不同结构碳纳米管吸附胆红素的研究

2021-11-12汤佳玉孔鹏飞徐见飞

辽宁石油化工大学学报 2021年5期

汤佳玉，孔鹏飞，鞠佳，唐敏，徐见飞，王令，陈胜

（辽宁石油化工大学石油化工学院，辽宁抚顺113001）

胆红素是一种内源性毒素，是体内血红素的代谢产物，体内浓度较高时可对大脑和神经系统造成不可逆损害，严重时会危及生命[1-2]。临床通常采用血液灌流直接迅速去除高浓度胆红素，对于血液灌流过程，胆红素吸附剂的选择极为重要。胆红素吸附剂包括有机聚合材料如亲和膜[3]、大孔水凝胶[4-5]、静电纺丝膜[6]、分子印记材料[7-8]，而无机胆红素吸附剂包括活性炭[9-10]、二氧化钛[11-12]、碳纳米管[13-14]等。

对于无机吸附材料，活性炭最早用于血液灌流，但由于其存在活性炭颗粒脱落和血液相容性差的问题，未能得到广泛应用。随着无机纳米材料的发展，无机材料又重新受到生物医学专家的关注。纳米二氧化钛为光催化剂，在紫外光辐射下降解并吸附胆红素[15]。碳纳米管具有碳六边形晶体结构组成的疏水表面、独特的中空结构和比表面积大的特点，因此在含金属废水和染料废水中应用较为广泛,如去除重金属铅离子和铜离子[16]、去除有机染料甲基蓝[17]和刚果红[18]等。K.Shinke等[19]制备出多壁碳纳米管，将其用于胆红素的吸附，多壁碳纳米管显示出极大的胆红素饱和吸附量。但是，系统地比较不同类型碳纳米管材料吸附胆红素的研究较少，且碳纳米管经过酸氧化处理以后，还能在表面引入羧基等官能团，有利于进一步功能优化或者与有机材料进行共混制备有机无机共混亲和膜。

本文主要研究了3种碳纳米管的胆红素吸附性能，选择不同型号的碳纳米管，考察了吸附温度、吸附时间、胆红素初始质量浓度等因素的影响和吸附平衡，还探究了缓冲溶液条件如溶液的p H、NaCl浓度和牛血清白蛋白的质量浓度对胆红素吸附量的影响。该研究将为碳纳米管吸附剂的应用提供重要的科学依据和实践指导，同时也为后期碳纳米管共混微滤膜的研制提供实验及理论基础。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

试剂：胆红素（BR），分析纯，东京化成工业株式会社；多壁碳纳米管MWNT-10（MW，管径为7～15 nm，纯度＞97%）、多壁碳纳管L-MWNT-4060（LMW，管径为40～60 nm，纯度＞97%）、单壁碳纳米管SWNT-2（SW，管径＜3 nm，纯度＞85%），深圳市纳米港有限公司；牛血清白蛋白（BSA），生物纯，国药集团化学试剂有限公司。

仪器：THZ-82A水浴恒温振荡器，江苏科析仪器有限公司；HDL-4管式离心机，金坛市鸿科仪器厂；UV-1800紫外分光光度计，上海精密仪器仪表有限公司；PHS-3C pH计，上海仪电科学仪器有限公司；SU 8010扫描电子显微镜，日本日立公司；DHG-9076A恒温干燥箱，太仓精宏仪器设备有限公司；D8 Advance X-射线衍射仪，德国Bruker公司；ASAP2010物理吸附仪，美国Micromeritics公司。

1.2 碳纳米管的表征

将碳纳米管样品在60℃恒温干燥24 h，用牙签将少量碳纳米管样品粘在样品台上，吹掉粘结不牢固的碳纳米管。样品不经镀金处理，直接在扫描电子显微镜下观察，电压设定10.0 kV，得到3种碳纳米管在35 000、100 000放大倍数下的电镜图像。

采用X-射线衍射仪进行XRD谱图的测定，将碳纳米管置于框架上，Cu靶，工作电压为40 kV，工作电流为40 mA，扫描角度为5°～100°。

采用物理吸附仪，在77 K的吸附温度下使用液态N2进行吸附，测试碳纳米管比表面积、孔径和孔容。

1.3 胆红素吸附实验

1.3.1 胆红素溶液的配制在避光条件下配制胆红素缓冲溶液，即配即用[20]。准确量取一定量的胆红素置于容量瓶中，加入5 mL新鲜配制的0.1 mol/L NaOH溶液，轻轻摇动至胆红素全部溶解，呈通透酒红色，加入牛血清白蛋白，使其质量浓度为0～30 g/L，再加入2 mol/L的磷酸缓冲溶液10 mL，轻摇均匀并静置10 min，不断滴加0.1 mol/L的HCl溶液，将溶液pH调至7.4左右，用去离子水补齐溶液至定容。

