硅胶对吡柔比星的吸附热力学和吸附动力学研究

顾强 许建良 许激扬 卞筱泓

吡柔比星(pirarubicin，THP-ADM)是在阿霉素的 4’-O-位上引入四氢吡喃基的半合成蒽环类抗肿瘤抗生素［1，2］。吡柔比星对急性白血病、恶性淋巴瘤、头颈癌、尿路上皮癌、乳腺癌、卵巢癌、子宫癌、胃癌等有显著疗［3－5］。吡柔比星的心肌毒性、骨髓抑制作用、脱发、胃肠道反应等不良反应比同类抗生素小［6，7］，具有很高的临床应用价值。硅胶是一种高活性吸附材料，通常是用硅酸钠和硫酸反应，并经老化、酸泡等一系列后处理过程而制得［8］。硅胶属非晶态物质，其化学分子式为mSiO2·nH2O。由于硅胶具有吸附性能高、热稳定性好、化学性质稳定、有较高的机械强度等优点，因此成为柱层析中常用的填料［9］。柱层析过程中，结构不同的化合物在硅胶表面具有不同的吸附与解吸行为，因而在层析柱中产生了不同的迁移速度，藉此不同结构的化合物得以分离［10］。硅胶柱层析分离纯化吡柔比星是吡柔比星生产工艺的重要环节［11］，本文以硅胶从二氯甲烷-甲醇(9∶1)中吸附吡柔比星为研究对象，考察了温度和吡柔比星浓度对吸附的影响，探讨了吸附的热力学和动力学规律，为硅胶柱层析分离纯化吡柔比星提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试剂与仪器

1.1.1 仪器:电子天平(上海民桥精密科学仪器有限公司);恒温振荡器(江苏太仓市实验设备厂);紫外可见分光光度计(上海元析仪器有限公司)。

1.1.2 试剂:吡柔比星(山东印迹生物技术有限公司提供);二氯甲烷、甲醇为分析纯;柱层析硅胶(青岛海洋化工厂，粗孔，ZCX-Ⅱ型，200 ～300 目，试剂纯)。

1.2 吡柔比星定量分析方法 采用紫外分光光度法在254 nm处测定吡柔比星的浓度［12］。

1.3 吸附热力学实验 准确称取10份1.000 g干燥活化的硅胶备用。配制10个不同浓度的吡柔比星溶液，分别移取10.00 ml的吡柔比星溶液置于锥形瓶中，然后向每个锥形瓶中加入称量好的1.000 g硅胶。在283K、293K、303K 3个温度下，锥形瓶恒温振荡8 h(吸附已达平衡)。平衡后，测定溶液体系中吡柔比星的浓度Ce。根据下式计算硅胶的平衡吸附量Qe:

式中，Qe是平衡后硅胶的吸附量(mg/g)，C0是吡柔比星的初始浓度(mg/ml)，Ce是吡柔比星的平衡浓度(mg/ml)，V是吡柔比星溶液的体积(ml)，M是硅胶的重量(g)。

绘制Qe-Ce等温曲线，根据等温曲线方程描述吸附性质。

1.4 吸附动力学实验 准确称取3份1.000 g干燥活化的硅胶，分别加入10.00 ml的8.000 mg/ml的吡柔比星溶液中，于283K、293K、303K 3个温度下恒温振荡，间隔30min取样，测定溶液吡柔比星的浓度。

2 结果

2.1 吸附等温方程 在不同温度下硅胶对吡柔比星的吸附等温线(图1)，在实验温度范围内，在相同的初始浓度下，硅胶对吡柔比星的吸附量随温度的升高而增加。

图1 硅胶对吡柔比星的吸附等温线

为进一步考察硅胶对吡柔比星的吸附行为，采用Langmuir方程和Freundlich方程对实验数据进行处理［13］。

Langmuir等温吸附方程:

Freundlich等温吸附方程:

以上两式中:Qs是硅胶的饱和吸附量(mg/g);KL为Langmuir方程中的吸附系数;Ce是吸附平衡时吡柔比星溶液的浓度(mg/ml);KF为Freundlich方程中的吸附系数;n为量度吸附强度的常数，均为吸附的特征参数。

