杯[4]芳烴修飾Amberlite XAD-4樹脂對水介質中膽紅素的吸附性能

熊振湖 ，朱 樂 ，王 月

(天津城市建設學院 a. 天津市水質科學與技術重點實驗室；b. 環(huán)境與市政工程系，天津 300384)

膽紅素(Bilirubin，簡稱 BR，見圖1)是一種溶于水的棕紅色膽汁色素，來自動物體內血紅蛋白等含鐵卟啉化合物分解代謝的產(chǎn)物和代謝中間體，也是血紅蛋白分解代謝后的還原產(chǎn)物[1]．如果血液中的膽紅素超過一定值就會引起一系列疾病，如高膽紅素癥以及色素型膽結石等，高紅素血癥的病人還可能發(fā)生膽汁性肝硬化，其他組織也會被膽紅素染黃而影響其功能并且引起其他綜合癥[2]．所以，將過量膽紅素從血液中去除是很重要的．

通過血液透析、置換、灌流等方法可以將過多的膽紅素除掉[3-5]．血液透析主要是針對低分子量溶質進行的膜過濾，不適合去除中分子量的尿毒素，而血液置換需要大量的新鮮冷凍血漿，這是非常昂貴的．血液灌流是利用吸附原理而達到血液凈化的一種方法，可以同時去除血液中的小分子量與中分子量的毒素[6]．對于血液灌流，最為關鍵的因素是選擇適宜的吸附劑，它應無毒且具有良好的血液相容性及吸附選擇性，還要具備對膽紅素的較高吸附容量及吸附速率．血液灌流法早期使用的吸附材料是活性碳[7]，但它存在對膽紅素吸附容量低和吸附選擇性差的缺點，并容易發(fā)生顆粒脫落導致血管堵塞．

杯[4]芳烴是一類由苯酚和甲醛縮合而成的大環(huán)化合物[8]，具有預成型的疏水空穴，可與一系列有機或無機化合物形成主-客體絡合物，廣泛用于液體介質中的中性分子與生物分子的識別與萃取[9]．然而，杯芳烴的疏水性導致它在水中的溶解性很低，往往需要加入有機溶劑進行液—液萃取[10]．另一方面，杯芳烴的剛性結構在一定程度上限制了它們識別生物大分子的能力[11]．

Amberlite XAD-4樹脂是一種苯乙烯和二乙烯基苯的共聚物[12]．這種高分子材料具備高比表面積和低極性大孔，而且在各種環(huán)境條件下都具有優(yōu)異的化學、物理與熱穩(wěn)定性，還可耐受大范圍的pH變化，這就使其成為液相中生物分子優(yōu)異的吸附材料[13]．另外，Amberlite XAD-4樹脂聚合物網(wǎng)絡中的苯環(huán)殘基還可以通過重氮化、酰化、硝化等反應而共價連接不同的功能基團，進而衍生出具備優(yōu)異結合特性的吸附材料[14]．

筆者將杯[4]芳烴與Amberlite XAD-4樹脂二種吸附材料的優(yōu)勢相結合，并提高杯[4]芳烴修飾Amberlite XAD-4樹脂復合吸附材料的吸附能力．為此，通過重氮化反應將杯[4]芳烴共價結合到 Amber-lite XAD-4樹脂上，并且采用紅外光譜、XRD、SEM表征了杯[4]芳烴修飾Amberlite XAD-4樹脂復合材料，首次通過水溶液中的膽紅素吸附實驗探討了杯[4]芳烴修飾Amberlite XAD-4樹脂復合吸附劑的量，溶液pH等參數(shù)對吸附過程的影響．

圖1 膽紅素的化學結構式

1 實驗材料與方法

1.1 試劑與儀器

膽紅素(安陽九州藥業(yè)有限責任公司)的純度≥98%，NaOH、甲醛、二苯醚、丙酮、乙酸、乙醇等為分析級試劑，購自天津江天化學品公司．濃度為 500 mg/L的膽紅素本體溶液用二次蒸餾水配制，使用前將其稀釋到所需濃度．