1.3.2 胆红素吸附实验分别称取3种碳纳米管到试剂瓶中，量取胆红素溶液5 mL，密封避光处理后将吸附瓶置于恒温水浴振荡器中，分别在20、37℃下恒温振荡，吸附一定时间后，取离心后的吸附上层清液，经定量稀释，利用紫外分光光度计在460 nm下测定其胆红素质量浓度。胆红素溶液吸附量计算公式如下[21]：

式中，Q为单位质量碳纳米管的胆红素吸附量，mg/g；C0、Ct分别为初始、平衡时胆红素质量浓度，mg/mL；V为胆红素溶液的体积，mL；m为碳纳米管的质量，g。

2 结果与讨论

2.1 碳纳米管的表征结果

2.1.1 SEM 图1为碳纳米管MW、LMW和SW的扫描电镜照片。从图1（a）、（c）和（e）可以看出，MW分散较好，LMW次之，SW分散不好，团聚成束。从图1其余照片可以看出，LMW管径远大于MW管径，SW有接近2 nm的超细管径，但是可能因为纯度问题，还有一些大尺寸的管状物。碳纳米管的分散情况和管径大小可能影响其胆红素吸附能力。

图1 碳纳米管MW、LMW和SW的扫描电镜照片

2.1.2 XRD 图2为碳纳米管MW、LMW和SW的XRD谱图。从图2可以看出，MW在25.5°和42.8°的衍射角分别对应于石墨的（002）和（100）晶面的特征衍射锋，衍射峰尖锐，表明碳纳米管样品中的石墨结构完整，结晶良好，未发现其他杂质相的存在；比较3种碳纳米管衍射结果发现，它们的主要峰值相差很小，说明3种碳纳米管成分相同且内部结构相似，但是峰面积相差很大，峰面积越大，则晶体含量越高，峰越窄说明晶粒粒度越大。

图2 碳纳米管MW、LMW和SW的XRD谱图

采用Scherrer公式对晶粒粒度进行计算：

式中，D为晶粒粒度，nm；K为Scherrer常数，数值为0.89；β为积分半高宽度，rad；θ为衍射角，（°）；λ为X射线波长，数值为0.154 18 nm。由此可知，3种碳纳米管的管径大小排序为LMW＞MW＞SW。

2.1.3 BET 采用BJH法测试碳纳米管的比表面积、孔径和孔容，结果见表1。由表1可知，LMW的比表面积、孔径和孔容都最低；MW和SW比表面积相当，但是MW的孔径和孔容最大，这为胆红素在碳纳米管上的吸附提供更多的吸附位点和空间，有助于提高碳纳米管的吸附性能。

表1 碳纳米管的比表面积、孔径和孔容

2.2 吸附温度和吸附时间对碳纳米管吸附性能的影响

在胆红素质量浓度为0.1 g/L、牛血清白蛋白质量浓度为20 g/L、p H为7.4的条件下，考察吸附温度和吸附时间对碳纳米管吸附性能的影响，结果见图3。

图3 吸附温度和吸附时间对碳纳米管吸附性能的影响

从图3可以看出，3种碳纳米管的胆红素吸附量随温度的升高而增加。文献[15,22－23]研究结果也表明，吸附剂对胆红素的吸附随温度升高而升高。一般来说，吸附随着温度的升高而降低，但胆红素的吸附情况则不同。这是因为：随着温度的升高，胆红素分子发生构象变化，从顺式构型转变为反式构型[15,24]，更易与碳纳米管表面发生相互作用。同时，3种碳纳米管均在40 min内达到吸附平衡，在吸附速率上明显优于聚合物材料，通常的高分子材料吸附剂平衡时间约为2 h[25]。

