宮建龍,楊良軍,朱龍寶,劉任龍,陶玉貴,梁敏東

(安徽工程大學(xué)生物與化學(xué)工程學(xué)院,安徽蕪湖 241000)

基于脯氨酸仿生合成的納米TiO2吸附牛血清白蛋白行為的研究

宮建龍,楊良軍,朱龍寶,劉任龍,陶玉貴,梁敏東

(安徽工程大學(xué)生物與化學(xué)工程學(xué)院,安徽蕪湖 241000)

以基于脯氨酸仿生合成的納米TiO2為吸附劑,研究其對(duì)牛血清白蛋白(BSA)的吸附行為,并采用傅立葉變換紅外光譜(FT-IR)以及差熱-熱重分析(DTA-TG)對(duì)其界面進(jìn)行表征．研究結(jié)果表明:吸附等溫線符合Langmuir吸附模型,為單分子層吸附,最大吸附量為40．1 mg/g,吸附常數(shù)為5．71 m L/mg;吸附過程可用Lagergren擬一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程描述;吸附過程為放熱物理吸附．界面表征納米TiO2與BSA間吸附作用力為氫鍵和范德華力,與擬合曲線的分析結(jié)果相吻合．

納米二氧化鈦;牛血清白蛋白;吸附行為;吸附動(dòng)力學(xué)

仿生合成的納米TiO2作為一種高新材料[1],除了具有更大的比表面積、尺寸可控特性以及優(yōu)異的表面效應(yīng)外,還具有良好的生物相容性和化學(xué)穩(wěn)定性等特點(diǎn)[2-3],在生物醫(yī)用材料領(lǐng)域研究廣泛[4-5]．

目前,納米TiO2用作生物醫(yī)用材料,主要集中在材料與蛋白質(zhì)之間發(fā)生吸附的條件研究[6-7],對(duì)于材料與蛋白質(zhì)之間吸附過程中物質(zhì)與熱量的交換研究還有待深入．然而,材料與蛋白質(zhì)分子之間物質(zhì)與熱量的交換直接影響材料對(duì)蛋白質(zhì)分子的吸附量、吸附速率,熱量之間的相互轉(zhuǎn)化將會(huì)對(duì)吸附類型產(chǎn)生影響,從而進(jìn)一步影響吸附的自發(fā)性[8]．血清白蛋白(BSA)在生物體中起著血液緩沖劑、維持血液滲透壓、載運(yùn)等作用,是人體及動(dòng)物體內(nèi)最重要的蛋白之一,常作為研究蛋白質(zhì)復(fù)合材料的模式蛋白．因此,研究BSA與仿生合成納米TiO2間的吸附行為,對(duì)揭示納米材料與蛋白質(zhì)之間的相互作用有著一定的意義[9]．

以基于脯氨酸仿生合成的納米TiO2為吸附劑,通過吸附模型、動(dòng)力學(xué)以及熱力學(xué)參數(shù)等研究仿生納米TiO2與BSA之間的吸附行為,并輔以FT-IR以及DTA-TG對(duì)擬合結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證．

1 材料與方法

1．1 納米TiO2的仿生合成

依據(jù)文獻(xiàn)方法[10]將4 mmol脯氨酸溶于蒸餾水中制成溶液,并將無水乙醇緩慢加入溶液中,在強(qiáng)攪拌情況下加入4 m L鈦酸正四丁酯,室溫?cái)嚢? h．再將乳白色混合物轉(zhuǎn)入反應(yīng)釜中,水熱反應(yīng)24 h,抽濾,用無水乙醇、蒸餾水清洗,將得到的沉淀物進(jìn)行干燥,干燥后放在空氣中煅燒3．5 h,得到樣品．通過XRD (采用Bruker D8 Advance型X射線衍射儀)、SEM(采用日立S-4800掃描電鏡)以及比表面積及孔徑(采用美國(guó)康塔NOVA 2000e比表面積及孔徑分析儀)表征,制備的納米TiO2為銳鈦礦晶型,尺寸為80～150 nm,比表面積為61．42 m2/g,平均孔徑為56．36 nm,平均孔體積為0．218 cm3/g．

