硅膠對吡柔比星的吸附熱力學和吸附動力學研究

顧強 許建良 許激揚 卞筱泓

吡柔比星(pirarubicin，THP-ADM)是在阿霉素的 4’-O-位上引入四氫吡喃基的半合成蒽環類抗腫瘤抗生素［1，2］。吡柔比星對急性白血病、惡性淋巴瘤、頭頸癌、尿路上皮癌、乳腺癌、卵巢癌、子宮癌、胃癌等有顯著療［3－5］。吡柔比星的心肌毒性、骨髓抑制作用、脫發、胃腸道反應等不良反應比同類抗生素?。?，7］，具有很高的臨床應用價值。硅膠是一種高活性吸附材料，通常是用硅酸鈉和硫酸反應，并經老化、酸泡等一系列后處理過程而制得［8］。硅膠屬非晶態物質，其化學分子式為mSiO2·nH2O。由于硅膠具有吸附性能高、熱穩定性好、化學性質穩定、有較高的機械強度等優點，因此成為柱層析中常用的填料［9］。柱層析過程中，結構不同的化合物在硅膠表面具有不同的吸附與解吸行為，因而在層析柱中產生了不同的遷移速度，藉此不同結構的化合物得以分離［10］。硅膠柱層析分離純化吡柔比星是吡柔比星生產工藝的重要環節［11］，本文以硅膠從二氯甲烷-甲醇(9∶1)中吸附吡柔比星為研究對象，考察了溫度和吡柔比星濃度對吸附的影響，探討了吸附的熱力學和動力學規律，為硅膠柱層析分離純化吡柔比星提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試劑與儀器

1.1.1 儀器:電子天平(上海民橋精密科學儀器有限公司);恒溫振蕩器(江蘇太倉市實驗設備廠);紫外可見分光光度計(上海元析儀器有限公司)。

1.1.2 試劑:吡柔比星(山東印跡生物技術有限公司提供);二氯甲烷、甲醇為分析純;柱層析硅膠(青島海洋化工廠，粗孔，ZCX-Ⅱ型，200 ～300 目，試劑純)。

1.2 吡柔比星定量分析方法 采用紫外分光光度法在254 nm處測定吡柔比星的濃度［12］。

1.3 吸附熱力學實驗 準確稱取10份1.000 g干燥活化的硅膠備用。配制10個不同濃度的吡柔比星溶液，分別移取10.00 ml的吡柔比星溶液置于錐形瓶中，然后向每個錐形瓶中加入稱量好的1.000 g硅膠。在283K、293K、303K 3個溫度下，錐形瓶恒溫振蕩8 h(吸附已達平衡)。平衡后，測定溶液體系中吡柔比星的濃度Ce。根據下式計算硅膠的平衡吸附量Qe:

式中，Qe是平衡后硅膠的吸附量(mg/g)，C0是吡柔比星的初始濃度(mg/ml)，Ce是吡柔比星的平衡濃度(mg/ml)，V是吡柔比星溶液的體積(ml)，M是硅膠的重量(g)。

繪制Qe-Ce等溫曲線，根據等溫曲線方程描述吸附性質。

1.4 吸附動力學實驗 準確稱取3份1.000 g干燥活化的硅膠，分別加入10.00 ml的8.000 mg/ml的吡柔比星溶液中，于283K、293K、303K 3個溫度下恒溫振蕩，間隔30min取樣，測定溶液吡柔比星的濃度。

2 結果

2.1 吸附等溫方程 在不同溫度下硅膠對吡柔比星的吸附等溫線(圖1)，在實驗溫度范圍內，在相同的初始濃度下，硅膠對吡柔比星的吸附量隨溫度的升高而增加。

圖1 硅膠對吡柔比星的吸附等溫線

為進一步考察硅膠對吡柔比星的吸附行為，采用Langmuir方程和Freundlich方程對實驗數據進行處理［13］。

Langmuir等溫吸附方程:

Freundlich等溫吸附方程:

以上兩式中:Qs是硅膠的飽和吸附量(mg/g);KL為Langmuir方程中的吸附系數;Ce是吸附平衡時吡柔比星溶液的濃度(mg/ml);KF為Freundlich方程中的吸附系數;n為量度吸附強度的常數，均為吸附的特征參數。

用上述兩方程對實驗結果進行線性擬合發現，Langmuir方程擬合后的R2均 ＞0.98，因此 Langmuir方程比Freundlich方程能更好的描述所研究的吸附等溫線。見表1、2。

平衡常數KL隨溫度的升高而增大，證明隨溫度的升高硅膠對吡柔比星的吸附能力增強。

表1 硅膠對吡柔比星的Langmuir吸附等溫方程參數

表2 硅膠對吡柔比星的Freundlich吸附等溫方程參數

Langmuir等溫吸附的特征可以根據特征分離系數RL判斷，RL可由下式計算。

式中KL為Langmuir常數，C0為各溫度下吡柔比星的初始濃度(mg/L)。經計算發現，在不同的初始濃度下，RL的值均位于0和1之間。因為當0＜RL＜1時，為優惠吸附，且根據吡柔比星與硅膠的相互作用及Langmuir方程建立的條件，我們可以認定吡柔比星與硅膠之間的吸附屬于化學單分子優惠吸附。

2.2 吸附熱力學

2.2.1 吸附焓變 ΔH:吸附焓變 ΔH可根據方程 lnKL=lnK0-ΔH/RT計算，計算步驟為:對lnKL～1/T進行線性擬合，通過直線直線的斜率就可算出吸附焓變 ΔH。經計算發現 ΔH=51.028 kJ/mol，為正值。所以在研究范圍內，硅膠對吡柔比星的吸附為吸熱過程，升高溫度，吸附量增大，有利于吸附。

