有机与无机改性蒙脱石对鲑鱼精DNA吸附特征研究

有机与无机改性蒙脱石对鲑鱼精DNA吸附特征研究
唐旖旎;吴平霄;侯雅琨;朱能武;党志
【摘要】利用聚羟基Fe／Al制备出无机柱撑蒙脱石，以阳离子表面活性剂HDTMA、阴离子型的表面活性剂SDS作为有机改性剂制备出有机改性蒙脱石，并且通过XRD、FT—IR、BET和zeta电位等表征手段对柱撑粘土进行表征，首次研究了具有不同层间结构的改性蒙脱石对鲑鱼精DNA的吸附特征。

DNA吸附量大小顺序为HTDM—MMT〉MMT〉SDS-MMT—Fe／Al—MMT。

HTDMA改性促进了蒙脱石的吸附，吸附量达61．04μg／mg。

而SDS覆盖其表面后，吸附量减至26．88μg／mg。

在pH值为5．0～9．0范围内，有机改性蒙脱石对DNA的吸附量随PH值下降幅度远小于原土。

吸附动力学研究表明，控制改性蒙脱石吸附DNA的主要步骤是化学吸附。

用NaOAc和NaH2PO4解吸DNA时，有机与无机蒙脱石解吸规律有明显差异。

实验结果表明，结构、电负性及表面性质是影响不同改性蒙脱石吸附DNA分子的关键因素。

%Poly hydroxyl iron and aluminum was used as inorganic pillaring reagent to prepare inorganic montmorillonite （MMT）. At the same time, organic clays pillared by HTDMA and SDS were prepared. These clays were analyzed by X-ray diffraction （XRD）, infrared spectrum （IR）, specific surface area analyzer （BET） and zeta potential instrument. We compared the adsorptive performance of salmon sperm DNA on MMT of different structure for the first time. The values of equilibrium adsorbance were in order of HTDM-MMT〉MMT〉SDS- MMT〉Fe/Al-MMT. After organic modification, HTDMA promote DNA adsorption, with the adsorbance of 61.04μg/mg. Ho wever, as a result of being carpeted with SDS on external
surface, the SDS-MMT adsorbed less DNA with the adsorbance of
26.88μg/mg. When pH values were 5.0-9.0, the amounts of DNA adsorption on organic modified MMT declined far less than original MMT with the increase of pH value. The kinetics of adsorption indicated that the main step which controlled DNA adsorption on modified MMT is chemical adsorp- tion. The differences of desorption on organic and inorganic modified MMT are very significant while the DNA adsorbed was desorbed with NaOAc and NaH2PO4 solution. These results showed that the structure, the electronegativity and the characteristics of the surface were the key factors that affect DNA adsorption on differently modified MMT.【期刊名称】《功能材料》
【年(卷),期】2012(043)013
【总页数】6页(P1712-1717)
【关键词】表面活性剂;柱撑;配位键;解吸;吸附等温线
【作者】唐旖旎;吴平霄;侯雅琨;朱能武;党志
【作者单位】华南理工大学环境科学与工程学院,广东广州510006;华南理工大学环境科学与工程学院,广东广州510006 工业聚集区污染控制与生态修复教育部重点实验室,广东广州510006 污染控制与生态修复广东省教育厅重点实验室,广东广州510006;华南理工大学环境科学与工程学院,广东广州510006;华南理工大学环境科学与工程学院,广东广州510006 工业聚集区污染控制与生态修复教育部重点实验室,广东广州510006 污染控制与生态修复广东省教育厅重点实验室,广东广州510006;华南理工大学环境科学与工程学院,广东广州510006 工业聚集区污染控
制与生态修复教育部重点实验室,广东广州510006 污染控制与生态修复广东省教
育厅重点实验室,广东广州510006
【正文语种】中文
【中图分类】TB332
蒙脱石（MMT）作为一种天然层状硅酸盐，因其比表面积大、多孔而具有强大的吸附功能［1，2］，再加上其储量丰富［3］，是一种较为理想的吸附材料。

