酒石酸與La3+對草酸鈣結晶的影響

胡　鵬，賀龍強，鄧穗平，歐陽健明

(1.焦作大學　化工與環境工程學院，河南　焦作　454000；2.暨南大學　生物礦化與結石病防治研究所，廣東　廣州　510632)

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酒石酸與La3+對草酸鈣結晶的影響

胡鵬1,2*，賀龍強1，鄧穗平2，歐陽健明2

(1.焦作大學化工與環境工程學院，河南焦作454000；2.暨南大學生物礦化與結石病防治研究所，廣東廣州510632)

采用X射線衍射(XRD)、傅立葉紅外光譜(FTIR)和掃描電鏡(SEM)分析了凝膠體系中混合添加劑酒石酸和La3+對草酸鈣(CaOxa)晶體生長的影響。研究結果顯示，酒石酸可以抑制CaOxa晶體的生長、聚集，并誘導二水草酸鈣(COD)生成；La3+不僅可誘導COD生成，而且可使一水草酸鈣(COM)的形貌發生變化；而酒石酸和La3+的聯合作用則不僅增強了對COD的誘導能力，并使COM的聚集程度降低、比表面積減小。酒石酸和La3+的聯合療法對尿石病的預防和治療有較大的參考價值。

X射線衍射；傅立葉紅外光譜；掃描電鏡；La3+；草酸鈣；酒石酸；結晶

近年來，稀土成為無機生物化學研究的新熱點。稀土元素在農業及畜牧業(稀土微肥、飼料添加劑)、工業(各種稀土工業材料、稀土添加劑等)及現代生物醫學上的廣泛應用，使其不可避免地進入生物圈[12]。Lare等[13]曾提出用稀土離子作為調控開關來研究結石中CaOxa晶體的生長，發現稀土離子能夠部分取代CaOxa中的Ca2+，而且通過占有Ca2+的位點來調控晶體的晶相與形貌。

找到能抑制草酸鈣晶體成核、生長和聚集的藥物就能在尿石的預防和治療上發揮重大作用[14]，稀土La3+作為藥用已有報道[15]，本文在凝膠模擬體系中研究了酒石酸與La3+對草酸鈣晶體生長的聯合影響，并探討了其影響機理，研究結果對尿結石的預防和治療有一定的參考價值。

1　實驗部分

1.1試劑與儀器

硅酸鈉、醋酸、氯化鈣、草酸(H2Oxa)、酒石酸(H2tart)、氯化鑭(LaCl3)等均為分析純試劑，且均用二次蒸餾水配制。所有玻璃器皿用二次蒸餾水洗滌干凈。

XL-30型環境掃描電子顯微鏡(SEM，Philips公司),IFS25 型傅立葉變換紅外光譜儀(FTIR，Bruker公司)，XD-2粉末射線衍射儀(XRD，北京大學研制),pH-3C精密pH計(上海雷磁儀器廠)，PSH500A生化培養箱(重慶試驗設備廠)。

1.2實驗方法

凝膠的配制：用體積分數為5%的醋酸溶液調節密度為1.03 g·cm-3的硅酸鈉溶液至pH 6.35，然后注入U型管中，48 h后形成凝膠。

晶體的生長：膠化后，將0.5 mol·L-1氯化鈣和La3+加入到U型管左側，0.2 mol·L-1草酸和酒石酸加入到U型管右側，左右兩側添加物的最終體積均為5 mL。在37 ℃生化培養箱中靜置，使CaOxa結晶、生長。待晶體生長10 d后取出，進行SEM和XRD表征。

晶體的晶相和形貌觀察：用SEM進行形貌觀察，測試條件為：樣品噴金處理，測量電壓20 kV；用XRD分析晶體的物相，測試條件為：Cu的Kα輻射，40 kV，30 mA，石墨彎晶單色器，掃描范圍2θ為5°～60°，狹縫：DS，1°，RS，0.15 mm，SS，1°，掃描速度：8°/min，步寬：0.02°。紅外光譜儀分析晶體晶相，測試范圍4 000～400 cm-1，分辨率0.5 cm-1。

