介孔TiO2对溶菌酶吸附的动力学和热力学

洪启亮　董依慧　庄伟　饶超　刘畅,*

(1南京工业大学，材料化学工程国家重点实验室，南京210009；2南京工业大学生物与制药学院，南京211816)

介孔TiO2对溶菌酶吸附的动力学和热力学

洪启亮1董依慧1庄伟2饶超1刘畅1,*

(1南京工业大学，材料化学工程国家重点实验室，南京210009；2南京工业大学生物与制药学院，南京211816)

773.15K下焙烧二钛酸(H2Ti2O5)制备了介孔结构TiO2。采用比表面分析仪(BET)、扫描电镜(SEM)、拉曼(Raman)光谱和X射线衍射(XRD)仪进行表征研究了介孔TiO2对溶菌酶的吸附行为和机理。结果表明，该吸附过程较好地满足Langmuir吸附模型；随着溶液pH值的增高，溶菌酶在介孔TiO2上的吸附量先增大后减小。在pH=7.2时，达到最大吸附容量72.5mg∙g－1。该介孔TiO2对溶菌酶具有良好的吸附稳定性，经过5次循环后吸附的溶菌酶残余量仍有81.6%。动力学研究表明，介孔TiO2与溶菌酶间的吸附满足准二级动力学模型，吸附传质过程由膜扩散和粒内扩散共同影响与控制。对热力学参数的计算发现，该过程ΔG0<0，ΔH0>0，ΔS0>0，表明介孔TiO2对溶菌酶的吸附是一个自发的、吸热的熵增过程。

介孔TiO2；溶菌酶；吸附；动力学；热力学

1　引言

近年来，对于生物-表面工程的蛋白吸附研究已经取得了一系列的进步1。研究蛋白质与介质的吸附作用对于生物医用材料、生物传感器和固定化酶等领域都具有重要的理论意义和实用价值。蛋白质在介质表面上的吸附行为取决于蛋白质的种类、介质的表面结构和溶液性质等因素。蛋白质分子在介质表面的吸附强度不同，可以实现不同领域的应用，例如抗污染表面需要蛋白质与表面几乎无吸附2、蛋白质固定化则需要蛋白质在表面吸附作用很强3以及蛋白质分离需要不同的蛋白质在表面产生不同的吸附-解吸过程4。蛋白质分子与材料表面间存在着复杂的吸附行为，其本质在于蛋白质与材料间相互作用的不同，因此深入研究蛋白质分子在材料表面的吸附过程十分必要，对实现控制蛋白质在材料表面的吸附更具有重要的基础研究和实际应用价值。

无机载体成本低、稳定性好、机械强度高、表面性质易调控、耐酸碱，是当前吸附载体的主要研究方向5。而无机介孔材料因具有比表面积大、孔结构规则、孔径分布集中等优点，日益成为研究吸附蛋白的优异载体6。其中大多数研究者集中于介孔硅材料7－9，但部分介孔硅材料功能化后易产生毒性10，且孔径调控较为复杂11,12。TiO2由于具有稳定、无毒、抗腐蚀性好及优异的生物相容性等优点，通常被用于医用植入体材料，作为吸附载体也逐渐引起了广泛关注13。

然而常规的TiO2无孔，吸附稳定性差，在一定程度上阻碍了TiO2在蛋白质吸附方面的应用。本课题组通过固相分离法合成了一种高比表面积的介孔表面含有丰富的活性羟基16，有利于与蛋白质分子的官能团发生作用，提高与蛋白质分子的结合力。此外，简单改变前驱体H2Ti2O5的焙烧温度，即可实现介孔TiO2的孔径在3－30nm内可调17。目前，该介孔TiO2已在药物运输18和蛋白固定化19,20等生物领域得到应用。

研究蛋白质分子在介孔材料中的吸附行为尤为重要。吸附动力学主要用来描述吸附剂吸附溶质的快慢，可通过动力学模型对数据进行拟合，推断其吸附机理21；吸附热力学是描述反应平衡性质的基本定律，可以反映吸附的本质。但是，目前对介孔TiO2吸附蛋白分子的动力学和热力学的研究较少。溶菌酶的分子尺寸较小(3.0nm×3.0nm×4.5nm)，结构简单，不易形变，多应用于蛋白吸附的研究中作为模型蛋白22。鉴于此，本文以溶菌酶为模型蛋白，研究了介孔TiO2对溶菌酶的吸附行为和机理，采用准一级、准二级模型对吸附动力学过程进行拟合；测定了吸附热力学参数(吸附焓变ΔH0、吸附自由能变ΔG0、吸附熵变ΔS0)，为介孔TiO2在药物运输和固定化酶领域的应用提供了理论参考。