在溶液中大分子链可以插入蒙脱石层间，形成插层复合物。

根据蒙脱石的这种阳离子交换能力对其进行柱撑改性已经得到广泛的研究。

目前国内外对柱撑粘土矿物在环境与生物领域的应用开展了一些研究，但多集中于废水处理领域［4］，对于分子生物学及药学领域研究较少。

粘土材料作为土壤中的活性成分，会对DNA在环境中的存在、转移及其生态环境效应产生深刻的影响。

同时由于生物活性分子和粘土颗粒在化学组成和结构上的巨大差异，DNA分子与粘土作用体系也可作为模式系统，用以研究和评价其它生物分子如转基因微生物等进入土壤后的最终归宿和效果［5］。

近几十年来，对DNA在蒙脱石、高岭土、伊利石等粘土矿物吸附和稳定性已进行了一些研究，发现粘土矿物对DNA的保护效果与吸附剂类型有关［5－10］。

事实上，对于DNA与土壤矿物组分之间相互作用的机理以及有机质、矿物结构对DNA吸附的影响知之甚少。

所以对这一系列问题的探讨显得尤为迫切。

本文以钙基蒙脱石为原料，系统研究了有机与无机改性蒙脱石及其对鲑鱼精DNA分子的吸附行为和机理，以期为柱撑粘土矿物在DNA保护方面等分子生物学领域的应用提供理论依据。

实验所用的蒙脱石样品取自广东南海膨润土，主要成份中SiO2 为65.56%，
Al2O3 为17.97%，阳离子交换容量为78.3mmol/100g。

DNA样品购自美国Sigma公司生产的鲑鱼精（D1626）；十六烷基三甲基溴化铵（HTDMA）、十二烷基磺酸钠（SDS）、氢氧化钠、无水碳酸钠、硝酸铁、三羟甲基氨基甲烷（Tris）、盐酸等试剂均为分析纯。

按前述［1］方法先制备出羟基铝聚合物Keggin离子，其中 n［OH］/n［Al 3＋］＝2.4。

将 0.2mol/L 的FeCl3溶液用0.2mol/L的 Na2CO3，调至pH 值＝4，再按Fe3＋/Al 3＋摩尔比为1.0滴入 Keggin离子中，强烈搅拌下反应1h，60℃下老化。

将交联剂不断滴入经提纯的钙基蒙脱石浆液中，直到（Fe＋Al）和蒙脱石量之比达10mmol/g。

水洗6次后将柱撑产物在60℃下烘干，研磨过200目筛，记为Fe/Al－MMT。

在不断搅拌的条件下，将相当于1倍蒙脱石阳离子交换量（CEC）的SDS缓慢倒入蒙脱石浆液中，搅拌4h。

水洗8次以除去粘土表面的SDS。

60℃下烘干，过200目筛，记为SDS－MMT。

在同样方法和条件下，将1.0CEC的HTDMA对蒙脱石进行改性，得到HTDMA柱撑蒙脱石，记为HTDM－MMT。

在50mL锥形瓶中，加入15mL已知浓度的DNA溶液和5mL 10mmol/L Tris·HCl（pH 值为7.0），加入一定量的不同改性蒙脱石样品后放入恒温振荡器中振荡完毕后，在18000r/min下离心20min，上清液于波长260nm处比色测定。

改性蒙脱石固相上DNA的吸附量通过吸附平衡前后溶液中溶质的变化计算所得：
式中，Qe为达到吸附平衡时固相上DNA的吸附量，μg/mg；Ce为达到吸附平衡时液相中DNA的浓度，μg/mL；C0 为溶液的初始浓度，μg/m L；V0 为加入DNA溶液的体积，mL；Ws为投加吸附剂的量，g。

