一种用于海水提铀的特异性DNA水凝胶材料及其制备方法

摘要

本发明公开了一种用于海水提铀的特异性DNA水凝胶材料的制备方法，包括以下步骤：环状DNA制备：将磷酸化的单链DNA模板和引物1混合均匀，后进行退火，再加入连接酶和连接酶缓冲液合成环状DNA；环状预聚物制备：按一定比例取环状DNA、聚合酶、聚合酶缓冲液、牛血清白蛋白、氯化钠溶液和三磷酸脱氧核苷酸混合，进行滚环复制获得环状预聚物；DNA水凝胶制备：加入引物2和引物3，继续滚环复制，后进行酶失活操作获得DNA水凝胶材料。利用本发明方法制备的DNA水凝胶材料对铀提取有良好的选择性，可抵抗共存的干扰离子，尤其是对铀酰离子的选择性为钒离子的17.95倍，且拉伸性能良好，可循环重复使用。

权利要求

1.一种用于海水提铀的特异性DNA水凝胶材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S101环状DNA制备：将磷酸化的单链DNA模板和引物1按摩尔比1:1混合均匀，后进行退火，再加入连接酶和连接酶缓冲液，在20℃条件下反应2h合成环状DNA；

S102环状预聚物制备：按一定比例取环状DNA、聚合酶、聚合酶缓冲液、牛血清白蛋白、氯化钠溶液和三磷酸脱氧核苷酸混合，后加水稀释在30℃条件下反应4h进行第一轮滚环复制获得环状预聚物；

S103 DNA水凝胶制备：在S102步骤的环状预聚物体系中加入引物2和引物3，继续在30℃下反应24h进行第二轮滚环复制，后进行酶失活操作获得DNA水凝胶材料；

所述步骤S101中，DNA模板的序列表为5’‑Phosphate‑TCGTTTGATGTTCCTAACGTACCACACGTCCATCTCTGCAGTCGGGTAGTTAAACCGACCTTCAGACATAGTGAGTCATAGAGGCATTGGCTG‑3’；引物1的序列表为5’‑TAGGAACATCAAACGACAGCCA‑3’；

所述步骤S102中，环状DNA加入量为50nM、聚合酶加入量为10U、聚合酶缓冲液加入量为

10μL、牛血清白蛋白加入量为2μL、氯化钠溶液浓度为800mM，加入量为2μL；三磷酸脱氧核苷酸浓度为25mM，加入量为4μL；

所述步骤S103中，引物2的序列表为5’‑ACGTACCACACGTCCATCTCT‑3’；引物3序列表为

5’‑ATAGTGAGTCATAGAGGCAT‑3’。

2.根据权利要求1所述的一种用于海水提铀的特异性DNA水凝胶材料的制备方法，所述步骤S101中，退火具体为先在95℃的条件下加热2min，后降温至65℃加热2min，并以1℃/

1min的降温速率冷却至60℃，随后冷却至20℃。

3.根据权利要求1所述的一种用于海水提铀的特异性DNA水凝胶材料的制备方法，所述步骤S101中，所述连接酶加入量为1μL，连接酶缓冲液加入量为2μL。

4.根据权利要求1所述的一种用于海水提铀的特异性DNA水凝胶材料的制备方法，所述步骤S103中，引物2加入量为1μL，引物3加入量为1μL。

5.根据权利要求1所述的一种用于海水提铀的特异性DNA水凝胶材料的制备方法，所述步骤S103中，酶失活操作具体为在65℃反应10min。

6.一种用于海水提铀的特异性DNA水凝胶材料，根据权利要求1至5任一项方法制备而得。

说明书

一种用于海水提铀的特异性DNA水凝胶材料及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及新材料制备领域，尤其涉及一种用于海水提铀的特异性DNA水凝胶材料及其制备方法。

背景技术

[0002] 核能作为最成熟的环保能源之一长期备受关注，陆地铀矿石中的铀资源作为核电工业的燃料，在不考虑能源消耗日益增长的情况下，据估计仅供核电站使用不到一个世纪。
海水中铀储量约45亿吨，估计铀储量是陆地铀矿的1000倍，可保证数千年的核能可持续发
电。因此从海水中提取铀资源对核能可持续发展至关重要。然而海洋环境复杂，铀浓度低
(3.3ppb)、干扰离子复杂及海洋生物淤积严重等原因，从实际海水中提取铀资源是项具有
挑战性的工作。

[0003] 最初部分学者致力于研究能从海水中高效提取铀的优良铀酰结合官能团如偕胺肟基，虽然偕胺肟基提铀材料的应用大大提高铀提取效率，被认为是最有希望从海水中提
取铀的候选者。但在实际提铀使用中，受到海水中其他金属离子的严重干扰，比如钒离子与
偕胺肟基的结合竞争力甚至高于铀酰，限制了其应用。因此开发具有特异性识别铀酰离子
的新型提铀材料至迫在眉睫。

