草酸钙的结晶动力学及不同种类羧酸盐的影响

李君君杨 锦夏志月欧阳健明＊,

(1广东药学院药科学院，广州 510006)

(2暨南大学生物矿化与结石病防治研究所，广州 510632)

草酸钙的结晶动力学及不同种类羧酸盐的影响

李君君1,2杨 锦2夏志月2欧阳健明＊,2

(1广东药学院药科学院，广州 510006)

(2暨南大学生物矿化与结石病防治研究所，广州 510632)

通过检测体系中游离Ca2+离子浓度及草酸钙(CaOxa)的粒径随时间的变化，研究了CaOxa的结晶动力学及3种羧酸盐对CaOxa结晶动力学的影响，这些羧酸盐为：一元羧酸盐甘氨酸钠(NaGlu)、二元羧酸盐酒石酸钠(Na2Tart)和三元羧酸盐柠檬酸三钠(Na3Cit)。在生理盐水中 CaOxa 的结晶动力学方程为 r=kc3.3±0.3，平均反应速率常数(k)为(3.1±1.8)×109；3 种抑制剂对 k 的影响程度从大到小为：Na3Cit＞Na2Tart＞NaGlu，但其平均反应级数(α)相差不大，α=3.2±0.1。Na3Cit、Na2Tart可抑制 CaOxa 晶体的生长和聚集过程，是潜在的肾结石抑制剂。

草酸钙；结晶动力学；羧酸盐；反应级数；ζ电位

肾结石是人体内的病理矿化所致，其主要组分为草酸钙(CaOxa)。CaOxa结石的形成涉及微晶的成核、生长、聚集和粘附等过程。由于人体内部环境相当复杂，很难在原位进行观测，因此一般都采取体外模拟的方法来研究CaOxa的成核、生长、聚集及各种抑制剂对这些过程的影响，这些体外模拟体系包括水[1]、尿液[2-3]、合成尿[4]、膜模拟体系[5]和肾上皮细胞表面[6]等。

前人在进行CaOxa结晶过程的动力学研究时，常常采用光密度(OD值)法[7]、微量热法[8]和动力学恒组分法[9]等方法。例如，Kulaksizoglu等[7]通过测定体系在620 nm时的光密度(OD值)，研究了柠檬酸三钠、柠檬汁和橙汁对一水草酸钙(COM)晶体生长的影响，它们均能抑制COM晶体的成核和聚集，归因于柠檬酸中带负电的羧基能够快速的吸附在CaOxa晶体的表面，使得溶液中形成的亚临界晶核又逐步溶解。沈玉华等[10]通过跟踪体系中Ca2+浓度的变化，研究了Mg2+、赖氨酸和醋酸对CaOxa结晶动力学的影响，表明在生理盐水体系中，它们均对CaOxa的结晶生长起抑制作用。童华等[8]采用微量热法、X射线衍射(XRD)及扫描电镜(SEM)法研究了Sm3+对CaOxa结晶过程动力学的影响效应，证实Sm3+对CaOxa晶体初期成核以及晶体生长有抑制作用。Nancollas等[11]采用恒组分法研究了在柠檬酸盐存在下COM的结晶动力学过程，发现COM的生长速率依赖于溶液的过饱和度以及柠檬酸盐的浓度。在COM-柠檬酸盐体系中，COM的结晶行为符合经典的Cabrera-Vermilyea模型；当过饱和溶液的相对过饱和度(RS)分别为 21.43 和 24.65，且存在比表面积为3.3 m2·g-1的COM种晶时，COM的生长速率分别为 4.77×10-6和 1.97×10-5mol·m-2·min-1； 当柠檬酸盐浓度为0.01 mmol·L-1时，对COM晶体的生长速率无显著影响，但当柠檬酸盐浓度增至0.1 mmol·L-1和 1.0 mmol·L-1时，对 COM 晶体生长的抑制能力分别为50%和93%。即：柠檬酸盐吸附在COM晶体表面的扭折处 (kinks)、边缘以及台阶表面，阻碍台阶的生长，从而降低其生长速率。

