KAUST赖志平教授《自然·通讯》：新型手性COF膜实现氨基酸高效分离与纯化

摘要：氨基酸的分离一直是生物化工领域的核心挑战之一。传统方法如沉淀、离子交换树脂或手性色谱分离，不仅步骤繁琐、能耗高，且在处理性质相近的氨基酸或对映体时效率有限。尤其是从蛋白质水解液等复杂混合物中同时实现不同氨基酸的分馏与其对映体的高纯度分离，更是难上加难。膜分离技

氨基酸的分离一直是生物化工领域的核心挑战之一。传统方法如沉淀、离子交换树脂或手性色谱分离，不仅步骤繁琐、能耗高，且在处理性质相近的氨基酸或对映体时效率有限。尤其是从蛋白质水解液等复杂混合物中同时实现不同氨基酸的分馏与其对映体的高纯度分离，更是难上加难。膜分离技术虽具有节能潜力，但传统高分子膜往往面临“选择性-通量”之间的权衡困境，且缺乏精确的手性识别能力。

近日，阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）赖志平教授、曹利博士研究团队开发出一种具有均一手性孔道的共价有机框架（COF）膜，成功实现了氨基酸的高效对映分离与组分分馏。该膜通过界面聚合法制备，具备高结晶性与0.6纳米左右的超微孔结构，兼具优异通透性与对映选择性。结合实验、理论计算与分子模拟，研究者提出了一种“延迟传输”机制，解释了其对L-型氨基酸的优先截留行为。更进一步，他们设计了两级串联膜过程，从八组分蛋白质水解模型中成功提取出纯度高达99.5%的D-苏氨酸，为氨基酸的绿色纯化提供了新策略。相关论文以“A homochiral covalent organic framework membrane for the enantioseparation and fractionation of amino acids”为题，发表在Nature Communications上，论文第一作者为Xu Ting。

研究人员通过界面聚合法在聚丙烯腈（PAN）基底上成功制备出大面积（30 cm × 10 cm）、均匀无缺陷的L-或D-TAH-COF膜。该膜以酒石酸二酰肼（TAH）为手性单元，与1,3,5-三甲酰基间苯三酚（Tp）通过β-酮烯胺键共价连接，形成ABC堆叠的晶体结构。固态圆二色光谱显示其具有明显的镜像对称Cotton效应，说明手性成功嵌入COF骨架。氮气吸附实验测得BET比表面积为303 m²/g，孔径分布集中在0.6纳米，与X射线衍射拟合结果一致（图1）。

图1 | 均一手性COF膜的制备与结构表征 a) 通过界面聚合法制备具有ABC堆叠结构的晶体COF膜示意图； b) 制备在聚丙烯腈（PAN）基底上的大面积D-TAH-COF膜实物图； c) 膜表面SEM图像； d) 一对手性膜的对称固态圆二色谱（CD）； e) D-TAH-COF膜在77K下的N₂吸附等温线，插图为对应孔径分布； f) D-TAH-COF膜的XRD图谱：实验值（红色）、Pawley精修（黑色）、差值（蓝色）、布拉格峰位（绿色）及ABC堆叠模型模拟谱（紫色）。

在分离性能方面，D-TAH-COF膜在处理外消旋苏氨酸溶液时表现出显著的对映选择性。在低浓度（0.002 mol/L）下，D-型苏氨酸的通量达到1.42 mmol·m⁻²·h⁻¹，而L-型仅为0.03，对映体过量值（e.e.）高达94.3%。即使浓度升高至0.02 mol/L，e.e.值仍稳定在85%左右。类似的结果也在丝氨酸和亮氨酸中得以验证，显示该膜具备广谱的手性识别能力。

图2 | D-TAH-COF膜的对映选择性分离性能 a) 不同浓度消旋苏氨酸溶液在室温下的手性分离结果； b) 经过12小时扩散后，D-TAH-COF膜对苏氨酸、丝氨酸和亮氨酸的对映分离效果； c) 与其它类型手性分离膜（COF、Cage、MOF、Polymer）在通量与选择性方面的性能对比。

为阐明分离机制，研究者通过动态穿透实验排除了吸附主导的可能性，进而采用势能均值力（PMF）计算、¹H NMR滴定和DFT理论计算，发现L-苏氨酸与D型COF孔道之间的结合能显著高于D-型，导致其跨膜能垒更高（0.8 eV vs. 0.4 eV）。分子动力学模拟进一步显示，D-苏氨酸在孔道内的扩散系数为2.31×10⁻³ m²/s，远高于L-型的2.47×10⁻⁴ m²/s，从动力学角度验证了“延迟传输”机制。

图3 | D-TAH-COF膜的对映分离机制 a) D型模型分子（D-MC）逐步加入L-苏氨酸后的¹H NMR谱图变化（重点关注手性链中羟基质子Ha）； b) 苏氨酸非对映异构体主-客体结合等温线比较； c) MD模拟过程中D-TAH-COF膜分离氨基酸的截图（白色：H；蓝色：N；灰色：C；黄色：L-苏氨酸；浅蓝色：D-苏氨酸）； d) 苏氨酸非对映体在膜中均方位移（MSD）随时间变化曲线； e-f) D-TAH-COF膜中L-苏氨酸（e）和D-苏氨酸（f）在XY平面内的密度分布图。

最后，团队模拟真实蛋白水解液组成（含苏氨酸、亮氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸的对映混合物），设计了两级膜分离流程。第一级膜优先透过小分子脂肪族氨基酸并截留大尺寸芳香族氨基酸及L-对映体，使D-苏氨酸比例从20%提升至85%；第二级进一步纯化，最终获得纯度99.5%的D-苏氨酸（图4）。该过程展示了COF膜在复杂体系中对分子尺寸和手性结构的双重区分能力。