Журнал физической химии, 2021, T. 95, № 9, стр. 1399-1407

Материалы

Селенистая кислота H₂SeO₃ (99%, Ленреактив, Санкт-Петербург), аскорбиновая кислота C₆H₈O₆ (99%, Вектон, Санкт-Петербург), поливинилпирролидон (ПВП, M_w = 55 000, Aldrich, Германия), 2-гидроксиэтилметакрилат (ГЭМА, 97%, Aldrich, Германия), этиленгликоль диметакрилат (ЭГДМА, 98%, Aldrich, Германия), персульфат аммония (99%, Реахим Санкт-Петербург), бутанол (97%, Вектон, Санкт-Петербург).

Синтез наночастиц Se, стабилизированных поли-N-винилпирролидоном

Наночастицы Se синтезированы в результате окислительно-восстановительной реакции:

в присутствии ПВП (М = 55 000) в качестве стабилизатора наночастиц в концентрационном соотношении ПВП/Se = 10 мас. %/1 мас. %. Подробное описание синтеза и морфологии образовавшегося комплекса представлено в работе [13].

В измерительную колбу объемом 50 мл с 5 мл 0.1 мас. % раствора ПВП последовательно вводили 3 мл воды, 1 мл 0.1635 мас. % раствора селенистой кислоты и 1 мл 0.447 мас. % раствора аскорбиновой кислоты. Синтез наночастиц Se осуществляли при постоянном перемешивании (200 об/мин) при комнатной температуре в течение 20 мин. О завершении реакции синтеза свидетельствовало изменение окраски раствора от прозрачного до бледно-оранжевого.

Синтез поверхностно импринтированных органо-неорганических сорбентов

Синтез Se-содержащих полимерных сорбентов осуществляли методом свободной радикальной эмульсионной сополимеризации ГЭМА и ЭГДМА в присутствии наночастиц Se [14]. Общая концентрация мономеров в полимеризационной смеси составляла 30 мас. %, соотношение ГЭМА и ЭГДМА составляло 80 мол. % и 20 мол. % соответственно. Поверхностный сорбционный слой гибридной матрицы ГЭМА-ЭГДМА@Se/ПВП модифицировали методом молекулярного импринтинга путем введения темплатных молекул после начала формирования латексных частиц.

По окончании синтеза наночастиц Se, стабилизированных ПВП, в инертной атмосфере аргона в колбу последовательно вводили 1.2 г ГЭМА, 0.6 г ЭГДМА и 1.2 г ГЭМА вместе с молекулами глюкозы в качестве темплата в количестве 2, 6 и 10 мол. % (МИП-2, МИП-6 и МИП-10 соответственно). После введения инициаторной системы, состоящей из персульфата аммония и аскорбиновой кислоты (1 мас. %), и образования латекса в реакционную смесь вводили 4 мл бутанола. Синтез осуществляли при постоянном перемешивании (200 об/мин) при 37°С в течение 1 ч. После синтеза полимеры помещали в термостат на сутки при 37°С. Молекулы темплата из сформированных гранул удаляли многократной экстракцией этанолом и дистиллированной водой. Синтез контрольного полимера (КП) осуществляли аналогичным образом без введения молекул глюкозы в полимеризационную смесь. Для исследования физико-химических и сорбционных свойств использовали фракцию 160–315 мкм.

Методы исследования физико-химических свойств сорбентов

Насыпную плотность ρ_н сорбентов определяли весовым методом путем взвешивания на аналитических весах 1 см³ сорбента. Данная величина включает в себя истинную плотность сорбентов, пустоты (пористость) и межчастичное пространство. Истинную плотность ρ_и исследовали методом пикнометрии. Пикнометрию проводили при комнатной температуре. Для равномерного смачивания пикнометра жидкостью его тщательно мыли хромовой смесью, затем водой, ополаскивали дистиллированной водой, спиртом и ацетоном и высушивали. Далее пикнометр взвешивали, наполняли исследуемым сорбентом и определяли массу. Затем наполняли пикнометр жидкостью (дистиллированной водой) сначала 0.5 объема для вытеснения воздуха, а далее до калибровочной метки и определяли массу пикнометра с сорбентом и водой. Для определения уточненного объема жидкость в пикнометре заливали до метки и взвешивали.

