新型大孔徑介孔二氧化硅吸附牛血清蛋白的性能研究

龐 明，牟 淵，劉俊翔，陳利群，周 彬

(1 嘉興求源檢測(cè)技術(shù)有限公司，浙江 嘉興 314001；2 嘉興港區(qū)(綜合保稅區(qū))生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)站，浙江 嘉興 314201)

自從1992年mobil公司發(fā)明MCM-41以來(lái)，介孔二氧化硅材料(mesoporous silica，MS)在這二十幾年的時(shí)間里經(jīng)歷了飛速的發(fā)展。由于具有高比表面積、大孔容、優(yōu)異的生物相容性、可修飾的表面以及可調(diào)節(jié)的孔徑(2～50 nm)，MS被廣泛應(yīng)用于催化[1]、蛋白吸附分離[2-4]、光學(xué)[5]以及生物醫(yī)藥[6-8]等領(lǐng)域。除此之外，研究表明將蛋白裝載在介孔當(dāng)中能夠提高蛋白的熱穩(wěn)定性，因此MS在蛋白裝載領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。相比于藥物分子，蛋白分子具有較大的分子尺寸，因此需要合成具有大介孔尺寸的MS。目前常見(jiàn)的合成大孔MS的方法是在合成過(guò)程中加入有機(jī)溶劑(如1,3,5-三甲苯)作為擴(kuò)孔劑[9]。雖然使用這種方法合成的MS具有大孔徑和高孔容，但是有機(jī)溶劑的加入使合成過(guò)程變得復(fù)雜。

絕大多數(shù)MS的合成過(guò)程都是硅酸物種與有機(jī)模板作用形成有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合物，然后將有機(jī)模板去除得到相應(yīng)的介孔結(jié)構(gòu)。高溫煅燒[10]和有機(jī)溶劑萃取[11-12]是兩種常見(jiàn)的去除有機(jī)模板的方法。雖然高溫煅燒能夠徹底去除有機(jī)模板，但是在高溫下(550 ℃)有機(jī)模板脫除的同時(shí)材料內(nèi)外表面的大量Si-OH也會(huì)隨之消失。大量Si-OH的存在不僅能夠增強(qiáng)MS的親水性，更重要的是能夠使MS的功能化變的容易，因此在MS的應(yīng)用中起到關(guān)鍵作用。有機(jī)溶劑萃取在較低溫度(< 100 ℃)下進(jìn)行，可以避免Si-OH的失去，但是即使重復(fù)多次也不能夠?qū)⒂袡C(jī)模板完全去除。目前還沒(méi)有一種方法能夠合成出不帶有機(jī)模板的MS。

本文利用簡(jiǎn)單的一步法創(chuàng)新地合成了不帶模板劑的新型大孔徑介孔氧化硅(large pore mesoporous silica，LPMS)。然后對(duì)LPMS的合成機(jī)理進(jìn)行了闡釋。最后，選擇牛血清蛋白(BSA)作為模型蛋白研究LPMS對(duì)蛋白的吸附能力，研究的LPMS的吸附動(dòng)力學(xué)和吸附等溫線。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試劑及儀器

嵌段共聚物PEO20-PPO70-PEO20(P123)，BASF；牛血清蛋白(Bovine serum albumin，BSA)，Aldrich；正硅酸乙酯、濃鹽酸、無(wú)水乙醇、醋酸，上海凌鋒化學(xué)試劑有限公司(均為分析純)；去離子水，自制。

S-4800掃描電子顯微鏡(SEM，加速電壓1.0 kV)；X射線衍射光譜儀，比表面積和孔尺寸分析儀(Micromeritics Tristar II 3020)；FT-IR傅里葉紅外分析儀，Nicolet；NETZSCH STA 409PC熱重分析儀，TGA。