[0004] DNA水凝胶材料是一种新型的生物大分子功能材料，因其结构稳定、设计灵活、易于合成与修饰以及出色的可编码性和刺激响应性,已在化学检测、生物分析和生物医学领
域得到广泛应用。但目前还未看到关于特异性提铀的DNA水凝胶材料的研究报道。

发明内容

[0005] 有鉴于此，本发明提供了一种于海水提铀的特异性DNA水凝胶材料的制备方法，解决了现有氨肟基材料在提铀过程中受到其他金属离子尤其是钒离子的干扰导致其选择性
低的问题。

[0006] 本发明采用一种用于海水提铀的特异性DNA水凝胶材料的制备方法，包括以下步骤：

[0007] S101环状DNA制备：将磷酸化的单链DNA模板和引物1按摩尔比1:1混合均匀，后进行退火，再加入连接酶和连接酶缓冲液，在20℃条件下反应2h合成环状DNA；

[0008] S102环状预聚物制备：按一定比例取环状DNA、聚合酶、聚合酶缓冲液、牛血清白蛋白、氯化钠溶液和三磷酸脱氧核苷酸混合，后加水稀释在30℃条件下反应4h进行第一轮滚
环复制获得环状预聚物；

[0009] S103 DNA水凝胶制备：在S102步骤的环状预聚物体系中加入引物2和引物3，继续在30℃下反应24h进行第二轮滚环复制，后进行酶失活操作获得DNA水凝胶材料。

[0010] 优选地，步骤S101中，DNA模板的序列表为5’‑Phosphate‑TCGTTTGATGTTCCTAACGTACCACACGTCCATCTCTGCAGTCGGGTAGTTAAACCGACCTTCAGACATAGTGAGTCATAGAGGCATTGGCTG‑3’；

[0011] 引物1的序列表为5’‑TAGGAACATCAAACGACAGCCA‑3’。

[0012] 优选地，步骤S101中，退火具体为先在95℃的条件下加热2min，后降温至65℃加热2min，并以1℃/1min的降温速率冷却至60℃，随后冷却至20℃。

[0013] 优选地，步骤S101中，所述连接酶加入量为1μL，连接酶缓冲液加入量为2μL。

[0014] 优选地，述步骤S102中，环状DNA加入量为50nM、聚合酶加入量为10U、聚合酶缓冲液加入量为10μL、牛血清白蛋白加入量为2μL、氯化钠溶液浓度为800mM，加入量为2μL；三磷
酸脱氧核苷酸浓度为25mM，加入量为4μL。

[0015] 优选地，步骤S103中，

[0016] 引物2的序列表为5’‑ACGTACCACACGTCCATCTCT‑3’；

[0017] 引物3序列表为5’‑ATAGTGAGTCATAGAGGCAT‑3’。

[0018] 优选地，步骤S103中，引物2加入量为1μL，引物3加入量为1μL。

[0019] 优选地，步骤S103中，酶失活操作具体为在65℃反应10min。

[0020] 采用本发明所提供的一种用于海水提铀的特异性DNA水凝胶材料的制备方法，以DNA为原料，在聚合酶作用下利用滚环复制聚合反应获得DNA水凝胶，为海水提铀提供一种
新型吸附剂，操作方法简单易行，设备使用少，吸附时间短，实际应用潜力大。且本发明获得
的特异性DNA水凝胶材料对铀有良好的特异性和选择性，可抵抗共存的干扰离子，尤其是对
铀的选择性是对钒的17.95倍，同时具有良好的拉伸性能，可循环使用。

附图说明

[0021] 图1为本发明的一种用于海水提铀的特异性DNA水凝胶材料的实物示意图；

[0022] 图2为本发明的一种用于海水提铀的特异性DNA水凝胶材料的电镜扫描图；

[0023] 图3为本发明的一种用于海水提铀的特异性DNA水凝胶材料的拉伸效果示意图；

[0024] 图4为本发明的一种用于海水提铀的特异性DNA水凝胶材料的选择性提铀图。

具体实施方式

[0025] 以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

[0026] 实施例一：一种用于海水提铀的特异性DNA水凝胶材料的制备方法，包括以下步骤：

[0027] S101环状DNA制备：将磷酸化的DNA模板和引物1以摩尔比1:1混合均匀，后将该混合物置于PCR扩增仪中，先在95℃的条件下加热2min，后降温至65℃加热2min，并以1℃/
1min的降温速率冷却至60℃，随后逐渐冷却到20℃退火，再加入1μL连接酶(T4‑DNA)和2μL
连接酶(10×T4‑DNA)缓冲液，在20℃条件下孵育2h合成环状DNA；其中步骤S101中所用DNA
模板的序列表为5’‑Phosphate‑TCGTTTGATGTTCCTAACGTACCACACGTCCATCTCTGCAGTCGGGTAG
TTAAACCGACCTTCAGACATAGTGAGTCATAGAGGCATTGGCTG‑3’；

[0028] 引物1序列表为5’‑TAGGAACATCAAACGACAGCCA‑3’；

[0029] S102环状预聚物制备：取50nM环状DNA、10U聚合酶( DNA)、10μL聚合酶缓冲液(DNA)、2μL牛血清白蛋白(10×BSA)、2μL浓度为800mM的氯化钠溶液和4μL浓度为
25mM的三磷酸脱氧核苷酸(dNTPs)混合，后加水使整个体系体积为100μL，在30℃下反应4h
进行第一轮滚环复制获得环状预聚物；

