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科学剪辑 简直就是生物！ 东大为合成高分子自身向孔中排列读出铺平了道路2023.08.04 草下健夫/科学门户编辑部 化学世界里类似的片假名分子很多等，总之好像很难。 但是，如果把它们作为特有的角色来捕捉，用脑子想象他们的作用的话，有时会觉得很亲近。 在这种情况下，这就是“简直就像生物一样！ ”有令人吃惊的研究成果，想介绍一下。 东京大学的研究小组宣布，使合成高分子通过被称为“多孔性金属络合物( MOF )”的材料的小孔，成功地识别了作为高分子的单位部件的单体的排列(种类和排列顺序)。 根据单体的种类不同，有像海洋生物的海鳗一样“一个人”进入孔里的，也有不进入孔里的，从而可以识别序列。 如果进行研究，将其确立为合成高分子单体序列的读取(序列)技术，除了有助于素材开发外，将来也有可能开发出新的信息存储媒体。 研究概要。 根据高分子的单体排列，会自行进入MOF的孔中。 简直就像生物一样(东京大学提供) 受到生物的启发，进行了一些实验高分子是由许多单体连接而成的长条状的巨大分子。 尼龙、聚酯、聚乙烯等耳熟的东西也很多，以衣服、容器、合成橡胶、粘合剂、化妆品为首，完全支撑着日常生活。 这些是人类产生的合成高分子。 天然高分子有淀粉和蛋白质、DNA和RNA、天然橡胶、金刚石等。 聚是“很多”的前缀，例如由很多单体“苯乙烯”连接而成的分子为高分子“聚苯乙烯”。 高分子集合体的物质是“聚合物”。 但是，似乎也有将高分子和聚合物作为同样的意思来使用的倾向。 高分子一般是带状的，但像玉石一样缠绕在一起，所以很难读取里面的单体序列。 另一方面，在生物细胞内，蛋白质核糖体将细长的RNA捕捉到小孔中，精密地读出单体序列即碱基序列，即遗传信息。 东京大学研究生院工学系研究科的细野畅彦副教授(高分子化学)等的研究小组，从这样的生物的运作中得到启发，梦想着合成高分子的单体排列顺序，挑战了实验。 作为具有使合成高分子通过的孔的材料，着眼于MOF。 有机分子与金属离子结合而成，格子状的骨架经常被比作丛林健身房。 因为在骨架间隙的小孔中，可以封闭二氧化碳和甲烷等气体，所以作为优良的吸附剂备受关注。 京都大学特别教授北川进于1997年开发。 蚯蚓？ 海鳗？ “会发生无法想象的事情”细野副教授们考虑到容易通过高分子的孔的形状，选择了骨架为“蜂巢隧道”类型的MOF而不是丛林健身房。 原料是铁离子和用于塑料瓶等的对苯二甲酸。 这个铁离子一点一点地周期性地配置在隧道状的孔中的壁上。 众所周知，该MOF吸收分子后晶格发生变化，孔变大。 如果这个MOF将特定单体引入孔中，不引入其他东西，序列通道可能会打开。 实验中使用的“蜂巢隧道”类型的MOF。 孔中的壁上排列着铁离子，接受特定的分子，孔变大(东京大学提供) 在实验中，首先，试图使该MOF吸收作为合成树脂使用的聚苯乙烯，但孔变大无法进入。 然而，接下来，他发现，虽然结构和组成与聚苯乙烯非常相似，但用特定位置的1个碳原子被氮原子取代的单体“4-乙烯基吡啶”的高分子进行试验后，孔会变大，并被吸收。 得知此时，通过孔中的铁离子和4-乙烯基吡啶的氮原子顺利吸引结合，孔变大。 也就是说，这个MOF拒绝苯乙烯，4-乙烯基吡啶接受，识别两者。 高分子到底是如何进入MOF的孔中的呢？ 笔者问道:“并不是像蚯蚓一样爬行，对吧？”细野副教授回应说:“不，它会像蚯蚓一样爬行哦。” “很难想象吧。 但是那个会发生，是这个研究的首要热点。 因为我们会钻进洞里，所以经常说是蝗虫。 虽然没有实际看到，但给人的印象是'像生物’”。