2.2.2 吸附自由能變ΔG:吸附自由能變ΔG通過方程ΔG=－RTlnKL計算。其值見表3，由于ΔG均為正值，所以硅膠對吡柔比星的吸附為非自發過程，且隨溫度升高，ΔG值變小，說明升高溫度使吸附過程的自發程度增高。

表3 硅膠對吡柔比星的吸附熱力學參數

2.2.3 吸附熵變 ΔS:吸附熵變 ΔS可按Gibbs-Helmhotlz方程計算。

由表中的計算結果可知，△S均為正值，說明吡柔比星在硅膠上的吸附為熵推動的過程，且隨溫度升高，ΔS呈減小趨勢。

2.3 吸附動力學 硅膠對吡柔比星的吸附動力學曲線(圖2)。吸附過程的動力學研究主要是用來描述吸附劑吸附溶質的速率快慢，通過動力學模型對實驗數據進行擬合，從而探討吸附的機理。本實驗采用3種動力學模型對實驗結果進行擬合，以期得到適合的模型來描述硅膠吸附吡柔比星的過程。

(1)偽一級吸附模型:ln(Qe-Qt)=lnQe－k1t

式中，Qe和Qt分別為平衡時和 t時刻硅膠的吸附量(mg/g)，k1為偽一級吸附速率常數(min－1)。

(2)偽二級吸附模型［14］

式中，Qe和 Qt分別為平衡時和 t時刻硅膠的吸附量(mg/g)，k2為偽二級吸附速率常數(g·mg－1·min－1)。

(3)顆粒內擴散模型［15］

式中，Qt為t時刻硅膠的吸附量(mg/g)，kp為顆粒內擴散速率常數(mg·g－1·min－1/2)。

比較表中各個方程的擬合線性相關系數可知，偽二級方程能很好地描述硅膠對吡柔比星的的吸附行為。見表4。

表4 硅膠吸附吡柔比星的動力學速率常數

2.4 吸附活化狀態函數 由偽二級動力學方程截距求得反應速率常數k2，由Arrhenius方程:

圖2 不同溫度下硅膠對吡柔比星的吸附動力學曲線

根據 lnk2對1/T作圖，得一直線 lnk2=－1963.5/T－11.237(R2=0.9832)。由直線知 Ea=0.236 kJ/mol，該數值表明吸附過程很容易發生。

3 討論

我們對硅膠吸附吡柔比星的熱力學研究表明，在實驗溫度和濃度范圍內，吡柔比星在硅膠上的平衡吸附數據能夠用Langmuir吸附等溫方程進行模擬。硅膠對吡柔比星的吸附屬于優惠單分子化學吸附，隨溫度升高，吸附量增大。

硅膠吸附吡柔比星動力學研究表明，硅膠對吡柔比星的吸附過程符合偽二級動力學模型，由活化能數值表明該吸附過程很容易進行。

1 Umezawa H，Takahashi Y，Tareuchi T，et al.The absolute structures of THP-adriamycins.J Antibiot(Toryo)，1984，37:1094-1097.

2 Tsuruo T，Iida H，Tsukagoshi S.4＇-O-tetrahydropyranyladriamycin as a potential new antitumor agent.Cancer Res，1982，42:1462-1467.

3 Hisamatsu T，Suzuki K，Sakakibara S，et al.Antitumor spectrum of a new anthracycline，(2"R)-4＇-O-tetrahydropyranyladriamycin and effect on the cellular immune response in mice.Japn JCancer Res，1985，76:1008-1020.

4 Majima H，Ohta K.Clinical studies of(2＇R)-4＇-O-tetrahydropyranyl adriamycin(THP).Biomed Pharmacother，1987，41:237-243.

5 蘇貽洲，黃永斌，張海濤，等.吡柔比星膀胱灌注預防膀胱腫瘤復發.現代中西醫結合雜志，2010，19:2610-1611.

6 Miller AA，Schmidt CG.Clinical pharmacology and toxicity of 4＇-O-tetrahydropyranyladriamycin.Cancer Res，1987，47:1461-1465.

7 Dantchev D，Paintrand M，Hayat M，et al.Low heart and skin toxicity of a tetrahydropyranyl derivative of adriamycin(THP-ADM)as observed by electron and light microscopy.J Antibiot(Toryo)，1979，32:1085-1086.

8 吳鷹.硅膠.化工之友，1998，3:34.

9 陸志仁.硅膠吸附在放射化學分離中的應用.核技術，1981，4:57-60.

10 袁黎明主編.制備色譜技術及應用.第2版.北京:化學工業出版社，2005.27-35.

11 Umezawa H，Tarahashi Y，Kinoshita M，et al.Tetrahydropyranyl derivatives of daunomycin and adriamycin.J Antibiot(Toryo)，1979，32:1082-1084.

12 日本藥典2006年版.2006.1000-1001.

13 Ho YS，Mckay G.The sorption of lead(Ⅱ)ions on peat.Water Research，1999，33:578-584.

14 Ho YS，Mckay G.Pseudo-second order model for sorption processes.Process Biochem，1999，34:451-465.

15 Moon H，Lee WK.Intraparticle diffusion in liquid-phase adsorption of phenol with activated carbon in finite batch adsorber.Journal of Colloid and Interface Science，1983，96:162-170.