海南大学 Nat. Commun.：超高吸附力和选择性！水凝胶DNA-UEH助力从海水中提取铀

原创 CQR 材料人

【背景介绍】

众所周知，核电是一种成熟且环境友好的能源。其中，铀（U）是核电工业的主要燃料。目前，海水中铀的总储量约为45亿吨，是陆地铀矿石的1000倍以上，可保数千年来的核能发电。因此，高效利用海洋铀资源是满足铀需求的一种有效方法。然而，海洋环境复杂、离子强度高、干扰离子复杂、铀浓度低（3.3 ppb）和严重的海洋生物污染，从海水中提取铀十分具有挑战性。虽然酰胺肟基极大提高了铀的提取效率，但是海水中的干扰离子对胺肟基有严重的危害，特别是钒基比铀酰对胺肟基有更强的结合力。所以必须开发新型功能基作为铀吸附剂。DNAzyme，也称DNA酶或催化性DNA，是一种可以催化单链DNA分裂。研究发现，DNA酶对特定的金属离子和共存的干扰金属离子具有很高的选择性。但是，目前尚没有基于DNA的吸附剂可从海水中回收可溶性矿物质，并且DNA酶对包括铀酰在内的特定金属离子的识别机制仍不清楚。

【成果简介】

近日，海南大学王宁教授（通讯作者）等人报道了一种基于DNA的铀提取剂——水凝胶（DNA-UEH），该水凝胶由DNA酶与铀酰结合的DNA聚合物组成。通过实验测试发现，该凝胶对铀（U）的吸附能力高达6.06 mg g^-1，对天然海水中对铀的选择性比钒（V）的选择性高18.95倍。通过研究发现，铀被来自磷酸盐基团和羰基的氧原子束缚，形成了特定的纳米袋，而该纳米袋使DNA-UEH具有很高的选择性和结合亲和力。该研究既提供了从海水中提取铀的吸附剂，又拓宽了DNA用于从海水中回收高价值可溶性矿物质的应用范围。研究成果以题为“DNA nano-pocket for ultra-selective uranyl extraction from seawater”发布在国际著名期刊Nat. Commun.上。

【图文解读】

图一、水凝胶DNA-UEH的制备示意图及其结合铀酰离子的机理

（a）DNA酶中铀酰结合DNA链的结构及选择性铀酰结合机理；

（b）制备水凝胶DNA-UEH的策略。

图二、水凝胶DNA-UEH的表征和DNA纳米袋结合铀酰的机理

（a）干燥水凝胶DNA-UEH的SEM图；

（b）湿水凝胶DNA-UEH的形态和荧光染色；

（c）通过热处理重塑水凝胶DNA-UEH；

（d）水凝胶DNA-UEH的拉伸性能；

（e）对水凝胶DNA-UEH结合的铀进行EXAFS分析；

（f）铀酰结合前后水凝胶DNA-UEH中氧元素的高分辨率XPS分析；

（g）水凝胶DNA-UEH中铀酰的推测配位环境。

图三、模拟海水中的铀吸附能力

（a）pH对铀吸附能力的影响；

（b）水凝胶DNA-UEH的铀吸附等温线；

（c）掺杂不同浓度铀的模拟海水中，水凝胶DNA-UEH吸附铀的动力学；

（d）在吸附过程中，掺入铀的模拟海水中铀浓度的变化。

图四、水凝胶DNA-UEH与铀酰结合的选择性和亲和力

（a）对天然海水中100倍浓缩的共存干扰离子的吸附能力；

（b）对100倍浓缩的共存干扰离子的结合选择性；

（c）与单个干扰金属离子的选择性；

（d）对碳酸铀基的铀酰结合亲和力。

图五、从天然海水中提取铀的性能

（a）提取过程中水凝胶DNA-UEH的萃取铀动力学和天然海水中铀浓度的变化；

（b）对天然海水中金属的萃取选择性。

【小结】

综上所述，作者开发了用于从海水中提取铀（U）的水凝胶DNA-UEH吸附剂。其中，所用的DNA链对铀酰具有很高的选择性。同时，作者利用EXAFS和XPS分析了该DNA链对铀酰的吸附机理，其机理是DNA链通过与铀酰中的铀原子形成五个配位键的方式与铀酰结合，形成一个结合纳米袋，使吸附剂对铀酰具有高的结合选择性和结合亲和力，从而有效地避免了干扰离子的影响，实现了天然海水中6.06 mg g^-1的高铀提取能力。此外，水凝胶DNA-UEH对铀的结合选择性更高，在天然海水中对铀的选择性比对钒的选择性高18.95倍。该水凝胶DNA-UEH具有较高的力学性能和较高的重复利用率，有利于海洋铀矿萃取吸附剂的实际应用。总之，该研究既开发了一种用于从海水中提取铀的DNA基吸附剂，又揭示了DNA链与铀酰的结合机理，拓宽DNA分子的应用范围。

文献链接：

DNA nano-pocket for ultra-selective uranyl extraction from seawater（Nat. Commun., 2020, DOI: 10.1038/s41467-020-19419-z）

本文由CQR编译。

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