作业并不难，先将高分子溶解在溶液中，放入粉末状的MOF，加热到150度。 据说过了一段时间，4-乙烯基吡啶就会进入孔中。 就像铁离子对4-乙烯基吡啶挥手说“过来”。 这里有个朴素的疑问。 MOF的孔小时高分子无法进入，因此氮原子无法与铁离子结合，孔不会变大。 那么，最初高分子是如何进入的呢？ 细野副教授说:“那是先有鸡还是先有蛋，其实我不太清楚。 他解释说:“可能是最初只有末端的几个分子发生结合，出现了洞。” 精密识别单体，再…接着，用与4-乙烯基吡啶相似，但氮原子的位置不同(结构异构体)，在分子结构中深处的“2-乙烯基吡啶”的高分子进行了试验。 于是，氮原子离开了孔壁上的铁离子，无法结合，2-乙烯基吡啶无法进入孔中。 结合与否、孔洞是否变大，关键在于单体中氮原子的位置，表明MOF能准确地识别单体。 到目前为止的实验结果。 只有在4-乙烯基吡啶高分子的情况下，MOF的孔变大( large-pore )进入。 氮原子( n )的位置是关键(东京大学提供) 继续进行了进一步的实验。 使用了在前面的实验中未开孔的苯乙烯和开孔的4-乙烯基吡啶混合存在的“共聚物”(由多种单体构成的高分子)。 对于它们不规则地连接而成的“无规共聚物”，苯乙烯比例高的情况下不会进入孔中，但4-乙烯基吡啶的比例超过50%时，孔突然变大进入。 经过详细调查，得知是铁离子识别了4-乙烯基吡啶。 细野副教授说:“这是第一次证实了在MOF的孔中可以识别合成高分子的单体排列的大发现。 苯乙烯和4-乙烯基吡啶混合存在的无规共聚物在4-乙烯基吡啶的比例超过50%时进入MOF的孔中(东京大学提供) 共聚物中，除了无规共聚物以外，还有由两种单体形成的“均聚物”连接而成的“嵌段共聚物”。 到目前为止，如果两者混合在一起，就很难识别和分离。 均聚物和两种共聚物(东京大学提供 准备了苯乙烯和4-乙烯基吡啶比例一致的无规共聚物和嵌段共聚物。 在它们混合的溶液中加入MOF后，只有嵌段共聚物进入了孔中。 即使4-乙烯基吡啶的比例只有20%左右，嵌段共聚物也会进入孔中，但无规共聚物不会进入，可以很容易地将两者分离。 这些成果于6月21日刊登在国际化学杂志《凯姆》的电子版上，东京大学于同月22日发表。 高分子やMOFの用途に新たな道作为天然高分子的DNA测序技术已经普及，但合成高分子很难。 细野副教授说:“似乎可以利用合成高分子进入MOF的孔，在高分子的世界里实现新的事情。 他说:“这次的成果成为了接近实现合成高分子单体测序的突破(突破口)。” 只是，这次的成果是处于能够识别出预先知道单体序列的东西的阶段。 只有从不知道序列的东西中取出序列的信息，才能称为单体序列。 今后还需要进行研究，应对各种各样的单体。 技术确立后，似乎可以用于高分子材料的开发、高纯度化、高功能化。 据说也有利于塑料分类的期待。 也将为主要作为吸附剂进行研究的MOF的新用途开辟道路吧。 细野副教授还说:“如果能准确读取排列，也可以作为信息存储介质应用。” 作为新一代的信息存储技术，使用DNA碱基序列的“DNA存储”的研究在世界范围内不断发展，可以说是其合成高分子版。 “DNA中只使用4种单体，但合成高分子可以使用100种以上，理论上信息容量会压倒性地变多。 虽然可能是遥远的未来，但我相信我们可以进行改变我们生活的信息创新。” 作为廉价服装原料的尼龙和聚酯是在1940年左右被开发出来的。 之后塑料也代替木材、金属、玻璃而普及，合成高分子在生活中不可缺少。 未来的人类，也许会以现在我们意想不到的方式依靠高分子生活。 相关链接 |
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