氨基酸在微波辅助钙改性SBA-15上的吸附性能

张三山，张德喜，肖建国，刘亚纯

(1.湖南省永和磷肥厂，中国 浏阳 410306; 2湖南师范大学化学化工学院，化学生物学及中药分析教育部重点实验室，资源精细化与先进材料省高校重点实验室， 中国 长沙 410081)

氨基酸的吸附在许多领域中具有十分重要的应用，如氨基酸的分离与提纯、氨基酸药物的可控释放、多肽固相合成和生物传感器的制备等．此外，在生命起源问题上矿物质对氨基酸的吸附也有可能扮演着非常重要的角色．因此，许多科研人员已经研究了大量多孔材料对氨基酸的吸附性能，如聚合物吸附剂、矿物质、活性炭和沸石等．

有序介孔硅基材料作为一种新型的吸附剂，有许多显著的特点，如孔径分布窄、比表面积大、孔径可调和表面易官能团化等．因而，近年来介孔二氧化硅，特别是其中SBA-15作为控释药物的吸附载体备受关注[1]．

然而有关氨基酸在介孔材料上的吸附报道不多，且文献中的研究结果彼此也不完全一致．有研究表明氨基酸和二氧化硅之间吸附的相互作用力主要是静电引力[2]，而也有研究报道表明在它们之间的主要驱动力是疏水性[3]．鉴于钙改性介孔二氧化硅是一种具有良好生物相容性的缓释药物载体材料，且氨基酸在其上的吸附研究还未见报道，在本文中，作者研究了4种氨基酸在介孔材料SBA-15和钙改性Ca/SBA-15(MW, a、b、c、d、e)上的吸附性能，并系统研究了不同的参数，如氨基酸浓度、离子强度和pH值的影响．

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

L-谷氨酸、L-赖氨酸、L-丙氨酸和L-苯丙氨酸均为分析纯，上海生物工程有限公司生产．

紫外可见光谱仪，型号为UV-3310 ，日本HITACHI公司生产；数显全温水浴振荡器，型号为SHA-2000，长沙索拓科学仪器设备有限公司生产；NJL 07-3型微波实验炉，南京杰全微波有限公司．

1.2 SBA-15及微波固相法钙改性SBA-15的制备

SBA-15按文献方法合成[4]． 取0.4 g SBA-15放入玛瑙研钵中，再分别加入5份不同质量的无水CaCl2(CaCl2在使用前120 ℃干燥5 h)，按一定比例在玛瑙研钵中研磨20 min并混合均匀，然后在微波炉中处理20 min，再冷却，样品用50 mL的去离子水洗涤后，其钙含量用络合滴定法和元素分析仪进行表征．样品在100 ℃下烘干后于550 ℃焙烧5 h，所得样品记作Ca/SBA-15(MW, a、b、c、d、e)．

1.3 表征方法

XRD在PERT-Pro-MPD型X射线衍射仪(Philips 公司)进行，工作条件：管电压40 kV，管电流100 mA，采用Cu Kα辐射，λ=0.1542 nm, 镍滤波，正比计数管探测器，双轴联动，连续扫描，扫描范围：小角(0°<2θ<10°)和大角(5°<2θ<60°)，扫描速度为0.25°/min； ASAP 2010型N2吸附-脱附仪(Micromeritics 仪器公司)在液氮(温度为-196 ℃)条件下分析样品比表面积和孔结构特征，比表面积计算用Brunauer-Emmett-Teller(BET)法，孔体积计算用Barrett-Joyner- Halenda (BJH)法，孔径分布计算用N2吸附-脱附曲线中的脱附分支数据；TEM在JEM-3010型透射电子显微镜(日本JEOL公司)上进行，测试前样品用无水乙醇超声分散，然后用洁净的滴管取一滴滴在铜网上，干燥后上机进行测定，加速电压为300 kV；元素Ca在Vario EL III元素分析仪(德国Elementar公司)上进行．

1.4 氨基酸的测定方法

通过紫外-可见分光光谱仪的检测，氨基酸的吸附量可以由氨基酸吸附前后的浓度差可得．对于苯丙氨酸溶液的浓度在257.5 nm处直接可测，而对于其他氨基酸的浓度检测过程如下：首先，根据已报道的方法[5]制备Cd-茚三酮指示剂，即取0.8 g(水合)茚三酮溶于80 mL的无水乙醇和10 mL乙酸中，待完全溶解成浅黄色溶液后，再取1.25 g CdCl2·2.5H2O溶解于0.5 mL的去离子水后与茚三酮溶液混合即可．在使用前，Cd-茚三酮指示剂溶液用去离子水以1∶1.5体积比稀释，然后取0.6 mL氨基酸溶液与4.5 mL稀释后的Cd-茚三酮指示剂溶液混合后在84 ℃加热15 min，冷却至室温后，氨基酸和Cd-茚三酮指示剂的衍生物的浓度在504.5 nm处检测．

