介孔TiO2对胆红素的吸附研究

张 鹃,杨 梅,吴 奖,左定财,钟永科

(遵义医科大学 药学院，贵州 遵义 563099)

胆红素是血红蛋白及其他血红素蛋白中的血红素在巨噬细胞或其他网织内皮细胞及肝细胞的代谢产物，血液中胆红素的高低是临床上判定黄疸的重要依据[1]。当出现肝脏病变或胆管阻塞、胆红素葡萄糖醛酸转移酶的功能障碍或缺乏时，血液中胆红素则会超过正常值，导致肝胆功能受损、新生儿核黄疸、永久性脑损伤[2-4]等疾病的发生。

目前，降低血液中高浓度胆红素的有效方法之一是血液灌流，通过吸附剂吸附去除，常用的吸附剂有活性炭、合成高分子树脂、多糖、凝胶等[5]。TiO2是一个广泛应用于污水处理、太阳能电池、清洁抗菌等领域的重要材料，具有易于合成、廉价无毒和化学稳定性好等优点[6]。近年来，由于发现TiO2还具有很好的血液相容性，显示出它作为血液吸附材料的重要潜质[7]而引起药物材料学者的兴趣，但是，目前用于胆红素吸附的TiO2为薄膜[8]或颗粒状的纳米粒子[ 7-10]，但薄膜的吸附和使用都有限，而颗粒粒子则在使用过程中存在容易流失、不易回收且对胆红素的吸附容量也小等问题。

本研究采用介孔TiO2作为吸附材料，具有使用中不易流失、易回收的特点；对亚甲基蓝的吸附表明，其吸附作用显著高于商品P25纳米颗粒粉体[11-12]。本实验研究其对胆红素的吸附。

1 材料与方法

1.1 试剂和仪器 胆红素 (纯度>99.0%，上海信裕生物科技有限公司)；TiCl4、乙二胺、氢氧化钠(均为分析纯，成都市科龙化工试剂厂)；实验室用水为高纯去离子水；粉体P25 (德国Degussa生成的粒径在25 nm左右的纳米TiO2粉体，用于吸附比较)；HA130型血液灌流器(吸附剂：聚苯乙烯大孔树脂，珠海健帆生物科技股份有限公司)。数显恒温振荡器(SHZ-82A，金坛市朗博仪器制造有限公司)；双光束紫外可见分光光度计(U-3010，日本Hitachi公司)；静态氮吸附仪(JW-BK122W，北京精微高博公司)，高分辨透射电镜(JEOL-2100f，日本电子株式会社)，扫描电镜(S-3400N，日本Hitachi公司)。

1.2 介孔TiO2的制备 按四氯化钛与乙二胺的摩尔比1∶1、1∶2、1∶4和1∶8在5.00 mL四氯化钛中分别缓慢加入乙二胺，再加入100 mL去离子水，然后将混合液置于聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中120 ℃反应，产物经离心，用去离子水清洗3次、乙醇清洗3次，45 ℃烘干后，制得介孔TiO2。按加入的四氯化钛:乙二胺摩尔比，将所得TiO2介孔产物分别标示为M1-1、M1-2、M1-4和M1-8。对照物聚苯乙烯大孔树脂标示为HA130。

1.3 TiO2样品的表征 样品比表面积及孔径表征(BET)分析采用北京精微高博的JW-BK122W型静态氮吸附仪，测定前样品分别用氦气和氮气吸、脱附处理，然后在120℃下脱气活化1 h，比表面选点范围(P/P0) 0.05～0.3。样品内部结构、表面形貌分别采用透射电镜(TEM)及扫描电镜(SEM)分析，透射电镜采用日本理学的JEOL-2100f型场发射高分辨透射电镜，加速电压80 ～ 200 KV，点分辨率0.19 nm，制样时先将样品用无水乙醇分散，超声2 min制成混悬液，然后将混悬液滴到铜网上挥发干燥，最后抽真空、测样。扫描电镜分析采用日本Hitachi公司的S-3400N型扫描电镜。