Истинную плотность ρ_и сорбента рассчитывали по формуле:

где ρ_ж – плотность пикнометрической жидкости при температуре в условиях эксперимента (1 г/см³), г/см³; V_пж и V_ж – уточненный объем жидкости в пикнометре и объем измеряемой жидкости, мл; m₁, m₂, m₃ и m₄ – масса пикнометра, пикнометра с сорбентом, пикнометра с сорбентом и водой и жидкости с пикнометром, г.

Пористость сорбентов (%) рассчитывали, как:

Коэффициент набухания $K_{{{\text{наб}}}}^{{{\text{вода}}}}$ сорбентов определяли как отношение между объемом набухшего в течение 24 ч в дистиллированной воде сорбента V_наб (мл) к объему сухого сорбента V_сух (мл).

Равновесная сорбция глюкозы

Равновесную сорбцию глюкозы поверхностно-импринтированными гранульными сорбентами осуществляли из физиологического раствора (0.9% NaCl, рН 7.4). Набухшие гранулы сорбентов (30 мг) помещали во флаконы с растворами глюкозы различных концентраций: 0.5, 1.0, 2.0, 2.5, 5.0, 8.0, 9.0, 10.0 ммоль/л и объемами 10 мл. Далее флаконы помещали на перемешивающее устройство при постоянной температуре. Через 16 ч отбирали аликвоту из каждого флакона и измеряли равновесную концентрацию глюкозы.

Концентрацию глюкозы в растворе определяли спектрофотометрическим методом при предварительном окрашивании раствора О-толуидиновым реактивом [15]. Измерения проводили на спектрофотометре СФ-256 УВИ при длине волны 630 нм. Калибровочная кривая зависимости оптической плотности от концентрации глюкозы в физиологическом растворе сохраняла линейность до 2.0 ммоль/л.

Сорбционную емкость сорбентов (q_eq, ммоль/кг) рассчитывали согласно формуле:

где С₀ и С_eq – исходная и равновесная концентрации глюкозы в растворе соответственно, ммоль/л; V – объем раствора, мл; m – масса сухого сорбента, г.

Аппроксимацию полученных изотерм сорбции глюкозы на поверхностно импринированных сополимерах осуществляли методом нелинейной регрессии с помощью программы OriginLab при использовании алгоритма Levenberg Marguardt. Для анализа использовали модели Ленгмюра, Фрейндлиха и БЭТ.

Модель Ленгмюра подразумевает сорбцию молекул сорбтива на гомогенной сорбционной поверхности с образованием конечного монослоя и описывается следующим уравнением:

где q_max – максимальная сорбционная емкость монослоя (ммоль/г), K_L – константа распределения (л/ммоль), соответствующая обратной равновесной концентрации сорбтива, при которой достигается насыщение половины максимальной емкости сорбента.

Модель Фрейндлиха основана на взаимодействии молекул сорбтива с гетерогенной сорбционной поверхностью и описывается уравнением:

где K_F – константа Фрейндлиха, относящаяся к степени сродства (адсорбционная способность), 1/n_f – индекс (фактор) гетерогенности. Модель Фрейндлиха удовлетворительно применяется при низких концентрациях сорбтива. Большая величина константы Фрейндлиха K_F показывает меру максимальной сорбционной емкости. Обычно при сорбции фактор гетерогенности 1/n_f колеблется от 0 до 1, стремясь к 0 по мере повышения гетерогенности. Значение 1/n_f   =  1 показывает, что сорбционная поверхность гомогенна. Модель Фрейндлиха применима как для монослойной сорбции, так и для полислойной сорбции [16].

Модель БЭТ так же, как модель Ленгмюра подразумевает взаимодействие молекул сорбтива с гомогенной сорбционной поверхностью. Однако без учета взаимодействия между молекулами сорбата описывает послойное заполнение сорбционных центров молекулами сорбтива и выражается уравнением:

где K_U – константа равновесия сорбции для верхних слоев (л/ммоль); K_L – константа равновесия сорбции для первого слоя (л/ммоль). В случае отсутствия верхних слоев молекул сорбтива, т.е. K_U = 0, уравнение модели БЭТ преобразуется в уравнение Ленгмюра.