1.5 氨基酸的吸附

在吸附实验中，用去离子水将氨基酸配成5 mmol/L的溶液，然后用浓度为0.1 mol/L HCl或NaOH调节溶液的pH值，溶液的离子强度用固体NaCl调节．对于所有氨基酸的吸附如下：分别取0.1 g 纯硅SBA-15和介孔改性材料Ca/SBA-15(MW, a、b、c、d、e)分散于10 mL的氨基酸溶液中，在调节pH值和离子强度后，混合悬浮液在室温下以150 r/min的转速振荡48 h，待吸附平衡后，样品以6 000 r/min转速离心20 min后收集．

2 结果与讨论

2.1 X射线衍射(XRD)谱

图1 纯硅SBA-15和不同钙含量Ca/SBA-15的XRD谱图

SBA-15和微波辐射固相法制备的不同钙含量Ca/SBA-15(MW)的小角XRD谱图分别图 1所示．由图 1可知不同钙含量Ca/SBA-15(MW, a、b、c、d、e)的XRD谱图和纯硅SBA-15的谱图相似，也出现3个明显的特征衍射峰(100)、(110)、(200)，表明制备的Ca/SBA-15(MW, a、b、c、d、e)同样具有二维六方有序的介孔结构，但是微波改性样品中的3个衍射峰的衍射强度相比于纯硅SBA-15有所降低，而且随着SBA-15中钙含量的增加，其衍射峰强度逐渐减弱，这可能是由于钙物种填充堵塞了部分孔道，模糊了孔道和孔壁的电子云界限，导致了衍射峰强度减弱[6]，说明样品Ca/SBA-15(MW, a、b、c、d、e)的有序性不如纯硅SBA-15．此外，Ca/SBA-15(MW, a、b、c、d、e)的衍射峰较纯硅SBA-15在一定程度上向大角方向移动，这可能是钙物种的引入使得介孔材料的孔径变小所致．

2.2 N2吸附-脱附

图2是SBA-15和Ca/SBA-15(MW, a、b、c、d、e)的N2吸附-脱附等温曲线和孔径分布图．从图 2可以看出所有样品的等温吸附曲线均属于典型的Ⅳ等温线，呈现介孔特征，并有纯硅SBA-15特有的H1型滞后环．同时也可以看到滞后环起始相对压力较低，这表明负载样品中存在较小的孔道，钙组分不仅分散到载体的介孔中，也有少量分散到载体的微孔中．在引入钙组分后，滞后环形状没有发生明显改变，但是气体吸附量都比纯硅SBA-15的有所减小．这可能是孔道的堵塞或部分塌陷造成了其比表面积和孔容减少，与XRD结果具有一致性．

图2 纯硅SBA-15及Ca/SBA-15(MW, a、b、c、d、e)的N2吸附-脱附等温曲线和孔径分布图

2.3 TEM表征

图 3分别给出了样品SBA-15(图3A)和Ca/SBA-15(MW) (图3B)的TEM结果．从图3可以看出钙组分的引入没有改变介孔材料的结构，与纯硅SBA-15相似，具有规则的二维六方孔道结构和均一的孔径．进一步说明了钙组分已成功地分散到介孔材料的有序孔道中，而且在微波辐射固相法钙改性过程中，介孔材料的有序结构没有遭到破坏，说明制备的Ca/SBA-15介孔材料中钙组分呈高度分散状态．这与XRD和N2吸附-脱附的表征结果相吻合．

图3 样品SBA-15(A)和Ca /SBA-15(MW)(B)的TEM照片

2.4 谷氨酸的吸附

图4 不同pH条件下改性后样品SBA-15对谷氨酸的吸附量

有序介孔材料对不同氨基酸的吸附受pH值的影响[2, 4]．因为样品SBA-15和Ca/SBA-15(MW, a、b、c、d、e)可溶解于pH﹥12的强碱性溶液中，所以氨基酸溶液的pH值控制在2.0～10之间．样品SBA-15对谷氨酸在研究pH值范围内几乎没有吸附，从文献[7]可知，谷氨酸的等电点(pI)是3.2，即谷氨酸溶液在pH﹤3.2时带正电荷，而在pH﹥3.2时带负电荷；样品SBA-15的等电点(pI)在2.7左右[4]，即pH﹤2.7时带正电荷且pH﹥2.7时带负电荷，在研究的pH值范围内谷氨酸和样品SBA-15之间的作用力是库仑斥力，因而吸附量可以忽略不计．钙改性后的Ca/SBA-15(MW, a、b、c、d、e)带正电荷，因此在pH﹤4.0的谷氨酸溶液中样品Ca/SBA-15(MW, a、b、c、d、e)的吸附量较少．在pH=2.0～10范围内的谷氨酸溶液中，样品Ca/SBA-15(MW, a、b、c、d、e)的吸附曲线如图 4所示，在pH﹥3.2时，谷氨酸带负电荷，而在钙改性的一系列介孔材料中，随着钙负载量的增加，对谷氨酸的吸附能力逐渐增加．随着pH的增大，谷氨酸的吸附量随着pH的增大而增加，表明溶液中pH值对谷氨酸的吸附影响较大．