1．2 載體TiO2吸附BSA

將50 mg的載體TiO2吸附劑放入40 m L的樣品瓶中,然后加入25 m L 0．1～1．0 mg/m L BSA(上海金穗生物科技有限公司)溶液,旋緊瓶蓋,將樣品瓶置于25℃的恒溫振蕩箱中,振蕩攪拌300 min,達(dá)到吸附平衡后,離心分離,利用改進(jìn)型Lowery法蛋白質(zhì)定量試劑盒(上海近岸科技有限公司,線性范圍1．0～1500μg/m L)測(cè)定溶液的BSA濃度．

1．3 載體TiO2對(duì)BSA的吸附行為

(1)平衡吸附量．平衡吸附量qe(mg/g)由式(1)計(jì)算:

式中,c0,ce分別為基質(zhì)的起始和平衡質(zhì)量濃度(mg/m L);V為溶液體積(m L);W為吸附劑的質(zhì)量(g)．

(2)等溫吸附線．采用Langmuir吸附模型對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,以分析吸附劑的吸附特性,吸附劑的吸附量可由式(2)計(jì)算:

式中,qmax最大吸附量(mg/g);Ka為吸附劑的吸附常數(shù)(m L/mg)．

(3)吸附動(dòng)力學(xué)．吸附動(dòng)力學(xué)用Lagergren擬一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程來描述:

式中,qe,q為BSA的平衡時(shí)和時(shí)間t時(shí)的吸附量(mg/g);k為吸附劑的結(jié)合速度常數(shù)(min－1)．

(4)吸附熱力學(xué)．采用分批結(jié)合實(shí)驗(yàn),由等溫吸附線求得結(jié)合常數(shù),以ln Ka對(duì)1/T作圖,采用如式(3)所示Vant＇Hoff方程對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)擬合,由直線的斜率和截距可求得ΔrHm和ΔrSm．ΔrHm絕對(duì)值越大,說明基質(zhì)與吸附劑的親和力越強(qiáng),形成的復(fù)合物越穩(wěn)定;ΔrSm絕對(duì)值越大,說明基質(zhì)與吸附劑形成復(fù)合物時(shí)構(gòu)象變化越大．

式中,Ka為BSA在吸附劑的吸附平衡離解常數(shù);ΔrGm、ΔrHm和ΔrSm分別為BSA與吸附劑相互作用的自由能變、焓變和熵變．

1．4 界面表征

吸附了BSA的吸附劑經(jīng)離心分離,用超純水和磷酸鹽緩沖液進(jìn)行洗滌,冷凍干燥,利用Prestige-21傅立葉變換紅外光譜儀(日本島津公司)及TGA-2050熱分析儀(美國(guó)TA-Instruments公司)對(duì)界面表征．

2 結(jié)果與討論

2．1 吸附等溫線

溶液p H對(duì)吸附影響如圖1所示．由圖1可知,在接近BSA等電點(diǎn)(4．8)時(shí),吸附效果最好,因此吸附實(shí)驗(yàn)的BSA溶液都用磷酸鹽緩沖液調(diào)節(jié)為p H值＝5．0．分別以25 mg載體TiO2吸附25 m L初始質(zhì)量濃度為0．1 mg/m L、0．2 mg/m L、0．3 mg/m L、0．4 mg/m L、0．6 mg/m L、0．8 mg/m L、1．0 mg/m L的BSA溶液．采用式(2)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得圖1的吸附等溫線,圖1中橫坐標(biāo)為不同質(zhì)量濃度下吸附平衡時(shí)的BSA質(zhì)量濃度,縱坐標(biāo)為載體TiO2對(duì)BSA的結(jié)合量．作為對(duì)比,采用Freundlich模型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得圖1中的虛線．?dāng)M合所得的參數(shù)如表1所示．

表1 Langmuir和Freundlich方程參數(shù)

采用Langmuir模型所得擬合曲線的相關(guān)性R2＞0．999,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與式(2)非常吻合,說明吸附過程為單分子層吸附,BSA飽和吸附量為40．1 mg/g,吸附常數(shù)為5．71 m L/mg．飽和吸附量取決于吸附劑的比表面積,吸附常數(shù)與吸附劑和BSA分子間的作用力有關(guān)．

2．2 吸附動(dòng)力學(xué)

