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自组装纳米管具有广阔的应用前景,设计和合成尺寸可调、功能可控的自组装纳米管及其应用研究是当前重要的研究热点之一。通过基元之间的弱相互作用自组装形成的膜上纳米离子通道,不仅能模仿自然界中生物大分子的结构复杂性和功能多样性,还可以根据需要而设计改造成具有特定功能从而实现重要的实际应用。我们合作实验室最近设计合成了一类能在弱极性溶剂中依靠分子间的氢键相互作用自组装形成纳米管状结构的刚性自组装基元按编号定义为1号系列,如1a,1b等)。这类自组装形成的纳米管的稳定性和外表特征可以通过修饰基元分子的侧链来调控,而其尺寸和功能则可通过改造基元分子的内环来达到。基于建立的平面脂质双分子层技术,我们发现其中一种基元分子(1a)在平面脂质双分子层中能通过分子间氢键的相互作用自组装形成直径小于1nm的离子通道。通过单离子通道记录的相关电生理实验研究,发现如此小的疏水性通道可以高效地导通质子。反向电压实验结果表明质子的导通效率比氯离子高3328倍。通过比较该纳米管在4M KCl(pH 6.0)溶液中和1mM HCl溶液中的电导,我们还发现质子导通效率比钾离子高2063倍。而且这种合成自组装纳米离子通道还具有与生物离子通道具有可比拟的阳离子选择特性,实验结果显示钾离子的选择性均高于钠离子和锂离子的选择性。我们推测这种小孔径的疏水性纳米管具有高效的质子导通能力可能与有序排列的水分子高通透性有关,而其阳离子选择性则与离子的水合直径以及水分子剥离该离子所需的能量有关。小鼠红细胞的溶血性实验表明这种在膜中自组装形成疏水性的离子通道确实能高效地导通水分子从而引起红细胞溶血,为质子导通机制的推测提供了验证实例。这些研究不仅为下一步发展结构更复杂、功能更完善的有机合成纳米自组装系统提供了实验基础和优化依据,还为这类系统的开发和应用提供了一种新思路。