2　实验部分

2.1实验试剂

水合氧化钛(TiO2∙n H2O)购自南京市油脂化学厂，为化学纯；碳酸钾(K2CO3)、盐酸(HCl)、醋酸(HAc)、醋酸钠(NaAc)、磷酸氢二钠(Na2HPO4)、磷酸二氢钾(KH2PO4)、碳酸钠(Na2CO3)、碳酸氢钠(NaHCO3)均购自上海凌峰化学试剂有限公司，均为分析纯；溶菌酶购自北京拜耳迪生物科技有限公司；实验用水为商业可用纯净水。

2.2介孔TiO2粉体的制备

介孔TiO2制备过程使用课题组先前的制备工艺14,15。(1)K2Ti2O5的烧结：将TiO2∙n H2O和K2CO3以摩尔比2:1混合，加入适量的水，均匀搅拌，在363.15K下干燥10h后，然后在1153.15K下焙烧4h，得到K2Ti2O5。(2)水合：向K2Ti2O5中缓慢滴加水并搅拌，搅拌成膏状后，用保鲜膜封装，静置7－10d。(3)离子交换：将水合产物中加入大量水，并滴加稀盐酸，使溶液pH值保持在1.5－2.0间，剧烈搅拌24h，反复过程3－5次；离子交换结束后，收集沉淀物，用水冲洗表面的酸溶液，在363.15K下烘干，获得H2Ti2O5。(4)二次焙烧：将H2Ti2O5在773.15K下焙烧2 h，得到样品介孔TiO2。

2.3样品表征

氮气吸附-脱附曲线采用美国Micromertics公司的TristarII3020型全自动氮吸附比表面和孔隙分析仪测试，预处理温度为352 K、预处理时间为8 h，测试温度为77 K，分别通过BET方程和BJH模型计算得到材料的比表面积、孔容和孔径数据；材料的形貌采用日本日立公司的HitachiS-4800型扫描电子显微镜(SEM)观察，操作电压5kV；晶体结构采用德国Bruker公司的D8Adavance型X射线衍射(XRD)仪检测，管电流30mA，管电压40kV，扫描范围5°－60°，扫描步长0.05(°)∙step－1，扫描速率0.2 s∙step－1；材料的表面组成采用法国Horiba Jobin Yvon公司的HR 800型拉曼光谱仪测定，激发波长为514nm，功率为20mW；不同pH值下的zeta电位使用英国Zetasizer 3000hs型zeta电位分析仪测定；蛋白溶液的吸光度采用上海龙尼柯仪器有限公司UV-2802S型紫外-可见分光光度计测定；吸附性能采用常州诺基仪器有限公司SHZ-88A恒温水浴振荡箱测试，振荡速率为180r∙m in－1。

2.4介孔TiO2对溶菌酶的等温吸附实验

2.4.1吸附等温线

称取0.2 g介孔TiO2于离心管中，加入10m L浓度为0.2－2mg∙m L－1的溶菌酶溶液(pH=7.2)，分别在283.15、293.15、303.15、313.15K下振荡吸附72 h。取少量悬浮液，离心分离后(6000r∙m in－1，10m in)，采用紫外分光光度计在λ=280nm处测定上清液中溶菌酶的质量浓度，按照式(1)求出平衡吸附量，由此绘制吸附等温线。

式中，qe为平衡吸附量(mg∙g－1)，Ce为溶菌酶的平衡浓度(mg∙m L－1)，C0为溶菌酶起始浓度(mg∙m L－1)，V为溶液体积(m L)，m为介孔TiO2的质量(g)。

2.4.2溶液pH值对溶菌酶的吸附量影响

称取0.2 g介孔TiO2于离心管中，加入10m L浓度为2mg∙m L－1的溶菌酶溶液，分别调节pH值为3.6、4.7、5.2、6.6、7.2、7.8、9.2、10.1、11.0，在303.15K恒温条件下振荡吸附72 h，研究不同溶液pH值对溶菌酶的吸附量影响。