1.4 胆红素的吸附 胆红素溶液的配制：胆红素溶液按照文献[13]配制，准确称取胆红素(0.02g)后倒入预先用氮气吹扫5 min的100 mL容量瓶中，然后在避光条件下用0.1 mol/L的氢氧化钠溶液(3～4 mL)溶解，用pH为7.40的磷酸缓冲液稀释定容。胆红素的吸附：0.020 g的TiO2加入30 mL pH为7.40的磷酸缓冲液浸泡12 h，之后倒出上清液，100 ℃烘干4 h，再分别加入质量浓度为40.0 mg/L的胆红素溶液50.0 mL，在恒温水浴摇床中给定温度下振摇，定时取上清液，在波长为438 nm[14]下测定胆红素的吸光度，利用公式：

q=(C0-C)V /m

(1)

(其中C0为胆红素溶液的原始浓度，C为吸附开始后某时刻胆红素的浓度，V为胆红素溶液的体积，m是样品的质量)计算吸附量q。P25和HA130对胆红素的吸附与上述TiO2对胆红素吸附的检测方法相同。

2 结果

2.1 TiO2的织构分析

2.1.1 孔径分布 典型样品M1-4的等温氮吸附-脱附曲线见图1，结果显示，样品M1-4的等温吸附-脱附曲线为IUPAC分类中的第IV型等温线，存在H3型回滞环，说明该TiO2具有典型的缝状介孔。此外，图1结果还表明，回滞环的饱和吸附平台不够明显，说明孔结构非均一，可能是介孔和微孔的混合体系[15]。

图1 M1-4的等温氮吸附-脱附曲线

所得样品TiO2的介孔孔容-孔径分布见图2，结果显示，对比于粉体P25的-介孔分布几乎接近于0，产物具有明显的介孔分布，且介孔孔容-孔径分布的变化明显，说明乙二胺加入量对产物的介孔孔容-孔径分布有重要影响：当四氯化钛与乙二胺的摩尔比在1∶1、1∶2时，产物介孔分布较分散，虽然在2.8 nm处有一峰值分布，但不大；当四氯化钛与乙二胺的摩尔比增加至1∶4时，产物孔径迅速集中，向大孔径移动，主要分布在3.2～6.5 nm，至1∶8时产物孔径分布在4.1 nm呈现最大峰值，说明产物M1-8的介孔最为集中，且集中在4.1 nm附近。

图2 TiO2的介孔孔容-孔径分布

乙二胺加入量对产物微孔孔容-孔径分布曲线见图3，结果显示，当四氯化钛与乙二胺的摩尔比为1∶1时，产物的微孔孔容-孔径分布几乎没有变化，与粉体P25几乎相当，但是，当四氯化钛与乙二胺的摩尔比增加至1∶2以上，产物微孔孔容-孔径分布的变化趋于明显，但各产物之间显示出相似的变化趋势，微孔分布都主要集中在0.29～0.92 nm、0.92～1.31 nm两个点附近。

2.1.2 织构结果 介孔TiO2及粉体P25的BET结果见表1，结果显示，粉体P25的BET结果都是最小的，而介孔产物的BET结果都有较高的值，且随乙二胺比例的逐渐升高而呈现出先增加(由1∶1至1∶4)后减少(由1∶4至1∶8)的趋势，说明乙二胺的加入量与介孔体积之间存在一个适当的比例。将表1的结果与图1和图2 的孔容-孔径分布对比，可以看出，产物M1-1的小微孔体积与图2 中M1-1的平直微孔-孔径分布变化相吻合；对比产物M1-8在图1中最集中的介孔分布，表1中M1-8介孔体积没有增加反而减小，说明产物介孔体积的大小与介孔的集中程度没有直接的关系。

图3 TiO2的微孔孔容-孔径分布

表1介孔TiO2的BET结果

样品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：比表面积；Vtotal：总孔体积；Vmicro：微孔体积；Vmeso：介孔体积；DBJH：平均孔径。

2.2 TEM及SEM结果 图4(a)、(b)为典型产物M1-4的TEM结果，结果显示所得图像为颗粒边缘的透视图，清晰表明TiO2介孔产物的介孔形态为缝隙状，主要由并行排列的粒子堆积而成，粒子间结合紧密，这与氮吸附分析所得的结果相同。图4(c)为TiO2的衍射环图，照片中可以看见清晰的环状，提示TiO2介孔有较好的晶型结构。图4(d)为TiO2的SEM结果，显示介孔产物由微米级的颗粒组成，而颗粒显示由多层TiO2堆积形成(与TEM观察的结果吻合)，提示产物在吸附使用中不易流失，有较好的回收性能。

