水体和土壤中的重金属污染对水产养殖业和农业具有直接的危害，并将潜在地通过食物链影响人类的安全。在众多重金属污染物中，镉(Cd)来源广泛，是稻田中最常见的重金属之一。蛋白质与重金属离子具有特定的相互作用，重金属离子将在蛋白质上进行选择性吸附，进而对食物造成污染。因此，从蛋白质中分离Cd对于人类食品安全至关重要。

萃取法是从蛋白质中分离Cd的常用方法，这种方法一般使用无机酸或有机酸等来破坏蛋白质与Cd之间的键，以实现金属离子的解离。然而，酸将破坏蛋白质的结构，且存在试剂回收困难的问题。酶切除Cd是一种环境友好的分离技术，但存在Cd毒性影响去除效率的问题。因此，亟需开发一种能高效分离蛋白质中镉的绿色溶剂。离子液体(IL)由有机阳离子和无机或有机阴离子组成，是一种具有良好金属亲和力的蛋白质生物相容性稳定剂。然而，较于蛋白质和重金属的亲和力，IL对重金属的亲和力相对较低，其在从蛋白质中分离镉的应用受到了极大的限制。水杨醛肟与含肟的聚合物可与二价和三价金属离子进行螯合，可对金属离子进行去除。但其应用仍受到试剂毒性与环境危害性的限制。综合考量IL生物相容性的特点与水杨醛肟对金属的亲和性，安徽大学的袁玉鹏与孙英强及其研究团队合成了1-甲基-3(水杨酸醛肟-5-甲基)咪唑鎓六氟磷酸盐([Salenmim][PF₆])，以羟基和肟基作为Cd的配体来增强Cd的提取。

首先，研究者探索了pH与IL和Cd²⁺的摩尔比对分离效果的影响。结构显示，[Salenmim][PF₆]在pH为2.0时，对牛血清白蛋白(BSA)中Cd²⁺的去除率为85.31%。[Salenmim][PF₆]:Cd²⁺为1:3时，Cd²⁺的去除率最高，为80.59%。

接着，研究者探索了使用[Salenmim][PF₆]从BSA中分离Cd²⁺的机理。XPS表明，Cd²⁺通常与[Salenmim][PF₆]的C=N和O-H键结合，从而实现Cd²⁺与BSA的分离。另外，BSA与Cd²⁺的分子对接表明，所列的4个氨基酸残基分别为ASP561、ASP562、LYS563和GLU564，与Cd²⁺的配位数接近1，等温滴定量热(ITC)分析进一步确认配位数为1.48，结合常数为2.406×10³。

进一步地，研究者通过DFT计算对络合机理进行了进一步分析。[Salenmim][PF₆]与Cd²⁺的计算结果表明，定位于苯环的HOMO轨道之间的能隙比LUMO轨道高1.6860 eV，有利于[Salenmim][PF₆]-Cd²⁺络合物的形成。

最后，研究者测定了0-100 μM [Salenmim][PF₆]和EDTA结合BSA的荧光强度，以评价它们对BSA结构的潜在影响。结果显示，随着[Salenmim][PF₆]浓度的增加，荧光强度没有明显变化，表明[Salenmim][PF₆]对蛋白结构没有影响。然而，随着EDTA浓度的增加，由于蛋白质结构的破坏，荧光强度显著降低。另外，[Salenmim][PF₆]对Cd²⁺进行提取后，BSA的二级和三级结构不发生改变且不存在IL残留。

总而言之，这项工作报道了一种高镉亲和力IL——[Salenmim][PF₆]的合成，并系统揭示了[Salenmim][PF₆]的结构促进蛋白质中重金属Cd²⁺分离的原理，为蛋白质中重金属的分离提供了一种可能的策略。

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原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894724020308

原文作者：

Zhiwen Ma, Yali Pan, Wenjing Chen, Yutao Wang, Yupeng Yuan and Yingqiang Sun

DOI: 10.1016/j.cej.2024.150543