1.2 大孔徑介孔二氧化硅的制備

制備LPMS的具體步驟如下：首先2.0 g P123溶解在70 mL去離子水和20 mL HCl(2 mol/L)的混合溶液中，將1.2 g TEOS加入上述溶液后，在室溫下劇烈攪拌30 min。得到的混合物轉(zhuǎn)移到100 mL聚四氟乙烯內(nèi)襯的高溫高壓反應(yīng)釜內(nèi)，在80 ℃下處理6 h后，將溫度升至160 ℃并保持12 h。通過(guò)抽濾得到產(chǎn)物，并用大量去離子水和乙醇洗滌，在100 ℃下真空干燥過(guò)夜，即的到白色LPMS粉末。作為對(duì)比將干燥后的LPMS在馬弗爐中550 ℃下煅燒6 h，升溫速率為1.5 ℃/min，得到的樣品命名為L(zhǎng)PMS-cal。

1.3 牛血清蛋白吸附性能研究

靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)：20 mg LPMS和LPMS-cal加入到20 mL裝有不同BSA濃度的羅口瓶中(濃度范圍0.10～0.60 mg/mL)，吸附一定時(shí)間后，離心分離，用UV-vis光譜測(cè)定BSA的平衡濃度，計(jì)算LPMS和LPMS-cal對(duì)BSA的吸附容量。動(dòng)態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)：通過(guò)測(cè)定不同吸附時(shí)間下的吸附容量來(lái)研究LPMS和LPMS-cal的動(dòng)力學(xué)模型。20 mg LPMS/LPMS-cal加入到20 mL裝有固定BSA濃度的羅口瓶中，吸附時(shí)間為5～120 min，用UV-vis光譜測(cè)定不同吸附時(shí)間下的吸附容量。LPMS和LPMS-cal的吸附動(dòng)力學(xué)用準(zhǔn)一、二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行擬合。吸附等溫線用Langmiur和Freundlich模型進(jìn)行擬合。

兩種動(dòng)力學(xué)模型的方程表達(dá)式為：

準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型：

ln(qe-qt)=lnqe-k1t

(1)

準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型：

(2)

其中：qe為L(zhǎng)PMS/LPMS-cal的平衡吸附容量，mg/g；qt為時(shí)間t時(shí)的吸附容量，mg/g。k1和k2分別是準(zhǔn)一級(jí)、準(zhǔn)二級(jí)吸附速率常數(shù)。

Langmiur模型的線性數(shù)學(xué)表達(dá)式表示為：

(3)

Ce是BSA的平衡濃度，mg/L；qe是平衡時(shí)的吸附容量，mg/g；kL為L(zhǎng)angmuir 常數(shù)，L/mg；qmax代表最大吸附容量，mg/g。

Freundlich吸附等式的線性形式如下：

logqe=logkF+(n)logCe

(4)

kF是Freundlich 常數(shù)，mmol1-n·Ln·g-1;n是吸附強(qiáng)度。

2 結(jié)果與討論

2.1 LPMS的表征

圖1a，b是LPMS不同倍數(shù)的SEM照片。通過(guò)低倍SEM照片(圖1a)可以看出LPMS是一種類(lèi)球形的顆粒，尺寸大約在5～10 μm，而在高倍的SEM照片(圖1b)中可以清晰觀察到LPMS表面的介孔結(jié)構(gòu)。

圖1 LPMS不同倍數(shù)的SEM照片(a，b)和LPMS的廣角XRD圖譜(c)

圖2 LPMS的小角X射線衍射(a)和小角X射線散射(b)

圖1c為L(zhǎng)PMS的廣角XRD譜圖，可以看出LPMS在22°左右有一個(gè)寬化的衍射峰，這表明LPMS是典型的無(wú)定形態(tài)SiO2。圖2a為L(zhǎng)PMS的SAXRD圖譜，通過(guò)SAXRD圖譜可以觀察到LPMS在0.6°～6°沒(méi)有衍射峰；圖2b為L(zhǎng)PMS的SXRS圖譜，可以觀察到在0.4°左右出現(xiàn)了明顯的散射峰。由布拉格方程原理可知，當(dāng)介孔材料的介孔尺寸增大時(shí)，衍射峰向小角移動(dòng)，因此可以進(jìn)一步證明LPMS的大孔結(jié)構(gòu)。