Применимость теоретических моделей изотерм сорбции к полученным экспериментальным данным оценивали по функциям статистических погрешностей, рассчитываемых в OriginLab: скорректированному коэффициенту детерминации (adj. R²) и приведенному критерию согласия (χ²). Коэффициент R² используется для анализа степени соответствия теоретической модели экспериментальным данным, его значение варьируется от 0 до 1 [17]. Если значения R² стремятся к единице, то теоретические модели наиболее соответствуют экспериментальным кривым. При экспериментальных значениях q_eq, сопоставимых с теоретическими, критерий χ²  близок к 0. Высокое значение χ² указывает на значительное несоответствие экспериментальных и теоретических данных. Следовательно, наиболее подходящей будет модель, при аппроксимации которой будет наблюдаться наименьшее значение χ², а также значения R² будут стремится к 1.

Площадь сорбционной поверхности в системе “жидкость–твердое тело” рассчитывали согласно следующему уравнению:

где ${{S}_{{{\text{глю}}}}}$ – площадь молекулы глюкозы в горизонтальной ориентации (0.393 нм²), ${{N}_{{{\text{мол}}}}}$ – число молекул глюкозы (мол): где $N{}_{{\text{A}}}$ – число Авагадро (6.022 × 10²³ моль^–1).

Свойства поверхностно импринтированных молекулами глюкозы органо-неорганических сорбентов

Синтезированные полимерные матрицы набухали в воде более чем в 2 раза (табл. 1). Следовательно, площади поверхностей исследуемых полимерных сорбентов, определенные в сухом состоянии (методом адсорбции N₂) не будут соответствовать площадям полимерных матриц, задействованных при осуществлении сорбции глюкозы из водного раствора. Кроме того, при синтезе МИПов в полимеризационную смесь вводили молекулы целевого объекта, вокруг которых происходило формирование полимерной матрицы. В результате сформированные импринт-сайты модифицировали матрицу МИПов по сравнению с КП. При этом наблюдалось снижение K_наб синтезированных МИПов по сравнению с КП, что свидетельствовало о формировании более жесткой сетчатой матрицы. Одновременно в ряду МИПов наблюдалось увеличение К_наб.

Изотермы сорбции глюкозы

По классификации Джайлза по типу кривой изотермы сорбции в системе “жидкость – твердое тело” можно интерпретировать механизм заполнения сорбционных центров молекулами сорбтива [18]. Введение глюкозы в полимеризационную смесь при синтезе привело к созданию специфичных сайтов связывания и, соответственно, к изменению сорбционной поверхности полимерной сетки ГЭМА–ЭГДМА. Это отразилось на изменении типа изотерм сорбции глюкозы синтезированными сорбентами при температуре сорбционной системы 293 К от H3 (КП) через L3 (МИП-2) и L3a (МИП-6) к S3a (МИП-10) (рис. 1). При слабых концентрациях молекулы сорбтива обладали сильным сродством к КП. При этом с ростом концентрации сорбтива на кривой изотермы наблюдался перегиб, который свидетельствовал о формировании монослоя. При дальнейшем увеличении концентрации наблюдалось увеличение сорбции. Это свидетельствовало о способности сформированного монослоя взаимодействовать с несорбированными молекулами сорбтива. В результате при больших концентрациях сорбтива реализовывалась полислойная сорбция.

Формирование ипринт-сайтов при модификации сорбционной поверхности сополимера ГЭМА–ЭГДМА привело к снижению сродства молекул сорбтива к сорбционной поверхности. Одновременно незначительный рост сорбции на МИПах при больших концентрациях свидетельствовал о взаимодействиях сорбат–сорбат и реализации полислойной сорбции глюкозы. Модификация сорбционной поверхности введением 10 мол. %, по всей видимости, привела к созданию неполноценных сайтов связывания, тем самым снизив сродство полимера к молекулам глюкозы. Таким образом, формирование монослоя осуществлялось путем совместной сорбции, т.е. свободная молекула глюкозы в процессе сорбции одновременно взаимодействовала как с поверхностью сорбента, так и с сорбированной молекулой.

