不同結(jié)構(gòu)碳納米管吸附膽紅素的研究

湯佳玉，孔鵬飛，鞠 佳，唐 敏，徐見飛，王 令，陳 勝

（遼寧石油化工大學(xué)石油化工學(xué)院，遼寧撫順113001）

膽紅素是一種內(nèi)源性毒素，是體內(nèi)血紅素的代謝產(chǎn)物，體內(nèi)濃度較高時可對大腦和神經(jīng)系統(tǒng)造成不可逆損害，嚴(yán)重時會危及生命[1-2]。臨床通常采用血液灌流直接迅速去除高濃度膽紅素，對于血液灌流過程，膽紅素吸附劑的選擇極為重要。膽紅素吸附劑包括有機(jī)聚合材料如親和膜[3]、大孔水凝膠[4-5]、靜電紡絲膜[6]、分子印記材料[7-8]，而無機(jī)膽紅素吸附劑包括活性炭[9-10]、二氧化鈦[11-12]、碳納米管[13-14]等。

對于無機(jī)吸附材料，活性炭最早用于血液灌流，但由于其存在活性炭顆粒脫落和血液相容性差的問題，未能得到廣泛應(yīng)用。隨著無機(jī)納米材料的發(fā)展，無機(jī)材料又重新受到生物醫(yī)學(xué)專家的關(guān)注。納米二氧化鈦為光催化劑，在紫外光輻射下降解并吸附膽紅素[15]。碳納米管具有碳六邊形晶體結(jié)構(gòu)組成的疏水表面、獨特的中空結(jié)構(gòu)和比表面積大的特點，因此在含金屬廢水和染料廢水中應(yīng)用較為廣泛,如去除重金屬鉛離子和銅離子[16]、去除有機(jī)染料甲基藍(lán)[17]和剛果紅[18]等。K.Shinke等[19]制備出多壁碳納米管，將其用于膽紅素的吸附，多壁碳納米管顯示出極大的膽紅素飽和吸附量。但是，系統(tǒng)地比較不同類型碳納米管材料吸附膽紅素的研究較少，且碳納米管經(jīng)過酸氧化處理以后，還能在表面引入羧基等官能團(tuán)，有利于進(jìn)一步功能優(yōu)化或者與有機(jī)材料進(jìn)行共混制備有機(jī)無機(jī)共混親和膜。

本文主要研究了3種碳納米管的膽紅素吸附性能，選擇不同型號的碳納米管，考察了吸附溫度、吸附時間、膽紅素初始質(zhì)量濃度等因素的影響和吸附平衡，還探究了緩沖溶液條件如溶液的p H、NaCl濃度和牛血清白蛋白的質(zhì)量濃度對膽紅素吸附量的影響。該研究將為碳納米管吸附劑的應(yīng)用提供重要的科學(xué)依據(jù)和實踐指導(dǎo)，同時也為后期碳納米管共混微濾膜的研制提供實驗及理論基礎(chǔ)。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

試劑：膽紅素（BR），分析純，東京化成工業(yè)株式會社；多壁碳納米管MWNT-10（MW，管徑為7～15 nm，純度＞97%）、多壁碳納管L-MWNT-4060（LMW，管徑為40～60 nm，純度＞97%）、單壁碳納米管SWNT-2（SW，管徑＜3 nm，純度＞85%），深圳市納米港有限公司；牛血清白蛋白（BSA），生物純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

儀器：THZ-82A水浴恒溫振蕩器，江蘇科析儀器有限公司；HDL-4管式離心機(jī)，金壇市鴻科儀器廠；UV-1800紫外分光光度計，上海精密儀器儀表有限公司；PHS-3C pH計，上海儀電科學(xué)儀器有限公司；SU 8010掃描電子顯微鏡，日本日立公司；DHG-9076A恒溫干燥箱，太倉精宏儀器設(shè)備有限公司；D8 Advance X-射線衍射儀，德國Bruker公司；ASAP2010物理吸附儀，美國Micromeritics公司。