圖3a是LPMS和LPMS-cal的紅外譜圖。由文獻(xiàn)可知，P123的紅外特征峰為C-H的伸縮振動(dòng)峰(2860～2976 cm-1)和彎曲振動(dòng)峰(1350～1460 cm-1)。而在LPMS和LPMS-cal的紅外圖譜上只觀察到了Si-O-Si的特征峰(1085、800以及470 cm-1)和Si-OH的特征峰(960 cm-1)，并沒(méi)有觀察到C-H的特征峰，這表明樣品中均不含有機(jī)模板劑。更為重要的是LPMS的Si-OH特征峰強(qiáng)度明顯強(qiáng)于LPMS-cal，這是由于高溫煅燒造成了LPMS-cal內(nèi)外表面大量Si-OH損失。和無(wú)機(jī)骨架相比，有機(jī)模板分解溫度低，因此TG是一種判斷介孔材料中有機(jī)模板含量的有效方法。對(duì)于傳統(tǒng)的介孔二氧化硅材料(如SBA-15、MCM-41等)，在沒(méi)有去除有機(jī)模板之前材料的熱失重主要分為兩個(gè)階段：(1)150 ℃之前，失重主要來(lái)自于吸附的水分子的脫除；(2)180 ℃以后，失重主要來(lái)自于有機(jī)模板分解，有一少部分是由于Si-OH的縮合造成硅骨架失去結(jié)構(gòu)水，由有機(jī)模板分解造成的熱失重一般在50%左右[13-14]。圖3b是煅燒前后樣品的TG曲線，可以看出熱重曲線也分為150 ℃之前和180 ℃之后兩個(gè)階段，但LPMS和LPMS-cal在180 ℃以后的失重分別僅為7.2%和4.1%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于50%，進(jìn)一步證明制備的介孔材料中不含有機(jī)模板。LPMS在180 ℃以后的失重略大于LPMS-cal，這是由于LPMS內(nèi)外表面的Si-OH數(shù)量比LPMS-cal多造成的。圖3c是樣品的氮?dú)馕矫摳降葴鼐€，可以看出煅燒前后的樣品等溫線基本一致，都是典型的IV型等溫線，遲滯環(huán)為H1型，并且遲滯環(huán)的位置在相對(duì)壓力較高的區(qū)域(0.8～0.9)，這表明LPMS具有分布窄且尺寸大的介孔結(jié)構(gòu)。圖3d是由吸附分支計(jì)算得到的BJH孔徑分布圖，可以看出煅燒前后LPMS孔徑分布均比較窄，但LPMS-cal的孔徑(20.3 nm)略小于LPMS的孔徑(22.8 nm)，這是由于高溫煅燒會(huì)造成硅骨架進(jìn)一步收縮，從而導(dǎo)致孔徑略有減少。除此之外，LPMS和LPMS-cal的比表面積和孔容基本一致(表1)。氮?dú)馕矫摳椒治鼋Y(jié)果表明，在LPMS的合成過(guò)程中有機(jī)模板已經(jīng)被脫除，得到的LPMS已經(jīng)具有良好的介孔結(jié)構(gòu)，不需要通過(guò)后處理去除有機(jī)模板來(lái)得到介孔結(jié)構(gòu)。

表1 樣品的介孔結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖3 LPMS和LPMS-cal的紅外譜圖(a)；熱重曲線(b)；氮?dú)馕矫摳降葴鼐€(c)和孔徑分布圖(d)

