（b）非线性电流-电压曲线；（c）不同电压下的电流信号；（d）不同电压下电流信号的功率谱密度图；（e）不同电压下电流信号的低频噪音。

在本项目中，研究人员通过构建亚纳米级别的仿生石墨烯纳米孔探究离子门控传输过程，观察到非线性的电流-电压特征曲线以及电压依赖的离子门控传输行为。在高电压的刺激下（>600 mV），离子传输过程中将会出现两个不同高低电导状态之间的随机切换，并呈现双峰的高斯分布。

图 2. 浓度依赖的离子电导切换传输。（a）不同浓度下的电流信号；（b）离子门控传输电流信号放大细节图；（c）不同浓度下高电导状态停留概率；（d）不同浓度下电流信号的低频噪音对比。

同时研究人员还进一步系统探究了相同电压下浓度依赖的动态离子电导切换行为，发现在高浓度的条件下（≥500 mM）离子倾向发生随机的动态电导切换。并随着浓度增加，在高电导状态下停留的概率（p₁）也随之增加，其在低频下的噪音也要比未发生离子门控传输的噪音高3个数量级。

图 3. 分子动力学模拟结果。（a,b）两种不同电荷分布下的离子传输;（c）不同电荷分布构型下的离子传输数量；（d）不同电荷分布下钾离子传输自由能。

在生物纳米孔中通常认为离子门控传输是由于质子的可逆吸脱附或者纳米孔的构象变化造成。研究人员进一步在1M HCl的溶液和不同pH的KCl溶液中进行实验探究。在1 M HCl的溶液中石墨烯可以被完全质子化，但研究人员依旧可以在无法发生构象变化的亚纳米级仿生石墨烯纳米孔中观测到离子门控传输行为。通过分子动力学模拟展示了不同表面电荷的分布下的离子传输行为以及钾离子在纳米孔上的可逆吸脱附过程。不同表面电荷分布导致与穿孔离子之间的库仑相互作用发生变化，产生不同电导状态之间的切换。

研究人员通过这一项目在仿生石墨烯纳米孔中系统地研究了浓度依赖的离子门控传输行为，并采用分子动力学研究了离子可逆吸脱附机理的物理图像，为生物体系离子通道中的物质传输提供了新的理解。

原文

J. Phys. Chem. Lett.  2022, 13, 16, 3602–3608

Publication Date: April 15, 2022

https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.2c00715

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