杯[4]芳烃修饰Amberlite XAD-4树脂对水介质中胆红素的吸附性能

熊振湖 ，朱 乐 ，王 月

(天津城市建设学院 a. 天津市水质科学与技术重点实验室；b. 环境与市政工程系，天津 300384)

胆红素(Bilirubin，简称 BR，见图1)是一种溶于水的棕红色胆汁色素，来自动物体内血红蛋白等含铁卟啉化合物分解代谢的产物和代谢中间体，也是血红蛋白分解代谢后的还原产物[1]．如果血液中的胆红素超过一定值就会引起一系列疾病，如高胆红素症以及色素型胆结石等，高红素血症的病人还可能发生胆汁性肝硬化，其他组织也会被胆红素染黄而影响其功能并且引起其他综合症[2]．所以，将过量胆红素从血液中去除是很重要的．

通过血液透析、置换、灌流等方法可以将过多的胆红素除掉[3-5]．血液透析主要是针对低分子量溶质进行的膜过滤，不适合去除中分子量的尿毒素，而血液置换需要大量的新鲜冷冻血浆，这是非常昂贵的．血液灌流是利用吸附原理而达到血液净化的一种方法，可以同时去除血液中的小分子量与中分子量的毒素[6]．对于血液灌流，最为关键的因素是选择适宜的吸附剂，它应无毒且具有良好的血液相容性及吸附选择性，还要具备对胆红素的较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]，但它存在对胆红素吸附容量低和吸附选择性差的缺点，并容易发生颗粒脱落导致血管堵塞．

杯[4]芳烃是一类由苯酚和甲醛缩合而成的大环化合物[8]，具有预成型的疏水空穴，可与一系列有机或无机化合物形成主-客体络合物，广泛用于液体介质中的中性分子与生物分子的识别与萃取[9]．然而，杯芳烃的疏水性导致它在水中的溶解性很低，往往需要加入有机溶剂进行液—液萃取[10]．另一方面，杯芳烃的刚性结构在一定程度上限制了它们识别生物大分子的能力[11]．

Amberlite XAD-4树脂是一种苯乙烯和二乙烯基苯的共聚物[12]．这种高分子材料具备高比表面积和低极性大孔，而且在各种环境条件下都具有优异的化学、物理与热稳定性，还可耐受大范围的pH变化，这就使其成为液相中生物分子优异的吸附材料[13]．另外，Amberlite XAD-4树脂聚合物网络中的苯环残基还可以通过重氮化、酰化、硝化等反应而共价连接不同的功能基团，进而衍生出具备优异结合特性的吸附材料[14]．

笔者将杯[4]芳烃与Amberlite XAD-4树脂二种吸附材料的优势相结合，并提高杯[4]芳烃修饰Amberlite XAD-4树脂复合吸附材料的吸附能力．为此，通过重氮化反应将杯[4]芳烃共价结合到 Amber-lite XAD-4树脂上，并且采用红外光谱、XRD、SEM表征了杯[4]芳烃修饰Amberlite XAD-4树脂复合材料，首次通过水溶液中的胆红素吸附实验探讨了杯[4]芳烃修饰Amberlite XAD-4树脂复合吸附剂的量，溶液pH等参数对吸附过程的影响．

图1 胆红素的化学结构式

1 实验材料与方法

1.1 试剂与仪器

胆红素(安阳九州药业有限责任公司)的纯度≥98%，NaOH、甲醛、二苯醚、丙酮、乙酸、乙醇等为分析级试剂，购自天津江天化学品公司．浓度为 500 mg/L的胆红素本体溶液用二次蒸馏水配制，使用前将其稀释到所需浓度．

HZQ-QG振荡器(中国哈尔滨东联电子技术开发有限公司)，紫外-可见分光光度计(北京普析通用仪器有限责任公司)，3H2000BET-M BET比表面仪(北京贝士德仪器科技有限公司)，红外光谱数据由傅利叶变换红外光谱仪(FTIR，NEXUS-5670，Nicolet，America)测得．杯[4]芳烃修饰Amberlite XAD-4树脂的热稳定性采用 S II Nano Technology Inc TG/DTA6300热重分析仪检测．用 PHILIPS公司的XL30-ESEM 环境扫描电镜观察修饰树脂的表面形貌．

1.2 杯[4]芳烃修饰Amberlite XAD-4树脂吸附剂的制备

根据文献方法合成杯[4]芳烃[15-16]，继而接枝到Amberlite XAD-4树脂上[17]．杯芳烃与树脂的接枝过程如图2所示．首先将Amberlite XAD-4树脂用浓硫酸与硝酸的混合物硝化，经 SnCl2·2H2O 将硝基还原为氨基，再用NaNO2在酸性条件下进行重氮化，最后与杯[4]芳烃连接得到杯[4]芳烃修饰的 Amberlite XAD-4树脂．

