介孔TiO2對膽紅素的吸附研究

張 鵑,楊 梅,吳 獎,左定財(cái),鐘永科

(遵義醫(yī)科大學(xué) 藥學(xué)院，貴州 遵義 563099)

膽紅素是血紅蛋白及其他血紅素蛋白中的血紅素在巨噬細(xì)胞或其他網(wǎng)織內(nèi)皮細(xì)胞及肝細(xì)胞的代謝產(chǎn)物，血液中膽紅素的高低是臨床上判定黃疸的重要依據(jù)[1]。當(dāng)出現(xiàn)肝臟病變或膽管阻塞、膽紅素葡萄糖醛酸轉(zhuǎn)移酶的功能障礙或缺乏時，血液中膽紅素則會超過正常值，導(dǎo)致肝膽功能受損、新生兒核黃疸、永久性腦損傷[2-4]等疾病的發(fā)生。

目前，降低血液中高濃度膽紅素的有效方法之一是血液灌流，通過吸附劑吸附去除，常用的吸附劑有活性炭、合成高分子樹脂、多糖、凝膠等[5]。TiO2是一個廣泛應(yīng)用于污水處理、太陽能電池、清潔抗菌等領(lǐng)域的重要材料，具有易于合成、廉價無毒和化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)[6]。近年來，由于發(fā)現(xiàn)TiO2還具有很好的血液相容性，顯示出它作為血液吸附材料的重要潛質(zhì)[7]而引起藥物材料學(xué)者的興趣，但是，目前用于膽紅素吸附的TiO2為薄膜[8]或顆粒狀的納米粒子[ 7-10]，但薄膜的吸附和使用都有限，而顆粒粒子則在使用過程中存在容易流失、不易回收且對膽紅素的吸附容量也小等問題。

本研究采用介孔TiO2作為吸附材料，具有使用中不易流失、易回收的特點(diǎn)；對亞甲基藍(lán)的吸附表明，其吸附作用顯著高于商品P25納米顆粒粉體[11-12]。本實(shí)驗(yàn)研究其對膽紅素的吸附。

1 材料與方法

1.1 試劑和儀器 膽紅素 (純度>99.0%，上海信裕生物科技有限公司)；TiCl4、乙二胺、氫氧化鈉(均為分析純，成都市科龍化工試劑廠)；實(shí)驗(yàn)室用水為高純?nèi)ルx子水；粉體P25 (德國Degussa生成的粒徑在25 nm左右的納米TiO2粉體，用于吸附比較)；HA130型血液灌流器(吸附劑：聚苯乙烯大孔樹脂，珠海健帆生物科技股份有限公司)。數(shù)顯恒溫振蕩器(SHZ-82A，金壇市朗博儀器制造有限公司)；雙光束紫外可見分光光度計(jì)(U-3010，日本Hitachi公司)；靜態(tài)氮吸附儀(JW-BK122W，北京精微高博公司)，高分辨透射電鏡(JEOL-2100f，日本電子株式會社)，掃描電鏡(S-3400N，日本Hitachi公司)。

1.2 介孔TiO2的制備 按四氯化鈦與乙二胺的摩爾比1∶1、1∶2、1∶4和1∶8在5.00 mL四氯化鈦中分別緩慢加入乙二胺，再加入100 mL去離子水，然后將混合液置于聚四氟乙烯內(nèi)襯的高壓反應(yīng)釜中120 ℃反應(yīng)，產(chǎn)物經(jīng)離心，用去離子水清洗3次、乙醇清洗3次，45 ℃烘干后，制得介孔TiO2。按加入的四氯化鈦:乙二胺摩爾比，將所得TiO2介孔產(chǎn)物分別標(biāo)示為M1-1、M1-2、M1-4和M1-8。對照物聚苯乙烯大孔樹脂標(biāo)示為HA130。

