介孔TiO2對(duì)溶菌酶吸附的動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)

洪啟亮　董依慧　莊偉　饒超　劉暢,*

(1南京工業(yè)大學(xué)，材料化學(xué)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210009；2南京工業(yè)大學(xué)生物與制藥學(xué)院，南京211816)

介孔TiO2對(duì)溶菌酶吸附的動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)

洪啟亮1董依慧1莊偉2饒超1劉暢1,*

(1南京工業(yè)大學(xué)，材料化學(xué)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210009；2南京工業(yè)大學(xué)生物與制藥學(xué)院，南京211816)

773.15K下焙燒二鈦酸(H2Ti2O5)制備了介孔結(jié)構(gòu)TiO2。采用比表面分析儀(BET)、掃描電鏡(SEM)、拉曼(Raman)光譜和X射線衍射(XRD)儀進(jìn)行表征研究了介孔TiO2對(duì)溶菌酶的吸附行為和機(jī)理。結(jié)果表明，該吸附過程較好地滿足Langmuir吸附模型；隨著溶液pH值的增高，溶菌酶在介孔TiO2上的吸附量先增大后減小。在pH=7.2時(shí)，達(dá)到最大吸附容量72.5mg?g－1。該介孔TiO2對(duì)溶菌酶具有良好的吸附穩(wěn)定性，經(jīng)過5次循環(huán)后吸附的溶菌酶殘余量仍有81.6%。動(dòng)力學(xué)研究表明，介孔TiO2與溶菌酶間的吸附滿足準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型，吸附傳質(zhì)過程由膜擴(kuò)散和粒內(nèi)擴(kuò)散共同影響與控制。對(duì)熱力學(xué)參數(shù)的計(jì)算發(fā)現(xiàn)，該過程ΔG0<0，ΔH0>0，ΔS0>0，表明介孔TiO2對(duì)溶菌酶的吸附是一個(gè)自發(fā)的、吸熱的熵增過程。

介孔TiO2；溶菌酶；吸附；動(dòng)力學(xué)；熱力學(xué)

1　引言

近年來，對(duì)于生物-表面工程的蛋白吸附研究已經(jīng)取得了一系列的進(jìn)步1。研究蛋白質(zhì)與介質(zhì)的吸附作用對(duì)于生物醫(yī)用材料、生物傳感器和固定化酶等領(lǐng)域都具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。蛋白質(zhì)在介質(zhì)表面上的吸附行為取決于蛋白質(zhì)的種類、介質(zhì)的表面結(jié)構(gòu)和溶液性質(zhì)等因素。蛋白質(zhì)分子在介質(zhì)表面的吸附強(qiáng)度不同，可以實(shí)現(xiàn)不同領(lǐng)域的應(yīng)用，例如抗污染表面需要蛋白質(zhì)與表面幾乎無吸附2、蛋白質(zhì)固定化則需要蛋白質(zhì)在表面吸附作用很強(qiáng)3以及蛋白質(zhì)分離需要不同的蛋白質(zhì)在表面產(chǎn)生不同的吸附-解吸過程4。蛋白質(zhì)分子與材料表面間存在著復(fù)雜的吸附行為，其本質(zhì)在于蛋白質(zhì)與材料間相互作用的不同，因此深入研究蛋白質(zhì)分子在材料表面的吸附過程十分必要，對(duì)實(shí)現(xiàn)控制蛋白質(zhì)在材料表面的吸附更具有重要的基礎(chǔ)研究和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

無機(jī)載體成本低、穩(wěn)定性好、機(jī)械強(qiáng)度高、表面性質(zhì)易調(diào)控、耐酸堿，是當(dāng)前吸附載體的主要研究方向5。而無機(jī)介孔材料因具有比表面積大、孔結(jié)構(gòu)規(guī)則、孔徑分布集中等優(yōu)點(diǎn)，日益成為研究吸附蛋白的優(yōu)異載體6。其中大多數(shù)研究者集中于介孔硅材料7－9，但部分介孔硅材料功能化后易產(chǎn)生毒性10，且孔徑調(diào)控較為復(fù)雜11,12。TiO2由于具有穩(wěn)定、無毒、抗腐蝕性好及優(yōu)異的生物相容性等優(yōu)點(diǎn)，通常被用于醫(yī)用植入體材料，作為吸附載體也逐漸引起了廣泛關(guān)注13。