[0030] S103 DNA水凝胶制备：随后在S102体系中加入1μL引物2，1μL引物3，继续在30℃下反应24h，进行第二轮滚环复制。将上述所得溶液在65℃反应10min使酶失活，得到DNA水凝
胶材料，干燥后待用，如图1所示，本实施例的DNA水凝胶在水中呈白色丝状物。其中本步骤
中所用的引物2：5’‑ACGTACCACACGTCCATCTCT‑3’；

[0031] 引物3：5’‑ATAGTGAGTCATAGAGGCAT‑3’。

[0032] 1、对实施例一制备的特异性DNA水凝胶材料进行表征测试，如图2的扫描电镜图所示，DNA水凝胶的微观形态是由相互作用的花状结构组成的纳米级花瓣组成，如图3的拉伸
性能测试所示，DNA水凝胶显示出高拉伸性能，在90℃重塑成DNA水凝胶纤维后，其长度可以
拉伸五倍以上。

[0033] 2、对实施例一制备的特异性DNA水凝胶材料进行模拟海水提铀测试：

[0034] 称取5mg实施例一制备的DNA水凝胶材料浸泡在20mL铀浓度为8ppm的模拟海水中，吸附时间为30min，利用ICP‑OES电感耦合等离子体光学发射光谱仪测定吸附前后铀的浓
度，吸附能力计算公式如下：

[0035]

[0036] 其中qt表示t时间内提取铀的量，C0表示初始的铀的浓度；Ct表示在t时刻铀的浓度；V表示测试海水的体积；m表示吸附剂的质量。所测得DNA水凝胶材料对实验室模拟海水
中的铀提取率是13.96mg/g，经循环吸附‑脱附提铀(洗脱液为0.1M EDTA)测试可体现出良
好的使用重复性。

[0037] 3、对实施例一制备的特异性DNA水凝胶材料进行天然海水提铀测试，具体如下：将‑1
10mg干燥后的DNA水凝胶加入100L过滤海水，在25℃下重复测试六次。天然海水以1L min
的速度流过DNA水凝胶，并且每隔12h使用感应耦合等离子体质谱法分析海水中的铀浓度。
实验表明DNA水凝胶对天然海水中的铀酰也显示出高选择性。DNA水凝胶对铀的吸附能力是
钒离子的18.95倍(如图4所示)，而现有的偕胺肟基吸附剂仅显示出对钒对钒的选择性为
0.25至2.5倍。

[0038] 对比例一至三：对比例一至三与实施例一的区别在于，S103步骤中的DNA水凝胶制备所采用的聚合温度不同，对比例一至三的聚合温度分别采用26℃、28℃和34℃。

[0039] 表1不同聚合温度对DNA水凝胶提铀性能的影响

[0040]项目 对比例一 对比例二 实施例一 对比例三
反应温度(℃) 26 28 30 34
提铀量(mg/g) 8.93 10.42 13.96 10.85

[0041] 对比例四至七：对比例四至七与实施例一的区别在于，S103步骤中的DNA水凝胶制备所采用的聚合时间不同，对比例四至七的聚合温度分别采用12h、16h、20h及30h。

[0042] 表2不同聚合时间对DNA水凝胶提铀性能的影响

[0043]

[0044] 对比例八至十一：对比例八至十一与实施例一的区别在于，S102步骤中的环状预聚物制备中，不同原料用量(BSA、NaCl、dNTPs)对DNA水凝胶提铀性能的影响如表3，其他条
件与实施例一相同。

[0045] 表3不同原料用量对DNA水凝胶提铀性能的影响

[0046]项目 对比例八 对比例九 对比例十 实施例一 对比例十一
BSA 1μL 1μL 2μL 2μL 3μL
NaCl(800mM) 1μL 1μL 2μL 2μL 3μL
dNTPs(25mM) 1μL 2μL 2μL 4μL 2μL
提铀量(mg/g) 6.32 7.86 8.76 13.96 10.26

[0047] 如实验结果所示，本发明的DNA水凝胶对铀酰离子表现出了高特异性选择吸附。可能是由于其特定螺旋空间结构以及磷酸根的配位协同作用，磷酸根的配位体现在磷酸基团
中的氧原子与铀酰中的铀原子之间可形成六个配位键。

[0048] 综上所述，采用本发明所提供的一种用于海水提铀的特异性DNA水凝胶材料的制备方法，先成环预聚后滚环复制聚合反应获得DNA水凝胶，为海水提铀提供一种新型吸附
剂，操作方法简单易行，设备使用少，吸附时间短，实际应用潜力大。且本发明获得的特异性
DNA水凝胶材料对铀有良好的特异性和选择性，可抵抗共存的干扰离子，尤其是对铀的选择
性是对钒的17.95倍，同时具有良好的拉伸性能，可循环使用。

[0049] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。