1.2 碳納米管的表征

將碳納米管樣品在60℃恒溫干燥24 h，用牙簽將少量碳納米管樣品粘在樣品臺上，吹掉粘結(jié)不牢固的碳納米管。樣品不經(jīng)鍍金處理，直接在掃描電子顯微鏡下觀察，電壓設(shè)定10.0 kV，得到3種碳納米管在35 000、100 000放大倍數(shù)下的電鏡圖像。

采用X-射線衍射儀進(jìn)行XRD譜圖的測定，將碳納米管置于框架上，Cu靶，工作電壓為40 kV，工作電流為40 mA，掃描角度為5°～100°。

采用物理吸附儀，在77 K的吸附溫度下使用液態(tài)N2進(jìn)行吸附，測試碳納米管比表面積、孔徑和孔容。

1.3 膽紅素吸附實驗

1.3.1 膽紅素溶液的配制 在避光條件下配制膽紅素緩沖溶液，即配即用[20]。準(zhǔn)確量取一定量的膽紅素置于容量瓶中，加入5 mL新鮮配制的0.1 mol/L NaOH溶液，輕輕搖動至膽紅素全部溶解，呈通透酒紅色，加入牛血清白蛋白，使其質(zhì)量濃度為0～30 g/L，再加入2 mol/L的磷酸緩沖溶液10 mL，輕搖均勻并靜置10 min，不斷滴加0.1 mol/L的HCl溶液，將溶液pH調(diào)至7.4左右，用去離子水補(bǔ)齊溶液至定容。

1.3.2 膽紅素吸附實驗 分別稱取3種碳納米管到試劑瓶中，量取膽紅素溶液5 mL，密封避光處理后將吸附瓶置于恒溫水浴振蕩器中，分別在20、37℃下恒溫振蕩，吸附一定時間后，取離心后的吸附上層清液，經(jīng)定量稀釋，利用紫外分光光度計在460 nm下測定其膽紅素質(zhì)量濃度。膽紅素溶液吸附量計算公式如下[21]：

式中，Q為單位質(zhì)量碳納米管的膽紅素吸附量，mg/g；C0、Ct分別為初始、平衡時膽紅素質(zhì)量濃度，mg/mL；V為膽紅素溶液的體積，mL；m為碳納米管的質(zhì)量，g。

2 結(jié)果與討論

2.1 碳納米管的表征結(jié)果

2.1.1 SEM 圖1為碳納米管MW、LMW和SW的掃描電鏡照片。從圖1（a）、（c）和（e）可以看出，MW分散較好，LMW次之，SW分散不好，團(tuán)聚成束。從圖1其余照片可以看出，LMW管徑遠(yuǎn)大于MW管徑，SW有接近2 nm的超細(xì)管徑，但是可能因為純度問題，還有一些大尺寸的管狀物。碳納米管的分散情況和管徑大小可能影響其膽紅素吸附能力。

圖1 碳納米管MW、LMW和SW的掃描電鏡照片

2.1.2 XRD 圖2為碳納米管MW、LMW和SW的XRD譜圖。從圖2可以看出，MW在25.5°和42.8°的衍射角分別對應(yīng)于石墨的（002）和（100）晶面的特征衍射鋒，衍射峰尖銳，表明碳納米管樣品中的石墨結(jié)構(gòu)完整，結(jié)晶良好，未發(fā)現(xiàn)其他雜質(zhì)相的存在；比較3種碳納米管衍射結(jié)果發(fā)現(xiàn)，它們的主要峰值相差很小，說明3種碳納米管成分相同且內(nèi)部結(jié)構(gòu)相似，但是峰面積相差很大，峰面積越大，則晶體含量越高，峰越窄說明晶粒粒度越大。

圖2 碳納米管MW、LMW和SW的XRD譜圖

采用Scherrer公式對晶粒粒度進(jìn)行計算：

式中，D為晶粒粒度，nm；K為Scherrer常數(shù)，數(shù)值為0.89；β為積分半高寬度，rad；θ為衍射角，（°）；λ為X射線波長，數(shù)值為0.154 18 nm。由此可知，3種碳納米管的管徑大小排序為LMW＞MW＞SW。

