Shashwat S. Banerjee; 陳東煌^*

國立成功大學工學院化學工程學系
^* chendh@mail.ncku.edu.tw

Journal of Hazardous Materials 2007, 147, 792.
Chemistry of Materials 2007, 19(15), 3667.

 

大多數吸附劑的粒徑介於次微米與微米之間，且擁有大的孔隙度以確保有足夠大的吸附面積。然而，粒內擴散阻力會導致吸附速率與有效吸附面積的降低，特別是對巨分子的吸附更為顯著。最近，由於具有大的比表面積、無孔內擴散阻力、及易藉外加磁場操控等優點，利用磁性奈米粒子作為吸附劑受到愈來愈多的重視。藉著功能化之天然或合成高分子提供表面活性，許多不同型式的磁性奈米粒子可依其用途而調製。本研究藉著在氧化鐵奈米粒子表面修飾阿拉伯膠(GA)發展出一新型之磁性奈米吸附劑，阿拉伯膠為一天然、無害、且環境友善的高分子，具有羧基與胺基等活性官能基。此外，糖類在細胞辨識上扮演重要的角色。透過特定蛋白質與醣類分子間的交互作用，碳水化合物接枝的高分子已被用於某些蛋白質的辨識。因此，基於生物上的應用，本研究也將表面修飾阿拉伯膠的磁性奈米粒子(GAMNP)進一步接枝葡萄糖，並探討其與伴刀豆球蛋白(ConA)之間特定的交互作用。
氧化鐵磁性奈米粒子(MNP)係以氨水將鐵離子與亞鐵離子共沉澱而得，將其與阿拉伯膠溶液混合，藉超音波振盪即可將阿拉伯膠修飾在氧化鐵奈米粒子表面。經磁性分離、水清洗及烘箱中乾燥後，即為產品GAMNP。葡萄糖接枝之GAMNP(G-GAMNP)係將GAMNP與麥芽糖藉著反應性胺化鍵結在一起而製得，如圖1所示。將GAMNP分散於pH 9、含有麥芽糖與氰硼氫化鈉(NaBH3CN)的磷酸緩衝液中， 在室溫下攪拌反應48小時。隨後以pH 9的磷酸緩衝液與水清洗，即可得產品G-GAMNP。麥芽糖接枝在GAMNP上的量，可藉由聯苯胺(benzidine)法分析麥芽糖在反應前後濃度的變化而得知。

穿透式電子顯微鏡(TEM)分析(圖2a)顯示，所得GAMNP粒徑介於13-67奈米之間，平均值為34.2奈米(± 5.0%)，較表面修飾阿拉伯膠之前的粒徑(13.2奈米)為大，暗示二次粒子的形成。圖3顯示MNP及GAMNP在不同pH值之界面電位，明顯的，MNP及GAMNP之界面電位皆隨pH的減小而提高，可分別歸因於MNP表面之氫氧基及GAMNP表面之羧基與胺基的質子化所致。又MNP與GAMNP之等電位點(pI)分別為6.78與3.60，確認GAMNP表面已修飾了阿拉伯膠，且當pH<3.60時，其表面帶正電荷。


GAMNP作為新型磁性奈米吸附劑以去除水溶液中的重金屬離子，其適用性係以銅離子為例加以評估。結果發現，2分鐘內可達吸附平衡，如此快的吸附速率可歸因於無孔內質傳阻力所致。圖 4 所示為MNP與GAMNP 在pH 5.1、300 K下吸附銅離子之恆溫平衡曲線，明顯的，GAMNP去除銅離子比MNP更為有效，可知表面修飾阿拉伯膠確實可提高吸附容量。此外，研究發現，吸附行為遵循Langmuir吸附恆溫模式，其最大吸附容量與Langmuir吸附常數以MNP而言，分別為17.6 mg g^-1與0.013 l mg^-1，以GAMNP而言，則分別為38.5 mg g^-1與0.012 l mg^-1。

圖5所示為溶液pH值對MNP與GAMNP 在pH 2-6、300 K、銅離子初濃度200 mg l^-1下吸附銅離子之影響。當pH < 2，幾乎沒有銅離子被吸附，可歸因於氫離子顯著的競爭吸附所致。在pH 2-6之間，吸附容量皆隨pH值的增加而增加。由於MNP的界面電位在pH 6.78以下為正，而GAMNP 的界面電位則在pH 3.60以下方為正，因此，兩者的吸附機構應有不同。詳細的機構說明與討論，可參考原文進一步得知。


G-GAMNP的TEM影像如圖2b所示，其平均粒徑為14.1奈米(± 5.0%)，小於GAMNP但接近MNP之尺寸，意謂著葡萄糖接枝會造成GAMNP二次粒子因表面官能基的改變而發生去凝聚現象。在本研究中，葡萄糖在GAMNP表面的接枝，已藉由傅立葉轉換紅外光光譜與拉曼光譜的分析加以確認。同時，由麥芽糖濃度在反應過程中隨時間的變化得知，葡萄糖接枝在GAMNP表面上的量約為0.13 mmol g^-1。

ConA為熟知之葡萄糖可鍵結之蛋白質，且在pH 7.0以上以同源四分子聚合蛋白(homotetramer)的形態存在，它有4個鍵結位置可同時與葡萄糖交互作用，故以 ConA作為標的蛋白來評估G-GAMNP的效能。圖 6所示為 GAMNP與G-GAMNP吸附ConA之恆溫平衡曲線，可知GAMNP對ConA沒有明顯的吸附，但G-GAMNP對ConA則有顯著的吸附。此乃因G-GAMNP表面的葡萄糖基可有效與ConA交互作用所致。

圖 7 所示為pH值對ConA吸附在G-GAMNP上之影響，ConA被吸附的量明顯與pH值有關，最大吸附量出現在pH 7附近。由於ConA曝露於酸性環境下會引起鎂與鈣離子的釋出，而其為碳水化合物鍵結所必需，因此較低的pH值可能導致吸附在G-GAMNP表面之ConA量的減少。另一方面，在pH 7以上，可能因ConA的變質及因溶液黏度增加所致的質傳速率下降而導致ConA吸附量的減少。

圖8所示為G-GAMNP與ConA/G-GAMNP 複合物之水力直徑分佈圖，G-GAMNP的平均水力直徑為26.8奈米。當G-GAMNP的濃度固定為0.02 g ml^-1時，ConA/G-GAMNP 複合物的水力直徑在整個ConA濃度範圍(0.001–1.0 μM)內約為28-30奈米，暗示在此情況下，每個ConA分子係分別被鍵結在不同的粒子上。然而，當G-GAMNP的濃度固定為0.004 g ml^-1時，ConA/G-GAMNP 複合物的水力直徑在整個ConA濃度範圍(0.001–1.0 μM)內約為50-65奈米，顯示當G-GAMNP/ConA比較小時，一個G-GAMNP可能需要鍵結較多的ConA分子，因此易導致凝聚。相反的，當G-GAMNP/ConA比較大時， 過量的G-GAMNP可避免其與ConA間的交聯作用，凝聚程度因此較低。G-GAMNP/ConA比對複合物形態的影響可以圖9表示。

總之，本研究以簡單的方法發展出一新型的磁性奈米吸附劑，具有快速去除銅離子的良好能力。再者，藉著在其表面接枝葡萄糖，對ConA展現特定的交互作用。此產品及其衍生物，可望應用於環境與生物等科學領域。