然而常規(guī)的TiO2無孔，吸附穩(wěn)定性差，在一定程度上阻礙了TiO2在蛋白質(zhì)吸附方面的應(yīng)用。本課題組通過固相分離法合成了一種高比表面積的介孔表面含有豐富的活性羥基16，有利于與蛋白質(zhì)分子的官能團(tuán)發(fā)生作用，提高與蛋白質(zhì)分子的結(jié)合力。此外，簡單改變前驅(qū)體H2Ti2O5的焙燒溫度，即可實(shí)現(xiàn)介孔TiO2的孔徑在3－30nm內(nèi)可調(diào)17。目前，該介孔TiO2已在藥物運(yùn)輸18和蛋白固定化19,20等生物領(lǐng)域得到應(yīng)用。

研究蛋白質(zhì)分子在介孔材料中的吸附行為尤為重要。吸附動(dòng)力學(xué)主要用來描述吸附劑吸附溶質(zhì)的快慢，可通過動(dòng)力學(xué)模型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，推斷其吸附機(jī)理21；吸附熱力學(xué)是描述反應(yīng)平衡性質(zhì)的基本定律，可以反映吸附的本質(zhì)。但是，目前對(duì)介孔TiO2吸附蛋白分子的動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)的研究較少。溶菌酶的分子尺寸較小(3.0nm×3.0nm×4.5nm)，結(jié)構(gòu)簡單，不易形變，多應(yīng)用于蛋白吸附的研究中作為模型蛋白22。鑒于此，本文以溶菌酶為模型蛋白，研究了介孔TiO2對(duì)溶菌酶的吸附行為和機(jī)理，采用準(zhǔn)一級(jí)、準(zhǔn)二級(jí)模型對(duì)吸附動(dòng)力學(xué)過程進(jìn)行擬合；測定了吸附熱力學(xué)參數(shù)(吸附焓變?chǔ)0、吸附自由能變?chǔ)0、吸附熵變?chǔ)0)，為介孔TiO2在藥物運(yùn)輸和固定化酶領(lǐng)域的應(yīng)用提供了理論參考。

2　實(shí)驗(yàn)部分

2.1實(shí)驗(yàn)試劑

水合氧化鈦(TiO2?n H2O)購自南京市油脂化學(xué)廠，為化學(xué)純；碳酸鉀(K2CO3)、鹽酸(HCl)、醋酸(HAc)、醋酸鈉(NaAc)、磷酸氫二鈉(Na2HPO4)、磷酸二氫鉀(KH2PO4)、碳酸鈉(Na2CO3)、碳酸氫鈉(NaHCO3)均購自上海凌峰化學(xué)試劑有限公司，均為分析純；溶菌酶購自北京拜耳迪生物科技有限公司；實(shí)驗(yàn)用水為商業(yè)可用純凈水。

2.2介孔TiO2粉體的制備

介孔TiO2制備過程使用課題組先前的制備工藝14,15。(1)K2Ti2O5的燒結(jié)：將TiO2?n H2O和K2CO3以摩爾比2:1混合，加入適量的水，均勻攪拌，在363.15K下干燥10h后，然后在1153.15K下焙燒4h，得到K2Ti2O5。(2)水合：向K2Ti2O5中緩慢滴加水并攪拌，攪拌成膏狀后，用保鮮膜封裝，靜置7－10d。(3)離子交換：將水合產(chǎn)物中加入大量水，并滴加稀鹽酸，使溶液pH值保持在1.5－2.0間，劇烈攪拌24h，反復(fù)過程3－5次；離子交換結(jié)束后，收集沉淀物，用水沖洗表面的酸溶液，在363.15K下烘干，獲得H2Ti2O5。(4)二次焙燒：將H2Ti2O5在773.15K下焙燒2 h，得到樣品介孔TiO2。

