分子印迹藻酸盐-二甲双胍水凝胶珠选择性去除铜(II)：从等温线、DFT和分子对接中揭示机制见解

本研究创新性地利用二甲双胍（metformin）作为功能单体，首次开发出铜(II)印迹藻酸盐水凝胶珠（Cu-Imp）。材料通过分子印迹技术构建高保真识别位点，展现出96.3%的铜去除率和50.21 mg/g的吸附容量。结合DFT计算（吸附能-60.34 kcal/mol）和分子对接验证，揭示了Cu–O/N配位机制，为设计新一代离子选择性吸附剂提供了理论依据和应用前景。

　　

结果与讨论（Results and discussion）

铜印迹聚合物（Cu-Imp）珠的成功制备得益于二甲双胍盐酸盐（metformin hydrochloride）和海藻酸钠（sodium alginate）在印迹过程中的协同作用。如方案1所示，该机制路径反映了一系列精心设计的配位（coordination）和交联（cross-linking）事件，最终在聚合物基质内生成选择性Cu(II)结合位点。二甲双胍盐酸盐作为一种有效的螯合剂（chelating agent），通过其富氮官能团（nitrogen-rich functional groups）与Cu(II)离子发生配位，而海藻酸钠则通过其羧酸基团（carboxylate groups）进一步增强金属结合，并作为基质促进珠体的形成。在钙离子（Ca2?）存在下进行交联，可将印迹的铜-配体复合物（Cu-ligand complexes）永久固定在聚合物网络中。随后通过酸洗去除模板铜离子，留下具有精确空间排列和互补电子特性的空腔，这些空腔对目标Cu(II)离子表现出高度特异性。

结论（Conclusion）

本研究采用多学科方法，设计、表征并机理性地理解了铜(II)印迹藻酸盐-二甲双胍水凝胶珠（Cu-Imp）用于从水介质中靶向去除铜的性能。在印迹过程中联合使用二甲双胍（metformin）和海藻酸钠（alginate），使得能够形成结构和电子定制的空腔，从而选择性识别Cu(II)离子。等温线建模（Isotherm modeling）表明，吸附平衡数据最符合Redlich–Peterson（R2 = 0.948）和Koble–Corrigan（R2 = 0.947）模型，表明存在异质性的单层-多层吸附（heterogeneous monolayer–multilayer adsorption）。动力学分析（Kinetic analysis）显示伪二级模型（pseudo-second-order）和Elovich模型拟合最佳（R2 = 0.986–0.997），证实了以限速电子共享机制（rate-limiting electron-sharing mechanism）为特征的化学吸附（chemisorption）。DFT计算（DFT calculations）和分子对接（molecular docking）研究提供了分子层面的机制见解，表明Cu(II)与聚合物官能团之间形成了强配位键（strong coordination bonds），吸附能为-60.34 kcal/mol，HOMO–LUMO能隙（HOMO–LUMO gap）为0.087 eV，表明其具有高电子反应性（high electronic reactivity）。此外，该材料在五次吸附-解吸循环中表现出优异的再生能力（regeneration capacity），性能保持在约26.8 mg/g。这些发现共同证实了分子印迹策略的成功，及其在设计下一代可重复使用、离子选择性吸附剂（reusable, and ion-selective adsorbents）用于水净化（water purification）应用方面的潜力。