1.3 TiO2樣品的表征 樣品比表面積及孔徑表征(BET)分析采用北京精微高博的JW-BK122W型靜態(tài)氮吸附儀，測定前樣品分別用氦氣和氮?dú)馕?、脫附處理，然后?20℃下脫氣活化1 h，比表面選點(diǎn)范圍(P/P0) 0.05～0.3。樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)、表面形貌分別采用透射電鏡(TEM)及掃描電鏡(SEM)分析，透射電鏡采用日本理學(xué)的JEOL-2100f型場發(fā)射高分辨透射電鏡，加速電壓80 ～ 200 KV，點(diǎn)分辨率0.19 nm，制樣時先將樣品用無水乙醇分散，超聲2 min制成混懸液，然后將混懸液滴到銅網(wǎng)上揮發(fā)干燥，最后抽真空、測樣。掃描電鏡分析采用日本Hitachi公司的S-3400N型掃描電鏡。

1.4 膽紅素的吸附 膽紅素溶液的配制：膽紅素溶液按照文獻(xiàn)[13]配制，準(zhǔn)確稱取膽紅素(0.02g)后倒入預(yù)先用氮?dú)獯祾? min的100 mL容量瓶中，然后在避光條件下用0.1 mol/L的氫氧化鈉溶液(3～4 mL)溶解，用pH為7.40的磷酸緩沖液稀釋定容。膽紅素的吸附：0.020 g的TiO2加入30 mL pH為7.40的磷酸緩沖液浸泡12 h，之后倒出上清液，100 ℃烘干4 h，再分別加入質(zhì)量濃度為40.0 mg/L的膽紅素溶液50.0 mL，在恒溫水浴搖床中給定溫度下振搖，定時取上清液，在波長為438 nm[14]下測定膽紅素的吸光度，利用公式：

q=(C0-C)V /m

(1)

(其中C0為膽紅素溶液的原始濃度，C為吸附開始后某時刻膽紅素的濃度，V為膽紅素溶液的體積，m是樣品的質(zhì)量)計(jì)算吸附量q。P25和HA130對膽紅素的吸附與上述TiO2對膽紅素吸附的檢測方法相同。

2 結(jié)果

2.1 TiO2的織構(gòu)分析

2.1.1 孔徑分布 典型樣品M1-4的等溫氮吸附-脫附曲線見圖1，結(jié)果顯示，樣品M1-4的等溫吸附-脫附曲線為IUPAC分類中的第IV型等溫線，存在H3型回滯環(huán)，說明該TiO2具有典型的縫狀介孔。此外，圖1結(jié)果還表明，回滯環(huán)的飽和吸附平臺不夠明顯，說明孔結(jié)構(gòu)非均一，可能是介孔和微孔的混合體系[15]。

圖1 M1-4的等溫氮吸附-脫附曲線

所得樣品TiO2的介孔孔容-孔徑分布見圖2，結(jié)果顯示，對比于粉體P25的-介孔分布幾乎接近于0，產(chǎn)物具有明顯的介孔分布，且介孔孔容-孔徑分布的變化明顯，說明乙二胺加入量對產(chǎn)物的介孔孔容-孔徑分布有重要影響：當(dāng)四氯化鈦與乙二胺的摩爾比在1∶1、1∶2時，產(chǎn)物介孔分布較分散，雖然在2.8 nm處有一峰值分布，但不大；當(dāng)四氯化鈦與乙二胺的摩爾比增加至1∶4時，產(chǎn)物孔徑迅速集中，向大孔徑移動，主要分布在3.2～6.5 nm，至1∶8時產(chǎn)物孔徑分布在4.1 nm呈現(xiàn)最大峰值，說明產(chǎn)物M1-8的介孔最為集中，且集中在4.1 nm附近。

圖2 TiO2的介孔孔容-孔徑分布

乙二胺加入量對產(chǎn)物微孔孔容-孔徑分布曲線見圖3，結(jié)果顯示，當(dāng)四氯化鈦與乙二胺的摩爾比為1∶1時，產(chǎn)物的微孔孔容-孔徑分布幾乎沒有變化，與粉體P25幾乎相當(dāng)，但是，當(dāng)四氯化鈦與乙二胺的摩爾比增加至1∶2以上，產(chǎn)物微孔孔容-孔徑分布的變化趨于明顯，但各產(chǎn)物之間顯示出相似的變化趨勢，微孔分布都主要集中在0.29～0.92 nm、0.92～1.31 nm兩個點(diǎn)附近。