2.3樣品表征

氮?dú)馕?脫附曲線采用美國Micromertics公司的TristarII3020型全自動(dòng)氮吸附比表面和孔隙分析儀測試，預(yù)處理溫度為352 K、預(yù)處理時(shí)間為8 h，測試溫度為77 K，分別通過BET方程和BJH模型計(jì)算得到材料的比表面積、孔容和孔徑數(shù)據(jù)；材料的形貌采用日本日立公司的HitachiS-4800型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察，操作電壓5kV；晶體結(jié)構(gòu)采用德國Bruker公司的D8Adavance型X射線衍射(XRD)儀檢測，管電流30mA，管電壓40kV，掃描范圍5°－60°，掃描步長0.05(°)?step－1，掃描速率0.2 s?step－1；材料的表面組成采用法國Horiba Jobin Yvon公司的HR 800型拉曼光譜儀測定，激發(fā)波長為514nm，功率為20mW；不同pH值下的zeta電位使用英國Zetasizer 3000hs型zeta電位分析儀測定；蛋白溶液的吸光度采用上海龍尼柯儀器有限公司UV-2802S型紫外-可見分光光度計(jì)測定；吸附性能采用常州諾基儀器有限公司SHZ-88A恒溫水浴振蕩箱測試，振蕩速率為180r?m in－1。

2.4介孔TiO2對(duì)溶菌酶的等溫吸附實(shí)驗(yàn)

2.4.1吸附等溫線

稱取0.2 g介孔TiO2于離心管中，加入10m L濃度為0.2－2mg?m L－1的溶菌酶溶液(pH=7.2)，分別在283.15、293.15、303.15、313.15K下振蕩吸附72 h。取少量懸浮液，離心分離后(6000r?m in－1，10m in)，采用紫外分光光度計(jì)在λ=280nm處測定上清液中溶菌酶的質(zhì)量濃度，按照式(1)求出平衡吸附量，由此繪制吸附等溫線。

式中，qe為平衡吸附量(mg?g－1)，Ce為溶菌酶的平衡濃度(mg?m L－1)，C0為溶菌酶起始濃度(mg?m L－1)，V為溶液體積(m L)，m為介孔TiO2的質(zhì)量(g)。

2.4.2溶液pH值對(duì)溶菌酶的吸附量影響

稱取0.2 g介孔TiO2于離心管中，加入10m L濃度為2mg?m L－1的溶菌酶溶液，分別調(diào)節(jié)pH值為3.6、4.7、5.2、6.6、7.2、7.8、9.2、10.1、11.0，在303.15K恒溫條件下振蕩吸附72 h，研究不同溶液pH值對(duì)溶菌酶的吸附量影響。

2.4.3吸附動(dòng)力學(xué)

稱取0.2 g介孔TiO2于離心管中，加入10m L濃度為2mg?m L－1的溶菌酶溶液(pH=7.2)，分別在283.15、293.15、303.15、313.15K恒溫條件下振蕩吸附。開始計(jì)時(shí)，間隔一段時(shí)間取少量懸浮液，離心分離后，測定上清液中溶菌酶的質(zhì)量濃度，按照式(2)求出吸附量。重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)過程，測試吸附量直至不變，由此繪制吸附動(dòng)力學(xué)曲線。

式中，qt為t時(shí)的吸附量(mg?g－1)，Ct為溶菌酶在t時(shí)刻的濃度(mg?m L－1)。

3　結(jié)果與討論

3.1介孔TiO2的表征

圖1為介孔TiO2的氮?dú)馕?脫附等溫線和孔徑分布曲線圖。從圖1(A)可以看出樣品的氮?dú)馕降葴鼐€是IV型，具有明顯的吸附滯后環(huán)，為典型的介孔材料的吸附特征。從圖1(B)中可看出介孔TiO2的孔徑分布集中在9.5nm。樣品的比表面積、平均孔徑和孔體積列于表1中。進(jìn)一步采用掃描電子顯微鏡觀察介孔TiO2的表面微觀形貌。圖2為介孔TiO2在不同放大倍數(shù)下的FESEM圖像。圖2(A)為5千倍下拍攝的FESEM圖，可看出樣品的形貌呈棒狀；圖2(B)為10萬倍下拍攝的FESEM圖，在顆粒的表面有很多納米級(jí)孔，平均孔徑為9 nm左右，這與BJH方法分析得到的孔徑數(shù)據(jù)基本吻合。