分別以25 mg載體TiO2吸附25 m L初始質(zhì)量濃度為0．6 mg/m L和1．0 mg/m L的BSA溶液,測(cè)吸附時(shí)間分別為5 min、10 min、15 min、20 min、40 min、80 min、120 min、160 min、200 min、240 min、300 min的吸附量,按照式(3)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,得到的吸附動(dòng)力學(xué)曲線如圖2所示．作為對(duì)比,采用擬二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得圖2中虛線．?dāng)M合所得的參數(shù)如表2所示．

表2 吸附動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)

采用擬一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型所得擬合曲線的相關(guān)性R2＞0．998,說明納米TiO2對(duì)BSA的吸附行為可用一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型來描述．由擬二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型擬合所得的平衡吸附量大于吸附實(shí)驗(yàn)的平衡吸附量,這與事實(shí)不符,說明吸附過程不能用擬二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型來描述．納米TiO2對(duì)BSA的吸附過程可分為三步:液膜擴(kuò)散、孔道擴(kuò)散和吸附．對(duì)于物理吸附,吸附質(zhì)分子與孔表面的碰撞和定向作用而被吸附幾乎是瞬間完成的,因此,吸附速率受前兩步擴(kuò)散控制,通常在吸附初期過程速度受外擴(kuò)散控制,吸附后期過程速度受內(nèi)擴(kuò)散控制．從圖2中可以看出,納米TiO2對(duì)BSA的吸附量隨著時(shí)間的增加而增大．0～120 min內(nèi)吸附量迅速增加,此為快速吸附過程,由濃度推動(dòng)力控制顆粒擴(kuò)散;120～240 min內(nèi)吸附量增加緩慢,在240 min后吸附量基本不變,達(dá)到吸附平衡．納米TiO2對(duì)低質(zhì)量濃度(0．6 mg/m L)BSA溶液吸附,在160 min時(shí)接近吸附平衡,對(duì)高質(zhì)量濃度(1．0 mg/m L)BSA溶液吸附,在200 min時(shí)接近吸附平衡,說明在低質(zhì)量濃度中達(dá)到吸附平衡所需時(shí)間較短．

2．3 吸附熱力學(xué)

在298 K、308 K、318 K和328 K溫度下,以0．050 g載體TiO2吸附25 m L不同質(zhì)量濃度的BSA溶液,采用Langmuir吸附模型對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,得到不同溫度下的吸附等溫線如圖3所示．求得不同溫度下的吸附常數(shù)與最大吸附量如表3所示．以1/T為橫坐標(biāo),ln Ka(m L/mg)為縱坐標(biāo)作圖,擬合所得直線如圖4所示．由直線的斜率和截距計(jì)算出吸附過程的ΔrHm為－18．7 kJ/mol和ΔrSm為－48．1 J/(mol·K)．

表3 不同溫度下納米TiO2吸附BSA的吸附常數(shù)和最大吸附量

從圖3和表3可以看出,隨著溫度的升高,納米TiO2對(duì)BSA的最大吸附量減小,吸附常數(shù)(Ka)降低,說明是物理吸附．ΔrHm為負(fù)值,吸附過程為放熱反應(yīng),升高溫度,不利于吸附,這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致．|ΔrHm|＜40 kJ/mol表明納米TiO2與BSA以非共價(jià)鍵相互作用,升高溫度,非共價(jià)鍵相互作用減弱,吸附量減?。Sm為負(fù)值表明吸附過程中體系的有序性增加．

2．4 吸附界面表征

(1)FT-IR表征．納米TiO2、BSA以及納米TiO2-BSA結(jié)合物的FT-IR光譜如圖5所示．圖5a中400～950cm－1有一平而寬的紅外吸收帶,此吸收峰為Ti-O-Ti吸收峰．3 451．85cm－1的吸收峰是納米TiO2表面配位的少量水中O－H的伸縮振動(dòng)峰,而1 632．55cm－1的吸收峰是彎曲振動(dòng)的結(jié)果．圖5b中1 653．65cm－1和1 536．82cm－1的特征峰分別處于酰胺Ⅰ帶的α-螺旋區(qū)域和酰胺Ⅱ帶區(qū)域．吸收主要是與BSA分子中氨基酸殘基的羰基伸縮振動(dòng)吸收以及與羰基和酰胺的氫形成的氫鍵有關(guān)．圖5c中不僅具有Ti-O-Ti吸收峰,也存在BSA特征峰,并且1 653．65cm－1的伸縮振動(dòng)吸收峰轉(zhuǎn)移到了1 662．72cm－1, 1 536．82cm－1處的N－H彎曲振動(dòng)吸收峰轉(zhuǎn)移到了1 569．39cm－1,說明吸附劑納米TiO2與BSA之間通過氫鍵結(jié)合形成吸附層．與熱力學(xué)結(jié)果一致,ΔH＜40 kJ/mol,吸附過程屬于物理吸附．