同上述方法相比，电极法是采用离子选择电极，通过测量体系的电动势从而检测出溶液中离子的活度随时间的变化，电极法具有快速、灵敏度高、设备简单、用量少、可测范围宽 (一般为10-5～10-1mol·L-1，个别可达 10-8mol·L-1)等优点。通过对晶体结晶过程中不同时刻结晶体系的电极电位进行实时测量，不但可以研究结晶的动力学过程，而且可以计算过程中的物理化学参数变化。将电极法应用于研究CaOxa的结晶动力学过程及其参数测定还鲜有报道。

由于尿液体系很复杂，加上人体内其它因素的影响，因此，原位研究CaOxa结石形成的动力学过程存在一定的难度[12]。但是，CaOxa晶体从过饱和的尿液中结晶析出时，其结晶过程可描述为：

由于当体系中CaOxa晶体析出时，溶液中游离的Ca2+离子浓度会减少，因此，通过检测体系中Ca2+离子浓度的下降速率可以研究其结晶速率。

尿液过饱和是尿结石形成的先决条件。而尿液中存在的抑制物不但可以减小CaOxa的相对过饱和度(RS)，而且可吸附在尿石盐晶体的表面，封闭尿石盐晶体表面的活性生长位点，改变晶体表面的电荷及能量分布，从而改变晶体生长的动力学过程。此外，晶体生长速率的减小还与其表面上有效生长点被抑制剂覆盖百分率成正比。对于羧酸类抑制剂，其所含的COOH数量会影响其与Ca2+的配位能力[13]，预计其对CaOxa结晶动力学的影响程度也不同。因此，本文采用电极法研究了CaOxa的结晶动力学及一元、二元和三元羧酸钠的影响，探讨了其抑制机理，期望可为抑制CaOxa结石的形成提供实验依据。

1 实验部分

1.1 药品和仪器

甘氨酸钠(NaGlu)、酒石酸钠(Na2Tart)、柠檬酸三钠(Na3Cit)等化学品均为分析纯，实验用水为二次蒸馏水。

232型饱和KCl甘汞参比电极、PCa-1型钙离子选择性电极和PHS-3C型精密pH计均购置于上海精密科学仪器有限公司；DF-Ⅱ集热式磁力加热搅拌器(江苏省金坛市医疗仪器厂)；英国Malvern公司Zetasizer Nano-ZS型纳米粒度仪。

1.2 测量电池、电极电势和游离Ca2+离子浓度测量

将钙离子电极与甘汞电极组成下述测量电池：

Hg，HgCl2|KCl(饱和)|试液|敏感膜|1.0 mmol·L-1钙标准液|Ag，AgCl

其中试液为待测溶液；敏感膜是以二对异辛基苯基磷酸钙为活性材料的PVC膜。钙离子电极在使用前，先浸泡在1.0 mmol·L-1钙标准液中活化24 h，再用去离子水清洗电极头部至空白值为-65 mV后使用。

钙标准溶液的配制：分别配制浓度为100、10、1、0.1 和 0.01 mmol·L-1的 CaCl2溶液，由于尿液的离子强度 I=0.15 mol·L-1，故在生理盐水(0.15 mol·L-1NaCl)中进行实验。将参比电极和钙电极分别接在精密pH计的正负极上，组成测量电池。在pH计上读出不同浓度钙标准溶液(cCa2+)所对应的E值，然后以lgcCa2+

为横坐标、E为纵坐标作图，得到Ca2+离子标准曲线。

1.3 不同过饱和度(RS)的CaOxa溶液配制

尿液中的钙有两种形式：配合钙 (如蛋白结合钙、有机酸结合钙)和游离钙。但只有游离钙才具有生理活性，游离钙的浓度也是影响结石形成的重要因素之一。根据Von Weimarn经验公式，(Q-s)/s为沉淀开始时瞬间的相对过饱和度(RS)，其中Q为加入沉淀剂瞬间沉淀物质的浓度，s为开始沉淀时沉淀物质的溶解度，Q-s为沉淀开始瞬间的过饱和度。根据文献[14],男女尿液中的离子钙分别为(48.2±25.5)mg·L-1[(1.21±0.64)mmol·L-1]和(42.2±21.1)mg·L-1[(1.06±0.53)mmol·L-1],Oxa2-的浓度为(0.53±0.20)mmol·L-1[15]，因此，男女尿液中的 CaOxa的RS 分别为 15.25±10.81 和 14.21±9.75。基于上述 RS 范围考虑，本实验在生理盐水中配制浓度分别为1.2、1.0和 0.8 mmol·L-1的 3 种 CaOxa 过饱和溶液，即 cCa2+=cOxa2-=1.2、1.0 和 0.8mmol·L-1。根据 Ksp(CaOxa)=2.32×10-9,这些溶液的 RS 分别为 23.91、19.76 和 15.61。