圖3(A)為介孔TiO2的XRD圖。在2θ為25.3°、37.8°和48.0°附近的特征衍射峰分別對(duì)應(yīng)銳鈦礦的(101)、(004)和(200)晶面的衍射，為典型的銳鈦礦相。圖中主峰寬度較窄且強(qiáng)度較強(qiáng)，說明樣品中銳鈦礦相的含量較多，結(jié)晶度較好。圖3(B)為介孔TiO2的Raman光譜圖。位于145、197、395、515和638 cm－1處的Raman峰分別對(duì)應(yīng)銳鈦礦相Eg、Eg、B1g、B1g/A1g和Eg模式23，即譜圖中出現(xiàn)的主峰均為銳鈦礦相特征峰，證實(shí)了XRD表征結(jié)果。

圖1　氮?dú)馕?脫附等溫線(A)和孔徑分布曲線(B)Fig.1 N2adsorption-desorption isotherm(A)and pore size distribution curve(B)

表1　 TiO2的結(jié)構(gòu)參數(shù)Table1 Texturalparametersof TiO2

3.2吸附等溫線

吸附等溫線可反映被吸附的分子在平衡時(shí)液相和固相間的分布狀況，不同溫度下介孔TiO2對(duì)溶菌酶的等溫吸附曲線如圖4。隨著溫度的升高，介孔TiO2對(duì)溶菌酶平衡吸附量不斷增加，是因?yàn)閭髻|(zhì)速度隨溫度的升高而加快，這也表明介孔TiO2吸附溶菌酶是一個(gè)吸熱過程。目前有很多模型用來描述吸附等溫線的數(shù)據(jù)，其中Langmuir和Freundlich模型24由于形式簡單、參數(shù)少且容易確定而被廣泛的應(yīng)用，因此本文采用這兩種模型描述不同溫度下介孔TiO2對(duì)溶菌酶的吸附情況。

圖2　 TiO2不同放大倍數(shù)的FESEM圖像Fig.2 FESEMimagesof TiO2at differentmagnifications

圖3　 TiO2的XRD(A)和Raman(B)譜圖Fig.3 XRD pattern(A)and Ram an spectrum(B)of TiO2

Langmuir和Freundlich模型的線性方程分別為：

式中，KF為Freundlich吸附常數(shù)(m L?g－1)，n為表觀常數(shù)，b為Langmuir吸附常數(shù)(m L?mg－1)，qm為理論飽和吸附量(mg?g－1)。

Langmuir和Freundlich方程擬合曲線如圖5所示，回歸參數(shù)見表2。Langmuir方程擬合曲線的R2值均大于0.99，表明Langmuir模型較好地描述了介孔TiO2對(duì)溶菌酶的吸附。Langmuir公式中的參數(shù)qm和b可以從Ce/qe對(duì)Ce直線的截距與斜率中獲得。在本文實(shí)驗(yàn)條件下，qm和b均隨著溫度的升高而增大，表明此吸附過程是吸熱的，適當(dāng)升溫有利于吸附。

3.3溶液pH值對(duì)吸附量影響

蛋白質(zhì)分子在載體上的吸附主要包括范德華力、氫鍵和靜電相互作用，其中靜電相互作用通常起主要的作用，載體表面電荷的變化會(huì)影響蛋白質(zhì)在其表面的吸附量。對(duì)介孔TiO2和溶菌酶在不同pH值的水溶液中的zeta電位值進(jìn)行測試，見圖6，介孔TiO2和溶菌酶的等電點(diǎn)分別為4.4和10.4。當(dāng)溶液pH<4.4時(shí)，介孔TiO2和溶菌酶表面均帶正電，兩者間具有靜電排斥作用，導(dǎo)致低吸附容量；當(dāng)溶液pH值介于4.4和10.4之間時(shí)，介孔TiO2表面帶負(fù)電，而溶菌酶分子表面帶正電，根據(jù)正負(fù)電荷相吸，溶菌酶在介孔TiO2上的吸附量增大；當(dāng)溶液pH>10.4時(shí)，溶菌酶分子的表面電性發(fā)生根本性轉(zhuǎn)變，攜帶了負(fù)電荷，與表面帶負(fù)電的介孔TiO2產(chǎn)生靜電排斥作用，使得吸附量較低。