2.4.3吸附动力学

称取0.2 g介孔TiO2于离心管中，加入10m L浓度为2mg∙m L－1的溶菌酶溶液(pH=7.2)，分别在283.15、293.15、303.15、313.15K恒温条件下振荡吸附。开始计时，间隔一段时间取少量悬浮液，离心分离后，测定上清液中溶菌酶的质量浓度，按照式(2)求出吸附量。重复上述实验过程，测试吸附量直至不变，由此绘制吸附动力学曲线。

式中，qt为t时的吸附量(mg∙g－1)，Ct为溶菌酶在t时刻的浓度(mg∙m L－1)。

3　结果与讨论

3.1介孔TiO2的表征

图1为介孔TiO2的氮气吸附-脱附等温线和孔径分布曲线图。从图1(A)可以看出样品的氮气吸附等温线是IV型，具有明显的吸附滞后环，为典型的介孔材料的吸附特征。从图1(B)中可看出介孔TiO2的孔径分布集中在9.5nm。样品的比表面积、平均孔径和孔体积列于表1中。进一步采用扫描电子显微镜观察介孔TiO2的表面微观形貌。图2为介孔TiO2在不同放大倍数下的FESEM图像。图2(A)为5千倍下拍摄的FESEM图，可看出样品的形貌呈棒状；图2(B)为10万倍下拍摄的FESEM图，在颗粒的表面有很多纳米级孔，平均孔径为9 nm左右，这与BJH方法分析得到的孔径数据基本吻合。

图3(A)为介孔TiO2的XRD图。在2θ为25.3°、37.8°和48.0°附近的特征衍射峰分别对应锐钛矿的(101)、(004)和(200)晶面的衍射，为典型的锐钛矿相。图中主峰宽度较窄且强度较强，说明样品中锐钛矿相的含量较多，结晶度较好。图3(B)为介孔TiO2的Raman光谱图。位于145、197、395、515和638 cm－1处的Raman峰分别对应锐钛矿相Eg、Eg、B1g、B1g/A1g和Eg模式23，即谱图中出现的主峰均为锐钛矿相特征峰，证实了XRD表征结果。

图1　氮气吸-脱附等温线(A)和孔径分布曲线(B)Fig.1 N2adsorption-desorption isotherm(A)and pore size distribution curve(B)

表1　 TiO2的结构参数Table1 Texturalparametersof TiO2

3.2吸附等温线

吸附等温线可反映被吸附的分子在平衡时液相和固相间的分布状况，不同温度下介孔TiO2对溶菌酶的等温吸附曲线如图4。随着温度的升高，介孔TiO2对溶菌酶平衡吸附量不断增加，是因为传质速度随温度的升高而加快，这也表明介孔TiO2吸附溶菌酶是一个吸热过程。目前有很多模型用来描述吸附等温线的数据，其中Langmuir和Freundlich模型24由于形式简单、参数少且容易确定而被广泛的应用，因此本文采用这两种模型描述不同温度下介孔TiO2对溶菌酶的吸附情况。

图2　 TiO2不同放大倍数的FESEM图像Fig.2 FESEMimagesof TiO2at differentmagnifications

图3　 TiO2的XRD(A)和Raman(B)谱图Fig.3 XRD pattern(A)and Ram an spectrum(B)of TiO2

Langmuir和Freundlich模型的线性方程分别为：

式中，KF为Freundlich吸附常数(m L∙g－1)，n为表观常数，b为Langmuir吸附常数(m L∙mg－1)，qm为理论饱和吸附量(mg∙g－1)。

Langmuir和Freundlich方程拟合曲线如图5所示，回归参数见表2。Langmuir方程拟合曲线的R2值均大于0.99，表明Langmuir模型较好地描述了介孔TiO2对溶菌酶的吸附。Langmuir公式中的参数qm和b可以从Ce/qe对Ce直线的截距与斜率中获得。在本文实验条件下，qm和b均随着温度的升高而增大，表明此吸附过程是吸热的，适当升温有利于吸附。

