【Ga-MOFs】独特的镓-有机框架用于水中药用抗生素的排除

首页 > 行业动态 > 【Ga-MOFs】独特的镓-有机框架用于水中药用抗生素的排除

摘要：
University of Birjand的Heidar Raissi老师等报道的本篇文章（npj Clean Water 7, 120 (2024)）中研究了镓金属有机框架（Ga-MOFs）和酰亚胺功能化的MOFs（F-MOFs）在通过吸附去除水中抗生素方面的应用。通过分子动力学模拟，评估了阿米卡星（AMC）、卡那霉素（KMC）和妥布霉素（TMC）在MOF和F-MOF表面的吸附。模拟结果表明，这些吸附剂能有效吸附这些抗生素。π-π堆叠相互作用促进了抗生素与基底之间的强结合。此外，元动力学模拟揭示了KMC/MOFs的自由能最小值为-254.29 KJ/mol，KMC/F-MOFs为-187.62 KJ/mol，证实了复合物的稳定性。这一理论方法突出了基于Ga-MOF的材料在减轻抗生素污染对环境和健康影响的潜力。

研究背景：
1. 抗生素污染对生态系统构成严重威胁，尤其是在水生环境中，抗生素的残留可能导致微生物抗药性的增加，对人类健康和环境安全构成威胁。
2. 已有研究提出了多种技术，如芬顿生物降解、吸附、纳米过滤、臭氧化等，用于从水源中去除这些抗生素。
3. 本文作者利用独特的镓-有机框架（Ga-MOF）和酰亚胺功能化的MOFs（F-MOFs）进行抗生素的吸附研究，通过分子动力学和元动力学模拟，提供了对抗生素吸附机制的深入理解，并探讨了功能化对提高吸附效率的影响。

实验部分：
1. 分子动力学模拟实验步骤：
   1) 从Xie等人的研究中获取Ga-MOFs晶体结构的X射线数据。
   2) 选择4,4′,4″,4″′-(1-4-phenylene-bis(pyridine-4,2,6-triyl)) (H4PPTA)作为单体构建独特的三维Ga-MOF。
   3) 通过在四个不同位置引入四个酰亚胺基团，形成F-MOFs结构。
   4) 使用GROMACS软件包（版本2019.2）进行所有MD模拟，力场参数来源于CHARMM36，镓的力场参数来源于Wonglakhon等人的量子机械计算。
   5) 构建六个模拟盒子，每个盒子尺寸为12×12×12 nm³，包含六个抗生素分子以及位于中心的MOFs。
   6) 使用12153 TIP3P水模型模拟中性环境，使用周期性边界条件维持系统组分的分离。
   7) 使用粒子网格Ewald技术处理非键电静力和Lennard-Jones相互作用，截断阈值为1.4 nm。
   8) 使用Nose-Hoover恒温器和Parrinello-Rahman恒压器维持温度和压力分别为310 K和1 bar。
   9) 使用线性约束求解技术保持键长在其平衡状态。
   10) 通过最陡下降方法放松模拟系统，然后使用1.5 fs时间步长运行100 ns的分子动力学模拟。
2. 元动力学模拟实验步骤：
   1) 使用PLUMED插件（版本2.5.2）进行元动力学模拟，该插件包含在GROMACS 2019.04包中。
   2) 采用Parrinello等人的温和元动力学模拟方法，使用0.25 Å的宽度和1.0 kJ/mol的初始高斯高度。
   3) 进行500步沉积，偏差因子为15，所有系统进行100 ns的元动力学模拟。

分析测试：
1. 自由能表面（FES）分析：
   1) KMC/MOFs系统的全球最小自由能值为-254.29 kJ/mol，KMC/F-MOFs为-187.62 kJ/mol。
2. 径向分布函数（RDF）分析：
   1) KMC-MOFs和KMC/F-MOFs系统的主要峰值分别出现在约1.07 nm和0.57 nm处，表明抗生素分子与MOFs材料表面具有较强的相互作用。
3. 平均方位移（MSD）计算：
   1) KMC-MOFs和KMC/F-MOFs系统的MSD曲线斜率较低，表明这些系统的药物分子在吸附后移动性降低。
4. 接触次数分析：
   1) 功能化后系统中抗生素分子与MOFs之间的平均接触次数显著增加，例如KMC/F-MOFs系统中平均接触次数为804.46。
5. 氢键数量分析：
   1) KMC/F-MOFs系统中抗生素与水分子之间的氢键数量减少，而与MOFs材料表面的氢键数量增加，例如KMC/F-MOFs系统中平均氢键数量为804.46。
6. 密度分布分析：
   1) KMC在MOFs/F-MOFs表面约1 nm处具有最高的密度值，分别为~71.19 Kg m–3和77.14 Kg m–3。
7. 比表面和孔隙结构分析：
   1) Ga-MOF的比表面积和孔隙结构未在文献中提供具体数值，但文献提到Ga-MOF具有高比表面积和良好的孔隙结构，这对于吸附特定化合物至关重要。
8. 稳定性分析：
   1) Ga-MOF在各种溶剂中表现出优异的稳定性，并且在广泛的pH水平下都能保持稳定，这使其成为一个有效的抗生素检测传感器。
9. 抗干扰能力分析：
   1) Ga-MOF展现出强大的抗干扰能力，能够区分不同的抗生素，并且不受各种干扰离子的影响。
10. 可重复使用性分析：
    1) Ga-MOF在连续五个周期的检测中保持了稳定性和有效性。

总结：
本文的科研成果表明，Ga-MOF和F-MOFs是去除水环境中抗生素污染物的有效材料。通过分子动力学和元动力学模拟，作者揭示了抗生素与MOFs之间的吸附机制，特别是π-π堆叠相互作用和氢键在吸附过程中的作用。实验结果表明，功能化的MOFs（F-MOFs）在提高抗生素吸附效率方面具有潜力。

展望：
本文的研究为水环境中抗生素污染的控制提供了新的视角和材料选择。未来的研究可以进一步探索Ga-MOF和F-MOFs在实际水处理中的应用，包括它们的大规模合成、成本效益分析以及长期稳定性研究。此外，还可以研究这些材料对其他类型污染物的吸附能力，以及它们在不同环境条件下的性能。

Selectivity and morphological engineering of a unique gallium−organic framework for antibiotics exclusion in water
文章作者：Mahdi Barati, Heidar Raissi & Afsaneh Ghahari
DOI：10.1038/s41545-024-00416-4
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41545-024-00416-4

本文为科研用户原创分享上传用于学术宣传交流，具体内容请查阅上述论文，如有错误、侵权等请联系修改、删除。未经允许第三方不得复制转载。