[发明专利]一种交联金属蛋白的环境敏感性凝胶及其应用

说明书

本发明公开了一种特殊的环境敏感性大分子凝胶：通过化学共价键在凝胶的三维网络里嵌入金属蛋白。该种凝胶由环境敏感性凝胶单体或环境敏感性凝胶单体交联形成的骨架和含反应基团的金属蛋白或金属蛋白与金属离子的络合体共聚而成。利用环境敏感性凝胶可随环境变化而收缩和溶胀的特性以调节金属蛋白对金属离子的螯合能力，从而实现对金属离子的高效和选择性捕获和释放。本发明的特殊环境敏感性大分子凝胶能高效地、稳定地和循环地捕获液体中极低浓度的金属离子。

技术领域

本发明属于功能性材料领域，涉及一种交联金属蛋白的环境敏感性凝胶及其应用。利用环境敏感性凝胶可随环境变化而收缩和溶胀的特性以调节金属蛋白和/或金属蛋白的金属离子结合域对金属离子螯合的能力，从而实现对金属离子的高效和选择性捕获和释放。

背景技术

环境中的重金属离子污染会对人体和其他生物体产生严重的影响和危害，这些重金属离子与其它有机化合物的污染不同，大部分有机化合物可以通过自然界本身净化或降解，而重金属离子只能以一种形式转化为另外一种形式，很容易在生命体中富集，进而产生严重的毒性。比如会对人体的神经系统，肾脏以及其他器官等等造成不可逆的严重损坏。为了去除水中的金属离子，人们已经发展了各种各样的技术手段。比如化学沉淀、膜分离、溶剂萃取、离子交换和电化学处理等等。但是这些技术很难有效的去除水中的金属离子。吸附相对于这些技术存在许多优势，因为它在设计和操作上非常灵活，可以相对高效的处理污染的水源，比如活性炭、沸石、生物素、壳聚糖和其它聚合物等等。

与传统的吸附材料相比，水凝胶具有三维孔状结构和化学响应的功能基团，很容易从水溶液中捕获金属离子，当溶液中的条件变化时又可以将金属释放出来。人们研究了大量的功能化水凝胶来捕获环境中的重金属离子，例如一些包含羧基、氨基、羟基或磺酸基团的水凝胶等。大部分的功能化凝胶可以结合多数金属离子，因此不能够选择性的去除特定的金属离子。到目前为止，只有少数的水凝胶通过可控制的功能化，即将一些可以选择性结合金属的小分子、DNA或金属蛋白质交联到水凝胶中使凝胶具有选择性去除溶液中重金属离子的功能。如Xiaojie Ju等人将使用NIPAM和BCAm制备了具有温敏性质的水凝胶，可以利用温度的变化吸附和脱附Pb²⁺，但是Pb²⁺的浓度高达4mM，不能够去除低浓度(比如μM或nM级别)的Pb²⁺离子(Ju XJ,Zhang SB,Zhou MY,Xie R,Chu LY,Novel heavy-metaladsorption materials:ion-recognition P(NIPAM-co-BCAm)hydrogels for removal oflead(II)ions.J Hazard Mater,2009,167:114-118.)；Neeshma Dave等人使用丙烯酰胺和DNA制备的水凝胶可以检测和去除10nM的Hg²⁺，但是凝胶要通过酸处理才能够再生(Dave N,Chan MY,Huang PJ,Smith BD,Liu JW,Regenerale DNAfunctionalized hydrogels forultrasensitive instrument-free mercury(II)detection and removal in water.J AmChem Soc 2010,132:12668-12673.)；Aaron P.Esser-Kahn等人使用金属硫蛋白作为交联剂形成的凝胶可以达到去除重金属Cu²⁺，Zn²⁺，Cd²⁺和Hg²⁺的目的，然而该材料在吸附金属后只能利用螯合剂EDTA进行脱附，再进行重新吸附。此外该材料对金属的选择性较差，而且用来吸附的金属离子浓度约50ppb(Cd离子浓度约450nM)，灵敏度偏低(Esser-Kahn AP,Iavarone AT,Francis MB,Metallothionein-cross-linked hydrogels for theselective removal of heavy metals from water.J Am Chem Soc,2008,130:15820-15822.)。