3.3溶液pH值对吸附量影响

蛋白质分子在载体上的吸附主要包括范德华力、氢键和静电相互作用，其中静电相互作用通常起主要的作用，载体表面电荷的变化会影响蛋白质在其表面的吸附量。对介孔TiO2和溶菌酶在不同pH值的水溶液中的zeta电位值进行测试，见图6，介孔TiO2和溶菌酶的等电点分别为4.4和10.4。当溶液pH<4.4时，介孔TiO2和溶菌酶表面均带正电，两者间具有静电排斥作用，导致低吸附容量；当溶液pH值介于4.4和10.4之间时，介孔TiO2表面带负电，而溶菌酶分子表面带正电，根据正负电荷相吸，溶菌酶在介孔TiO2上的吸附量增大；当溶液pH>10.4时，溶菌酶分子的表面电性发生根本性转变，携带了负电荷，与表面带负电的介孔TiO2产生静电排斥作用，使得吸附量较低。

图4　介孔TiO2对溶菌酶的吸附等温线Fig.4Adsorp tion isotherm sof lysozymeonto TiO2pH=7.2;qeis theequilibrium adsorption capacity; Ceis the equilibrium concentration.

当溶液pH值接近蛋白的等电点时，蛋白所带净电荷为零，蛋白分子内的静电排斥力及分子间的横向相互作用力处于最小状态，蛋白质的溶解度最低，因此蛋白在载体上达到最大吸附量25。对于本研究体系，如图7所示，随着pH值的增大，介孔TiO2对溶菌酶的吸附量先增大后减小，在pH=7.2时，有最大吸附量72.5mg∙g－1。吸附量最大处的pH值比溶菌酶的等电点偏低，可能是因为在pH值较高时，体系中的小离子吸附至溶菌酶表面，导致溶菌酶等电点的改变26，故该pH值是溶菌酶与吸附分子复合物的等电点27，或者溶菌酶的表观等电点28。

3.4吸附稳定性

蛋白质的操作稳定性是蛋白固定化领域的重要目标之一，因此进一步测试了介孔TiO2对溶菌酶的吸附稳定性。在pH=7.2下，将充分吸附溶菌酶的介孔TiO2离心分离回收，然后加入10m L pH=7.2磷酸缓冲溶液，在303.15K、180r∙m in－1下振荡4h，测试介孔TiO2上溶菌酶的残余量。由图8可见，经过5次振荡洗涤后，溶菌酶在介孔TiO2上的残留量仍有57.93mg∙g－1，为最初吸附量的81.6%，即表现出良好的吸附稳定性。一方面，在溶液pH=7.2时，介孔TiO2与溶菌酶间存在强烈的静电相互作用；另一方面，溶菌酶的尺寸为3.0nm×3.0nm×4.5nm，比介孔TiO2的孔径(9.56nm)要小，使得部分溶菌酶易于吸附在介孔TiO2的孔道内，即孔结构对溶菌酶起到保护作用，防止了溶菌酶的泄漏。

图5　 Langmuir(A)和Freundlich(B)吸附等温线Fig.5Langmuir(A)and Freundlich(B)adsorption isotherm s

表2　 TiO2吸附溶菌酶的Langmuir和Freundlich参数Tab le 2 Langmuir and Freund lich parameters for adsorption of lysozym e on to TiO2

3.5吸附动力学

图6　 TiO2和溶菌酶的zeta电位随pH值的变化曲线Fig.6Curvesof zeta potentialof TiO2and lysozymewith pH value

图7　介质pH值对TiO2吸附溶菌酶性能影响Fig.7 Effectof pH valueson adsorption quantity of lysozym e on to TiO2C0(lysozyme)=2mg∙m L－1;T=303.15K

溶液中的吸附是一个较复杂的过程，吸附质从液相中被吸附到吸附剂颗粒中，可以分为吸附剂周围流体界膜中吸附质的迁移(外扩散)、吸附剂颗粒内扩散和吸附剂内的吸附反应等几个过程29。图9(A)为不同温度下介孔TiO2对溶菌酶的吸附动力学曲线。前24h吸附量迅速增加，主要是介孔TiO2外表面对溶菌酶的吸附；24－48 h吸附量增加变缓，主要是溶菌酶通过孔道向内表面扩散后的吸附；至72 h时吸附已基本达到饱和。曲线中各点的斜率代表瞬时吸附速率(d qt/d t)，随着吸附时间的延长，d qt/d t逐渐减小，且平衡吸附量随温度升高而增大。对于固液吸附，常采用准一级、准二级速率方程30,31来描述和分析动力学过程。