2.1.2 織構(gòu)結(jié)果 介孔TiO2及粉體P25的BET結(jié)果見表1，結(jié)果顯示，粉體P25的BET結(jié)果都是最小的，而介孔產(chǎn)物的BET結(jié)果都有較高的值，且隨乙二胺比例的逐漸升高而呈現(xiàn)出先增加(由1∶1至1∶4)后減少(由1∶4至1∶8)的趨勢，說明乙二胺的加入量與介孔體積之間存在一個適當(dāng)?shù)谋壤⒈?的結(jié)果與圖1和圖2 的孔容-孔徑分布對比，可以看出，產(chǎn)物M1-1的小微孔體積與圖2 中M1-1的平直微孔-孔徑分布變化相吻合；對比產(chǎn)物M1-8在圖1中最集中的介孔分布，表1中M1-8介孔體積沒有增加反而減小，說明產(chǎn)物介孔體積的大小與介孔的集中程度沒有直接的關(guān)系。

圖3 TiO2的微孔孔容-孔徑分布

表1介孔TiO2的BET結(jié)果

樣品SBET(m2·g-1)Vtotal(cm3·g-1)Vmicro(cm3·g-1)Vmeso(cm3·g-1)DBJH(nm)P2545.230.160.010.1413.71M1-174.240.490.020.4726.31M1-2355.230.720.130.588.02M1-4442.040.660.170.495.97M1-8292.830.410.110.305.66

SBET：比表面積；Vtotal：總孔體積；Vmicro：微孔體積；Vmeso：介孔體積；DBJH：平均孔徑。

2.2 TEM及SEM結(jié)果 圖4(a)、(b)為典型產(chǎn)物M1-4的TEM結(jié)果，結(jié)果顯示所得圖像為顆粒邊緣的透視圖，清晰表明TiO2介孔產(chǎn)物的介孔形態(tài)為縫隙狀，主要由并行排列的粒子堆積而成，粒子間結(jié)合緊密，這與氮吸附分析所得的結(jié)果相同。圖4(c)為TiO2的衍射環(huán)圖，照片中可以看見清晰的環(huán)狀，提示TiO2介孔有較好的晶型結(jié)構(gòu)。圖4(d)為TiO2的SEM結(jié)果，顯示介孔產(chǎn)物由微米級的顆粒組成，而顆粒顯示由多層TiO2堆積形成(與TEM觀察的結(jié)果吻合)，提示產(chǎn)物在吸附使用中不易流失，有較好的回收性能。

2.3 介孔TiO2對膽紅素的吸附結(jié)果 介孔TiO2產(chǎn)物及粉體P25對膽紅素吸附結(jié)果見圖6，結(jié)果顯示，所有樣品對膽紅素的吸附在20 min之前曲線都較陡，70 min后趨于平緩，120 min基本達(dá)到吸附平衡，說明它們對膽紅素的吸附在120 min后基本完成。對比不同樣品的初期曲線變化，介孔TiO2產(chǎn)物及粉體P25對膽紅素的吸附在初期比商品HA130快，說明膽紅素在TiO2產(chǎn)物介孔內(nèi)的擴(kuò)散可能較快。對比不同樣品對膽紅素的吸附量，商品HA130對膽紅素的吸附雖然高于粉體P25，但比介孔TiO2產(chǎn)物低得多，所有介孔TiO2產(chǎn)物對膽紅素的吸附均遠(yuǎn)高于粉體P25，120 min吸附后粉體P25對膽紅素的平衡吸附量僅為11.2 mg/g，而吸附量最高的M1-4對膽紅素的吸附量達(dá)21.5 mg/g，幾乎是粉體P25的兩倍。此外，通過觀察吸附過程中的溶液狀態(tài)表明，粉體P25吸附溶液在測定吸光度時需要高速離心才可獲得清澈透明的溶液而介孔TiO2僅需簡單的過濾(0.45 μm的過濾頭)即可獲得，說明介孔TiO2易分離而不易流失。

為進(jìn)一步了解介孔TiO2產(chǎn)物對膽紅素的吸附性質(zhì)，我們對吸附曲線使用Lagergren準(zhǔn)二級速率方程[16]作進(jìn)一步分析，公式：