1.4 CaOxa的结晶动力学研究

以RS=19.76的CaOxa过饱和溶液为例：取5 mL 10 mmol·L-1的CaCl2溶液与40 mL生理盐水混合均匀，在匀速搅拌下，迅速加入5 mL 10 mmol·L-1K2Oxa溶液。然后测定溶液中Ca2+的E值随时间(t)的变化，再由线性回归方程计算出溶液中游离Ca2+的平均浓度cCa2+，实验温度(37±1)℃。实验重复3次。

1.5 不同抑制剂对CaOxa结晶动力学的影响

同上实验，在RS=15.61的CaOxa过饱和溶液中，分别加入 NaGlu、Na2Tart或 Na3Cit，其最终浓度为 2.0 mmol·L-1。反应不同时间 (t=1、5、10、20、40、60 min)后对溶液抽样，采用纳米粒度仪检测体系中CaOxa微晶的粒径和ζ电位。在反应过程中用浓度为 0.01 mol·L-1的稀 HCl或稀 NaOH 溶液维持体系的 pH=6.0±0.02。取 3 次结果的平均值。

1.6COM、COD、COT百分含量的定量计算

采用XRD作定量分析时，按照文献[16]方法计算一水草酸钙(COM)、二水草酸钙(COD)和三水草酸钙(COT)的百分含量。以COM为例，其百分含量为：

式中ICOM、ICOD和ICOT分别为COM、COD和COT最强衍射峰的强度，实验误差一般在5%以下。

2 结果与讨论

2.1 钙离子电极的标准曲线及pH的影响

在浓度为 0.1～100 mmol·L-1范围内，钙离子电极对Ca2+离子有较理想的能斯特响应和较好的重现性。其线性回归方程为：E=67.5+28.3lgcCa2+，相关系数为 0.9999。

调节1.0 mmol·L-1钙标准溶液的pH值分别为4、5、6、7、8 和 9，并逐一测定其 E 值，3 次结果平均值 依 次为-23.5、-22、-21.5、-21.5、-21.5 和 -24.5 mV。即：在pH为5～8范围内，E值比较稳定；但当pH＜5或pH＞8时偏离较大。这是由于在pH＜5的体系中，H+浓度较大，对钙离子选择性电极的选择性有着明显的干扰；而在pH＞8的体系中，OH-浓度较大，高浓度的OH-与Ca2+形成难离解的Ca(OH)2(aq)甚至 Ca(OH)2沉淀。本实验体系的 pH=6.0±0.02，在此pH范围内，不但E值稳定，而且pH处在尿液的pH变化范围之内。

2.2 CaOxa的结晶动力学

(1)CaOxa结晶过程动力学方程的建立：为了建立CaOxa结晶的动力学方程，在按等物质的量配制的CaOxa过饱和溶液中，假设Ca2+与Oxa2-等量反应，则反应速率(r)方程为：

假设x为t时刻Ca2+或Oxa2-的消耗量，且p+q=α，由于 cCa2+=cOxa2-=c，且按等比反应，对(1)整理得：

结合(1)、(2)、(3)式，并两边取对数，整理得：

式中a、c为溶液中初始(t=0)、t时刻的游离cCa2+(mmol·L-1)，x为 t时刻溶液中 Ca2+的消耗量 (mmol·L-1)，α为反应的级数，k为反应速率常数。由(4)式可知，lgr与lg(a-x)呈线性关系，直线的斜率即为反应的级数α，截距为lgk，进而可求得反应的速率常数k。

(2)反应速率常数与反应级数的测定：图1所示为在3种不同RS的CaOxa溶液中，游离cCa2+随反应时间(t)的变化。可见，体系中lgcCa2+均随反应时间的延长而下降，且在0～10 min下降较快，20 min后下降趋于缓和。这是由于在反应初期，溶液的RS较大，CaOxa大量成核，导致cCa2+快速下降。20 min后cCa2+下降较慢，表明此时体系中CaOxa已接近沉淀-溶解平衡。