При сорбции глюкозы на синтезированных сорбентах при температуре 310 К (температуре синтеза) формы изотерм сорбции изменились (рис. 2). Так, сорбция на КП стала описываться изотермой типа L4, как и на МИП-2, на МИП-6 – С2, на МИП-10 – S4. При малых концентрациях сорбтива в растворе сорбция на КП не зависела от температуры. Однако, при больших концентрациях наблюдалось формирование плато на кривой изотермы сорбции при 310 К. Это свидетельствовало о насыщении сорбента при меньших концентрациях сорбтива по сравнению с сорбцией при 293 К. При этом первое плато изотермы сорбции на МИП-2 было значительно короче, чем при сорбции на КП. Это свидетельствовало об увеличении сродства вновь сфомированной сорбционной поверхности МИП-2 по сравнению с монослоем сформированным на КП. Изменение типа кривых изотерм сорбции глюкозы на МИП-6 от L к С свидетельствовало об улучшении доступности сорбционных центров при изменении температуры сорбции, причем доступность сорбционных центров МИП-6 увеличилась по сравнению с МИП-2. Увеличение сорбционных емкостей и доступность сорбционных центров поверхностно импринтированных гранул при 310 К по сравнению с сорбционными емкостями, полученными при сорбции в условиях пониженной температуры, также могло свидетельствовать об улучшении специфичной сорбции в результате того, что при данной температуре, соответствующей температуре синтеза, импринт-сайты комплементарны молекулам глюкозы. Это также отразилось на значительном улучшении сорбции глюкозы на МИП-10 при температуре 310 К (рис. 2) по сравнению с сорбцией при 293 К (рис. 1). Одновременно наличие единственного плато на изотермах сорбции на МИПах свидетельствовало о реализации монослойной сорбции в сравнении с сорбцией на КП.

Анализ моделей изотерм сорбции

Расчет констант равновесной сорбции глюкозы органо-неорганическими поверхностно-импринтированными сорбентами посредством модельных изотерм осуществляли методом нелинейной регрессии с помощью программного обеспечения OriginLab (табл. 2). В качестве модельных изотерм использовали модели Ленгмюра, Фрейндлиха, БЭТ.

Аппроксимация экспериментальных данных моделью Ленгмюра удовлетворительно осуществлялась при температуре 293 К до равновесной концентрации глюкозы – 7.5 ммоль/л при сорбции на всех исследуемых сорбентах; при температуре 310 К – до 2.2 ммоль/л на КП и МИП-2, 6.2 ммоль/л на МИП-6 и 7.4 ммоль/л на МИП-10. Поскольку модель Ленгмюра предполагает формирование монослоя, можно сделать вывод, что в случае сорбции глюкозы на исследуемых полимерных сорбентах формирование монослоя осуществлялось до указанных концентраций сорбтива. Однако при сорбции глюкозы на МИПах при температуре 310 К теоретическая кривая Ленгмюра не выходила на плато. Следовательно, несмотря на достаточно высокие значения R² и низкие значения показателя χ² (табл. 2), нельзя считать, что экспериментальные данные сорбции глюкозы удовлетворяют модели Ленгмюра. Возможно, это связано с совместной сорбцией молекул глюкозы на исследуемых МИПах.

Моделью Фрейндлиха экспериментальные данные изотерм сорбции глюкозы при 293 К удовлетворительно описывались до равновесной концентрации: для КП – 4.5 ммоль/л, МИП-2 – 1.8 ммоль/л, МИП-6 и МИП-10 – 2.2 ммоль/л; при 310 К до равновесной концентрации: КП и МИП-2 – 1.8 ммоль/л, МИП-6 – 3.8 ммоль/л и МИП-10 – 1.9 ммоль/л (табл. 2). При сорбции глюкозы на исследуемых полимерах при 293 К значения K_F (меры максимальной сорбционной емкости) снижались с ростом введенного темплата. Однако для сорбции при 310 К наблюдалась обратная зависимость K_F от количества введенного темплата.

Значения фактора гетерогенности 1/n_f  при аппроксимации сорбции глюкозы на КП не зависели от температуры, были одинаковыми и меньше 1 (табл. 2). Это свидетельствовало о гетерогенной сорбционной поверхности КП. Однако для сорбции на МИП-2, МИП-6 и МИП-10 при обеих температурах значения 1/n_f  были больше 1. Одновременно при 310 К (температура синтеза и формирования импринт-сайтов) значения 1/n_f были меньше, чем при 293 К, и в случае МИП-2 и МИП-6 свидетельствовали об их гомогенных сорбционных поверхностях. В то время как при сорбции на МИП-10 как при 293 К, так и при 310 К значения 1/n_f были больше 1 и свидетельствовали о физических взаимодействиях при сорбции, которые, по всей видимости, могли быть обусловлены связыванием молекул глюкозы с сорбентом в результате совместной адсорбции. С одной стороны, значения 1/n_f , стремящиеся к 1, указывают на гомогенную сорбционную поверхность, с другой стороны, введение большого количества темплата при синтезе могло привести к созданию неполноценных импринт-сайтов на поверхности МИП-10, в результате чего была сформирована модифицированная сорбционная поверхность с низким сродством к темплату, требующая дополнительного взаимодействия для связывания сорбата.