准一级和准二级吸附模型分别如下：

式中，k1为准一级吸附速率常数(h－1)，k2为准二级吸附速率常数(g∙mg－1∙h－1)，k2qe2为初始吸附速率(mg∙g－1∙h－1)。

准一级、准二级模型的拟合曲线如图9(B)、图9(C)所示，拟合曲线参数列于表3中，准二级模型的R2值比准一级模型的值大且更接近1，并且平衡吸附量的实验值qe,exp和准二级模型的计算值qe,cal吻合很好，说明在本实验温度范围内，利用准二级模型能够更好地预测溶菌酶在介孔TiO2上的吸附动力学行为。随着温度的升高，初始吸附速率和准二级吸附速率常数均呈现增大的趋势。

由于准一级、准二级动力学模型均不适用于解释扩散机理，因此采用颗粒内扩散模型30,31，其方程式如下：

式中，ki为颗粒内扩散速率常数(mg∙g－1∙m in－1)，xi为曲线截距(与边界层厚度呈正比)。如图9(D)所示，曲线分为3个区域，表明吸附过程中存在3个步骤32，分别为颗粒外部扩散(膜扩散)、颗粒内部扩散、吸附反应阶段。一般来说，吸附反应速度较快，不会成为吸附过程的控制步骤，所以吸附过程主要考虑膜扩散或颗粒内部扩散。根据Lorenc-Grabowska和Gryglew icz33的研究结果，如果这条线为直线且经过原点，说明该过程是单一的粒内扩散速控步骤。由图9(D)可知，粒内扩散图形不经过原点，也不是直线，说明粒内扩散不是唯一的控制步骤，膜扩散也在一定程度上影响吸附过程，即膜扩散和颗粒内扩散交互影响溶菌酶在介孔TiO2的吸附动力学过程。

3.6吸附热力学

图8　循环次数对TiO2吸附溶菌酶影响Fig.8 Effectof cycle tim eson the adsorp tion of lysozymeonto TiO2C0(lysozyme)=2mg∙m L－1;pH=7.2;T=303.15K

图9　 TiO2吸附溶菌酶的动力学曲线(A)、准一级模型(B)、准二级模型(C)和颗粒内扩散模型(D)的拟合曲线Fig.9 Adsorp tion kinetics curves(A),simulation curvesof pseudo-first-order(B),pseudo-second-order(C),and intraparticle d iffusion(D)m odelsof lysozyme onto TiO2C0(lysozyme)=2mg∙m L－1;pH=7.2;qtis the amountof lysozymeadsorbed at time t.

表3　 TiO2吸附溶菌酶的动力学参数Tab le3 K inetic parameters for theadsorp tion of lysozymeonto TiO2

吸附热力学参数反映吸附过程的可行性和自发性。用Van′tHoffs和Gibbs方程34,35可计算出吸附过程的吉布斯自由能变化ΔG0、吸附焓变ΔH0、吸附熵变ΔS0。

式中，R为理想气体常数(8.314J∙mol－1∙K－1)；T为温度(K)；K为吸附平衡常数。

图10　 ln K对1/T的关系曲线Fig.10Relationship curvebetween ln K and 1/T K is theadsorption equilibrium constant.

严格地说，在研究溶质在固体吸附剂上吸附的同时，还应考虑溶剂的吸附。则溶菌酶在介孔TiO2上吸附平衡常数K与Langmuir吸附常数b应满足：

表4　 TiO2吸附溶菌酶的热力学数据Table 4Adsorption therm odynam ics param etersof lysozyme onto TiO2

式中，M与ρ分别是水的摩尔质量与密度。以ln K对1/T作图(如图10)所示，由直线斜率和截距可求得ΔH0与ΔS0；ΔG可由式(9)求出。由表4可知，ΔH0>0，表明溶菌酶在介孔TiO2上的吸附为吸热反应(导致图4中介孔TiO2对溶菌酶的吸附量随温度升高而增大)；ΔS0>0，表明吸附是熵增过程，溶质分子由溶液相交换到固液界面会失去一部分自由度36，这是熵减少的过程；而蛋白质是一个大分子，在介孔TiO2吸附一个溶菌酶分子的同时必然有大量水分子被解吸，即水分子在介孔TiO2上整齐、紧密地排列变为解吸后的自由运动，这是熵增过程。由于水分子体积较小，解吸过程的熵变量必然很大，由这两部分组成总熵变量最终为正值，表现为介孔TiO2吸附溶菌酶是一个熵增过程；ΔG0<0，表明吸附是自发的，且随着温度的升高，ΔG0的绝对值增大，表明温度越高吸附过程自发趋势越大。