在过饱和的尿液中，尿石盐成核是尿结石形成的第一步。若假设形成的临界晶核为球形，临界半径 r，则晶核形成的 Gibss 自由能(ΔGr′)可描述为[17]：

图1 在不同RS的CaOxa溶液中lgcCa2+-t关系图Fig.1 lgcCa2+-t curves in CaOxa solution with different relative suprasaturation degree(RS)

其中σ为单位表面的表面能；V为物质的量体积；RS为溶液的相对过饱和度。

上式(5)表明，ΔGr′与lnRS的平方成反比。随着反应时间的延长，溶液中被消耗的cCa2+迅速增加。例如，在t=15 min时，体系中游离cCa2+分别由 1.2、1.0、0.8 mmol·L-1减小到 0.18、0.17 和 0.17 mmol·L-1，RS也由反应前的23.91、19.76 和 15.61分别下降至2.74、2.53 和 2.53；t=60 min 时 RS 则分别降至 1.81、2.12 和 1.92。由于 RS＜10的CaOxa 溶液不会自发结晶，因此，15 min后CaOxa的自发成核在热力学上不可能进行，故反应初期lgcCa2+随时间的下降主要是归因于CaOxa的成核。晶体的成核速率不但与溶液的 RS 成正比[18]，并与 exp[-ΔGr′/(KT)]成正比[19]。

图2为在3种不同RS的CaOxa过饱和溶液中所形成晶体的 XRD 图。当 RS=15.61(图 2c)和 19.76(图2b)时，只检测到归属于一水草酸钙(COM)的衍射峰，其晶面间距d分别在0.590、0.362、0.296、0.248、0.235、0.207 和0.198 nm，依次归属于COM的(01)、(020)、(02)、(112)、(130)、(321)和(03)晶 面(ASTM 卡号：20-0231)。

而当 RS=23.91 时(图 2a)，除检测到 COM 的衍射峰外，还检测到 d=0.546、0.525 nm 归属于三水草酸钙(COT)的(110)、(011)晶面(ASTM 卡号：20-0232)和 d=0.263、0.220 nm 归属于二水草酸钙 (COD)的(312)、(213)晶面的衍射峰(ASTM 卡号：20-0233)。定量计算表明,COM、COD、COT 分别占 60.7%、17.9%、21.4%。前文[19]报道，以结石患者的稀释尿液为介质，在RS=23.91的CaOxa溶液中结晶1 d后，同时形成了COM、COT两种晶相；本实验在生理盐水体系中反应15 min后，亦同时出现了COT、COD和COM。这表明，在RS较高的CaOxa溶液中，容易生成热力学不稳定的晶相COD和COT，且常常得到COT和COD的混 合 物[20]。而 在 RS为 19.76 和 15.61 的CaOxa溶液中，则形成热力学稳定的COM。由Ostwald规则可知，当某种物质的几种晶相都可能生成时，则具有较高溶解度的晶相在动力学上有利的，由于CaOxa 3种晶相的溶解度大小顺序为：COT＞COD＞COM[21]，因此，COT 优先生成；实际上，COT 常常是CaOxa结石形成过程中的先驱体[20]。

图2 在不同RS的CaOxa溶液中形成晶体的XRD图Fig.2 XRD patterns of CaOxa crystallites formed in CaOxa solution with different RS

图3 不同RS的CaOxa溶液中lgr-lg(a-x)关系图Fig.3 lgr-lg(a-x)curves in CaOxa solution with different RS

采用微分法，以Ca2+消耗量(xCa2+)对反应时间(t)作图，曲线上任意一点的斜率(由Origin数据分析软件求导所得)即为该反应的速率 (r)。然后以lgr对lg(a-x)作图(图3)，所得直线的斜率即为该反应的级数(α)；通过截距(lgk)可求得反应速率常数(k)，其结果均见表1。可以看出，虽然CaOxa溶液的RS不同，但其α相差不大，而k略有不同。根据Eyring公式：可知，△Gr′越小，k 越大。COT 比COD和COM的溶解度大，且水合草酸钙的溶解速率常数(k′)大小顺序为 k′COT＞k′COD＞k′COM[5]，因此，COT的临界晶核形成自由能△Gr′比COD和COM的小；由于溶液中CaOxa晶体的形成和溶解是一个动态平衡过程，则形成不同晶相的反应速率常数k的大小顺序为：kCOT＞kCOD＞kCOM。这一结果与 XRD 结果(图2)一致，因为在RS=23.91时，体系中同时形成了COM、COD 和 COT；而当 RS为 19.76 和 15.61 时，溶液中均只存在COM。因此，在RS=23.91时得到的k 值(4.9×109)比 RS=19.76 和 15.61 时的大；且后两者的 k 值差异不大，分别为 2.1×109和 2.3×109。