2.5 赖氨酸的吸附

赖氨酸在SBA-15和Ca/SBA-15(MW, a、b、c、d、e)上的吸附量分别如图5和图6所示．从图5可以看出，赖氨酸在样品SBA-15上的吸附量随着pH值的增大而增加，由文献[7]可知赖氨酸的等电点(pI)是9.74，因此在研究的pH值范围内在样品SBA-15上有较好的吸附．而赖氨酸在样品Ca/SBA-15的吸附量在pH=2.0～9.0的范围内较少，这也是由于静电斥力的作用所致．而在pH=10的赖氨酸溶液中，Ca/SBA-15(MW, a、b、c、d、e)的吸附量随着钙含量的增加而增加(图 6所示)．

图5 赖氨酸在不同的pH下在样品SBA-15上的吸附量 图6 不同钙含量样品Ca/SBA-15(MW, a、b、c、d、e)在pH=10的赖氨酸溶液中的吸附量

2.6 丙氨酸和苯丙氨酸的吸附

中性氨基酸丙氨酸和苯丙氨酸在水溶液中有较强的疏水性，特别是侧链中有苯基的苯丙氨酸疏水性更强[4]．如图7所示，样品SBA-15对苯丙氨酸和丙氨酸的吸附在pH=6时达到最大值，分别为0.34和0.17 mmol·g-1，对于中性氨基酸的吸附行为可如下来解释，在pH=2.0～6.0范围内，中性氨基酸带正电荷而且随着pH的增大正电性在减弱，其次在pH=6.0左右时，中性氨基酸的静电荷几乎是零，即样品SBA-15和中性氨基酸之间的静电引力可以忽略不计，然后在pH=6.0～10范围内，中性氨基酸带负电荷且随着pH的增大负电性增强，很明显样品SBA-15与中性氨基酸在pH=2.0～6.0和pH=6.0～10的范围内分别存在静电引力和斥力作用，而在pH=6.0左右吸附量达到最大值，表明样品SBA-15和中性氨基酸之间的吸附作用主要是疏水性；而样品Ca/SBA-15(MW, a、b、c、d、e)随着钙负载量的增加，正电性增强，因而亲水性也增强，而苯丙氨酸又具有强的疏水性，即使在钙含量最小的样品Ca/SBA-15(MW,a)上，吸附也很弱．因此，苯丙氨酸在样品Ca/SBA-15(MW, a、b、c、d、e)上几乎没有吸附，而丙氨酸由于疏水性较弱并且分子小，所以随着钙含量的增加有一定的吸附作用．图 8所示在pH=6.0左右时，丙氨酸在样品Ca/SBA-15(MW,a)上的吸附量达到最大，且样品中钙的含量越高吸附量越小，原因可能疏水性相互作用为主；在pH=2.0～6.0范围内，其吸附量随pH增加而增加，原因可能是静电引力起主要作用，而在pH=6.0～10范围内，其吸附量则急剧下降，此时静电斥力起主要作用．

图7 不同pH下丙氨酸和苯丙氨酸在样品SBA-15上的吸附量 图8 不同pH下改性后样品SBA-15对丙氨酸的吸附量

3 结论

小角XRD、N2吸附-脱附、TEM等表征结果表明，微波辐射辅助固相法制备的钙改性材料仍具有类似于SBA-15的结构特点，且钙物种均匀地分散在介孔材料孔道内．

4种氨基酸作为SBA-15有序介孔材料改性前后典型的吸附质．酸性氨基酸谷氨酸和碱性氨基酸赖氨酸在SBA-15上的吸附驱动力是静电引力，吸附作用较弱；而它们在钙改性SBA-15上的吸附驱动力以离子键为主，因而吸附作用较强，并且吸附量与溶液的pH值和钙的负载量密切相关．而中性氨基酸丙氨酸和苯丙氨酸吸附的主要驱动力是疏水作用，在pH=6.0时，丙氨酸和苯丙氨酸在SBA-15上的吸附量分别高达0.17和0.34 mmol·g-1；丙氨酸吸附量随着Ca/SBA-15(MW, a、b、c、d、e)中钙负载量的增加而减小．

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