圖4　介孔TiO2對(duì)溶菌酶的吸附等溫線Fig.4Adsorp tion isotherm sof lysozymeonto TiO2pH=7.2;qeis theequilibrium adsorption capacity; Ceis the equilibrium concentration.

當(dāng)溶液pH值接近蛋白的等電點(diǎn)時(shí)，蛋白所帶凈電荷為零，蛋白分子內(nèi)的靜電排斥力及分子間的橫向相互作用力處于最小狀態(tài)，蛋白質(zhì)的溶解度最低，因此蛋白在載體上達(dá)到最大吸附量25。對(duì)于本研究體系，如圖7所示，隨著pH值的增大，介孔TiO2對(duì)溶菌酶的吸附量先增大后減小，在pH=7.2時(shí)，有最大吸附量72.5mg?g－1。吸附量最大處的pH值比溶菌酶的等電點(diǎn)偏低，可能是因?yàn)樵趐H值較高時(shí)，體系中的小離子吸附至溶菌酶表面，導(dǎo)致溶菌酶等電點(diǎn)的改變26，故該pH值是溶菌酶與吸附分子復(fù)合物的等電點(diǎn)27，或者溶菌酶的表觀等電點(diǎn)28。

3.4吸附穩(wěn)定性

蛋白質(zhì)的操作穩(wěn)定性是蛋白固定化領(lǐng)域的重要目標(biāo)之一，因此進(jìn)一步測試了介孔TiO2對(duì)溶菌酶的吸附穩(wěn)定性。在pH=7.2下，將充分吸附溶菌酶的介孔TiO2離心分離回收，然后加入10m L pH=7.2磷酸緩沖溶液，在303.15K、180r?m in－1下振蕩4h，測試介孔TiO2上溶菌酶的殘余量。由圖8可見，經(jīng)過5次振蕩洗滌后，溶菌酶在介孔TiO2上的殘留量仍有57.93mg?g－1，為最初吸附量的81.6%，即表現(xiàn)出良好的吸附穩(wěn)定性。一方面，在溶液pH=7.2時(shí)，介孔TiO2與溶菌酶間存在強(qiáng)烈的靜電相互作用；另一方面，溶菌酶的尺寸為3.0nm×3.0nm×4.5nm，比介孔TiO2的孔徑(9.56nm)要小，使得部分溶菌酶易于吸附在介孔TiO2的孔道內(nèi)，即孔結(jié)構(gòu)對(duì)溶菌酶起到保護(hù)作用，防止了溶菌酶的泄漏。

圖5　 Langmuir(A)和Freundlich(B)吸附等溫線Fig.5Langmuir(A)and Freundlich(B)adsorption isotherm s

表2　 TiO2吸附溶菌酶的Langmuir和Freundlich參數(shù)Tab le 2 Langmuir and Freund lich parameters for adsorption of lysozym e on to TiO2

3.5吸附動(dòng)力學(xué)

圖6　 TiO2和溶菌酶的zeta電位隨pH值的變化曲線Fig.6Curvesof zeta potentialof TiO2and lysozymewith pH value

圖7　介質(zhì)pH值對(duì)TiO2吸附溶菌酶性能影響Fig.7 Effectof pH valueson adsorption quantity of lysozym e on to TiO2C0(lysozyme)=2mg?m L－1;T=303.15K

