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Protein-Enabled Size-Selective Defect-Sealing of Atomically Thin 2D Membranes for Dialysis and Nanoscale Separations

纳米孔 材料科学 纳米孔 纳米技术 生物分子 薄膜 化学工程 渗透 化学 纳米尺度 石墨烯 色谱法 渗透 生物化学 工程类
作者
Peifu Cheng,Nicholas Ferrell,Saban M. Hus,Nicole K. Moehring,Matthew Coupin,Jamie H. Warner,An‐Ping Li,William H. Fissell,Piran R. Kidambi
出处
期刊:Nano Letters [American Chemical Society]
卷期号:25 (1): 193-203 被引量:7
标识
DOI:10.1021/acs.nanolett.4c04706
摘要

Atomically thin 2D materials present the potential for advancing membrane separations via a combination of high selectivity (from molecular sieving) and high permeance (due to atomic thinness). However, the creation of a high density of precise nanopores (narrow-size-distribution) over large areas in 2D materials remains challenging, and nonselective leakage from nanopore heterogeneity adversely impacts performance. Here, we demonstrate protein-enabled size-selective defect sealing (PDS) for atomically thin graphene membranes over centimeter scale areas by leveraging the size and reactivity of permeating proteins to preferentially seal larger nanopores (≥4 nm) while preserving a significant amount of smaller nanopores (via steric hindrance). Our defect-sealed nanoporous atomically thin membranes (NATMs) show stability up to ∼35 days during size-selective diffusive separations with a model dialysis biomolecule fluorescein isothiocyanate (FITC)-Ficoll 70 in phosphate buffer saline (PBS) solution as well as outperform state-of-the-art commercially available dialysis membranes (molecular-weight-cutoff ∼3.5-5 kDa and ∼8-10 kDa) with significantly higher permeance for smaller solutes KCl (∼0.66 nm) ∼5.1-6 × 10-5 ms-1 and vitamin B12 (B12, ∼1.5 nm) ∼2.8-4 × 10-6 ms-1 compared to small protein lysozyme (Lz, ∼4 nm) ∼4-6.4 × 10-8 m s-1, thereby allowing unprecedented selectivity for B12/Lz ∼70 and KCl/Lz ∼1280. Our work introduces proteins as nanoscale tools for size-selective defect sealing in atomically thin membranes to overcome persistent issues and advance separations for dialysis, protein desalting, small molecule separations/purification, and other bioprocesses.
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