综上所述，在生理盐水中，CaOxa结晶动力学的平均反应级数)为 3.3±0.3，平均反应速率常数(k)为(3.1±1.8)×109。

表1 不同RS的CaOxa过饱和溶液在结晶时的反应级数及反应速率常数Table 1 Reaction orders and rate constants of CaOxa crystallization in supersaturated solution with different RS

2.3 不同抑制剂对CaOxa结晶动力学的影响

2.3.1 甘氨酸钠的影响

图4A为加入 2.0 mmol·L-1的不同羧酸钠后，体系中lgcCa2+随时间变化的曲线。与空白组(图4A(a))相比较，加入 NaGlu 后(图 4A(b))，在 1～15 min 内，其游离的cCa2+比空白组小，这是由于加入NaGlu后，不仅Oxa2-与Ca2+结合形成CaOxa沉淀，Glu-也会与Ca2+配位，从而导致在反应的初始的阶段，游离的cCa2+较小。15 min后，两者差异不大，说明此时NaGlu对CaOxa的结晶动力学影响较小。

图4 加入2.0 mmol·L-1的不同抑制剂后CaOxa过饱和溶液中的lgcCa2+-t变化曲线(A)和CaOxa粒径随时间的变化图(B)Fig.4 (A)lgcCa2+-t curves and(B)the sizes of CaOxa crystallites over time in CaOxa solution in presence of different inhibitors of 2.0 mmol·L-1

晶体成核速率与溶液中CaOxa的RS成正比。在反应初期，由于溶液的RS较大，CaOxa晶核形成的Gibss自由能ΔGr′很负，此时形成晶核所需跨越的能垒较低，成核速率较快；但随着反应的进行，CaOxa的RS逐渐减小，成核速率减慢。

采用纳米粒度仪(图4B)研究了加入NaGlu后CaOxa粒径随时间的变化(图4B(b))。在前10 min内，CaOxa微晶的平均粒径 ()由1 111 nm增加到1 426 nm，60 min时，其增加至2623 nm；而空白组在60 min时的=3377 nm，粒径增加归因于在反应后期微晶的生长和聚集所致。

加入NaGlu后,反应60 min所形成的CaOxa微晶的ζ电位为-(1.58±0.19)mV，小于空白组的(1.41±0.16)mV。

由以上分析可知，在反应初期，CaOxa是以成核为主，而在反应后期，CaOxa以生长和聚集为主。

2.3.2 酒石酸钠的影响

图4A(c)为在Na2Tart存在下lgcCa2+随反应时间的变化曲线，可见其游离cCa2+比空白组和NaGlu组均小。Na2Tart为二元羧酸盐，其与Ca2+的配位能力强于NaGlu。Oxa2-与Ca2+螯合时形成1∶1的配合物，其稳定常数(Ks)为 103.0；而 Tart2-与 Ca2+螯合时，形成 2∶1的配合物[22]，Ks为 109.01。由于在溶液中生成CaOxa微晶的必要条件为：cCa2+cOxa2-≥Ksp，而加入 2.0 mmol·L-1的 Na2Tart后，不但导致 Ca2++Oxa2-⇌CaOxa平衡向左移动，即CaOxa溶解，而且体系中的游离cCa2+由最初的0.8 mmol·L-1显著下降至15 min 后的 0.14 mmol·L-1(图 4A(c))。

加入Na2Tart并反应10 min后，CaOxa微晶的由1 min时的821 nm增加到1073 nm(图4B(c))，增幅不大；而反应60 min后，=2209 nm，其ζ电位为-(2.73±0.17)mV，说明Na2Tart对CaOxa晶体的成核、生长及聚集均有抑制作用，且其抑制能力大于NaGlu。

2.3.3 柠檬酸三钠的影响

图4A(d)为在Na3Cit存在下lgcCa2+随时间的变化曲线，其游离cCa2+比加入NaGlu、Na2Tart的要小得多。其原因是由于Na3Cit为三元羧酸盐，在pH=6.0时可以与Ca2+形成含有一个五元环和一个六元环的配合物 (柠檬酸钙)，其Ks=104.68，大于CaOxa的Ks(103.0)[22]，且形成的柠檬酸钙在水中的溶解度很大。实际上，在加入2.0 mmol·L-1的Na3Cit后，即使反应60 min肉眼仍然看不到体系中存在任何沉淀。