1.3 间歇吸附实验

因为胆红素在直接暴露于阳光或其它紫外光源时(包括荧光)容易分解，所有的吸附实验都在暗处以间歇方式进行．将 0.08 g杯[4]芳烃修饰树脂加入到250mL具塞锥形瓶内，加入150 mL一定初始浓度的胆红素溶液，用0.1 M HCl或NaOH溶液调节悬浮液的pH值，封口膜密封，于温度与速度可调的摇床上以160 r/min振荡，在规定时间内从溶液中取样并常压滤出树脂，用紫外-可见光分光光度计在438 nm检滤液中游离胆红素的浓度并计算单位吸附剂对胆红素的吸附量，其公式为

式中：q是吸附在单位吸附剂上胆红素的量mg/g；Ci与 Ct分别是初始溶液中与吸附之后水中胆红素的浓度，mg/L；Vs是胆红素溶液的体积，L；m 是吸附剂的质量，g．

图2 杯[4]芳烃(II)与Amberlite XAD-4树脂的修饰

2 结果与讨论

2.1 杯[4]芳烃修饰XAD-4树脂的比表面积及孔径

表1列出了Amberlite XAD-4树脂和杯[4]芳烃修饰树脂的BET比表面积、孔容及孔径数据．数据显示二者的孔径没有明显差别，但前者的比表面积和孔容都明显大于后者，原因是杯[4]芳烃覆盖到树脂上占据了一部分位置所致．

对比经过杯[4]芳烃修饰与否树脂的比表面积与孔容，似乎是未被修饰的树脂(具有较大的比表面积和孔容)应该对胆红素具有更好的吸附效果，但实验结果与之相反(见以下有关章节)．这个现象跟吸附剂与吸附质的化学结构有关．杯[4]芳烃修饰的树脂其比表面积和孔容虽然有所降低，但是，杯[4]芳烃的孔穴与胆红素的包结作用及其杯[4]芳烃的羟基跟胆红素上的氨基与羧基相互间形成的氢键抵消甚至超过了比表面积和孔容缩小对吸附容量的影响．由此可见，不仅仅是比表面积与孔容决定着吸附剂对某种物质的吸附容量，也与吸附剂与吸附质的化学结构有很大的关系．

表1 Amberlite XAD-4与杯芳烃修饰树脂的BET比表面积、孔容及孔径

2.2 杯[4]芳烃修饰XAD-4树脂的扫描电镜图像

由图3a可见，Amberlite XAD-4树脂表面比较粗糙．图3b是杯[4]芳烃修饰Amberlite XAD-4树脂放大 30倍的 SEM图像，可见杯[4]芳烃覆盖 Amberlite XAD-4后小球表面呈现出平滑与规则形状．

2.3 杯[4]芳烃修饰XAD-4树脂的FTIR谱图

图4给出了杯[4]芳烃修饰Amberlite XAD-4树脂的FT-IR谱，从图4a可以明显观察到硝化树脂苯环上硝基的反对称伸缩振动(1 521 cm−1)和对称伸缩振动(1 348 cm−1)特征峰，以及 C—N 键的伸缩振动(841 cm−1)吸收峰．图4b给出了杯芳烃修饰树脂复合物的FT-IR谱，图中杯[4]芳烃、Amberlite XAD-4的特征吸收峰都有体现，但又与二者单独存在的FT-IR不同．在 1 242、1 367、1 445、1 507、1 699 cm−1处的峰与 C—O、C—N 和 N＝N 基团的吸收有关，显示出Amberlite XAD-4树脂的重氮化和杯[4]芳烃与树脂的连接状态．

图3 SEM图像

图4 FT-IR谱

2.4 杯[4]芳烃修饰 Amberlite XAD-4树脂与单纯Amberlite XAD-4树脂吸附容量的比较

吸附剂的剂量是一个重要参数，它决定着在操作条件下吸附剂对给定吸附质的吸附容量．图5给出了温度在 25 ℃、胆红素浓度为 20 mg/L(10 mL溶液)、pH值为7.4、接触时间为5 h，杯[4]芳烃修饰树脂与单纯树脂的量对胆红素吸附的影响．

图5 杯[4]芳烃修饰 Amberlite XAD-4树脂与纯 Amberlite XAD-4树脂吸附胆红素的比较

由图5可见，单纯Amberlite XAD-4树脂具有一定的吸附容量，当其投加量为20 mg时对胆红素的去除率达25.3%，并且随投加量的增加而缓慢增加；投加量为100 mg时对应的去除率为32.8%．然而，比较于单纯的树脂，杯[4]芳烃修饰的Amberlite XAD-4树脂大大提高了对胆红素的吸附容量，而且随吸附剂投加量的增加二者的差距更为显著．杯[4]芳烃修饰Amberlite XAD-4树脂的量为100 mg时，对胆红素的去除率达90.1%，此时若继续加大吸附剂的量，则去除率趋于平衡．