HZQ-QG振蕩器(中國哈爾濱東聯(lián)電子技術開發(fā)有限公司)，紫外-可見分光光度計(北京普析通用儀器有限責任公司)，3H2000BET-M BET比表面儀(北京貝士德儀器科技有限公司)，紅外光譜數(shù)據(jù)由傅利葉變換紅外光譜儀(FTIR，NEXUS-5670，Nicolet，America)測得．杯[4]芳烴修飾Amberlite XAD-4樹脂的熱穩(wěn)定性采用 S II Nano Technology Inc TG/DTA6300熱重分析儀檢測．用 PHILIPS公司的XL30-ESEM 環(huán)境掃描電鏡觀察修飾樹脂的表面形貌．

1.2 杯[4]芳烴修飾Amberlite XAD-4樹脂吸附劑的制備

根據(jù)文獻方法合成杯[4]芳烴[15-16]，繼而接枝到Amberlite XAD-4樹脂上[17]．杯芳烴與樹脂的接枝過程如圖2所示．首先將Amberlite XAD-4樹脂用濃硫酸與硝酸的混合物硝化，經(jīng) SnCl2·2H2O 將硝基還原為氨基，再用NaNO2在酸性條件下進行重氮化，最后與杯[4]芳烴連接得到杯[4]芳烴修飾的 Amberlite XAD-4樹脂．

1.3 間歇吸附實驗

因為膽紅素在直接暴露于陽光或其它紫外光源時(包括熒光)容易分解，所有的吸附實驗都在暗處以間歇方式進行．將 0.08 g杯[4]芳烴修飾樹脂加入到250mL具塞錐形瓶內，加入150 mL一定初始濃度的膽紅素溶液，用0.1 M HCl或NaOH溶液調節(jié)懸浮液的pH值，封口膜密封，于溫度與速度可調的搖床上以160 r/min振蕩，在規(guī)定時間內從溶液中取樣并常壓濾出樹脂，用紫外-可見光分光光度計在438 nm檢濾液中游離膽紅素的濃度并計算單位吸附劑對膽紅素的吸附量，其公式為

式中：q是吸附在單位吸附劑上膽紅素的量mg/g；Ci與 Ct分別是初始溶液中與吸附之后水中膽紅素的濃度，mg/L；Vs是膽紅素溶液的體積，L；m 是吸附劑的質量，g．

圖2 杯[4]芳烴(II)與Amberlite XAD-4樹脂的修飾

2 結果與討論

2.1 杯[4]芳烴修飾XAD-4樹脂的比表面積及孔徑

表1列出了Amberlite XAD-4樹脂和杯[4]芳烴修飾樹脂的BET比表面積、孔容及孔徑數(shù)據(jù)．數(shù)據(jù)顯示二者的孔徑?jīng)]有明顯差別，但前者的比表面積和孔容都明顯大于后者，原因是杯[4]芳烴覆蓋到樹脂上占據(jù)了一部分位置所致．

對比經(jīng)過杯[4]芳烴修飾與否樹脂的比表面積與孔容，似乎是未被修飾的樹脂(具有較大的比表面積和孔容)應該對膽紅素具有更好的吸附效果，但實驗結果與之相反(見以下有關章節(jié))．這個現(xiàn)象跟吸附劑與吸附質的化學結構有關．杯[4]芳烴修飾的樹脂其比表面積和孔容雖然有所降低，但是，杯[4]芳烴的孔穴與膽紅素的包結作用及其杯[4]芳烴的羥基跟膽紅素上的氨基與羧基相互間形成的氫鍵抵消甚至超過了比表面積和孔容縮小對吸附容量的影響．由此可見，不僅僅是比表面積與孔容決定著吸附劑對某種物質的吸附容量，也與吸附劑與吸附質的化學結構有很大的關系．