在反应15 min后，体系中的游离cCa2+下降至0.09 mmol·L-1，远小于加入NaGlu和Na2Tart后的0.16 和 0.14 mmol·L-1。这说明 Na3Cit与 Ca2+配位的能力强于Na2Tart和NaGlu。

在反应60 min后，CaOxa的 d=897 nm(图 4B(d))，ζ电位为-3.82±0.08 mV，均比空白组的[3 377 nm，(1.41±0.16)mV]小得多。说明 Na3Cit延缓了CaOxa的生长和聚集速度，且其抑制CaOxa微晶成核、生长及聚集的能力均大于Na2Tart和NaGlu。

2.3.4 三种羧酸盐对CaOxa生长动力学影响的比较

表2列出了加入不同种类羧酸盐后CaOxa的结晶动力学参数。在加入NaGlu、Na2Tart或Na3Cit后，其由空白组的(3.1±1.8)×109分别降低到 2.0×107、2.0×106和 1.0×106，但其反应级数(α)相差不大，=3.2±0.1。由于的大小直接反映了反应速率的快慢，且与反应历程有关，因此，羧酸盐的加入，改变了CaOxa的结晶动力学过程和反应历程。

表2 在三种羧酸盐存在下CaOxa过饱和溶液在结晶时的平均反应级数()及反应速率常数(k)(37℃)*Table 2 Average reaction ordersand rate constants()of CaOxa crystallization in presence of three different carboxylates*

表2 在三种羧酸盐存在下CaOxa过饱和溶液在结晶时的平均反应级数()及反应速率常数(k)(37℃)*Table 2 Average reaction ordersand rate constants()of CaOxa crystallization in presence of three different carboxylates*

*RS of CaOxa solution is 15.61,Concentration of carboxylates is 2.0 mmol·L-1.

Inhibitor Blank NaGlu Na2Tart Na3Cit k 3.3±0.3 3.3 3.1 3.1 COM/% 100 100 12.5 —COD/% 0 0 18.8 —COT/% 0 0 68.7 —(3.1±1.8)×1092.0×1072.0×1061.0×106α

NaGlu、Na2Tart和 Na3Cit对 CaOxa生长动力学的抑制作用归因于如下原因:

(1)它们可以附着在CaOxa晶体的活性生长位点处，从而抑制CaOxa的生长和聚集；特别是Tart2-、Cit3-中的羧基和羟基可以与COM晶体中一些晶面上的钙配位，如Tart2-、Cit3-中的羧基间距离与COM的(101)晶面中的Ca2+-Ca2+距离较为匹配[23]，因此，阻止了Oxa2-向该晶面迁移，从而抑制了该晶面的生长(参见图5c)。从衍射峰的强度也可以看出，加入Na2Tart后生成的COM的(101)晶面的强度明显弱于加入NaGlu和空白组。Cody等[23]分析了面积为1.6 nm×1.6 nm的COM、COD和COT的晶面，对于负二价的酒石酸根离子，在COM晶格中可找到8个可能的吸附位点，在COT晶格中可找到5个，而在COD只有3个。由于COM在单元面积里包含较多的吸附位点，因此，COM具有最强的吸附能力，这也是Na2Tart和 Na3Cit抑制 COM、诱导COD、COT形成的本质所在。

图5 不同抑制剂存在下CaOxa溶液中形成的晶体的XRD图(A)及3种抑制剂标准物的XRD图(B)Fig.5 XRD patterns of CaOxa crystallites formed in presence of different inhibitors and those of the three kinds of inhibitors

(2)本实验的弱酸性环境(pH=6.0±0.02)也有利于抑制CaOxa晶体的沉淀。因为在此pH时，H+可以与体系中的Oxa2-结合形成HOxa-，使得Ca2++Oxa2-⇌CaOxa平衡向左移动，导致CaOxa晶体的生成速度以及沉淀量均减小。