采用XRD定量分析時，按照文獻[16]計算二水草酸鈣(COD)的含量：COD(%)=ICOD/(ICOM+ICOD)。式中ICOM和ICOD分別為一水草酸鈣(COM)和COD主要衍射峰的強度。

2　結果與討論

2.1酒石酸或鑭離子不同添加劑對草酸鈣晶體的抑制

圖1為凝膠體系中加入酒石酸或鑭離子后CaOxa晶體的SEM圖像。空白實驗(即不加添加物)得到的CaOxa晶體均為COM(圖1A)，無COD生成，且COM主要是薔薇花狀晶體；單獨加入H2tart后，有棱角不分明、六邊形尖角已消失的COM聚集體出現和部分四方錐形COD生成(17%)(圖1B)。tart2-對Ca2+離子的螯合作用及其與CaOxa沉淀之間動態的絡合-離解平衡可使CaOxa晶體的棱角變得圓鈍，比表面積明顯減小，從而顯著減小COM晶體與細胞膜的粘附[11]；H2tart吸附在COM和COD晶體表面時，可使晶體表面的zeta電位升高，晶體顆粒之間的排斥作用增強，從而抑制草酸鈣晶體的聚集，有利于防止CaOxa結石的形成[17-18]。

　　圖1　加入不同添加劑后CaOxa晶體的SEM圖Fig.1　SEM images of calcium oxalate crystals in gel after addition of different additives A：no additive；B：0.10 mol·L-1 H2tart；C：0.10 mol·L-1 La3+ ；D:0.10 mol·L-1 H2tart+0.10 mol·L-1 La3+

La3+誘導COD生成的原因是由于La3+吸附在COM富草酸根的(010)晶面上，抑制了COM的成核與生長，從而利于COD的生長。此外，CaOxa晶體成核過程中，La3+半徑與Ca2+相近，性質相似，能置換出CaOxa晶體表面層的Ca2+離子，形成摻雜。晶面生長自由能與晶面上所吸附的雜質及其濃度密切相關[20]，摻雜La3+后CaOxa晶面的生長自由能降低，也有利于得到熱力學不穩定的COD[21]。

當凝膠體系中同時加入H2tart和La3+后，草酸鈣晶體發生如下變化(圖1D)：①得到球形和橢圓狀的COM；②COM晶體尺寸減小；③誘導更多的COD生成(57%)。其中抑制COM生長和聚集，誘導COD生成的能力強弱順序依次為：H2tart-La3+>H2tart≈La3+。

H2tart和La3+混合添加劑抑制COM生長的主要原因是H2tart和La3+形成的配合物能在晶體表面的生長點發生吸附作用，阻礙晶體的進一步生長[22]。Cody等[23]分析CaOxa晶面結構模型時發現，在COM晶格中存在8個tart2-的可能的吸附位點，而在COD中只有3個。因此，H2tart-La3+不僅能抑制COM的亞臨界成核，還能促進COD的形成。所形成的H2tart-La3+絡合物吸附在COM表面，可以不斷與晶體表面的Ca2+發生置換反應，從而抑制COM的生長。

2.2混合添加劑中鑭離子濃度對草酸鈣晶體抑制的影響

前期工作已對酒石酸濃度對草酸鈣晶體抑制的影響[11]進行了研究，本文重點考察La3+濃度變化對草酸鈣晶體的抑制作用。圖2為0.10 mol·L-1酒石酸和不同濃度La3+所得CaOxa晶體的SEM圖。從圖2可以看出，隨著La3+濃度的增加，CaOxa晶體的晶相未發生較大變化，仍主要由COM和COD組成，無聚集體狀晶體存在。當La3+濃度為0.01 mol·L-1時，COM晶體的棱角變得圓鈍，但仍為叉生狀晶體，與圖1B中晶體有相似之處；當La3+濃度為0.05 mol·L-1時，開始出現球形COM，La3+的加入促使酒石酸的作用更強，對晶體的去棱角作用增強，使得六邊形的COM晶體變得圓鈍呈橢圓狀，再逐漸變為球形晶體。