表1 Amberlite XAD-4與杯芳烴修飾樹脂的BET比表面積、孔容及孔徑

2.2 杯[4]芳烴修飾XAD-4樹脂的掃描電鏡圖像

由圖3a可見，Amberlite XAD-4樹脂表面比較粗糙．圖3b是杯[4]芳烴修飾Amberlite XAD-4樹脂放大 30倍的 SEM圖像，可見杯[4]芳烴覆蓋 Amberlite XAD-4后小球表面呈現(xiàn)出平滑與規(guī)則形狀．

2.3 杯[4]芳烴修飾XAD-4樹脂的FTIR譜圖

圖4給出了杯[4]芳烴修飾Amberlite XAD-4樹脂的FT-IR譜，從圖4a可以明顯觀察到硝化樹脂苯環(huán)上硝基的反對稱伸縮振動(1 521 cm?1)和對稱伸縮振動(1 348 cm?1)特征峰，以及 C—N 鍵的伸縮振動(841 cm?1)吸收峰．圖4b給出了杯芳烴修飾樹脂復合物的FT-IR譜，圖中杯[4]芳烴、Amberlite XAD-4的特征吸收峰都有體現(xiàn)，但又與二者單獨存在的FT-IR不同．在 1 242、1 367、1 445、1 507、1 699 cm?1處的峰與 C—O、C—N 和 N＝N 基團的吸收有關，顯示出Amberlite XAD-4樹脂的重氮化和杯[4]芳烴與樹脂的連接狀態(tài)．

圖3 SEM圖像

圖4 FT-IR譜

2.4 杯[4]芳烴修飾 Amberlite XAD-4樹脂與單純Amberlite XAD-4樹脂吸附容量的比較

吸附劑的劑量是一個重要參數(shù)，它決定著在操作條件下吸附劑對給定吸附質的吸附容量．圖5給出了溫度在 25 ℃、膽紅素濃度為 20 mg/L(10 mL溶液)、pH值為7.4、接觸時間為5 h，杯[4]芳烴修飾樹脂與單純樹脂的量對膽紅素吸附的影響．

圖5 杯[4]芳烴修飾 Amberlite XAD-4樹脂與純 Amberlite XAD-4樹脂吸附膽紅素的比較

由圖5可見，單純Amberlite XAD-4樹脂具有一定的吸附容量，當其投加量為20 mg時對膽紅素的去除率達25.3%，并且隨投加量的增加而緩慢增加；投加量為100 mg時對應的去除率為32.8%．然而，比較于單純的樹脂，杯[4]芳烴修飾的Amberlite XAD-4樹脂大大提高了對膽紅素的吸附容量，而且隨吸附劑投加量的增加二者的差距更為顯著．杯[4]芳烴修飾Amberlite XAD-4樹脂的量為100 mg時，對膽紅素的去除率達90.1%，此時若繼續(xù)加大吸附劑的量，則去除率趨于平衡．

單純Amberlite XAD-4樹脂的吸附能力與樹脂內部存在適宜大分子的大孔有關．膽紅素分子受濃度梯度的驅使進入孔隙中，并在范德華力(分子間力)的作用下黏附于樹脂的孔壁，表現(xiàn)出對膽紅素一定的吸附容量，并且隨Amberlite XAD-4量而緩慢增加．杯[4]芳烴修飾 Amberlite XAD-4樹脂吸附膽紅素能力明顯增強，原因除了Amberlite XAD-4樹脂本身具有的吸附能力外，杯[4]芳烴上膽紅素的作用也不可忽視，例如，膽紅素分子結構中含有 4個吡咯環(huán)，每個吡咯環(huán)上都有一個亞氨基，而且膽紅素分子中有兩個羧基，除了膽紅素分子的部分殘基進入杯[4]芳烴疏水空腔產(chǎn)生的吸附容量外，膽紅素分子的亞氨基與羧基都能與杯[4]芳烴的羥基形成氫鍵，這些方面的共同(協(xié)同)作用增強了杯[4]芳烴修飾樹脂對膽紅素的吸附容量．至于高吸附劑量下去除率趨于平衡的原因與吸附劑上的位點達到飽和及其被吸附的膽紅素與溶液中游離的膽紅素間形成靜電斥力有關．