物相利用德国Brucker公司生产的D/max－ⅢA型X射线衍射分析仪测定，管电压为40kV，管电流为30mA，扫描范围为3～70°。

红外谱由德国Bruker公司生产的Vector－33傅立叶变换红外谱仪测定，分辨率为0.3cm－1，波数范围为
500～4000cm－1。

样品的比表面积由 Micromeritics公司生产的Gemini 2360比表面积测定仪测定。

利用Malvern生产的Nano ZS zeta电位仪来完成对所制备材料的zeta电位分析工作。

图1（a）是有机－无机改性蒙脱石与原蒙脱石的X射线衍射图。

从图1（a）中可看出，经过无机柱撑后，蒙脱石的层间距由1.55nm增大到1.89nm，说明聚羟基铁铝进入了蒙脱石层间，从而引起蒙脱石层间距的变大。

对于有机柱撑蒙脱石，经阴离子表面活性剂SDS改性后，层间距略有增加，d001为1.66nm，这说明SDS插入到了蒙脱石的层间域，且SDS插入到层间的量比较少，其在蒙脱石层间域的存在方式可能为单层平卧，SDS主要分布在蒙脱石表面［5］。

另外，SDSMMT在2θ＝26.5°的衍射峰明显增强，表明蒙脱石的结构受到了表面活性剂的影响。

按HTDMA的1.0 CEC浓度改性后，d001增大到了2.06nm，且HTDMMMT的001峰峰形锐而强，说明其有序程度较高。

2.06nm说明了HDTMA直链在蒙脱石层间排列方式倾斜单层［3］。

根据 HDTMA直链的长度2.5nm和2：1型层状硅酸盐TOT厚度0.96nm，计算出HTDMA直链与硅氧层面的夹角α＝26.1°左右。

图1（b）为不同蒙脱石的红外光谱图。

由图1（b）可见，无机改性蒙脱石与蒙脱石原土的红外光谱峰形基本相似，说明柱撑过程中，蒙脱石的基本骨架没有发生增加的改变。

Fe/Al－MMT的层间水分子的弯曲振动由1634cm－1漂移到
1636cm－1，且强度增大，这是由于聚羟基Fe/Al进入粘土层间空隙而导致蒙脱石中含水量增加的结果。

有机改性蒙脱石在2850和2922cm－1处出现新的峰，这两个振动峰对应于CH2的反对称和对称伸缩振动，这也说明经过有机改性后，SDS和HTDMA均进入到蒙脱石的层间。

与XRD结果一致，HTDM－MMT中CH2振动峰强度明显高于SDS－MMT，说明HTDMA进入蒙脱石层间量更多且撑开程度更大。

表1列出了不同蒙脱石样品在pH值＝7时的zeta电位、电荷零点及比表面积。

蒙脱石原土在pH值为7时，其zeta电位为－26.5mV。

这是因为在蒙脱石的晶
体结构中，由于四面体层中部分Si 4＋被 Al 3＋替代，使层间产生永久性负电荷。

经聚合阳离子柱撑后，其zeta电位的负值有所降低，这是由于聚羟基Fe/Al插入
粘土层间域后，补偿了蒙脱石的大部分永久负电荷，而使其电荷负值降低。

但SDS为阴离子表面活性剂，其柱撑到蒙脱石层间后，会产生电离，形成阴离子，
增强蒙脱石表面负电荷。

相反，HTDMA进入层间后，其zeta电位大幅减少，表面的负电荷因与阳离子产生静电作用而减少。

对于DNA电荷性，DNA的等电点
是5.0，当体系pH值＜5时，DNA分子中的腺嘌呤、鸟嘌呤和胞嘧啶上的氨基基团发生质子化，DNA分子带正电荷［10］，被带负电荷的材料表面吸附，pH值
＞5时，DNA分子中的磷酸基团脱去质子［11］，DNA带负电。

因此，不同改
性材料上电荷变化是影响DNA吸附的重要因素。

从表1可知，经过无机柱撑后蒙脱石的比表面积增大了，而经有机柱撑后蒙脱石
的比表面积减小了，这可能是SDS进入到蒙脱石层间或吸附在蒙脱石表面，堵塞
了蒙脱石表面的微孔，使蒙脱石的比表面积相对原土要减小。

改性后的蒙脱石比表面积对DNA的吸附也产生了一定的影响。

由图2可知，除HTDMA改性蒙脱石之外，蒙脱石原土及其余两种改性蒙脱石对DNA的平衡吸附量随着粘土投加量的增加而减少。

蒙脱石原土平衡吸附量下降幅
度最大，从57.75μg/mg降至51.89μg/mg，其次是SDS－MMT体系中，DNA 吸附量从56.21μg/mg减至52.30μg/mg。