2.2 LPMS合成機(jī)理探討

LPMS的合成體系與SBA-15相似，都是利用TEOS作為硅源，以及非離子三嵌段共聚物(P123)作為有機(jī)模板，P123在溶液中形成膠束，膠束內(nèi)核為疏水的PPO，而外面則是親水的PEO，在酸催化作用下TEOS水解并通過(guò)氫鍵與P123膠束親水端相結(jié)合形成有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合體，最后去除有機(jī)模板得到具有介孔結(jié)構(gòu)的無(wú)定形SiO2。雖然合成體系相似，但是合成出的材料卻有很大區(qū)別，(1)LPMS不僅具有大孔徑和高孔容，并且模板劑在合成過(guò)程中被完全脫除?？讖降脑龃笥幸韵聝牲c(diǎn)原因：①80 ℃反應(yīng)過(guò)程中硅酸物種和P123膠束已經(jīng)形成有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合物，當(dāng)溫度升高到160 ℃后，膠束的親水端PEO的親水性變得更弱，而疏水內(nèi)核PPO的疏水性則相應(yīng)增強(qiáng)，導(dǎo)致PEO部分收回到膠束內(nèi)部并與疏水內(nèi)核PPO靠近，這樣整個(gè)膠束的疏水部分變大。由于介孔孔徑大小主要依賴于疏水部分的鏈長(zhǎng)，膠束疏水部分變大最終導(dǎo)致介孔孔徑變大；②隨著160 ℃水熱時(shí)間的增加，有機(jī)模板逐漸脫除，在脫除過(guò)程中會(huì)造成孔道合并，因此介孔孔徑會(huì)進(jìn)一步增大，最終得到不含有機(jī)模板的大孔徑介孔氧化硅LPMS。

(2)體系的酸濃度不同。由于比SBA-15合成反應(yīng)溫度高很多，如果繼續(xù)使用相同的酸濃度合成LPMS，那么硅酸物種的水解聚合過(guò)快會(huì)嚴(yán)重影響與有機(jī)模板的共組過(guò)程。因此降低酸濃度改善了硅酸物種的水解聚合，這樣能夠與整個(gè)共組過(guò)程相匹配，很好的形成有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合物，從而形成介孔結(jié)構(gòu)。

圖4 LPMS合成的機(jī)理圖

圖4是LPMS的合成示意圖。①是硅酸物種和P123膠束在酸性溶液中80 ℃水熱下形成有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合物的過(guò)程，即形成介孔結(jié)構(gòu)的過(guò)程；②是在160 ℃水熱初期由于親水端PEO的親水性降低，疏水端PPO的疏水性增強(qiáng)，導(dǎo)致PEO部分收回到膠束內(nèi)部并與疏水內(nèi)核PPO靠近，使膠束的疏水部分變大；③是隨著160 ℃水熱時(shí)間的增加模板劑逐漸脫除，介孔孔道合并形成更大尺寸的介孔，最終得到不含有機(jī)模板的大孔介孔二氧化硅LPMS，同時(shí)在內(nèi)外表面保留了大量Si-OH。

2.3 牛血清蛋白的吸附性能研究

2.3.1 吸附動(dòng)力學(xué)研究

LPMS和LPMS-cal的吸附動(dòng)力學(xué)曲線如圖5a所示。從圖5中可以看到，在開(kāi)始的50分鐘內(nèi)LPMS和LPMS-cal對(duì)BSA的吸附表現(xiàn)出較快的吸附動(dòng)力學(xué)，并且在接下來(lái)的20分鐘內(nèi)吸附達(dá)到飽和。相比而言，LPMS-cal每個(gè)時(shí)間下的吸附容量都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于LPMS，而吸附達(dá)到平和時(shí)，LPMS和LPMS-cal的吸附容量分別達(dá)到了184.2 mg/g和140.8 mg/g，說(shuō)明LPMS表面具有更多的硅羥基，能更加快速吸附并且高容量的吸附BSA。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用準(zhǔn)一級(jí)、準(zhǔn)二級(jí)吸附動(dòng)力學(xué)模型擬合的參數(shù)列于表2。通過(guò)對(duì)比兩種模型的線性相關(guān)系數(shù)R2和擬合得到的曲線可以發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型都能夠描述LPMS和LPMS-cal吸附BSA的動(dòng)力學(xué)過(guò)程(R2>0.99)。由準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)擬合數(shù)據(jù)得到的LPMS和LPMS-cal的飽和吸附容量(183.8 mg/g和143.2 mg/g)與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的飽和吸附容量(184.2 mg/g和140.8 mg/g)非常接近，進(jìn)一步說(shuō)明LPMS和LPMS-cal吸附BSA主要是化學(xué)吸附過(guò)程。