2.1.3 BET 采用BJH法測試碳納米管的比表面積、孔徑和孔容，結(jié)果見表1。由表1可知，LMW的比表面積、孔徑和孔容都最低；MW和SW比表面積相當(dāng)，但是MW的孔徑和孔容最大，這為膽紅素在碳納米管上的吸附提供更多的吸附位點和空間，有助于提高碳納米管的吸附性能。

表1 碳納米管的比表面積、孔徑和孔容

2.2 吸附溫度和吸附時間對碳納米管吸附性能的影響

在膽紅素質(zhì)量濃度為0.1 g/L、牛血清白蛋白質(zhì)量濃度為20 g/L、p H為7.4的條件下，考察吸附溫度和吸附時間對碳納米管吸附性能的影響，結(jié)果見圖3。

圖3 吸附溫度和吸附時間對碳納米管吸附性能的影響

從圖3可以看出，3種碳納米管的膽紅素吸附量隨溫度的升高而增加。文獻(xiàn)[15,22－23]研究結(jié)果也表明，吸附劑對膽紅素的吸附隨溫度升高而升高。一般來說，吸附隨著溫度的升高而降低，但膽紅素的吸附情況則不同。這是因為：隨著溫度的升高，膽紅素分子發(fā)生構(gòu)象變化，從順式構(gòu)型轉(zhuǎn)變?yōu)榉词綐?gòu)型[15,24]，更易與碳納米管表面發(fā)生相互作用。同時，3種碳納米管均在40 min內(nèi)達(dá)到吸附平衡，在吸附速率上明顯優(yōu)于聚合物材料，通常的高分子材料吸附劑平衡時間約為2 h[25]。

2.3 膽紅素質(zhì)量濃度對碳納米管吸附性能的影響

在牛血清白蛋白質(zhì)量濃度為20 g/L、pH為7.4的條件下，考察膽紅素質(zhì)量濃度對碳納米管吸附性能的影響，結(jié)果見圖4。

圖4 膽紅素質(zhì)量濃度對碳納米管吸附性能的影響

從圖4可以看出，隨著膽紅素質(zhì)量濃度的增加，碳納米管的膽紅素吸附量也增加；當(dāng)膽紅素質(zhì)量濃度為0.5 g/L時，達(dá)到飽和吸附量。其原因為：隨著膽紅素質(zhì)量濃度增加，碳納米管和膽紅素分子之間的碰撞率增加，最終達(dá)到吸附平衡，且膽紅素吸附量排序為MW＞SW＞LMW，MW膽紅素最大吸附量達(dá)208 mg/g。結(jié)合表征結(jié)果分析可知，SW和MW的比表面積遠(yuǎn)大于LMW，因此它們的膽紅素吸附能力也高于LMW，但是MW的孔徑為2.846 nm，與膽紅素的分子尺寸（2～4 nm）較為接近，而且MW的分散性優(yōu)于SW，因此MW顯示出最高的膽紅素吸附能力。3種碳納米管特別是多壁碳納米管MW的膽紅素吸附性能優(yōu)于常規(guī)吸附劑，如表2所示，因此碳納米管也將成為最具潛力的膽紅素吸附劑。

表2 膽紅素吸附劑的最大吸附量比較結(jié)果

Freundlich吸附等溫式如下：

式中，k和n均為吸附平衡常數(shù)。對式（3）等式兩邊取對數(shù)，得：

采用Freundlich吸附等溫式擬合3種碳納米管的膽紅素吸附數(shù)據(jù)，結(jié)果見圖5。從圖5可以看出，膽紅素在3種碳納米管上的吸附符合Freundlich等溫吸附，即碳納米管吸附膽紅素為單分子層吸附。

圖5 膽紅素Freundlich等溫吸附擬合曲線

2.4 NaCl濃度對碳納米管吸附性能的影響

在膽紅素質(zhì)量濃度為0.1 g/L、牛血清白蛋白質(zhì)量濃度為20 g/L、p H為7.4的條件下，考察NaCl濃度對碳納米管吸附性能的影響，結(jié)果見圖6。

