生物细胞膜中的门控通道蛋白通过响应环境刺激打开或关闭离子通道，在调节离子流中起着关键作用，这对维持生命至关重要。然而，研究人员在构建人工离子通道的过程中往往无法实现完全离子阻塞，导致在关闭状态下出现电流泄露现象。尤其是对于质子门控而言，这一现象尤为突出。因为质子的运动半径最小，传统的化学修饰策略难以有效地调节质子传输，因此需要新的途径来提高门控效率。

中科大张振教授团队展示了基于固态氢键有机框架的膜，通过切换质子传输途径而不是依赖传统的离子阻塞/激活效应来实现高性能的环境湿度控制质子门控。密度泛函理论DFT计算表明，框架内湿度诱导水桥的可逆形成和破坏促进了质子传输模式从吸附位点跳跃到 Grotthuss 机制的切换。这种转变，再加上引入细菌纤维素以增强水团簇的解吸/吸附，使其能够实现高达 5740 的卓越质子门控比，超越了目前最先进的固态门控装置。此外，开发的膜完全根据固态原理工作，使其在从环境检测到人类健康监测的无数应用中具有高度的通用性。该研究为设计高效的质子门控系统提供了前景。该研究以题为“High-performance solid-state proton gating membranes based on two-dimensional hydrogen-bonded organic framework composites”的论文发表在最新一期《Nature Communications》上。

【高性能固态质子门控膜概述】

为了实现高效的离子门控，本研究通过切换离子传输模式来构建/破坏离子通路，而不是仅仅专注于改变孔径或电荷特性。以质子为例（图 1a、b）：当通过 Grotthuss 机制传输时，它们以链状方式穿过氢键网络 （HBN），类似于水分子形成的连续桥，从而实现超快的质子传输。相比之下，质子必须在相邻吸附位点之间遇到更大的潜在障碍（称为吸附位点跳跃机制），导致离子传输缓慢甚至受阻。本研究在基于 1,2,4,5-四（4-羧基苯基）苯 （H4TCPB） 的 2D HOF 复合材料中观察到高性能的环境湿度控制质子门控效应。此外，通过扩大细菌纤维素 （BC） 的 HOF-H4TCPB 膜的层间距，可以进一步加强水分吸附/解吸能力。为了确保质子的定向传输，使用具有不同氧化还原电位的电极构建了一个离子门控装置来驱动它们（图 1c）。所设计的固态质子门控膜实现了高达 5740 的开关比（图 1d），这远远优于传统的固体门控膜。

图1高性能固态质子门控膜概述

【具有湿度依赖性电导率的二维 HOF-H4TCPB 膜】

2D HOF-H4TCPB 是通过 H4TCPB 在水和 N，N-二甲基甲酰胺 （DMF） 的混合溶液中以 1：1 的摩尔比制备的（图 2a）。透射电子显微镜 （TEM） 和选定区域电子衍射 （SAED） 图像表明，纳米片具有规则的结构，具有良好的结晶度。（图 2b）。横截面高分辨率 TEM的晶格条纹间距显示了膜间距约为1.20 nm （图 2c）。随着相对湿度 （RH） 从 0% RH 增加到 97%，膜内的含水量从 4% 增加到 25%（图 2d）。作者通过高分辨率 X 射线光电子能谱 （HRXPS） 分析观察到当环境湿度从 0% RH 上升到 97% RH 时，-OH 基团增加了 60 倍，表明水分吸收促进了水桥的形成，从而促进了 HBN 的构建。（图 2e、f ）。随着 RH 的增加，膜电导率也相应升高，在 97% RH 时达到 1.52 mS cm-1（图 2g）这种显着的电导率增强可归因于丰富的水分子促进了互连 HBN 的形成。此外该研究通过电流电压 （I-V） 测量来研究HOFH4TCPB膜在不同 RH 水平下的质子迁移特性。在湿度调节下，质子传输速率实现了近 140 倍的差异，短路电流从 16.5 nA 增加到了 2308 nA （图 2h）。门控行为由门控比 Ion/Ioff 量化，其中 Ion 表示高湿度（范围为 20% 至 97% RH）下的短路电流，Ioff 表示 20% RH 下的短路电流，门控比随着 RH 的升高而增加（图 2i）。

图2 具有湿度依赖性电导率的二维 HOF-H4TCPB 膜

【DFT 计算揭示质子传输机制】

为了阐明高效率质子门控行为背后的机制，作者进行了密度泛函理论（DFT）计算。在由H4TCPB和水分子之间的氢键相互作用形成的二维氢键有机框架（2D HOF）纳米片中，整体质子传输由两个区域贡献：区域1包含氢键连接，区域2则由H4TCPB单体占据（图3a）。在区域2中，由于缺乏氢键相互作用，质子传输依赖于吸附位点跃迁机制，其传输速率较慢，能量势垒大小为2.06 eV（图3b）。当加入更多水分子时，能量势垒显著降低至0.33 eV，这是由于形成了大量的氢键网络（HBNs）。当水分子含量较低时，质子从H4TCPB的一个-COOH端跳跃到另一个-COOH端（图3c）。在整个过程中，苯环作为质子吸附的中转站，从而使得质子能够沿着吸附位点A-H进行迁移。由于质子与苯环之间的强相互作用，以及质子跳跃过程中经历的显著限制，整体迁移势垒升高至2.06eV（图3d）。然而，在高湿度条件下，吸附的质子沿着HOF-H4TCPB上的水桥进行超快的Grotthuss传输（图3e），能量势垒显著降低至0.33eV（图3f）。图3g和h中优化的HOF结构的大面积区域展示出HOF-H4TCPB膜上的质子传输从吸附位点跃迁转变为Grotthuss机制。图3i展示了HOF和HOF+H₂O模型中质子的均方位移（MSD）。HOF +H₂O中质子的迁移速度超过了HOF结构中的迁移速度，在有水的情况下，迁移率提高了1.66倍。