单纯Amberlite XAD-4树脂的吸附能力与树脂内部存在适宜大分子的大孔有关．胆红素分子受浓度梯度的驱使进入孔隙中，并在范德华力(分子间力)的作用下黏附于树脂的孔壁，表现出对胆红素一定的吸附容量，并且随Amberlite XAD-4量而缓慢增加．杯[4]芳烃修饰 Amberlite XAD-4树脂吸附胆红素能力明显增强，原因除了Amberlite XAD-4树脂本身具有的吸附能力外，杯[4]芳烃上胆红素的作用也不可忽视，例如，胆红素分子结构中含有 4个吡咯环，每个吡咯环上都有一个亚氨基，而且胆红素分子中有两个羧基，除了胆红素分子的部分残基进入杯[4]芳烃疏水空腔产生的吸附容量外，胆红素分子的亚氨基与羧基都能与杯[4]芳烃的羟基形成氢键，这些方面的共同(协同)作用增强了杯[4]芳烃修饰树脂对胆红素的吸附容量．至于高吸附剂量下去除率趋于平衡的原因与吸附剂上的位点达到饱和及其被吸附的胆红素与溶液中游离的胆红素间形成静电斥力有关．

2.5 溶液pH对胆红素吸附性能的影响

为评价介质 pH对于修饰树脂吸附胆红素的影响，在胆红素初始浓度为 20 mg/L、杯[4]芳烃修饰Amberlite XAD-4树脂投加量为60 mg/10 mL、反应时间为 5 h 的条件下，在不同 pH(例如 5.0，6.0，7.0，8.0，9.0和11.0)下进行吸附实验，结果如图6所示．

图6 不同pH下胆红素的去除率

由图6可见，在近中性(pH=5～7)条件下，杯[4]芳烃修饰 Amberlite XAD-4树脂对胆红素有很大的吸附容量，但随 pH的降低或增大吸附容量都迅速降低(低pH下的实验数据未给出)．这个现象与吸附剂与吸附质二者的结构都有关系[18]，在酸性(pH＜5)溶液中胆红素的氨基被质子化(带部分的正电荷)而表现出正电性，在同样条件下，杯[4]芳烃修饰Amberlite XAD-4树脂的酚羟基因质子化也呈现出部分的正电性，二者之间的静电斥力导致被吸附胆红素的量很少．在碱性条件下，胆红素的酸性基团(―COOH)强烈地解离为带负电荷的极性化合物，而修饰树脂中杯[4]芳烃的酚羟基变成负离子(PhO-)，负电荷的排斥力使胆红素不容易靠近修饰树脂，表现为对胆红素的吸附能力也很小．只有在近中性(pH=5～7)溶液中胆红素与修饰树脂的极性最小，在此条件下修饰树脂的羟基与胆红素上的羧基及氨基之间能形成作用力相对强的氢键，表现为修饰树对胆红素有很大的吸附容量．另外，考虑到人体血液的 pH为 7.4，故将修饰树脂对胆红素的吸附实验在pH=7.4下进行．

2.6 杯[4]芳烃修饰Amberlite XAD-4树脂吸附胆红素的时间确定

图7 时间对杯[4]芳烃修饰 Amberlite XAD-4树脂吸附水中胆红素的影响

临床上血液灌流的时间一般为3～4 h，因此，吸附平衡时间也是考察吸附效果的重要指标．从图7可见，在2 h左右杯[4]芳烃修饰Amberlite XAD-4树脂对胆红素的吸附容量接近于最大(以298 K为例，1 h的吸附容量为2.1 mg/g，5 h的吸附容量为2.2 mg/g)，再延长吸附时间，吸附容量缓慢趋向于平衡，而且温度越高达到平衡吸附的时间越短，这是高温时胆红素的构象发生了变化，也是溶液中游离的胆红素分子高温下运动速度加快，从而向吸附剂扩散的速度加快．

3 结 论

(1)在温度为 25 ℃，杯[4]芳烃修饰 Amberlite XAD-4树脂的使用量为 100 mg/10 mL、胆红素初始浓度为20 mg/L、吸附时间为2 h的条件下，吸附剂的最大吸附容量是 2.1 mg/g，胆红素的去除率达到 90%以上；而在相同条件下，单纯Amberlite XAD-4树脂对胆红素的去除率仅为32.8%．

(2)溶液的酸碱性对胆红素的吸附有很大的影响，在近中性(pH=5～7)条件下修饰树脂对胆红素的吸附容量达到最大值，随 pH的降低或增大吸附容量都迅速降低．

(3)在实验条件下，杯[4]芳烃修饰 Amberlite XAD-4树脂对胆红素达到吸附容量趋向平衡的时间为2 h左右，温度越高达到平衡吸附的时间越短．考虑临床上血液灌流的时间限制，将吸附时间定位为2 h．

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