　　圖2　加入混合添加劑得到CaOxa晶體的SEM圖Fig.2　SEM images of calcium oxalate crystals in mixed additive(0.10 mol·L-1 H2tart and La3+) concentraion of La3+(A-D):0.01，0.05，0.10，0.20 mol·L-1

圖3　加入混合添加劑后得到CaOxa晶體的XRD圖Fig.3　XRD patterns of calcium oxalate crystals in mixed additive(0.10 mol·L-1 H2tart and La3+) concentraion of La3+(a-d):0.01,0.05,0.10,0.20 mol·L-1

La3+從0.01 mol·L-1增至0.05 mol·L-1時，COD增加了13%，從0.05 mol·L-1增至0.10 mol·L-1時，COD增加了14%，此時La3+與H2tart的摩爾比為1∶1，La3+和H2tart形成穩定的配合物(絡合常數為103.06)[24]，La3+被暫時儲存起來，一方面可避免La3+的水解丟失，另一方面也增加了La3+與CaOxa作用的持久性。La3+濃度增至0.20 mol·L-1時，La3+與H2tart的摩爾比為2∶1，部分La3+不僅未能與H2tart發生絡合而受到保護，反而發生水解，導致La3+濃度從0.10 mol·L-1增至0.20 mol·L-1時COD含量僅增加5%。這說明La3+與H2tart可能是按照此機理共同作用的。

FTIR光譜也進一步證明了上述結果。在不加添加物得到的CaOxa晶體中，CaOxa的羧基不對稱伸縮振動νas(COO-)在1 621 cm-1表現出強吸收峰，對稱伸縮振動νs(COO-)出現在1 317 cm-1，與COM標樣的峰一致，表明這些CaOxa晶體主要為COM。而加入混合添加劑后，νas(COO-)藍移至1 625 cm-1，νs(COO-)出現在1 319 cm-1附近。對比COD的νas(COO-)和νs(COO-)峰分別為1 647 cm-1和1 325 cm-1，表明這些CaOxa晶體為COM和COD的混合物。

3　結　論

混合添加劑H2tart和La3+的聯合使用增強了抑制草酸鈣晶體成核、生長和聚集的能力，這歸因于La3+與Ca2+離子競爭及H2tart對La3+的儲存作用。混合添加劑對草酸鈣有更強的抑制作用，不僅可促使COM表面更加圓鈍，而且還可誘導COD生長，從而減少草酸鈣晶體與尿路細胞膜的粘附，這為尿石病的預防和臨床治療提供了理論參考。

[1]Yu S L,Gan X G,Huang J M,Cao Y,Wang Y Q,Pan S H,Ma L Y,Teng Y Q,An R H.J.Urol.,2011,186(3):1114-1120.

[2]Liu Y M,Xia Z Y,Ouyang J M,Jia L P,Zhang G N,Ding Y M.Chin.J.Inorg.Chem.(柳一鳴,夏志月,歐陽健明,賈麗萍,張廣娜,丁一鳴.無機化學學報),2013，29(5):903-909.

[3]Cao Q S,Ba Y M,Luo J H,Dai Q.ActaAcad.Med.Sin.(曹秋實，巴元明，羅俊華，戴琪.中國醫學科學院學報),2015，37(1):82-87.

[4]Li Y B,Wen X L,Xue J F,Ouyang J M.Spectrosc.SpectralAnal.(李玉寶，溫小玲，薛俊發，歐陽健明.光譜學與光譜分析),2015，35(8):2257-2262.

[5]Chen L,Man R L,Li Z M.J.Instrum.Anal.( 陳嵐,滿瑞林,李志明.分析測試學報),2007，26(4):582-584.[6]Sun X Y,Ouyang J M,Li Y B,Zhu W Y.J.Synth.Cryst.(孫新園，歐陽健明，李玉寶，朱文玉.人工晶體學報),2014,43(11):2943-2949.

[7]Yao X Q,Ouyang J M,Peng H,Zhu W Y,Chen H Q.Carbohydr.Polym.,2012,90(1):392-398.