2.3 胆红素质量浓度对碳纳米管吸附性能的影响

在牛血清白蛋白质量浓度为20 g/L、pH为7.4的条件下，考察胆红素质量浓度对碳纳米管吸附性能的影响，结果见图4。

图4 胆红素质量浓度对碳纳米管吸附性能的影响

从图4可以看出，随着胆红素质量浓度的增加，碳纳米管的胆红素吸附量也增加；当胆红素质量浓度为0.5 g/L时，达到饱和吸附量。其原因为：随着胆红素质量浓度增加，碳纳米管和胆红素分子之间的碰撞率增加，最终达到吸附平衡，且胆红素吸附量排序为MW＞SW＞LMW，MW胆红素最大吸附量达208 mg/g。结合表征结果分析可知，SW和MW的比表面积远大于LMW，因此它们的胆红素吸附能力也高于LMW，但是MW的孔径为2.846 nm，与胆红素的分子尺寸（2～4 nm）较为接近，而且MW的分散性优于SW，因此MW显示出最高的胆红素吸附能力。3种碳纳米管特别是多壁碳纳米管MW的胆红素吸附性能优于常规吸附剂，如表2所示，因此碳纳米管也将成为最具潜力的胆红素吸附剂。

表2 胆红素吸附剂的最大吸附量比较结果

Freundlich吸附等温式如下：

式中，k和n均为吸附平衡常数。对式（3）等式两边取对数，得：

采用Freundlich吸附等温式拟合3种碳纳米管的胆红素吸附数据，结果见图5。从图5可以看出，胆红素在3种碳纳米管上的吸附符合Freundlich等温吸附，即碳纳米管吸附胆红素为单分子层吸附。

图5 胆红素Freundlich等温吸附拟合曲线

2.4 NaCl浓度对碳纳米管吸附性能的影响

在胆红素质量浓度为0.1 g/L、牛血清白蛋白质量浓度为20 g/L、p H为7.4的条件下，考察NaCl浓度对碳纳米管吸附性能的影响，结果见图6。

图6 NaCl浓度对碳纳米管吸附性能的影响

从图6可以看出，随着胆红素溶液中NaCl浓度的增大，3种碳纳米管的胆红素吸附量均减小。其原因有两种：一是由于溶液中的高浓度离子促进了碳纳米管吸附剂的聚集，从而降低其有效比表面积；二是离子浓度增大，占据了吸附剂的吸附位点，从而降低了碳纳米管的胆红素吸附量。

2.5 溶液p H对碳纳米管吸附性能的影响

在胆红素质量浓度为0.1 g/L、牛血清白蛋白质量浓度为20 g/L的条件下，考察溶液p H对碳纳米管吸附性能的影响，结果见图7。

图7 溶液pH对碳纳米管吸附性能的影响

从图7可以看出，当溶液p H从7.5提高到11.3时，胆红素吸附量均下降约20%，且胆红素吸附量排序为MW＞SW＞LMW。当溶液pH大于7.0时，缓冲溶液中的胆红素以阴离子形式存在，碳纳米管表面吸附的胆红素阴离子与溶液中的胆红素阴离子存在静电斥力，随着溶液pH的升高，溶液中胆红素阴离子的数量逐渐增加，静电斥力也随之增大，导致胆红素吸附量不断降低。因此，中性条件下碳纳米管吸附胆红素性能最优。

2.6 牛血清白蛋白质量浓度对胆红素吸附的影响

血液体系成分复杂，存在的多种蛋白对胆红素吸附带来干扰，因此以牛血清白蛋白为模型，在胆红素质量浓度为0.1 g/L、pH为7.4的条件下，考察牛血清白蛋白质量浓度对胆红素吸附的影响，结果见图8。从图8可以看出，碳纳米管的胆红素吸附量随溶液中牛血清白蛋白质量浓度的增加而降低，当牛血清白蛋白质量浓度达到30 g/L时，其胆红素吸附量几乎不再变化。比较3种碳纳米管的胆红素吸附量发现，MW的胆红素吸附量最大，SW次之，LMW最低。牛血清白蛋白是胆红素等体内毒素的天然载体，亲和性很大，容易形成难于拆分的复合物[28]。因此，胆红素吸附量随牛血清白蛋白质量浓度降低的可能解释为：牛血清白蛋白与和碳纳米管竞争吸附结合胆红素；牛血清白蛋白分子与胆红素分子形成体积较大复合物，因空间位阻难于被碳纳米管吸附；高质量浓度牛血清白蛋白使胆红素溶液黏度增大，导致3种碳纳米管的分散性均变差。