圖6 NaCl濃度對碳納米管吸附性能的影響

從圖6可以看出，隨著膽紅素溶液中NaCl濃度的增大，3種碳納米管的膽紅素吸附量均減小。其原因有兩種：一是由于溶液中的高濃度離子促進(jìn)了碳納米管吸附劑的聚集，從而降低其有效比表面積；二是離子濃度增大，占據(jù)了吸附劑的吸附位點，從而降低了碳納米管的膽紅素吸附量。

2.5 溶液p H對碳納米管吸附性能的影響

在膽紅素質(zhì)量濃度為0.1 g/L、牛血清白蛋白質(zhì)量濃度為20 g/L的條件下，考察溶液p H對碳納米管吸附性能的影響，結(jié)果見圖7。

圖7 溶液pH對碳納米管吸附性能的影響

從圖7可以看出，當(dāng)溶液p H從7.5提高到11.3時，膽紅素吸附量均下降約20%，且膽紅素吸附量排序為MW＞SW＞LMW。當(dāng)溶液pH大于7.0時，緩沖溶液中的膽紅素以陰離子形式存在，碳納米管表面吸附的膽紅素陰離子與溶液中的膽紅素陰離子存在靜電斥力，隨著溶液pH的升高，溶液中膽紅素陰離子的數(shù)量逐漸增加，靜電斥力也隨之增大，導(dǎo)致膽紅素吸附量不斷降低。因此，中性條件下碳納米管吸附膽紅素性能最優(yōu)。

2.6 牛血清白蛋白質(zhì)量濃度對膽紅素吸附的影響

血液體系成分復(fù)雜，存在的多種蛋白對膽紅素吸附帶來干擾，因此以牛血清白蛋白為模型，在膽紅素質(zhì)量濃度為0.1 g/L、pH為7.4的條件下，考察牛血清白蛋白質(zhì)量濃度對膽紅素吸附的影響，結(jié)果見圖8。從圖8可以看出，碳納米管的膽紅素吸附量隨溶液中牛血清白蛋白質(zhì)量濃度的增加而降低，當(dāng)牛血清白蛋白質(zhì)量濃度達(dá)到30 g/L時，其膽紅素吸附量幾乎不再變化。比較3種碳納米管的膽紅素吸附量發(fā)現(xiàn)，MW的膽紅素吸附量最大，SW次之，LMW最低。牛血清白蛋白是膽紅素等體內(nèi)毒素的天然載體，親和性很大，容易形成難于拆分的復(fù)合物[28]。因此，膽紅素吸附量隨牛血清白蛋白質(zhì)量濃度降低的可能解釋為：牛血清白蛋白與和碳納米管競爭吸附結(jié)合膽紅素；牛血清白蛋白分子與膽紅素分子形成體積較大復(fù)合物，因空間位阻難于被碳納米管吸附；高質(zhì)量濃度牛血清白蛋白使膽紅素溶液黏度增大，導(dǎo)致3種碳納米管的分散性均變差。

圖8 牛血清白蛋白質(zhì)量濃度對碳納米管吸附膽紅素的影響

3 結(jié) 論

（1）經(jīng)篩選多壁碳納米管（MW）的膽紅素吸附性能最優(yōu)，最大膽紅素吸附量可達(dá)到208 mg/g。MW比表面積較大，同時MW的孔徑和孔容最大，這為膽紅素在碳納米管上的吸附提供了更多的吸附位點和空間。

（2）3種碳納米管吸附膽紅素均符合Freundlich等溫吸附，即碳納米管吸附膽紅素屬于單分子層吸附。碳納米管的膽紅素吸附量隨溶液pH升高、NaCl濃度增大、牛血清白蛋白濃度增大而降低。

（3）與傳統(tǒng)吸附劑相比，3種碳納米管對膽紅素均表現(xiàn)出吸附時間短、吸附容量大的優(yōu)良性能，為后期碳納米管共混微濾膜的制備和吸附膽紅素研究提供了前期實驗基礎(chǔ)。