Экспериментальные данные изотерм сорбции при 293 К удовлетворительно аппроксимировались уравнением БЭТ на всех исследуемых полимерах во всем диапазоне концентраций. Однако при 310 К сорбция глюкозы на КП и МИП-2 удовлетворительно аппроксимировалась уравнением БЭТ до равновесной концентрации 7.0 ммоль/л, на МИП-6 – 6.2 ммоль/л и на МИП-10 – 7.4 ммоль/л (табл. 2). Для сравнения с моделью Ленгмюра, т.е. K_U = 0, аппроксимация экспериментальных данных осуществлялась до тех же равновесных концентраций, что и при аппроксимации уравнением Ленгмюра.

При сорбции глюкозы на КП и МИП-2 экспериментальные данные хорошо описывались уравнением БЭТ как при 293 К, так и при 310 К во всем диапазоне исследуемых концентраций, что свидетельствовало о полислойной сорбции (табл. 2). Описание моделью БЭТ экспериментальных данных сорбции глюкозы при температуре 293 К и при 310 К на МИП-6 и МИП-10 указывало на формирование монослоя, поскольку K_U = 0. При этом данные, полученные при расчете по модели БЭТ, были сопоставимы с рассчитанными по модели Ленгмюра. Однако теоретическая кривая модели БЭТ при сорбции глюкозы на МИП-6 и МИП-10 при 310 К не выходила на плато, как и при аппроксимации моделью Ленгмюра. Следовательно, сорбция глюкозы на МИП-6 и МИП-10 не удовлетворяла как модели БЭТ, так и модели Ленгмюра, соответствие которым свидетельствует о формировании монослоя молекул сорбата на гомогенной поверхности. Одновременно эти модели не учитывают взаимодействия молекул сорбата между собой, как в случае сорбции молекул глюкозы на МИП-10 (S-тип), а также распределение молекул сорбтива к вновь открывающимся сорбционным центрам, как в случае сорбции на МИП-6 (С-тип).

Одновременно с помощью модели БЭТ были рассчитаны значения q_max, характеризующие монослойное заполнение сорбционной поверхности молекулами сорбата, и величины S_уд исследуемых сорбентов (табл. 2, 3). При 293 К при введении молекул глюкозы в качестве темплата сорбционная поверхность сополимера ГЭМА–ЭГДМА уменьшалась. Однако при температуре 310 К величина S_уд (МИП-2) была практически в 2 раза выше, чем для КП. Полученные с помощью модели БЭТ значения q_max для сорбции глюкозы на МИП-6 и МИП-10 при температуре 310 К не могут быть проанализированы и использованы для расчета S_уд, так как несмотря на то, что, согласно модели Фрейндлиха, МИП-6 имел гомогенную сорбционную поверхность, а МИП-10 – модифицированную поверхность со слабым сродством к сорбату, что было подтверждено типом изотермы сорбции, теоретические кривые модели БЭТ и модели Ленгмюра не выходили на плато.

Таким образом, равновесная сорбция глюкозы поверхностно-импринтированными гранульными Se-содержащими сорбентами представляет значительный интерес как с фундаментальной, так и с прикладной точки зрения. В результате проведенных исследований показано, что увеличение сорбционных емкостей МИП-6 и реализация монослойной сорбции глюкозы при температуре 310 К, с одной стороны, обусловлены увеличением доступности сорбционных центров (С‑тип изотерм сорбции). С другой стороны, происходило улучшение сорбции в результате того, что при данной температуре, соответствующей температуре синтеза, импринт-сайты были комплементарны молекулам глюкозы. Увеличение количества вводимого темплата приводило, с одной стороны, к снижению сродства и S_уд сорбционной поверхности сополимера ГЭМА–ЭГДМА при сорбции 293 К, а, с другой стороны, способствовало созданию условий для реализации монослойной сорбции молекул глюкозы при температуре 310 К. Знание природы и характера связывания глюкозы с полимерной матрицей позволило определить доступную величину S_уд сорбентов для целевого сорбата в системе “жидкость–твердое тело”, а также равновесные параметры, необходимые для определения условий динамической сорбции метаболита на гемосорбционных колонках при экстренной эфферентной терапии гипергликемии.

Работа выполнена при поддержки гранта РФФИ № 18-03-00835.