[8]Pak C Y C,Heller H J,Pearle M S,Odvina C V,Poindexter J R,Pererson R D.J.Urol.,2003，169(2):465-469.[9]Ouyang J M,Duan L,Tieke B.Langmuir,2003，19(21):8980-8985.

[10]Ouyang J M,Duan L,He J H,Tieke B.Chem.Lett.,2003，32(3):268-269.

[11]Yuan H X,Ouyang J M.Prog.Chem.(袁歡欣,歐陽健明.化學進展),2006，18(5):573-578.

[12]Shen Z G,Zhong G T,Kong P Y,Sun J X,Wang Y Q,Yang J,Yuan X B.J.Instrum.Anal.(申治國,鐘廣濤,孔聘顏,孫景信,王玉琦,楊簡,苑旭波.分析測試學報),1999,18(4):20-22.

[13]Lare A T,Michael J L,Brian J M,Viola V.Nat.Mater.,2004，3(4):239-243.

[14]Li J J,Hou S H,Xia Z Y,Ouyang J M.Chin.J.Inorg.Chem.(李君君,侯善華,夏志月,歐陽健明.無機化學學報),2012,28(2):245-250.

[15]Fricker S P.Chem.Soc.Rev.,2006，35:524-533.

[16]Donnet M,Jongen N,Lemaitre J,Bowen P.J.Mater.Sci.Lett.,2000,19(9):749-750.

[17]Rao T V R K,Bano S.AsianJ.Chem.,2004，16(1):59-66.

[18]Callejas-Fernandez J,Martinez-Garcia R,Hidalgo-Alvarez R,De las Nieves J.Progr.Colloid.Polym.Sci.,1993,93:210-215.

[19]Christoffersen J,Christoffersen M R,Kolthoff N,B?renholdt O.Bone,1997,20(1):47-54.

[20]Teng H H,Dove P M,Orme C A,De Yoreo J J.Science,1998,282(5389):724-727.

[21]Sangwal K,Palczynska T.J.Cryst.Growth,2000,212(3):522-531.

[22]Grases F,Genestar C,Millan A.J.Cryst.Growth,1989,94(2):507-512.

[23]Cody A M,Cody R D.J.Cryst.Growth,1994,135(Suppl 1/2):234-245.

[24]Desroches S,Dayd S,Berthon G.J.Inorg.Biochem.,2000,81(4):301-312.

Effects of Tartaric Acid and La3+on Calcium Oxalate Crystallization

HU Peng1,2*，HE Long-qiang1，DENG Sui-ping2，OUYANG Jian-ming2

(1.College of Chemical Industry and Environment Engineering,Jiaozuo University,Jiaozuo454000,China;2.Institute of Biomineralization and Lithiasis Research,Jinan University,Guangzhou510632,China)

Effects of the mixed additive containing tartaric acid and La3+on the crystallization of calcium oxalate in silica gel were investigated by means of X-ray diffraction(XRD),Fourier transform infrared(FTIR) spectroscopy and scanning electron microscopy(SEM).The results indicated that artaric acid could inhibit the growth and aggregation of the crystal,and induce the formation of calcium oxalate dehydrate(COD).La3+could also induce the COD formation and affect the morphology of calcium oxalate monohydrate(COM).While the mixed additive of tartaric acid and La3+could not only enhance the ability of inducing the COD formation,but also inhibit the COM aggregation and decrease the COM surface area.The mixed additive of tartaric acid and La3+is worthy to be considered for the prevention and treatment of urolithiasis.

X-ray diffraction(XRD);Fourier transform infrared(FTIR) spectroscopy;scanning electron microscopy(SEM);La3+;calcium oxalate；tartaric acid；crystallization

2015-12-10；

2016-01-10

國家自然科學基金項目(81170649)；河南省基礎前沿研究計劃項目(122300410004)

胡鵬,碩士,講師,研究方向:生物礦化與納米材料,Tel:0391-2989257,E-mail:penghujz@126.com

doi:10.3969/j.issn.1004-4957.2016.07.017

O766.1

A

1004-4957(2016)07-0874-04