溶液中的吸附是一個(gè)較復(fù)雜的過程，吸附質(zhì)從液相中被吸附到吸附劑顆粒中，可以分為吸附劑周圍流體界膜中吸附質(zhì)的遷移(外擴(kuò)散)、吸附劑顆粒內(nèi)擴(kuò)散和吸附劑內(nèi)的吸附反應(yīng)等幾個(gè)過程29。圖9(A)為不同溫度下介孔TiO2對(duì)溶菌酶的吸附動(dòng)力學(xué)曲線。前24h吸附量迅速增加，主要是介孔TiO2外表面對(duì)溶菌酶的吸附；24－48 h吸附量增加變緩，主要是溶菌酶通過孔道向內(nèi)表面擴(kuò)散后的吸附；至72 h時(shí)吸附已基本達(dá)到飽和。曲線中各點(diǎn)的斜率代表瞬時(shí)吸附速率(d qt/d t)，隨著吸附時(shí)間的延長，d qt/d t逐漸減小，且平衡吸附量隨溫度升高而增大。對(duì)于固液吸附，常采用準(zhǔn)一級(jí)、準(zhǔn)二級(jí)速率方程30,31來描述和分析動(dòng)力學(xué)過程。

準(zhǔn)一級(jí)和準(zhǔn)二級(jí)吸附模型分別如下：

式中，k1為準(zhǔn)一級(jí)吸附速率常數(shù)(h－1)，k2為準(zhǔn)二級(jí)吸附速率常數(shù)(g?mg－1?h－1)，k2qe2為初始吸附速率(mg?g－1?h－1)。

準(zhǔn)一級(jí)、準(zhǔn)二級(jí)模型的擬合曲線如圖9(B)、圖9(C)所示，擬合曲線參數(shù)列于表3中，準(zhǔn)二級(jí)模型的R2值比準(zhǔn)一級(jí)模型的值大且更接近1，并且平衡吸附量的實(shí)驗(yàn)值qe,exp和準(zhǔn)二級(jí)模型的計(jì)算值qe,cal吻合很好，說明在本實(shí)驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，利用準(zhǔn)二級(jí)模型能夠更好地預(yù)測溶菌酶在介孔TiO2上的吸附動(dòng)力學(xué)行為。隨著溫度的升高，初始吸附速率和準(zhǔn)二級(jí)吸附速率常數(shù)均呈現(xiàn)增大的趨勢。

由于準(zhǔn)一級(jí)、準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型均不適用于解釋擴(kuò)散機(jī)理，因此采用顆粒內(nèi)擴(kuò)散模型30,31，其方程式如下：

式中，ki為顆粒內(nèi)擴(kuò)散速率常數(shù)(mg?g－1?m in－1)，xi為曲線截距(與邊界層厚度呈正比)。如圖9(D)所示，曲線分為3個(gè)區(qū)域，表明吸附過程中存在3個(gè)步驟32，分別為顆粒外部擴(kuò)散(膜擴(kuò)散)、顆粒內(nèi)部擴(kuò)散、吸附反應(yīng)階段。一般來說，吸附反應(yīng)速度較快，不會(huì)成為吸附過程的控制步驟，所以吸附過程主要考慮膜擴(kuò)散或顆粒內(nèi)部擴(kuò)散。根據(jù)Lorenc-Grabowska和Gryglew icz33的研究結(jié)果，如果這條線為直線且經(jīng)過原點(diǎn)，說明該過程是單一的粒內(nèi)擴(kuò)散速控步驟。由圖9(D)可知，粒內(nèi)擴(kuò)散圖形不經(jīng)過原點(diǎn)，也不是直線，說明粒內(nèi)擴(kuò)散不是唯一的控制步驟，膜擴(kuò)散也在一定程度上影響吸附過程，即膜擴(kuò)散和顆粒內(nèi)擴(kuò)散交互影響溶菌酶在介孔TiO2的吸附動(dòng)力學(xué)過程。

3.6吸附熱力學(xué)

圖8　循環(huán)次數(shù)對(duì)TiO2吸附溶菌酶影響Fig.8 Effectof cycle tim eson the adsorp tion of lysozymeonto TiO2C0(lysozyme)=2mg?m L－1;pH=7.2;T=303.15K

圖9　 TiO2吸附溶菌酶的動(dòng)力學(xué)曲線(A)、準(zhǔn)一級(jí)模型(B)、準(zhǔn)二級(jí)模型(C)和顆粒內(nèi)擴(kuò)散模型(D)的擬合曲線Fig.9 Adsorp tion kinetics curves(A),simulation curvesof pseudo-first-order(B),pseudo-second-order(C),and intraparticle d iffusion(D)m odelsof lysozyme onto TiO2C0(lysozyme)=2mg?m L－1;pH=7.2;qtis the amountof lysozymeadsorbed at time t.