在一定程度上，吸附的类型可以从焓变量加以区分37，物理吸附焓变小于84kJ∙mol－1，而化学吸附的焓变在84－420kJ∙mol－1，本实验中ΔH0= 23.27 kJ∙mol－1，小于84kJ∙mol－1。据此，介孔TiO2对溶菌酶的吸附应是物理吸附过程。但也有文献认为38，通常物理吸附的自由能在－20到0kJ∙mol－1之间,而化学吸附的自由能在－400到－80kJ∙mol－1之间，本实验中ΔG0在－14.98 kJ∙mol－1到－19.01 kJ∙mol－1间。因此，根据ΔH0、ΔG0的实验值可认为介孔TiO2吸附溶菌酶基本上是受物理吸附驱动的。

4　结论

(1)将前驱体H2Ti2O5在773.15K下焙烧，得到了介孔结构的TiO2，孔径分布集中在9.5nm，比表面积和孔容分别为89.9m2∙g－1和0.327 cm3∙g－1，为典型的锐钛矿相。

(2)介孔TiO2对溶菌酶吸附过程满足Langmuir模型。在溶液pH=7.2时，介孔TiO2与溶菌酶间存在强静电吸引作用，获得最大吸附量72.5mg∙g－1。充分吸附溶菌酶的介孔TiO2经缓冲液五次振荡洗涤后，溶菌酶在介孔TiO2上的残留量为最初吸附量的81.6%，表明该介孔TiO2对溶菌酶具有较好的吸附稳定性。

(3)准二级模型更准确地预测介孔TiO2吸附溶菌酶的动力学过程，随着温度的升高，初始吸附速率和吸附速率常数均呈现增大的趋势；吸附传质过程由外扩散和粒内扩散共同影响与控制。通过对吸附热力学参数计算发现，介孔TiO2吸附溶菌酶的吸附自由能ΔG0在－14.98到－19.01 kJ∙mol－1之间，吸附焓变ΔH0为23.27 kJ∙mol－1，ΔS0大于零，表明该吸附为自发的吸热、熵增过程。

References

(1)Andre,E.;Lutz,M.;Darrell,V.;Tian,X.;Eric,M.;Ponisseril, S.;Fred,K.;Vince,C.;Mike,T.Nat.Mater.2009,8,543.doi: 10.1038/nmat2442

(2)Larson,T.A.;Joshi,P.P.;Sokolov,K.ACSNano 2012,6, 9182.doi:10.1021/nn3035155

(3)Zhen,X.;Wang,X.;Xie,C.;Wu,W.;Jiang,X.Q. Biomaterials2013,34,1372.doi:10.1016/j. biomaterials.2012.10.061

(4)Shao,M.F.;Ning,F.Y.;Zhao,J.W.;Wei,M.;Evans,D.G.; Duan,X.J.Am.Chem.Soc.2012,134,1071.doi:10.1021/ ja2086323

(5)Lv,Y.J.;Lu,G.Z.;Wang,Y.Q.;Guo,Y.L.;Guo,Y.;Zhang, Z.G.;Wang,Y.S.;Liu,X.H.Adv.Funct.Mater.2007,17, 2160.doi:10.1002/adfm.200600505

(6)Wu,Z.X.;Zhao,D.Y.Chem.Commun.2011,47,3332.doi: 10.1039/c0cc04909c

(7)Díaz,J.F.;Balkus,K.J.J.Mol.Catal.B:Enzym.1996,2,115. doi:10.1016/S1381-1177(96)00017-3

(8)Takimoto,A.;Shiomi,T.;Ino,K.MicroporousMesoporous Mat.2008,116,601.doi:10.1016/j.micromeso.2008.05.046

(9)Wang,A.M.;Liu,M.Q.;Wang,H.J.Biosci.Bioeng.2008, 106,286.doi:10.1263/jbb.106.286

(10)Rosenholm,J.M.;Sahlgren,C.;Linden,M.Nanoscale 2010, 2,1870.doi:10.1039/c0nr00156b

(11)Blin,J.L.;Su,B.L.Langmuir2002,18,5303.doi:10.1021/ la020042w

(12)Fuertes,A.B.;Valle-Vigon,P.;Sevilla,M.J.Colloid Interface Sci.2010,349,173.doi:10.1016/j.jcis.2010.05.041

