近日，美国南佛罗里达大学蔡健峰课题组联合圣路易斯华盛顿大学柯晨峰教授团队，开发出一类基于天然氨基酸构建的柔性三足笼状分子，实现了在水相中对高水合氟离子及有机氟污染物（PFASs）的高效选择性识别与去除。
分子识别在水环境中面临显著挑战，特别是针对如氟离子这类高度水合、亲水性强的物质。传统合成受体多依赖于多价氢键和疏水相互作用，往往需要剥离底物的水合层，导致结合能垒较高、选择性差。为应对这一难题，研究团队从天然蛋白质识别机制中获得启发，构建了系列可调构象的三足笼体，具备类蛋白的柔性和客体诱导适应能力（图1a）。该系列受体以均苯三甲酰胺为上下框架，三根连接柱引入天然氨基酸单元，实现结构和疏水/亲水环境的精细调控（图1b）。
图1. 用于识别亲水性和两亲性客体的三足笼体的设计原理。a）三足笼体设计原理的示意图。模块化的氨基酸构件提供了丰富的结构变体库；功能性支柱可用于在笼体内部构建亲水/疏水的微环境，从而实现对不同客体的结合。b）本研究中合成的有机笼体的化学结构式。
其中，基于脯氨酸构建的CPro-NH₂受体表现出优异的结构柔性和高度水合的结合腔体（图2）。在纯水中，该分子对氟离子展现出罕见的高亲和性（Ka > 103 M-1）。结合NMR滴定、ITC热力学分析与理论模拟，研究者揭示了结合过程为熵驱动、吸热过程，暗示其无需完全脱溶即可实现有效识别，体现出独特的“水合共识别”机制。
进一步研究发现，该类受体对典型有机氟污染物PFOA、PFOS及GenX也具有良好结合能力。其疏水衍生物CPro-Cy-NH₂在模拟自然水体中可高效吸附去除上述污染物，最大去除效率超过95%。批量吸附实验和动力学模拟表明，该类材料具备快速、可持续、选择性强等多重优势，并在天然有机质存在条件下依然保持良好性能。此外，研究还通过构效关系分析指出，笼体中的氨基位点及脯氨酸引入所赋予的构象柔性在识别与结合过程中起到关键作用。
图2. 三足有机笼体的结构解析. a）高度水合的 CPro-NH₂单晶结构，右侧分别展示了笼体和水合水分子。b）CPro-NH₂•NaI 复合物的单晶结构，右侧分别展示了笼体与水合钠离子/水分子。
本研究展示了一种高度模块化、结构可调的有机笼体设计平台，兼具高选择性、良好水相稳定性及环境友好性，为氟离子传感、水体净化及分子识别领域提供了新的研究工具和应用前景。未来，该策略有望拓展至其他亲水性阴离子的识别及环境污染物的选择性清除。
相关成果发表在Nature Communications 上。本研究的主要工作由博士后黄波完成，博士李斯豪和潘聪等提供了额外的支持与协助。
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Proline-based tripodal cages with guest-adaptive features for capturing hydrophilic and amphiphilic fluoride substances
Bo Huang, Sihao Li, Cong Pan, Fangzhou Li, Lukasz Wojtas, Qiao Qiao, Timothy H. Tran, Laurent Calcul, Wenqi Liu, Chenfeng Ke & Jianfeng Cai
Nat. Commun., 2025, 16, 3226, DOI: 10.1038/s41467-025-58589-6
导师介绍
蔡健峰
https://www.x-mol.com/university/faculty/47852课题主页
http://jianfengcai.myweb.usf.edu/
柯晨峰
https://www.x-mol.com/university/faculty/315219课题主页
http://www.keresearchgroup.com/