这是因为在DNA浓度一定的情况下，增大的蒙脱石用量进而增加了蒙脱石外表面的不饱和吸附点位，相应地，单位质量内的不饱和吸附点位增多，吸附量下降。

而在HTDM－MMT体系中，DNA的平衡吸附量先增加后下降，固液比为2.5g/L时达最高点62.88μg/mg。

这是由于HTDMA改性后，蒙脱石内表面阳离子与DNA负电荷产生静电作用，增大了平衡
吸附量，而当吸附达到饱和后，单位质量内的平衡吸附量逐渐减少。

pH值对不同蒙脱石DNA的吸附影响如图3所示，DNA在蒙脱石原土及SDS改
性和无机改性蒙脱石表面的吸附量随着pH值从2.0上升到9.0而降低。

在pH值为2.0，它们对DNA的吸附量达到最大，分别为88.23、50.89、50.32μg/mg。

pH 值从2.0上升到5.0，DNA在SDS－MMT表面的吸附量降低到24.35μg/mg，而蒙脱石表面DNA的吸附量仅降低到73.83μg/mg。

对于蒙脱石，在pH 值为5.0～9.0范围内，DNA的吸附量急剧减少，尤其在pH值＝10.0时最小。

而对于改性后的蒙脱石，在pH值为5.0～9.0范围内，DNA的吸附量略微减少。

另外低pH值下（pH值为2.0）DNA吸附量较高也可能是因为DNA 发生了沉淀［5］。

对于改性后蒙脱石，Fe/Al－MMT对DNA吸附量缓慢增加后再下降，说明在pH 值为5.0～10.0内，DNA分子中的氨基基团脱去质子后通过氢键或聚羟基离子配
位交换的作用［11］固定在Fe/Al－MMT上，因而不再受pH值影响。

经SDS
改性后，其比表面积急剧增大，为DNA提供更多结合点位，SDS－MMT吸附量
逐渐超过蒙脱石，说明在SDS－MMT外表面的吸附可能是物理作用力的结果。

HTDMA进入层间后，其zeta电位大幅减少，且其电荷零点在pH值＝6左右，
因此，在pH值＝6时其表面正电与DNA负电荷发生静电作用进而吸附量维持不
变［5－12］。

以吸附平衡浓度为横坐标，以平衡吸附量为纵坐标，采用 Langmuir、Freundlich 和 Redlich－Peterso吸附等温模型进行吸附等温线拟合，吸附等温拟合图如图4
所示，Redlich－Peterson模型是介于Langmuir和Freundlich之间的模型［13－15］。

其表达式如下：
式中，qe（μg/mg）为粘土吸附DNA的平衡吸附容量；Ce（μg/mL）为 DNA
的平衡浓度；KRP为吸附常数；β为异质性指数。

吸附等温模型拟合参数如表2
所示。

从表2中可知，蒙脱石及无机改性蒙脱石对DNA的吸附等温线符合Redlich－Peterso（相关系数R2＞0.99）方程。

对于有机改性蒙脱石，阴离子表面活性剂SDS改性蒙脱石对DNA吸附曲线为Freundlich型，R2＝0.999，而阳离子表面
活性剂HTDMA改性蒙脱石体系中，Langmuir吸附模型拟合效果更好。

在 Fe/Al－MMT 体系中，DNA 吸附量随初始DNA浓度的增加而缓慢上升，吸附模型与蒙脱石原土相似，但两者的异质性指数β有显著差异，分别为0.102和
1.581；在 SDS－MMT 体系中，Freundlich吸附模式说明其不是均匀的单层吸附［13－16］。

SDS－MMT比表面积远大于蒙脱石，而其吸附量小于蒙脱石，因此，SDS－MMT吸附过程不仅是表面物理力吸附作用，而且还有配位或氢键作用参与；在HTDM－MMT体系中，Langmuir吸附模型拟合效果好，说明DNA与HTDM－MMT之间的吸附为单层吸附。

