基于生物启发的嘌呤核苷基功能化二氧化硅用于选择性去除铅(II)

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Bioinspired Purine Riboside-Functionalized Silica for Selective Removal of Pb(II)

　　

• •
  开发了一种嘌呤核糖功能化的二氧化硅吸附剂（Pur-NH2-SiO2），用于高效去除Pb(II)。
• •
  该吸附剂在混合溶液中对Pb(II)具有优异的选择性，βPb(II)/Cd(II)和βPb(II)/Zn(II)的比值分别为65.97和10.76。
• •
  XPS和DFT分析表明，Pb(II)的吸附可能涉及通过含氮和含氧位点的多齿配位。

引言

随着采矿、冶金和电镀等行业的快速发展，大量含铅废水被排放到水环境中[1]。Pb(II)是一种典型的重金属污染物，具有高毒性、持久性和不可生物降解性，在电池制造、电镀和采矿等工业废水中广泛存在[2]。Pb(II)在体内积累后，会损害消化系统、循环系统、神经系统和生殖系统，并且可能具有致癌性[3],[4],[5]。因此，开发有效的废水去除方法具有重要意义。

目前，去除Pb(II)的主要方法包括离子交换、化学沉淀和吸附[6],[7],[8]。其中，吸附技术因其操作简便、成本低和处理效率高而具有广泛的应用前景[9]。由于SiO₂具有较大的比表面积、良好的机械稳定性和易于表面功能化，因此被广泛用作吸附剂载体。然而，未改性的SiO₂对目标金属离子的亲和力和选择性有限，因此研究人员专注于对其表面进行功能化处理，以便在SiO₂表面共价接枝，从而引入选择识别能力[10],[11],[12],[13]。已经报道了多种SiO₂表面功能化策略，如巯基接枝、席夫碱功能化和氨基功能化。巯基功能化的SiO₂能强烈螯合重金属，但容易发生氧化失活且储存稳定性较差[14]。席夫碱功能化的SiO₂需要繁琐的多步制备过程[15]。氨基功能化的SiO₂由于其易于合成和对Pb(II)的良好亲和力而被广泛使用[16]。然而，在复杂的多金属系统中实现满意的选择性仍然是一个挑战，因为来自共存离子的竞争性吸附往往会妨碍目标金属的有效去除。因此，探索用新型含氮杂环配体功能化的SiO₂吸附剂具有重要的研究价值。

嘌呤是一类重要的含氮杂环化合物，在天然生物系统中广泛存在。其结构由一个嘧啶环和一个咪唑环组成，主链中嵌有多个氮原子（如N¹、N³、N⁷和N⁹），这些氮原子可以作为潜在的金属配位位点。此外，嘌呤骨架具有优异的结构灵活性，可以引入氨基、羟基和羧基等官能团来调节电子分布和空间构象[17]。在嘌呤衍生物中，嘌呤核糖不仅保留了嘌呤环的配位结构，还带有额外的核糖基团。与其他含氮杂环配体相比，嘌呤核糖具有两个显著优势：（i）核糖基团显著提高了分子的水溶性，有利于其在水溶液中与金属离子的相互作用；（ii）核糖环上的多个羟基以及环内的 ether 氧原子可以参与协同配位，从而优化配位微环境，可能提高对目标金属离子的选择性和亲和力。这些结构特性使嘌呤核糖成为选择性金属离子识别的有希望的候选物质[18],[19],[20],[21]。然而，据我们所知，尚未有将其共价接枝到SiO₂表面用于选择性去除Pb(II)的报道。

受生物系统中嘌呤碱与Pb(II)之间特定相互作用的启发[22],[23]，本研究提出了一种嘌呤核糖功能化SiO₂吸附剂的设计策略。首先使用嘌呤核糖作为功能配体，通过硅烷偶联剂KH-550将其引入SiO₂表面，然后共价接枝肌苷以制备Pur-NH₂-SiO₂吸附剂。系统地表征了Pur-NH₂-SiO₂的结构和表面性质，并评估了其对Pb(II)的吸附行为。研究了该吸附剂在共存重金属离子（Cd(II)、Zn(II)）存在下的选择性。结合X射线光电子能谱（XPS）和密度泛函理论（DFT）计算，阐明了Pb(II)与嘌呤核糖之间的配位机制。本研究旨在提供一种仿生功能化方法，为设计高选择性的环保型硅基重金属吸附剂提供参考。

章节摘录

试剂和材料

肌苷购自上海Titan Scientific Co., Ltd。KH-550购自北京Solarbio Science & Technology Co., Ltd。SiO₂来自上海Aladdin Biochemical Technology Co., Ltd。实验中使用的其他试剂均为分析级。

表征技术

使用Nicolet IS50光谱仪（Thermo Fisher Scientific, USA）在400-4000 cm^–1的波长范围内记录了傅里叶变换红外光谱（FTIR）。通过

吸附剂的制备和表征

根据方案2，制备了带有嘌呤核糖配体（Pur-NH₂-SiO₂）的吸附剂，并用于Pb(II)的吸附。

通过FTIR表征了Pur-NH₂-SiO₂的官能团，如图1(a)所示。在SiO₂的光谱中，1104和470 cm^–1处的峰分别对应Si–O–Si键的伸缩振动和弯曲振动。3441 cm^–1处的宽峰归属于–OH基团的伸缩振动，约985 cm^–1处的峰

结论

本研究通过共价接枝策略成功合成了嘌呤核糖功能化的二氧化硅吸附剂（Pur-NH₂-SiO₂

CRediT作者贡献声明

郭磊：方法学、形式分析。张蓓蓓：资源。刘俊申：资源、方法学。孙丽翔：方法学、形式分析。于明武：写作–审稿与编辑、监督、资源获取、经费筹集。高学珍：写作–审稿与编辑、监督、资源获取、数据管理、概念构想。李琼：写作–初稿撰写、实验研究、形式分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了山东省科技型中小企业创新能力提升项目（项目编号：2022TSGC2497）和山东省自然科学基金（项目编号：ZR2025MS221和ZR2018PB013）的支持。

利益冲突声明

不存在需要声明的利益冲突。

李琼|刘俊申|孙丽翔|郭磊|张蓓蓓|高学珍|于明武