图3 DFT 计算揭示质子传输机制

【改进的质子门控性能】

HOF-H4TCPB 膜的门控性能通过与丰富的 -OH 官能团的 BC 嵌入进一步优化。HOF-H4TCPB/BC 复合膜的离子电导测量揭示了 HOF-H4TCPB/BC 膜上受电荷控制的离子传输行为（图 4a）。在高浓度区域，电导遵循本体规则，表现出与浓度增加的线性相关性。该研究通过I-V测量研究了HOF-H4TCPB/BC膜在20%和97%相对湿度（RH）水平下的质子迁移特性（图4b）。当将HOF-H4TCPB/BC膜集成到门控器件中时，观察到一个异常高的开关比（on-off ratio）为5740，超过了仅基于纯BC（~5）和HOF-H4TCPB（~140）膜的器件（图4c）。包括恢复（响应）速度在内的门控速度显著提高，从0.77 nA/s（0.69 nA/s）、28.97 nA/s（36.67 nA/s）增加到66.58 nA/s（57 nA/s），分别对应于基于BC、HOF-H4TCPB及其复合膜的器件（图4d）。这种显著的门控性能提升可以归因于引入了亲水性BC，它不仅增加了层间距，促进了水分子的快速流动，还增强了负表面电荷（图4e），从而促进了高效的质子传输。当HOF-H4TCPB：BC的比例为5:2时，观察到该器件的最佳切换速度（图4f）。此外，随着环境湿度从20%增加到97% RH，基于HOF-H4TCPB/BC的器件的切换比逐渐从1增加到5740（图4g），这强调了质子门控行为可以通过水分子精确调控。连续超过一小时的长时间切换响应证明了该设备的卓越循环稳定性（图4h）。这种由简单环境湿度触发的质子门控器件的门控效果远远超过了传统固态门控单元的效果（图4i）。

图4 改进的质子门控性能

【质子门控行为的深入理解】

通过DFT计算揭示了门控性能提升的内在原因。在潮湿环境中，经过BC优化的HOF-H4TCPB膜展现出比普通HOF更大的开态电流（图5a）。当在干燥环境中调节时，HOF-H4TCPB/BC表现出显著降低的关态电流（图5b），从而实现了异常高的开关比。图5c中的静电势图所示，H4TCPB单体中的-COOH基团表现出最高的电负性，这有助于水分子吸附到HOF结构上。由于BC的插层导致HOF-H4TCPB层间距的扩展，因此开发了两种不同的模型来模拟BC插层前后的结构（图5d）。水分子在HOF和扩展HOF结构上的差异吸附进一步阐明了观察到的现象（图5e）。与纯HOF相比，复合膜的关态电流显著降低（图5f）。在高湿度环境中，HOF-H4TCPB/BC表现出更好的水吸附特性，这主要是由于BC的嵌入扩大了HOF的层间距（图5g）。因此，水分子更容易接近HOF-H4TCPB/BC，从而诱导更完整的氢键网络（HBNs）的形成。与层间距受限（约1.32 nm）的HOF膜相比，HOF-H4TCPB/BC展现出优化的开态电流。

图5 深入了解改进的质子门控行为

【农林业和人类健康监测应用】

湿度是日常生产活动中最关键的参数之一，尤其是在粮仓、农田和果园等领域，对储存环境和培育土壤中的湿度含量进行监测是至关重要的（图6a）。在监测过程中，HOF-H4TCPB/BC膜被放置在土壤中，当土壤样本干燥时，装置仅记录到约0.2 μA的输出短路电流信号（图6b）。随着样本逐渐被环境湿度润湿，输出信号迅速上升，并在长达4小时的环境湿度处理中保持稳定的湿度监测（在峰值时，输出信号达到11.9 μA）。为了验证质子门控单元的精度，使用不同湿度含量的土壤样本（i-iv）进行湿度水平监测（图6c）。基于HOF的固态质子门控装置具有广泛的应用前景，不仅可用于环境监测，还可用于人体健康监测。在重要的健康参数中，呼吸频率是一个关键指标，呼吸频率过低可能表明麻醉剂或镇静剂过量，以及颅内压升高。呼吸频率过高通常与发热、疼痛、贫血、甲状腺功能亢进和心力衰竭等状况相关（图6d）。我们利用这种门控装置监测人体呼吸频率，揭示了与不同呼吸模式相对应的不同响应信号（图6e）。为了便于这种监测，装置被固定在口罩内部，通过无线蓝牙技术实现人体呼吸监测的实时数据传输（图6f）。

图6 农林业和人类健康监测应用

【总结】

该研究开发了一种基于二维氢键有机框架（2D HOF）的固态质子门控膜。其开发的质子门控膜的独特之处在于其能够通过切换离子传输模式来构建/破坏离子通道。通过密度泛函理论（DFT）计算，该研究阐明了在HOF纳米片的二维平面上，质子传输模式可以通过形成由氢键网络（HBNs）促进的可逆水桥，从吸附位点跃迁切换为Grotthuss机制。此外，通过用BC扩展HOF-H4TCPB膜的层间距，实现了远超现有固态门控装置的异常高开关比（5740）。该研究的质子门控膜完全基于固态原理运行，使其在众多应用领域（包括环境和人类健康领域）具有极高的通用性。这项工作为从质子传输路径转换入手设计人工离子门控膜开辟了新的途径。