海南大學 Nat. Commun.：超高吸附力和選擇性！水凝膠DNA-UEH助力從海水中提取鈾

【背景介紹】

眾所周知，核電是一種成熟且環境友好的能源。其中，鈾（U）是核電工業的主要燃料。目前，海水中鈾的總儲量約為45億噸，是陸地鈾礦石的1000倍以上，可保數千年來的核能發電。因此，高效利用海洋鈾資源是滿足鈾需求的一種有效方法。然而，海洋環境復雜、離子強度高、干擾離子復雜、鈾濃度低（3.3 ppb）和嚴重的海洋生物污染，從海水中提取鈾十分具有挑戰性。雖然酰胺肟基極大提高了鈾的提取效率，但是海水中的干擾離子對胺肟基有嚴重的危害，特別是釩基比鈾酰對胺肟基有更強的結合力。所以必須開發新型功能基作為鈾吸附劑。DNAzyme，也稱DNA酶或催化性DNA，是一種可以催化單鏈DNA分裂。研究發現，DNA酶對特定的金屬離子和共存的干擾金屬離子具有很高的選擇性。但是，目前尚沒有基于DNA的吸附劑可從海水中回收可溶性礦物質，并且DNA酶對包括鈾酰在內的特定金屬離子的識別機制仍不清楚。

【成果簡介】

近日，海南大學王寧教授（通訊作者）等人報道了一種基于DNA的鈾提取劑——水凝膠（DNA-UEH），該水凝膠由DNA酶與鈾酰結合的DNA聚合物組成。通過實驗測試發現，該凝膠對鈾（U）的吸附能力高達6.06 mg g^-1，對天然海水中對鈾的選擇性比釩（V）的選擇性高18.95倍。通過研究發現，鈾被來自磷酸鹽基團和羰基的氧原子束縛，形成了特定的納米袋，而該納米袋使DNA-UEH具有很高的選擇性和結合親和力。該研究既提供了從海水中提取鈾的吸附劑，又拓寬了DNA用于從海水中回收高價值可溶性礦物質的應用范圍。研究成果以題為“DNA nano-pocket for ultra-selective uranyl extraction from seawater”發布在國際著名期刊Nat. Commun.上。

【圖文解讀】

圖一、水凝膠DNA-UEH的制備示意圖及其結合鈾酰離子的機理
（a）DNA酶中鈾酰結合DNA鏈的結構及選擇性鈾酰結合機理；

（b）制備水凝膠DNA-UEH的策略。

圖二、水凝膠DNA-UEH的表征和DNA納米袋結合鈾酰的機理
（a）干燥水凝膠DNA-UEH的SEM圖；

（b）濕水凝膠DNA-UEH的形態和熒光染色；

（c）通過熱處理重塑水凝膠DNA-UEH；

（d）水凝膠DNA-UEH的拉伸性能；

（e）對水凝膠DNA-UEH結合的鈾進行EXAFS分析；

（f）鈾酰結合前后水凝膠DNA-UEH中氧元素的高分辨率XPS分析；

（g）水凝膠DNA-UEH中鈾酰的推測配位環境。

圖三、模擬海水中的鈾吸附能力
（a）pH對鈾吸附能力的影響；

（b）水凝膠DNA-UEH的鈾吸附等溫線；

（c）摻雜不同濃度鈾的模擬海水中，水凝膠DNA-UEH吸附鈾的動力學；

（d）在吸附過程中，摻入鈾的模擬海水中鈾濃度的變化。

圖四、水凝膠DNA-UEH與鈾酰結合的選擇性和親和力
（a）對天然海水中100倍濃縮的共存干擾離子的吸附能力；

（b）對100倍濃縮的共存干擾離子的結合選擇性；

（c）與單個干擾金屬離子的選擇性；

（d）對碳酸鈾基的鈾酰結合親和力。

圖五、從天然海水中提取鈾的性能
（a）提取過程中水凝膠DNA-UEH的萃取鈾動力學和天然海水中鈾濃度的變化；

（b）對天然海水中金屬的萃取選擇性。

【小結】

綜上所述，作者開發了用于從海水中提取鈾（U）的水凝膠DNA-UEH吸附劑。其中，所用的DNA鏈對鈾酰具有很高的選擇性。同時，作者利用EXAFS和XPS分析了該DNA鏈對鈾酰的吸附機理，其機理是DNA鏈通過與鈾酰中的鈾原子形成五個配位鍵的方式與鈾酰結合，形成一個結合納米袋，使吸附劑對鈾酰具有高的結合選擇性和結合親和力，從而有效地避免了干擾離子的影響，實現了天然海水中6.06 mg g^-1的高鈾提取能力。此外，水凝膠DNA-UEH對鈾的結合選擇性更高，在天然海水中對鈾的選擇性比對釩的選擇性高18.95倍。該水凝膠DNA-UEH具有較高的力學性能和較高的重復利用率，有利于海洋鈾礦萃取吸附劑的實際應用。總之，該研究既開發了一種用于從海水中提取鈾的DNA基吸附劑，又揭示了DNA鏈與鈾酰的結合機理，拓寬DNA分子的應用范圍。

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

本文由CQR編譯。

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