(13)Jiang,Y.J.;Sun,Q.Y.;Jiang,Z.Y.Mater.Sci.Eng.C 2009, 29,328.doi:10.1016/j.msec.2008.07.006

(14)Bao,N.Z.;Shen,L.M.;Feng,X.;Lu,X.H.J.Am.Ceram. Soc.2004,87,326.doi:10.1111/j.1551-2916.2004.00326.x

(15)He,M.;Feng,X.;Lu,X.H.;Ji,X.Y.;Liu,C.;Bao,N.Z.;Xie, J.W.J.Chem.Eng.Jpn.2003,36,1259.doi:10.1252/ jcej.36.1259

(16)Castrillo,P.D.;Olmos,D.;Amador,D.R.J.Colloid Interface Sci.2007,308,318.doi:10.1016/j.jcis.2007.01.022

(17)Yang,Z.H.;Wang,Y.F.;Li,L.C.;Wang,C.S.;Lu,X.H. JournalofNanjing Tech.University2012,34,7.[杨祝红,王艳芳,李力成,王昌松,陆小华.南京工业大学学报,2012,34, 7.]

(18)Li,Q.N.;Wang,X.M.;Lu,X.H.;Tian,H.E.;Jiang,H.;Lv, G.;Guo,D.D.;Wu,C.H.;Chen,B.A.Biomaterials 2009,30, 4708.doi:10.1016/j.biomaterials.2009.05.015

(19)Wang,H.Q.;Yao,Z.;Sun,Y.;Zhou,Z.;Xiong,Q.;Zhong,Z. X.Biotechnol.Bioprocess Eng.2014,19,304.doi:10.1007/ s12257-013-0675-8

(20)Dong,Y.H.;An,R.;Zhuang,W.;Yao,Z.;Zhu,Y.D.;Liu,C.; Lu,X.H.JournalofChemical Industry and Engineering 2014,65,1750.[董依慧,安蓉,庄伟,姚忠,朱育丹,刘畅,陆小华.化工学报,2014,65,1750.]doi:10.3969/j. issn.0438-1157.2014.05.027

(21)Ravi,S.S.;Monoj,K.M.Korean J.Chem.Eng.2012,29, 1782.doi:10.1007/s11814-012-0092-2

(22)Bhattacharyya,M.S.;Hiwale,P.;Piras,M.;Medda,L.;Steri, D.;Piludu,M.;Salis,A.;Monduzzi,M.J.Phys.Chem.C 2010,114,19928.doi:10.1021/jp1078218

(23)Wang,D.;Zhao,J.;Chen,B.;Zhu,C.J.Phys.:Condens. Matter2008,20,085212.doi:10.1088/0953-8984/20/8/085212

(24)Li,X.N.;Xu,Q.Y.;Han,G.M.;Zhu,W.Q.;Chen,Z.H.;He, X.B.;Tian,X.J.J.Hazard.Mater.2009,165,469.doi: 10.1016/j.jhazmat.2008.10.013

(25)Sham im,N.;Liang,H.;Hidajat,K.;Uddin,M.S.J.Co lloid Interface Sci.2008,320,15.doi:10.1016/j.jcis.2007.08.012

(26)Su,T.J.;Lu,J.R.;Thomas,R.K.;Cui,Z.F.;Penfold,J. J.Colloid Interface Sci.1998,203,419.doi:10.1006/ jcis.1998.5545

(27)Vander,V.M.;Norde,W.;Stuart,M.C.Co lloids Surf.B 2004, 35,33.doi:10.1016/j.colsurfb.2004.02.005

(28)Fu,H.Y.;Gao,B.J.;Niu,Q.Y.Acta Phys.-Chim.Sin.2010, 26,359.[付红艳,高保娇,牛庆媛.物理化学学报,2010,26, 359.]doi:10.3866/PKU.WHXB20100207

(29)Kitagawa,H.;Suzuki,I.The Fundamentalsand Design for Adsorption;Chemical Industry Press:Beijing,1983;pp 48－50; translated by Lu,Z.L.[Kitagawa,H.;Suzuki,I.吸附的基础与设计.鹿政理,译.北京:化学工业出版社,1983:48－50.]

