近日，宁波大学陈亮/李培团队，与复旦大学谭砚文团队、扬州大学涂育松/顾宗林团队合作在Energy & Environmental Materials上发表题为：“Efficient Enantiomeric Selectivity Separation via Homochiral Graphene Oxide Membrane”的研究型论文。
亮点
- 获得手性选择剂高负载的氧化石墨烯膜；
- 其单步分离因子达8.5，五次连续分离后，提升至20.1，且对映体通量仍保持在4.5 mmol m-2 h-1;
- 设计构建出首款可与FPLC兼容的分离柱，水为流动相，可在宽pH范围（2~12）和低压强（0.5 MPa）下运行。
研究背景
手性分子广泛存在于生物与药物分子中，其不同对映体具有截然不同的生理活性。因此，获取高纯单一的对映体分子，即手性分离，在制药、化工、生物等领域具有重要意义。手性分离目前主要依赖结晶、色谱、酶催化等方法，这些方法存在能耗高、设备昂贵、难以规模化等问题。近年来，膜分离技术因其能耗低、操作简便、可扩展等优势，被认为将在手性分离领域具有巨大应用潜力。然而，现有手性分离膜材料普遍存在分离因子低、通量不足、酸碱稳定性差等问题，限制了实际应用。氧化石墨烯（GO）作为二维纳米材料，具有可调控的层间通道、丰富的表面官能团及优异的化学稳定性，可为构建高性能手性分离膜提供新的选择。针对现有手性膜分离性能不足的瓶颈，该研究设计并制备了一种具有高手性识别能力的功能化GO膜材料，实现对映体的高效选择，有利推动膜分离技术在手性分离中的实际应用。
文章简读
该研究通过改进后的共价修饰法，实现手性氨基酸（如脯氨酸Pro）在GO纳米片表面的高效接枝，制备出选择剂高负载的Pro-GO复合纳米片，后采用真空抽滤使之自组装成膜。原子力显微镜（AFM）、傅里叶红外光谱（FTIR）、XPS能谱分析、接触角等表征结果证明氨基酸高效修饰，膜结构呈规整的层状排列，且亲水性增强。
该研究系统评估了Pro-GO膜对多种氨基酸对映体的手性筛分性能。圆二色谱（CD）和紫外-可见光谱（UV-Vis）测试定量证明，该新型膜对多种氨基酸表现出优异的分离选择性，且可通过pH调控、连续多次分离等方式，调控分离因子。该研究还揭示了膜厚、进料浓度等参数对手性分离的影响，并证实该新型膜具有良好的循环稳定性与抗干扰能力。
机理方面，DFT理论计算表明，相互作用能差异是该新型膜具有显著手性分离性能的重要原因。例如，L-Pro修饰的GO表面对同样手性的L型酪氨酸（L-Tyr）具有更强吸附作用；并且，碱性环境（pH=12）下，膜表面对L-Tyr和D-Tyr的吸附能差异显著扩大了5倍。此外，该新型膜有更高的手性选择剂负载率，略小的层间距及优异的抗溶胀特性，进一步放大了吸附能差异，提升分离效果。
有趣的是，研究团队创造性地将Pro-GO纳米片层组装成具有层层堆叠结构的新型手性色谱柱，首次实现手性色谱分离柱与FPLC色谱系统的兼容。此前，市场上现存的手性色谱柱仅适用于昂贵的HPLC色谱系统，且必须以有机有毒溶液为流动相，才能实现对映体分离。与之相比，该新型色谱柱用水取代传统的有机有毒流动相，同样实现了对映体的高效分离。
综上，该研究设计的新型手性GO纳米片具有优异的手性选择性。由其组装成的新型手性分离膜及色谱柱，性能优异，可覆盖从实验室精细分离到产业规模化分离等诸多应用场景。因其具有安全、环保、可扩展、成本低等优势，可为手性膜分离技术向绿色、高效、低成本的实用化方向推进提供新材料与新策略。
图文鉴赏
图1 Pro-GO纳米片和分离膜的制备与表征。a） Pro-氨基酸在氧化石墨烯（GO）表面的接枝，b）Pro-GO和GO纳米片的AFM表征，c）Pro-GO膜表截面的SEM图像，d）Pro-GO和GO膜的接触角，e）Pro-GO和GO膜的FTIR分析，f）Pro-GO和GO膜的XPS全谱，g）Pro-GO膜的C 1s光谱，h）Pro-GO膜的N 1s光谱。
图2 Pro-GO膜的制备和手性分离性能。a）Pro-GO膜的制备和手性分离的示意图，b）D-Pro-GO膜对三种不同进料液的对映体通量和截留率，c）L-Pro-GO膜对三种不同进料液的对映体通量和截留率，d）D-Pro-GO和L-Pro-GO膜对D-/L-Tyr对映体混合物的分离因子，e）L-Pro-GO膜对四种D-/L-氨基酸对映体混合物的分离因子，f）不同pH条件下对映体通量和分离因子，g）Pro-GO膜手性分离性能对比。
图3 Pro-GO膜手性分离机理。a）中性（pH = 7）和碱性（pH = 12）条件下的L-/D-Tyr分子在L-Pro-GO表面上的吸附能（Ead）比较，b）不同pH条件下干燥及湿润Pro-GO和GO膜的XRD层间距表征。
图4 不同条件下Pro-GO膜的手性分离性能。a）不同膜厚下D-/L-Tyr通量和分离因子，b）不同进料液浓度下D-/L-Tyr通量和分离因子，c）循环稳定性测试，d）连续多次分离测试。
图5 Pro-GO液相色谱柱的组成及分离性能。a）Pro-GO液相色谱柱的组成。b）FPLC色谱实现手性分离示意图：将对映体混合物（D-/L-Tyr）注入由L-Pro-GO纳米片组成的手性色谱柱中，L型和D型对映体同L-Pro-GO填料之间的相互作用差异使得其具有不同的保留时间，c） D-Tyr单组分色谱洗脱曲线，d）L-Tyr单组分色谱洗脱曲线， e）D-/L-Tyr混合物色谱洗脱曲线。
课题组简介
该研究的主要作者及通讯作者来自宁波大学物理科学与技术学院陈亮教授组建的“微纳系统表面物理实验室”。该实验室围绕碳基表面离子吸脱附平衡及应用研究，实现离子精准筛分与富集（Nature 2017；Nat. Commun. 2022, 2025），并制备出多种具有铁磁、压电等特性的二维Na2Cl、NaCl2新晶体（Nat. Chem. 2018; Adv. Mater. 2023; Nat. Commun. 2025）。实验室基于前期研究结果，已研发出具备超高通量和离子选择性的系列筛分膜及其配套设备，开发出多种具有超高灵敏度的应力传感及湿度传感技术，推动了相关领域的发展与应用。
文章链接
Junbo Wang, Jie Jiang, Weijie Yuan, Zonglin Gu*, Fangfang Dai, Binquan Peng, Liuhua Mu, Yanwen Tan, Yusong Tu, Pei Li*, Liang Chen, Efficient Enantiomeric Selectivity Separation Via Homochiral Graphene Oxide Membrane. Energy Environ. Mater. 2026, 0, e70254.
DOI: 10.1002/eem2.70254
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