圖5 LPMS和LPMS-cal的吸附動(dòng)力學(xué)(a)；準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型擬合曲線(b)；準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型擬合曲線(c)

表2 LPMS and LPMS-cal對(duì)BSA的吸附動(dòng)力學(xué)參數(shù)

2.3.2 吸附等溫線研究

考察了LPMS和LPMS-cal吸附BSA的吸附等溫線(圖6)。從結(jié)果圖中可以看到LPMS和LPMS-cal對(duì)BSA的吸附容量隨著B(niǎo)SA初始濃度的增加而增加，當(dāng)初始濃度為0.5 mg/mL時(shí)吸附達(dá)到飽和，最大吸附容量分別為193.2 mg/g和143.8 mg/g。相比而言，LPMS的吸附容量比LPMS-cal的吸附容量要大，研究表明LPMS表面Si-OH能夠與蛋白中的NH2形成氫鍵作用，因此大量Si-OH的存在有利于蛋白的吸附。兩種常用的等溫線模型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，回歸曲線見(jiàn)圖7所示。計(jì)算所得相關(guān)參數(shù)列于表3，對(duì)比這兩種等溫模型得到的R2以及飽和吸附容量可知Freundlich模型能更好的描述LPMS和LPMS-cal對(duì)BSA的吸附過(guò)程，吸附數(shù)據(jù)對(duì)Freundlich模型有更好的一致性(R2>0.98)，說(shuō)明LPMS和LPMS-cal吸附BSA是多分子的均勻吸附。

圖6 LPMS和LPMS-cal在不同濃度BSA溶液中的蛋白吸附量

圖7 Langmuir(a)和Freundlich(b)吸附等溫線方程對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合圖

表3 LPMS和LPMS-cal吸附BSA的Langmuir和Freundlich的等溫模型擬合參數(shù)

3 結(jié) 論

(1)創(chuàng)新地利用一步法合成了大孔介孔二氧化硅(LPMS)。LPMS不僅具有大的介孔尺寸(22.8 nm)以及高的孔容(2.35 cm3/g)，更重要的是有機(jī)模板在合成過(guò)程中已經(jīng)被完全去除，不需要后處理去除模板，簡(jiǎn)化了合成工藝的同時(shí)保留了大量的Si-OH。

(2)對(duì)LPMS的合成機(jī)理進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)相對(duì)較高的合成溫度降低了有機(jī)模板膠束的親水性，從而減弱了硅酸物種和有機(jī)模板膠束之間的作用力，使得有機(jī)模板在合成過(guò)程中被脫除，同時(shí)介孔孔徑相應(yīng)擴(kuò)大。另一方面，相對(duì)較低的酸濃度使硅酸物種在高溫下的水解速度和有機(jī)/無(wú)機(jī)共組裝過(guò)程相匹配，從而更好地形成介孔結(jié)構(gòu)。

(3)選擇牛血清蛋白(BSA)作為模型蛋白研究LPMS和LPMS-cal對(duì)蛋白的吸附能力。在大介孔尺寸、高孔容以及表面大量Si-OH的共同作用下，LPMS的蛋白吸附能力達(dá)到了193.2 mg/g。