圖4 TiO2的TEM結(jié)果為(A)、(B)，衍射環(huán)圖為(C)，SEM結(jié)果為(D)

圖6 介孔TiO2吸附膽紅素的動力學(xué)曲線

(2)

其中 t為時間(min)，qt和q分別表示任一t時刻(min)的吸附量(mg/g)和吸附平衡時的吸附量(mg/g)、K為準(zhǔn)二級吸附速率方程的吸附速率常數(shù)(g/(mg·min))進(jìn)行了擬合，所得擬結(jié)果如圖7所示。圖7結(jié)果表明，介孔TiO2產(chǎn)物對膽紅素的吸附與準(zhǔn)二級吸附速率方程吻合得很好，說明吸附體系存在多重吸附過程，如化學(xué)吸附及毛細(xì)管凝聚等[17]，整個吸附是多重吸附的綜合結(jié)果。所得相關(guān)參數(shù)如表2所示。表2結(jié)果說明準(zhǔn)二級動力學(xué)計(jì)算出的飽和吸附量與吸附120 min時實(shí)際值相差不大，具有較好的線性關(guān)系。

qexp：實(shí)驗(yàn)測得的平衡吸附量，qfit：通過動力學(xué)曲線擬合得到的平衡吸附量，K：準(zhǔn)二級吸附速率方程的吸附速率常數(shù)(單位g/mg·min)，R2：相關(guān)系數(shù)。

圖7 介孔TiO2吸附膽紅素的準(zhǔn)二級動力學(xué)擬合曲線

表2介孔TiO2的吸附與擬合參數(shù)

吸附劑qexp(mg/g)準(zhǔn)二級動力學(xué)方程qfit(mg/g)K×103R2M1-117.418.73.900.96M1-219.420.14.140.96M1-421.522.54.020.97M1-819.120.43.330.95HA13015.616.83.460.93P2511.210.97.500.96

2.4 將介孔TiO2孔體積與膽紅素的吸附量進(jìn)行比較及2.4～4.1 nm介孔TiO2累計(jì)孔體積與膽紅素的吸附量之間的關(guān)系(見圖8、9)

圖8 TiO2的介孔體積與吸附量的關(guān)系

圖9 TiO2的2.4-4.1 nm的累計(jì)介孔孔體積與吸附量的關(guān)系

3 討論

本實(shí)驗(yàn)所得產(chǎn)物TiO2是典型的縫狀介孔材料，其比表面積、總孔體積、介孔體積和微孔體積都有較高的值，且隨乙二胺比例的逐漸升高而呈現(xiàn)出先增加后減少的趨勢，說明不同條件處理對于產(chǎn)物的織構(gòu)變化具有明顯的影響，比例越高，比表面積、孔體積、介孔體積也逐漸升高。

眾多關(guān)于多孔材料吸附性質(zhì)的研究表明，影響其吸附的主要因素是其織構(gòu)[10, 18-19]，考慮到膽紅素的分子量(M= 584.67)，其吸附孔隙必然是介孔，但是，將介孔TiO2孔體積與膽紅素的吸附量進(jìn)行比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)并非介孔體積越大吸附越多(見圖8)，說明有相當(dāng)一部分介孔沒有發(fā)揮作用。經(jīng)過仔細(xì)的研究比較，我們發(fā)現(xiàn)，尺寸在2.4～4.1 nm的介孔對膽紅素的吸附存在很好的相關(guān)性，2.4～4.1 nm的累計(jì)介孔孔體積與膽紅素的吸附量之間的關(guān)系如圖9所示，這一發(fā)現(xiàn)說明：對膽紅素的吸附，2.4～4.1 nm尺寸的介孔是關(guān)鍵。

本實(shí)驗(yàn)所得產(chǎn)物TiO2為介孔材料，對膽紅素的吸附與2.4～4.1 nm尺寸的介孔存在很好的相關(guān)性，且符合二級動力學(xué)方程。與粉體P25相比介孔TiO2具有不易流失而易于回收的優(yōu)點(diǎn)，其膽紅素吸附量是粉體P25的近兩倍；與市售的HA130對膽紅素的吸附效果相比，介孔TiO2的膽紅素吸附效果也優(yōu)于HA130。