表3　 TiO2吸附溶菌酶的動(dòng)力學(xué)參數(shù)Tab le3 K inetic parameters for theadsorp tion of lysozymeonto TiO2

吸附熱力學(xué)參數(shù)反映吸附過程的可行性和自發(fā)性。用Van′tHoffs和Gibbs方程34,35可計(jì)算出吸附過程的吉布斯自由能變化ΔG0、吸附焓變?chǔ)0、吸附熵變?chǔ)0。

式中，R為理想氣體常數(shù)(8.314J?mol－1?K－1)；T為溫度(K)；K為吸附平衡常數(shù)。

圖10　 ln K對(duì)1/T的關(guān)系曲線Fig.10Relationship curvebetween ln K and 1/T K is theadsorption equilibrium constant.

嚴(yán)格地說，在研究溶質(zhì)在固體吸附劑上吸附的同時(shí)，還應(yīng)考慮溶劑的吸附。則溶菌酶在介孔TiO2上吸附平衡常數(shù)K與Langmuir吸附常數(shù)b應(yīng)滿足：

表4　 TiO2吸附溶菌酶的熱力學(xué)數(shù)據(jù)Table 4Adsorption therm odynam ics param etersof lysozyme onto TiO2

式中，M與ρ分別是水的摩爾質(zhì)量與密度。以ln K對(duì)1/T作圖(如圖10)所示，由直線斜率和截距可求得ΔH0與ΔS0；ΔG可由式(9)求出。由表4可知，ΔH0>0，表明溶菌酶在介孔TiO2上的吸附為吸熱反應(yīng)(導(dǎo)致圖4中介孔TiO2對(duì)溶菌酶的吸附量隨溫度升高而增大)；ΔS0>0，表明吸附是熵增過程，溶質(zhì)分子由溶液相交換到固液界面會(huì)失去一部分自由度36，這是熵減少的過程；而蛋白質(zhì)是一個(gè)大分子，在介孔TiO2吸附一個(gè)溶菌酶分子的同時(shí)必然有大量水分子被解吸，即水分子在介孔TiO2上整齊、緊密地排列變?yōu)榻馕蟮淖杂蛇\(yùn)動(dòng)，這是熵增過程。由于水分子體積較小，解吸過程的熵變量必然很大，由這兩部分組成總熵變量最終為正值，表現(xiàn)為介孔TiO2吸附溶菌酶是一個(gè)熵增過程；ΔG0<0，表明吸附是自發(fā)的，且隨著溫度的升高，ΔG0的絕對(duì)值增大，表明溫度越高吸附過程自發(fā)趨勢越大。

在一定程度上，吸附的類型可以從焓變量加以區(qū)分37，物理吸附焓變小于84kJ?mol－1，而化學(xué)吸附的焓變?cè)?4－420kJ?mol－1，本實(shí)驗(yàn)中ΔH0= 23.27 kJ?mol－1，小于84kJ?mol－1。據(jù)此，介孔TiO2對(duì)溶菌酶的吸附應(yīng)是物理吸附過程。但也有文獻(xiàn)認(rèn)為38，通常物理吸附的自由能在－20到0kJ?mol－1之間,而化學(xué)吸附的自由能在－400到－80kJ?mol－1之間，本實(shí)驗(yàn)中ΔG0在－14.98 kJ?mol－1到－19.01 kJ?mol－1間。因此，根據(jù)ΔH0、ΔG0的實(shí)驗(yàn)值可認(rèn)為介孔TiO2吸附溶菌酶基本上是受物理吸附驅(qū)動(dòng)的。

4　結(jié)論

(1)將前驅(qū)體H2Ti2O5在773.15K下焙燒，得到了介孔結(jié)構(gòu)的TiO2，孔徑分布集中在9.5nm，比表面積和孔容分別為89.9m2?g－1和0.327 cm3?g－1，為典型的銳鈦礦相。

