用季铵盐改性的膨润土，以增强对人血清白蛋白的吸附能力

《Journal of Chromatography B》：Bentonite modified with quaternary ammonium for enhanced human serum albumin adsorption

本研究通过表面改性制备DTSACL改性蒙脱土吸附剂，采用响应面法优化pH（6.2）、HSA初始浓度（418.9 mg/L）及吸附剂用量（30.1 mg）三个关键参数，实现HSA吸附容量430 mg/g，吸附效率79.8%和回收率92.5%。实验证实改性蒙脱土通过静电相互作用主导吸附过程，Langmuir模型和伪二级动力学模型拟合最佳，且在真实人血清中表现出稳定吸附性能和可重复再生特性。

人类血清白蛋白（HSA）是一种在人体血浆中起关键作用的蛋白质，其主要功能包括调节渗透压和运输多种分子。HSA的分离与纯化对于生物技术和医学领域具有重要意义。为了提高HSA分离过程的效率和选择性，开发一种高效、低成本的吸附剂成为研究的热点。本研究旨在通过表面改性的膨润土吸附HSA，并评估其吸附性能。实验采用中心复合设计（CCD）作为响应面法（RSM）的一部分，以探究和优化溶液pH值、HSA初始浓度和吸附剂用量对HSA吸附的影响。

### 表面改性与吸附性能的提升

膨润土是一种天然的层状铝硅酸盐，具有较大的比表面积、较高的阳离子交换容量（CEC）以及良好的胶体稳定性，使其成为蛋白质吸附的潜在材料。然而，其天然的亲水性和有限的表面反应性限制了其在选择性和吸附效率方面的表现。为克服这些局限，研究中采用了一种有机改性剂——二甲基十八烷基[3-(三甲氧基硅烷)丙基]氯化铵（DTSACL）对膨润土进行表面改性。DTSACL是一种具有永久正电荷的季铵盐，其疏水性链能够增强与蛋白质分子之间的静电和疏水相互作用。这种改性过程显著提升了膨润土的吸附性能。

通过一系列表征手段，如扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和氮气吸附-脱附等温线分析（BET），证实了膨润土在DTSACL改性后其表面性质发生了显著变化。SEM图像显示，改性后的膨润土表面更加均匀，且孔隙结构有所减少，这表明改性过程有效改变了其表面化学性质。XRD图谱表明，尽管改性过程中存在结构变化，但主要的晶格结构保持不变，进一步证明了改性不会破坏膨润土的基本特性。FT-IR光谱则揭示了DTSACL引入后，膨润土表面的化学键合情况，如–CH?和–CH?的伸缩振动峰，表明DTSACL成功地结合在膨润土表面。此外，改性后膨润土的吸附能力提升，这主要归因于其表面正电荷密度的增加，从而增强了与HSA的静电相互作用。

### 吸附性能的优化与模型建立

研究中采用响应面法（RSM）结合中心复合设计（CCD）对HSA吸附的三个关键参数——pH值、HSA初始浓度和DTSACL-膨润土用量进行了系统研究。实验设计覆盖了从pH 3.0到7.0、HSA初始浓度从100 mg/L到500 mg/L以及DTSACL-膨润土用量从25 mg到50 mg的范围。通过实验数据拟合，得出一个多项式模型，该模型能够准确预测HSA的吸附行为，并且其显著性得到了统计学验证（p值<0.0001）。模型的回归系数（R2）达到0.9632，表明其对实验数据具有较高的拟合度。

进一步的优化结果显示，在pH 6.2、HSA初始浓度为418.9 mg/L以及DTSACL-膨润土用量为30.1 mg的条件下，HSA的吸附能力达到最大值430 mg/g，同时模型的期望值为0.98。这表明所建立的模型在优化HSA吸附过程中具有较高的可靠性。此外，吸附性能的优化还通过方差分析（ANOVA）进行了验证，其中各参数对吸附能力的影响程度分别为pH（52.96）、HSA初始浓度（104.12）和DTSACL-膨润土用量（18.99）。这些参数的交互作用也对吸附性能产生了影响，例如pH与HSA初始浓度的交互作用显示出较强的正相关性，而pH与DTSACL-膨润土用量的交互作用则表现出较弱的影响。

### 吸附动力学与热力学分析

为了深入了解HSA在DTSACL-膨润土上的吸附机制，研究还对吸附动力学和热力学特性进行了分析。吸附动力学实验采用了四种模型，包括颗粒内扩散、伪一级动力学、Elovich模型和伪二级动力学模型。实验数据与伪二级动力学模型的拟合度最高（R2=0.981），表明该模型最能准确描述HSA的吸附过程。伪二级动力学模型强调了吸附速率与表面覆盖度之间的关系，说明吸附过程可能受到表面吸附位点的限制。

热力学分析表明，HSA在DTSACL-膨润土上的吸附过程是放热的（ΔH<0），并且在常温下更为有利。这表明，随着温度的升高，吸附效率会降低，因为吸附过程会受到热力学因素的限制。此外，标准吉布斯自由能变化（ΔG）为负值，说明该吸附过程是自发进行的。负的ΔS值表明吸附过程中表面结构发生了有序化，即HSA在吸附过程中与DTSACL-膨润土形成了稳定的结合。这些热力学特性表明，HSA的吸附过程主要受到静电相互作用的驱动，并且在较低温度下更为有效。