2.5 溶液pH對膽紅素吸附性能的影響

為評價介質 pH對于修飾樹脂吸附膽紅素的影響，在膽紅素初始濃度為 20 mg/L、杯[4]芳烴修飾Amberlite XAD-4樹脂投加量為60 mg/10 mL、反應時間為 5 h 的條件下，在不同 pH(例如 5.0，6.0，7.0，8.0，9.0和11.0)下進行吸附實驗，結果如圖6所示．

圖6 不同pH下膽紅素的去除率

由圖6可見，在近中性(pH=5～7)條件下，杯[4]芳烴修飾 Amberlite XAD-4樹脂對膽紅素有很大的吸附容量，但隨 pH的降低或增大吸附容量都迅速降低(低pH下的實驗數(shù)據(jù)未給出)．這個現(xiàn)象與吸附劑與吸附質二者的結構都有關系[18]，在酸性(pH＜5)溶液中膽紅素的氨基被質子化(帶部分的正電荷)而表現(xiàn)出正電性，在同樣條件下，杯[4]芳烴修飾Amberlite XAD-4樹脂的酚羥基因質子化也呈現(xiàn)出部分的正電性，二者之間的靜電斥力導致被吸附膽紅素的量很少．在堿性條件下，膽紅素的酸性基團(―COOH)強烈地解離為帶負電荷的極性化合物，而修飾樹脂中杯[4]芳烴的酚羥基變成負離子(PhO-)，負電荷的排斥力使膽紅素不容易靠近修飾樹脂，表現(xiàn)為對膽紅素的吸附能力也很?。挥性诮行?pH=5～7)溶液中膽紅素與修飾樹脂的極性最小，在此條件下修飾樹脂的羥基與膽紅素上的羧基及氨基之間能形成作用力相對強的氫鍵，表現(xiàn)為修飾樹對膽紅素有很大的吸附容量．另外，考慮到人體血液的 pH為 7.4，故將修飾樹脂對膽紅素的吸附實驗在pH=7.4下進行．

2.6 杯[4]芳烴修飾Amberlite XAD-4樹脂吸附膽紅素的時間確定

圖7 時間對杯[4]芳烴修飾 Amberlite XAD-4樹脂吸附水中膽紅素的影響

臨床上血液灌流的時間一般為3～4 h，因此，吸附平衡時間也是考察吸附效果的重要指標．從圖7可見，在2 h左右杯[4]芳烴修飾Amberlite XAD-4樹脂對膽紅素的吸附容量接近于最大(以298 K為例，1 h的吸附容量為2.1 mg/g，5 h的吸附容量為2.2 mg/g)，再延長吸附時間，吸附容量緩慢趨向于平衡，而且溫度越高達到平衡吸附的時間越短，這是高溫時膽紅素的構象發(fā)生了變化，也是溶液中游離的膽紅素分子高溫下運動速度加快，從而向吸附劑擴散的速度加快．

3 結 論

(1)在溫度為 25 ℃，杯[4]芳烴修飾 Amberlite XAD-4樹脂的使用量為 100 mg/10 mL、膽紅素初始濃度為20 mg/L、吸附時間為2 h的條件下，吸附劑的最大吸附容量是 2.1 mg/g，膽紅素的去除率達到 90%以上；而在相同條件下，單純Amberlite XAD-4樹脂對膽紅素的去除率僅為32.8%．

(2)溶液的酸堿性對膽紅素的吸附有很大的影響，在近中性(pH=5～7)條件下修飾樹脂對膽紅素的吸附容量達到最大值，隨 pH的降低或增大吸附容量都迅速降低．

(3)在實驗條件下，杯[4]芳烴修飾 Amberlite XAD-4樹脂對膽紅素達到吸附容量趨向平衡的時間為2 h左右，溫度越高達到平衡吸附的時間越短．考慮臨床上血液灌流的時間限制，將吸附時間定位為2 h．

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