(3)在生理盐水体系中，加入Na2Tart和Na3Cit后，由于Tart2-、Cit3-中所含的COO-与溶液中的Ca2+配位，而Ca2+又吸附溶液中的Oxa2-，使得体系中局部CaOxa的RS比本体溶液的大，由公式(5)可知，RS 越大，形成晶核的 Gibss自由能(ΔGr′)越小，越容易成核。

此外，由于COT、COD和COM的溶解速率常数(k′)大小为 k′COT＞k′COD＞k′COM[5]，而形成不同晶相的反应速率常数 k 的大小顺序为(表 2)：kCOT＞kCOD＞kCOM，根据前述Eyring公式可知，临界晶核形成自由能ΔGr′为：ΔGr′COT＜ΔGr′COD＜ΔGr′COM。因 此，Na2Tart和Na3Cit的加入，抑制了体系中最先形成的COT和COD向COM的转化。

图5为加入不同抑制剂后形成的CaOxa晶体的XRD图。对照组(图5a)和加入NaGlu(图5b)后均只检测到 COM(d=0.590、0.362、0.296、0.235、0.198 nm)的衍射峰，归属于NaGlu的主衍射峰(d=0.957 nm)和 2 个次衍射峰(d=0.489 和 0.422 nm)均消失(图5d)。而加入Na2Tart后，除检测到COM外，还检测到归属于 COT 晶体 (d=0.664、0.546、0.525、0.264 nm 分别对应其(100)、(110)、(011)、(131)面)和 COD 晶体 (d=0.334、0.285、0.277 nm 分别对应其 (112)、(222)、(411)面)的衍射峰(图 5c)，定量分析表明，其组成 比 约为：COM∶COD∶COT=12∶19∶69； 而 归 属 于Na2Tart的衍射峰(d=0.538、0.488、4.19、0.367、0.234、0.213、0.195 nm)均消失(图 5e)。

加入 Na3Cit后，不但 k 最小(1.0×106)，表明其反应速率最慢，而且一直没有观察到沉淀出现，说明Na3Cit抑制CaOxa成核、生长和聚集的能力最强。

3 结 论

研究了CaOxa的结晶动力学及不同羧酸盐的影响。在 RS=15.61～23.91 范围内，CaOxa 的结晶动力学方程为 r=kc3.3±0.3，平均反应级数 α=3.3±0.3，平均反应速率常数 k=(3.1±1.8)×109。加入 NaGlu、Na2Tart和 Na3Cit后，其 α=3.2±0.1，差异不大，但 k 分别降低到 2.0×107、2.0×106和 1.0×106，说明本实验中羧酸钠的加入降低了CaOxa的反应速率。不同抑制剂对抑制CaOxa成核、生长及聚集的能力为：Na3Cit＞Na2Tart＞NaGlu＞空白组。

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Crystallization Kinetics of CaOxa and the Influence of Different Carboxylic Acid Salt

LI Jun-Jun1,2YANG Jin2XIA ZHI-Yue2OUYANG Jian-Ming＊,2
(1College of Pharmacy,Guangdong Pharmaceutical University,Guangzhou 510006,China)
(2Institute of Biomineralization and Lithiasis Research,Jinan University,Guangzhou 510632,China)

The kinetics of calcium oxalate (CaOxa)crystallization and the effect of three carboxylates were studied by determining the changes of free Ca2+ions concentration and the size of CaOxa crystallites with the reaction time.These carboxylates were monocarboxylic acid salt(NaGlu),dicarboxylic acid salt(Na2Tart),and tricarboxylic acid salt(Na3Cit),respectively.The dynamics equations of calcium oxalate crystallization in normal saline was r=kc3.3±0.3,the average reaction rate constant(k)was (3.1±1.8)×109.The effect of three inhibitors on k values was in the order from large to small:Na3Cit＞Na2Tart＞NaGlu＞blank.However,there is little difference for the average reaction order (α)value and α=3.2 ±0.1.Since Na3Cit and Na3Tart can inhibit the growth and aggregation of CaOxa crystals,they may be potential inhibitors for formation of kidney stones.

calcium oxalate;crystallization kinetics;carboxylate;reaction order;ζ potential

O614.23+1；O643.13+2；O743+3

A

1001-4861(2012)06-1091-08

2011-12-21。收修改稿日期：2012-02-21。

国家自然科学基金(No.81170649)和广东省科技攻关课题(No.2009B030801236)资助项目。

＊通讯联系人。E-mail：toyjm@jnu.edu.cn