### 吸附等温线与吸附机制

为了进一步理解HSA在DTSACL-膨润土上的吸附行为，研究还采用了Langmuir和Freundlich吸附等温线模型进行拟合。实验结果显示，Langmuir模型与实验数据的拟合度更高（R2=0.985），表明HSA在DTSACL-膨润土表面形成了单层吸附。Langmuir模型的参数K?为0.05 L/mg，表明HSA与吸附剂之间的结合能力较强。此外，Langmuir平衡参数R?为0.045，说明吸附过程是高度有利的。

从吸附机制来看，HSA的吸附主要受到静电相互作用的驱动。DTSACL改性后的膨润土表面带有正电荷，而HSA在pH值约为6.2时具有净负电荷，这种电荷差异使得HSA能够有效地吸附在DTSACL-膨润土表面。此外，由于DTSACL的疏水性，吸附剂还能够通过疏水相互作用与HSA的非极性区域结合，从而提高其选择性和吸附效率。这种结合方式不仅提高了吸附能力，还确保了在复杂生物环境中的稳定性。

### 再生、可重复使用性与可重复性研究

为了评估DTSACL-膨润土的再生性能，研究采用了三种不同的洗脱液（R1、R2和R3）进行实验。洗脱液R2表现出最佳的洗脱效果，其回收率达到95.21%，这归因于其平衡的离子强度能够有效削弱HSA与吸附剂之间的静电相互作用。相比之下，R1和R3的回收率分别为62.34%和71.43%，说明它们在洗脱效率上略逊一筹。此外，通过连续进行四次吸附-洗脱循环，研究还评估了吸附剂的可重复使用性。尽管吸附容量和回收效率在四次循环后略有下降，但其仍保持了超过75%的初始吸附能力，表明该材料具有良好的化学稳定性和结构完整性。

为了确保DTSACL-膨润土的可重复性，研究还进行了三批次的实验，每批次均在相同条件下制备，并重复进行吸附实验。结果显示，三批次的吸附能力非常一致，其相对标准偏差（RSD）小于5%，这表明该材料的合成过程具有良好的批次一致性。这种稳定性对于实际应用非常重要，尤其是在大规模生产和环境处理等领域。

### 在实际样品中的应用

为了验证DTSACL-膨润土在复杂生物条件下的吸附性能，研究采用了实际的人类血清作为HSA的来源。在实验前，血清被稀释至1:10（体积比）并调整至pH 6.2。通过高效液相色谱（HPLC）和十二烷基硫酸钠-聚丙烯酰胺凝胶电泳（SDS-PAGE）分析，确认了DTSACL-膨润土在实际样品中的吸附效率和回收率。实验结果表明，DTSACL-膨润土在稀释血清中的吸附效率达到79.8%，回收率达到92.5%。这表明该材料在实际应用中具有较高的选择性和吸附能力，能够有效从复杂的生物样本中分离HSA。

此外，HPLC分析显示，DTSACL-膨润土在血清中的吸附过程具有良好的选择性，因为HSA的色谱峰在吸附后显著减弱，而在洗脱后重新出现。这种结果进一步证明了DTSACL-膨润土在生物样品中的高效吸附和稳定回收能力。SDS-PAGE分析也支持这一结论，显示出HSA在吸附和洗脱过程中均保持了其原有的分子结构，未发生显著的变性或降解。

### 吸附能力与其他材料的比较

为了评估DTSACL-膨润土在HSA吸附方面的竞争力，研究还将其与其他已知的吸附材料进行了比较。结果显示，DTSACL-膨润土的吸附能力（430 mg/g）显著高于其他几种吸附材料，如PHEMA-CB（343 mg/g）、MCM-41@LDH（147 mg/g）、PHEMAC-Fab（36.9 mg/g）和普通膨润土（86 mg/g）。这表明DTSACL-膨润土在HSA吸附方面具有显著的优势，尤其是在吸附容量和选择性方面。

### 结论

本研究成功开发了一种新型的HSA吸附材料——DTSACL-膨润土，并通过实验优化了其吸附性能。结果表明，该材料在pH 6.2、HSA初始浓度为418.9 mg/L以及DTSACL-膨润土用量为30.1 mg的条件下，能够实现高达430 mg/g的吸附容量。这种性能不仅优于其他常见的吸附材料，还表明其在实际生物样品中的应用潜力。此外，DTSACL-膨润土在实际血清样品中的吸附效率为79.8%，回收率为92.5%，说明其在复杂环境下的稳定性和高效性。

HPLC和SDS-PAGE分析进一步验证了DTSACL-膨润土在HSA吸附和回收过程中的高选择性和高效性。研究还表明，该材料具有良好的再生性能和可重复使用性，能够在多次吸附-洗脱循环中保持较高的吸附能力和回收效率。这些特性使其成为一种经济、环保且具有广泛应用前景的HSA吸附材料，特别是在环境和生物医学领域。

综上所述，DTSACL-膨润土作为一种新型的吸附材料，在HSA的吸附性能、选择性、再生能力以及可重复性方面均表现出色。该研究不仅为HSA的高效分离和纯化提供了可行的解决方案，也为未来开发其他蛋白质吸附材料提供了理论依据和实践指导。