(2)DTA-TG表征．為研究納米TiO2對(duì)BSA的吸附量以及兩者結(jié)合物的熱行為變化,進(jìn)行了差熱-熱重法分析．納米TiO2與BSA結(jié)合的DTA-TG曲線如圖6所示．樣品的重量損失以及熱量變化主要有3個(gè)階段:第1階段在75～150℃之間,圖6b中這一段失重是由于吸附中殘留的水和醇等揮發(fā)所致,圖6a中吸熱峰的出現(xiàn)是因?yàn)樗痛即罅繗饣瘬]發(fā)引起;第2階段在180～360℃之間,圖6b中BSA的燃燒和分解導(dǎo)致了失重的發(fā)生,質(zhì)量損失4．34%,而表1納米TiO2對(duì)BSA的吸附量為40．1 mg/g,占質(zhì)量的4.01%,與第2階段質(zhì)量損失基本相同．圖6a中出現(xiàn)的吸熱峰表明納米TiO2脫附BSA需要吸收熱量,與熱力學(xué)結(jié)果中納米TiO2吸附BSA釋放熱量吻合;第3階段在480～680℃之間,圖6a中吸熱峰的出現(xiàn)是由于納米TiO2由低溫變體向高溫變體的晶型轉(zhuǎn)變所引起,圖6b中伴隨的失重是因?yàn)楸砻婊鶊F(tuán)消散所致．

3 結(jié)論

以基于脯氨酸仿生合成的納米TiO2吸附劑對(duì)BSA具有較好的吸附性能．納米TiO2吸附BSA為單分子層物理吸附,符合Langmuir模型．吸附過程受吸附質(zhì)濃度控制,可用Lagergren擬一級(jí)動(dòng)力學(xué)來描述．吸附過程為放熱,混亂度減小,分子有序性增加．通過FT-IR和DTA-TG對(duì)納米TiO2-BSA結(jié)合物的表征,進(jìn)一步驗(yàn)證了上述結(jié)論．為進(jìn)一步研究仿生納米TiO2對(duì)蛋白質(zhì)有機(jī)大分子吸附過程中物質(zhì)傳輸及熱量交換等方面提供了依據(jù)．

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The adsorption behavior of Bovine Serum Albumin onto Nano-TiO2biomimetic synthesis based on proline and bovine serum albumin

GONG Jian-long,YANG Liang-jun,ZHU Long-bao, LIU Ren-long,TAO Yu-gui,LIANG Min-dong
(College of Biological and Chemical Engineering,Anhui Polytechnic University,Wuhu 241000,China)

The adsorption behavior of bovine serum albumin(BSA)onto Nano-TiO2biomimetic synthesis based on Proline was investigated．Fourier transform infrared spectrophotometry(FT-IR)and Differential Thermal Analysis-Thermal Gravimetry(DTA-TG)were employed to interface characterization．The results showed that fitting curve of isotherm adsorption accorded with Langmuir adsorption model,and the adsorption was monomolecular layer adsorption,and the maximum adsorption capacity was 40．1 mg/g and adsorption constant was 5．71 m L/mg．the adsorption process can be described by Lagergren pseudo-first-order kinetic model,belonging to an exothermic physical adsorption．Interface characterization showed that the interaction between Nano-TiO2and BSA was hydrogen bond and Vander Waals which conforms to the results of analysis of fitting curves．

Nano-TiO2;bovine serum albumin;adsorption behavior;adsorption kinetics

O614．41

A

1672-2477(2015)04-0007-05

2015-04-01

安徽省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(1308085MC51);安徽省高校自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(KJ2012A034);安徽省高校青年科研基金資助項(xiàng)目(2003JQL370);國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(201410363023)

宮建龍(1969-),男,安徽含山人,講師,博士．