(30)Sun,Q.;Yang,L.WaterRes.2003,37,1535.doi:10.1016/ S0043-1354(02)00520-1

(31)Karaca,S.;Gurses,A.;Ejder,M.;Acikyildiz,M.J.Colloid Interface Sci.2004,277,257.doi:10.1016/j.jcis.2004.04.042

(32)Yang,X,Y.;Al-Duri,B.J.Colloid Interface Sci.2005,287, 25.doi:10.1016/j.jcis.2005.01.093

(33)Lorenc-Grabowska,E.;Gryglew icz,G.J.Colloid Interface Sci.2005,284,416.doi:10.1016/j.jcis.2004.10.031

(34)Shi,N.;Gao,B.J.;Yang,Q.Acta Phys.-Chim.Sin.2014,30, 2168.[史楠,高保娇,杨青.物理化学学报,2014,30, 2168.]doi:10.3866/PKU.WHXB201409151

(35)Zhou,L.C.;Meng,X.G.;Li,J.M.;Hu,W.;Liu,B.;Du,J. Acta Phys.-Chim.Sin.2012,28,1615.[周良春,孟祥光,李建梅,胡伟,刘波,杜娟.物理化学学报,2012,28,1615.] doi:10.3866/PKU.WHXB201204282

(36)Wojciech,P.;W ladyslaw,R.;Anita,P.Adv.Colloid Interface Sci.2009,152,2.doi:10.1016/j.cis.2009.07.009

(37)Salama,M.A.;Burk,R.C.Appl.Surf.Sci.2008,255,1975. doi:10.1016/j.apsusc.2008.06.168

(38)Kuo,C.Y.;Wu,C.H.;Wu,J.Y.J.Colloid Interface Sci.2008, 327,308.doi:10.1016/j.jcis.2008.08.038

Kinetics and Thermodynamics of Lysozyme Adsorption on Mesoporous Titanium Dioxide

HONG Qi-Liang1DONG Yi-Hui1ZHUANGWei2RAO Chao1LIU Chang1,*
(1State Key Laboratory ofMaterials-Oriented Chemical Engineering,Nanjing Technology University,Nanjing 210009,P.R.China;2SchoolofBiologicaland Pharmaceutical Engineering,Nanjing Technology University,Nanjing 211816,P.R.China)

Mesoporous TiO2was prepared by calcinating H2Ti2O5at773.15K.The sample was characterized by Brunauer-Emmett-Teller(BET),scanning e lectronm icroscopy(SEM),Raman spectroscopy,and X-ray diffraction(XRD)ana lysis.The adsorption behavior andmechanism o fmesoporous TiO2for lysozyme were investigated by isothermaladsorption experiments.The results show that the equilibrium experimentaldatawere co rre lated w ith the Langmuir iso the rm equation.The adso rption capacity first inc reased and then decreased with increasing pH value.The capacity showed amaximum value of72.5mg∙g－1when the pH value was 7.2. Lysozyme adsorbed onmesoporous TiO2was extremely stable,and its amountonmesoporous TiO2maintained 81.6%o f its initia l va lue after five adsorption and regeneration cyc les.Furthermore,kinetic analysis was conducted using pseudo-firstand pseudo-second ordermodels.The adsorption of lysozyme onmesoporous TiO2was described wellby the pseudo-second order rate equation.The rate-determ ining step of the adsorption w as the com bined action o f film diffusion and intrapa rtic le d iffusion.The adsorp tion the rm odynam ic ana lysis suggestedΔG0<0,ΔH0>0,andΔS0>0,which indicated that the adsorption was a spontaneous and endotherm ic processw ith entropy increased.

Mesoporous TiO2;Lysozyme;Adsorption;Kinetics;Thermodynam ics

September14,2015;Revised:December14,2015;Published onWeb:December18,2015.

O647

10.3866/PKU.WHXB201512181

*Corresponding author.Email:changliu@njtech.edu.cn;Tel:+86-13913939041.

The projectwas supported by the NationalKey Basic Research Program of China(2013CB733501),National Natural Science Foundation of China (21136004,21476106,21506090),Natural Science Foundation of Jiangsu Province,China(BK20130929),and Projectof Priority Academic Program Development(PAPD)of Jiangsu Higher Education Institutions,China.

国家重点基础研究发展计划项目(2013CB733501),国家自然科学基金(21136004,21476106,21506090),江苏省自然科学基金(BK 20130929)和江苏高校优势学科建设工程项目资助©Editorialofficeof Acta Physico-Chimica Sinica