2.3 介孔TiO2对胆红素的吸附结果 介孔TiO2产物及粉体P25对胆红素吸附结果见图6，结果显示，所有样品对胆红素的吸附在20 min之前曲线都较陡，70 min后趋于平缓，120 min基本达到吸附平衡，说明它们对胆红素的吸附在120 min后基本完成。对比不同样品的初期曲线变化，介孔TiO2产物及粉体P25对胆红素的吸附在初期比商品HA130快，说明胆红素在TiO2产物介孔内的扩散可能较快。对比不同样品对胆红素的吸附量，商品HA130对胆红素的吸附虽然高于粉体P25，但比介孔TiO2产物低得多，所有介孔TiO2产物对胆红素的吸附均远高于粉体P25，120 min吸附后粉体P25对胆红素的平衡吸附量仅为11.2 mg/g，而吸附量最高的M1-4对胆红素的吸附量达21.5 mg/g，几乎是粉体P25的两倍。此外，通过观察吸附过程中的溶液状态表明，粉体P25吸附溶液在测定吸光度时需要高速离心才可获得清澈透明的溶液而介孔TiO2仅需简单的过滤(0.45 μm的过滤头)即可获得，说明介孔TiO2易分离而不易流失。

为进一步了解介孔TiO2产物对胆红素的吸附性质，我们对吸附曲线使用Lagergren准二级速率方程[16]作进一步分析，公式：

图4 TiO2的TEM结果为(A)、(B)，衍射环图为(C)，SEM结果为(D)

图6 介孔TiO2吸附胆红素的动力学曲线

(2)

其中 t为时间(min)，qt和q分别表示任一t时刻(min)的吸附量(mg/g)和吸附平衡时的吸附量(mg/g)、K为准二级吸附速率方程的吸附速率常数(g/(mg·min))进行了拟合，所得拟结果如图7所示。图7结果表明，介孔TiO2产物对胆红素的吸附与准二级吸附速率方程吻合得很好，说明吸附体系存在多重吸附过程，如化学吸附及毛细管凝聚等[17]，整个吸附是多重吸附的综合结果。所得相关参数如表2所示。表2结果说明准二级动力学计算出的饱和吸附量与吸附120 min时实际值相差不大，具有较好的线性关系。

qexp：实验测得的平衡吸附量，qfit：通过动力学曲线拟合得到的平衡吸附量，K：准二级吸附速率方程的吸附速率常数(单位g/mg·min)，R2：相关系数。

图7 介孔TiO2吸附胆红素的准二级动力学拟合曲线

表2介孔TiO2的吸附与拟合参数

吸附剂qexp(mg/g)准二级动力学方程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 将介孔TiO2孔体积与胆红素的吸附量进行比较及2.4～4.1 nm介孔TiO2累计孔体积与胆红素的吸附量之间的关系(见图8、9)

图8 TiO2的介孔体积与吸附量的关系

图9 TiO2的2.4-4.1 nm的累计介孔孔体积与吸附量的关系

3 讨论

本实验所得产物TiO2是典型的缝状介孔材料，其比表面积、总孔体积、介孔体积和微孔体积都有较高的值，且随乙二胺比例的逐渐升高而呈现出先增加后减少的趋势，说明不同条件处理对于产物的织构变化具有明显的影响，比例越高，比表面积、孔体积、介孔体积也逐渐升高。

众多关于多孔材料吸附性质的研究表明，影响其吸附的主要因素是其织构[10, 18-19]，考虑到胆红素的分子量(M= 584.67)，其吸附孔隙必然是介孔，但是，将介孔TiO2孔体积与胆红素的吸附量进行比较，结果发现并非介孔体积越大吸附越多(见图8)，说明有相当一部分介孔没有发挥作用。经过仔细的研究比较，我们发现，尺寸在2.4～4.1 nm的介孔对胆红素的吸附存在很好的相关性，2.4～4.1 nm的累计介孔孔体积与胆红素的吸附量之间的关系如图9所示，这一发现说明：对胆红素的吸附，2.4～4.1 nm尺寸的介孔是关键。

本实验所得产物TiO2为介孔材料，对胆红素的吸附与2.4～4.1 nm尺寸的介孔存在很好的相关性，且符合二级动力学方程。与粉体P25相比介孔TiO2具有不易流失而易于回收的优点，其胆红素吸附量是粉体P25的近两倍；与市售的HA130对胆红素的吸附效果相比，介孔TiO2的胆红素吸附效果也优于HA130。