根据zeta电位结果，HTDMA改性后，
蒙脱石内外表面的正电荷增加，与DNA中磷酸基团与氨基基团静电引力增强［5，10］。

采用准一级、准二级、Elovich动力学方程对DNA的吸附量随时间变化数据进行
拟合，准二级和Elovich模型为最佳拟合模型（图5），拟合参数如表3所示。

Elovich模型是用来描述化学吸附的最有用的模型，其方程式如下：
式中，qt（μg/mg）为在任意时间内粘土对 DNA 的吸附量；t（min）为吸附时间；α（μg/（mg·min））是初始吸附速率；β（mg/μg）是指与材料的化学吸附过程中的表面覆盖度和活化能相关的系数。

平衡吸附量的实验值与模型理论值吻合性好，说明化学吸附是吸附过程的速度控制步骤［16－18］。

通过对准二级动力学方程的参数qe的比较，4种蒙脱石qe大小顺序为 HTDM－MMT＞MMT＞SDS－MMT＞Fe/Al－MMT，有机HTDMA
柱撑蒙脱石的平衡吸附量最大，无机柱撑蒙脱石吸附最小。

在HTDMA－MMT体系中，在最初的5～10min内吸附迅速，吸附百分率达到95%，这说明DNA与
HTDM之间存在强的相互作用。

之后吸附逐渐缓慢，说明吸附逐渐接近平衡。

可以认为吸附过程分为两步：第1步是界面吸附，DNA分子从溶液迅速扩散到蒙脱石外表面；第2步是界面内扩散，DNA分子向HTDM－MMT内层毛孔扩散，包含层间的离子交换。

Elovich方程拟合效果较好R2＞0.96。

相关系数β大小顺序为 Fe/Al－MMT＞SDSMMT＞MMT＞HTDM－MMT，β值越大表示改性蒙脱石材料对DNA的吸附亲和力越大［16］。

实验用NaOAc溶液、NaH2PO4溶液及背景溶液Tris－HCl为解吸剂，在25℃恒温条件下将改性所吸附的DNA解吸下来。

NaOAc解吸的是通过分子引力或静电引力吸附的DNA，NaH2PO4解吸的主要是通过配位体交换吸附的 DNA ［10］。

Tris－HCl解吸的 DNA可被认为是通过范德华力吸附的［5］。

图6可以看出，以NaOAc溶液为解吸剂，蒙脱石、SDS－MMT、Fe/Al－MMT 和 HTDM－MMT上吸附DNA的解吸率分别为31.0%、8.3%、6.8%和41.1%。

从总解吸率来看，HTDM－MMT至少有50%的DNA被NaOAc溶液解吸，要比NaH2PO4溶液解吸附的DNA量大很多，表明其对DNA的吸附主要通过静电引力作用；与HTDM－MMT不同的是，对FeAl－MMT解吸时，NaH2PO4可以和DNA的磷酸基团之间形成竞争，且低浓度的NaH2PO4可将DNA从矿物表面解吸［7］。

因此，DNA分子中的磷酸基团主要通过阴离子交换与FeAl－MMT 上的—OH离子作用。

从总解吸率来看，SDS－MMT和 FeAl－MMT仅仅有23.03%和21.42%被溶液解吸，未解吸部分也可能是更强烈的键合作用［10，15］。

（1）蒙脱石结构、电负性及表面性质的变化是影响鲑鱼精DNA分子吸附的关键因素。

（2） DNA在4种改性蒙脱石表面的吸附量随着pH值升高而降低，且下降幅度存在显著差异。

（3）无机改性蒙脱石对DNA的吸附等温线符合Redlich－Peterso方程。

对于有机改性蒙脱石，SDS改性蒙脱石对DNA吸附曲线为Freundlich型；HTDMA 改性蒙脱石体系中，Langmuir吸附模型拟合效果更好，吸附为单层吸附，控制改性蒙脱石吸附DNA的主要步骤是化学吸附。

（4）经有机HTDMA改性后，DNA的吸附主要通过静电引力作用。

DNA分子中磷酸基团通过配位交换、氢键和静电引力的作用吸附于无机Fe/Al－MMT和SDS－MMT内外表面。

蒙脱石表面聚羟基Fe/Al和SDS存在显著增强了DNA的吸附强度。

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