APQ

一种纳米级过滤技术

APQ（又名APQ纳米级仿生屏障）是一种纳米级过滤技术，通过模拟生物系统中微纳米多尺度结构、功能及原理等，利用纳米材料和生物技术等仿生学原理研制具有优异性能的新型科技。科学家利用碳分子、有机亚基分子、短杆菌肽等纳米材料构建新型APQ水分子过滤通道；相比传统RO反渗透膜，APQ具有传输效率高、精确调控、通量大、高选择性等主要优势。

发现背景

20世纪50年代以来，人们认识到仿生技术等科技对推动人类社会发展的重要性，将纳米科技、生物技术和仿生技术相结合，研究新型纳米仿生屏障技术，利用生物膜透性、专一性、隔离性等专属特性，应用在能源、环境、医疗与生命健康等领域。

早年研制的APQ水通道蛋白过滤技术面临蛋白失活、通量受限、选择性差的问题。为实现水通道高渗透、高选择、低能耗特性，研究人员将纳米材料及仿生科技结合。2001年Nature上首次报道了利用分子模拟的方法研究水分子在碳纳米管（CNTs）内的扩散行为和传输原理，实现水分子的高速运输。2005年Fei等首次通过N，N′-二醋酸溴化咪唑与锌反应合成了基于两亲性络合物的纳米仿生水通道。X-射线衍射与固态NMR表征发现，在通道中有单层水链且收缩部位的孔径仅2.6埃（1埃=0.1纳米）。

APQ纳米仿生过滤以纳米材料的孔径优势及类似于生物膜的非极性、疏水性特点，可在仿生水处理膜两端实现水分子的高效渗透。该纳米结构同时只允许水分子通过，可将水中的细菌、重金属等有害物质隔离在仿生膜外端，同时以其单方向运输方式阻碍水分子“逆渗透”，利用其高选择专一性形成一道安全的仿生屏障，被研究人员称为“水纳米仿生屏障”。

主要功能

科研界对于APQ纳米仿生屏障的研究，主要有以下三种类别。

1、APQ碳纳米材料仿生屏障

碳纳米管和石墨烯是用于仿生水通道的常见碳纳米材料。碳纳米管的狭窄孔径迫使水分子快速穿过使有机高分子复合膜获得了较高的水通量。通过在碳纳米材料的内部增加氨基酸序列还可以实现对纳米孔的精确调控，得到具有优异水通量和高排斥性的复合膜。

2、APQ有机仿生屏障

有机通道是由有机亚基分子自发地在分子间作用力驱动下构筑成的具有管状结构的组装体。有机通道具有窄孔径，其内部还存在功能性的区域，具有选择性过滤作用，可与水分子发生作用，实现水的高效地传输。

3、APQ肽孔仿生屏障

短杆菌肽是从短芽孢杆菌的培养物中提取的，其分子是具有左手螺旋空间结构的二聚体，构成穿过双螺旋膜的通道。学者们将短杆菌肽中交替氨基酸序列用肽环替代，肽环通过氢键稳定堆叠从而构成管状孔通道。肽孔通道所具有窄的孔径以及存在疏水性氨基酸具有选择性过滤以及高效的水输送功能。

技术运用

科学家利用APQ纳米仿生屏障技术对水分子团的专一特性，对传统水通道蛋白仿生膜进行改良。APQ纳米仿生屏障技术主要是通过运用不同密度的纳米丝网和多层纳米纤维膜、聚碳酸酯(PC)、碳基分子上建构出新型的仿生智能纳米孔道。以牛血清白蛋白(BSA)为模板蛋白，在蛋白质表面原位聚合一层pH响应降解的疏水性高分子膜，并在膜上偶联选择功能分子，控制水分子通过时，在选择功能分子和纳米孔道端电位瞬态耦合下，形成2-4个分子结构的偶性小分子团水。该孔道具有良好的生物相容性、纳米级精度、高孔隙率和灵活可操控性，形成一个全方位3D多层高通量水纳米仿生屏障。

APQ纳米仿生屏障技术已运用在了水处理、医学、化妆品和纺织品等技术领域。淡水资源短缺这一问题有望通过APQ纳米仿生屏障这一前沿膜法水处理技术得到攻克。

APQ纳米仿生膜具有传输效率高、精确调控、通量大、高亲和性、化学性稳定等优势，推动了膜法水处理技术的应用与进步。

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