用上述两方程对实验结果进行线性拟合发现，Langmuir方程拟合后的R2均 ＞0.98，因此 Langmuir方程比Freundlich方程能更好的描述所研究的吸附等温线。见表1、2。

平衡常数KL随温度的升高而增大，证明随温度的升高硅胶对吡柔比星的吸附能力增强。

表1 硅胶对吡柔比星的Langmuir吸附等温方程参数

表2 硅胶对吡柔比星的Freundlich吸附等温方程参数

Langmuir等温吸附的特征可以根据特征分离系数RL判断，RL可由下式计算。

式中KL为Langmuir常数，C0为各温度下吡柔比星的初始浓度(mg/L)。经计算发现，在不同的初始浓度下，RL的值均位于0和1之间。因为当0＜RL＜1时，为优惠吸附，且根据吡柔比星与硅胶的相互作用及Langmuir方程建立的条件，我们可以认定吡柔比星与硅胶之间的吸附属于化学单分子优惠吸附。

2.2 吸附热力学

2.2.1 吸附焓变 ΔH:吸附焓变 ΔH可根据方程 lnKL=lnK0-ΔH/RT计算，计算步骤为:对lnKL～1/T进行线性拟合，通过直线直线的斜率就可算出吸附焓变 ΔH。经计算发现 ΔH=51.028 kJ/mol，为正值。所以在研究范围内，硅胶对吡柔比星的吸附为吸热过程，升高温度，吸附量增大，有利于吸附。

2.2.2 吸附自由能变ΔG:吸附自由能变ΔG通过方程ΔG=－RTlnKL计算。其值见表3，由于ΔG均为正值，所以硅胶对吡柔比星的吸附为非自发过程，且随温度升高，ΔG值变小，说明升高温度使吸附过程的自发程度增高。

表3 硅胶对吡柔比星的吸附热力学参数

2.2.3 吸附熵变 ΔS:吸附熵变 ΔS可按Gibbs-Helmhotlz方程计算。

由表中的计算结果可知，△S均为正值，说明吡柔比星在硅胶上的吸附为熵推动的过程，且随温度升高，ΔS呈减小趋势。

2.3 吸附动力学 硅胶对吡柔比星的吸附动力学曲线(图2)。吸附过程的动力学研究主要是用来描述吸附剂吸附溶质的速率快慢，通过动力学模型对实验数据进行拟合，从而探讨吸附的机理。本实验采用3种动力学模型对实验结果进行拟合，以期得到适合的模型来描述硅胶吸附吡柔比星的过程。

(1)伪一级吸附模型:ln(Qe-Qt)=lnQe－k1t

式中，Qe和Qt分别为平衡时和 t时刻硅胶的吸附量(mg/g)，k1为伪一级吸附速率常数(min－1)。

(2)伪二级吸附模型［14］

式中，Qe和 Qt分别为平衡时和 t时刻硅胶的吸附量(mg/g)，k2为伪二级吸附速率常数(g·mg－1·min－1)。

(3)颗粒内扩散模型［15］

式中，Qt为t时刻硅胶的吸附量(mg/g)，kp为颗粒内扩散速率常数(mg·g－1·min－1/2)。

比较表中各个方程的拟合线性相关系数可知，伪二级方程能很好地描述硅胶对吡柔比星的的吸附行为。见表4。

表4 硅胶吸附吡柔比星的动力学速率常数

2.4 吸附活化状态函数 由伪二级动力学方程截距求得反应速率常数k2，由Arrhenius方程:

图2 不同温度下硅胶对吡柔比星的吸附动力学曲线

根据 lnk2对1/T作图，得一直线 lnk2=－1963.5/T－11.237(R2=0.9832)。由直线知 Ea=0.236 kJ/mol，该数值表明吸附过程很容易发生。

3 讨论

我们对硅胶吸附吡柔比星的热力学研究表明，在实验温度和浓度范围内，吡柔比星在硅胶上的平衡吸附数据能够用Langmuir吸附等温方程进行模拟。硅胶对吡柔比星的吸附属于优惠单分子化学吸附，随温度升高，吸附量增大。

硅胶吸附吡柔比星动力学研究表明，硅胶对吡柔比星的吸附过程符合伪二级动力学模型，由活化能数值表明该吸附过程很容易进行。

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