(2)介孔TiO2對(duì)溶菌酶吸附過程滿足Langmuir模型。在溶液pH=7.2時(shí)，介孔TiO2與溶菌酶間存在強(qiáng)靜電吸引作用，獲得最大吸附量72.5mg?g－1。充分吸附溶菌酶的介孔TiO2經(jīng)緩沖液五次振蕩洗滌后，溶菌酶在介孔TiO2上的殘留量為最初吸附量的81.6%，表明該介孔TiO2對(duì)溶菌酶具有較好的吸附穩(wěn)定性。

(3)準(zhǔn)二級(jí)模型更準(zhǔn)確地預(yù)測介孔TiO2吸附溶菌酶的動(dòng)力學(xué)過程，隨著溫度的升高，初始吸附速率和吸附速率常數(shù)均呈現(xiàn)增大的趨勢；吸附傳質(zhì)過程由外擴(kuò)散和粒內(nèi)擴(kuò)散共同影響與控制。通過對(duì)吸附熱力學(xué)參數(shù)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，介孔TiO2吸附溶菌酶的吸附自由能ΔG0在－14.98到－19.01 kJ?mol－1之間，吸附焓變?chǔ)0為23.27 kJ?mol－1，ΔS0大于零，表明該吸附為自發(fā)的吸熱、熵增過程。

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Kinetics and Thermodynamics of Lysozyme Adsorption on Mesoporous Titanium Dioxide

HONG Qi-Liang1DONG Yi-Hui1ZHUANGWei2RAO Chao1LIU Chang1,*
(1State Key Laboratory ofMaterials-Oriented Chemical Engineering,Nanjing Technology University,Nanjing 210009,P.R.China;2SchoolofBiologicaland Pharmaceutical Engineering,Nanjing Technology University,Nanjing 211816,P.R.China)

Mesoporous TiO2was prepared by calcinating H2Ti2O5at773.15K.The sample was characterized by Brunauer-Emmett-Teller(BET),scanning e lectronm icroscopy(SEM),Raman spectroscopy,and X-ray diffraction(XRD)ana lysis.The adsorption behavior andmechanism o fmesoporous TiO2for lysozyme were investigated by isothermaladsorption experiments.The results show that the equilibrium experimentaldatawere co rre lated w ith the Langmuir iso the rm equation.The adso rption capacity first inc reased and then decreased with increasing pH value.The capacity showed amaximum value of72.5mg?g－1when the pH value was 7.2. Lysozyme adsorbed onmesoporous TiO2was extremely stable,and its amountonmesoporous TiO2maintained 81.6%o f its initia l va lue after five adsorption and regeneration cyc les.Furthermore,kinetic analysis was conducted using pseudo-firstand pseudo-second ordermodels.The adsorption of lysozyme onmesoporous TiO2was described wellby the pseudo-second order rate equation.The rate-determ ining step of the adsorption w as the com bined action o f film diffusion and intrapa rtic le d iffusion.The adsorp tion the rm odynam ic ana lysis suggestedΔG0<0,ΔH0>0,andΔS0>0,which indicated that the adsorption was a spontaneous and endotherm ic processw ith entropy increased.

Mesoporous TiO2;Lysozyme;Adsorption;Kinetics;Thermodynam ics

September14,2015;Revised:December14,2015;Published onWeb:December18,2015.

O647

10.3866/PKU.WHXB201512181

*Corresponding author.Email:changliu@njtech.edu.cn;Tel:+86-13913939041.

The projectwas supported by the NationalKey Basic Research Program of China(2013CB733501),National Natural Science Foundation of China (21136004,21476106,21506090),Natural Science Foundation of Jiangsu Province,China(BK20130929),and Projectof Priority Academic Program Development(PAPD)of Jiangsu Higher Education Institutions,China.

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2013CB733501),國家自然科學(xué)基金(21136004,21476106,21506090),江蘇省自然科學(xué)基金(BK 20130929)和江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程項(xiàng)目資助?Editorialofficeof Acta Physico-Chimica Sinica