Физикохимия поверхности и защита материалов, 2022, T. 58, № 2, стр. 183-188

ВВЕДЕНИЕ

Современные исследования в области фармпрепаратов и энтеросорбентов направлены на создания новых биологически активных материалов с пролонгированным или контролируемым выходом действующего компонента, что возможно за счет стабилизации в структурной матрице сорбента [1, 2]. Имеющийся в литературе целый ряд теоретических и экспериментальных данных [3–6], указывает на перспективность использования алюмосиликатов для разделения и концентрирования биологически активных веществ (БАВ), благодаря их молекулярно-ситовым характеристикам, позволяющим сохранять активность вещества, а также обеспечивать контроль его физиологического действия. Природные алюмосиликаты обладают рядом таких уникальных свойств, как микро- и нанопористая структура, наличие поверхностных центров различной природы, способность к ионному обмену, высокая сорбционная емкость. Химический состав и структура алюмосиликатов оказывают непосредственное влияние на характер их взаимодействия с БАВ [7–10].

К важнейшим биологически активным соединениям относятся аминокислоты, являющиеся основными строительными элементами белков, ферментов и гормонов [11, 12]. Выбор оптимальных условий для селективной сорбции аминокислот при сохранении их нативной структуры и биологической активности позволит использовать природные алюмосиликаты как в качестве энтеросорбентов, так и для выделения и концентрирования аминокислот из растительных продуктов. В работах [13–17] показано, что на величину сорбции аминокислот влияют ионная сила и значение рН раствора, а сорбционный параметр достигает максимального значения в области изоэлектрической точки раствора аминокислот. Одним из представителей аминокислот является гистидин (His) – условно незаменимая аминокислота, которая входит в состав активных центров множества ферментов и необходима живым организмам для синтеза нейромедиаторов центральной нервной системы (гистамина, серотонина, дофамина) [18]. Представляет интерес экспериментально исследовать и проанализировать влияние физико-химических и структурных свойств алюмосиликатов, в частности клиноптилолита и глауконита, на закономерности сорбции гистидина.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

В качестве сорбентов выбраны цеолит Словацкого месторождения, содержащий 95% клиноптилолита (Кпт) и 5% гидрослюды, и глинистый минерал – глауконит (Глт), месторождения юго-запада Воронежской антеклизы. Для клиноптилолита характерна строго регулярная тетраэдрическая структура, в промежутках которой расположены гидратированные катионы и молекулы воды. Отрицательный заряд (АlO₄)^– каркаса матрицы и компенсация его положительным зарядом внекаркасных катионов определяют локальное распределение заряда на поверхности полостей и каналов, доступных для молекул воды. К основным внекаркасным катионам клиноптилолита относятся преимущественно K⁺ и Ca²⁺, а также Мg²⁺ и Na⁺, концентрация которых составляет около 117 ммоль/100 г, согласно его емкости катионного обмена (ЕКО). Мольное отношение Si/Al, определяющее гидрофильно-гидрофобные свойства клиноптилолита, равно 5.5. Суммарный объем пор – 0.44 см³/г, средний диаметр пор – 11.05 нм [19, 20].

В отличие от клиноптилолита, глауконит имеет слоистое строение. Его фазовый состав представлен смешанно-слойными минералами (СМС) ряда иллит–смектит (I–S) с соотношением слоев 20 : 80, а также 50 : 50 (набухающая компонента). Элементный анализ глауконита свидетельствует о присутствии в межслоевом пространстве молекул воды и обменных катионов K⁺, Mg²⁺ и Ca²⁺, число которых обычно лежит в интервале 5–10 ммоль/100 г. Суммарный объем пор составляет 0.31 см³/г, средний диаметр пор – 5.7 нм [21, 22].

В работе использовали гетероциклическую α-аминокислоту L-гистидин (L-α-амино-β-имидазолилпропионовая кислота) фирмы “Reanal”, классификации “ч. д. а.”. Растворимость His в воде при температуре 298 К составляет 4.30 г на 100 г растворителя. Присутствие в молекуле гистидина имидазольного кольца позволяет ему участвовать как в протолитических реакциях, так и в π–π взаимодействиях [12, 14, 15]. Структурная формула гистидина приведена на рис. 1 [23].

Сорбционное равновесие в системе алюмосиликат – водный раствор гистидина исследовали при температуре 295 ± 2 К в статических условиях методом переменных концентраций [24] в интервале 1.2 × 10^–3 до 25.0 × 10^–3 моль/дм³. Сорбцию проводили из водных растворов с рН 7.5 ± 0.2, при которой гистидин присутствовал в растворе в виде цвиттериона (His^±). Концентрацию аминокислоты определяли на спектрофотометре Shimadzu UV-1800 при аналитической длине волны λ = 210 нм [25]. Равновесный раствор анализировали на содержание внекаркасных катионов, принимающих участие в ионном обмене (ионов калия и натрия методом пламенной фотометрии, S_r = 0.07; кальция и магния методом комплексонометрии, S_r = 0.03, S_r = 0.03). Алюмосиликаты до и после сорбции гистидина исследовали методом ИК спектроскопии на спектрометре Vertex 70 с Фурье преобразованием в режиме диффузионного отражения (Bruker, Германия) в диапазоне волновых чисел 400–4000 см^–1 с разрешением 4 см^–1. Интерпретацию ИК спектров осуществляли, используя литературу [26–29]. Экспериментальные результаты обработаны методом математической статистики при доверительной вероятности 0.95.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Экспериментальные изотермы сорбции гистидина в виде цвиттериона на алюмосиликатах из водного раствора приведены на рис. 2. S-образная форма изотерм по классификации ИЮПАК отвечает 4-му типу [30], что позволяет предположить различие в механизме закрепления гистидина с ростом его концентрации в растворе [16, 17]. Анализ равновесной закономерности сорбции His^± осуществляли с учетом вклада ионообменной и необменной составляющих сорбции [14, 31–33], принимая во внимание образование в определенной области концентраций раствора ассоциатов аминокислоты [34]. В условиях равновесия при сорбции аминокислоты из растворов концентрацией С ≤ 4.50 × 10^–3 моль/дм³ количество сорбированного гистидина возрастает пропорционально его концентрации в растворе, а затем на изотермах наблюдается плато. В разбавленных растворах гистидин находится преимущественно в неассоциированном состоянии [34]. На данном участке сорбция His^± протекает с выделением в равновесный раствор эквивалентного количества внекаркасных катионов (К⁺, Na⁺, Са²⁺ и Mg²⁺ для клиноптилолита и К⁺, Mg²⁺, Са²⁺ для глауконита) (рис. 3). Элементный анализ исследуемого глауконита свидетельствует о доминирующем присутствии в межслоевом пространстве обменных катионов К⁺ и об отсутствии катионов Na⁺ [21, 22].

В условиях равновесия при сорбции из растворов с концентрацией менее 4.0 ммоль/дм³ сорбционный параметр для клиноптилолита и глауконита примерно одинаков. Максимальное количество аминокислоты сорбированной по ионообменному механизму отмечается при сорбции из раствора концентрацией 7.50 ммоль/дм³ и составляет для клиноптилолита 0.44 ммоль/г, глауконита – 0.35 ммоль/г. Закрепление His^± на алюмосиликатах по механизму эквивалентного обмена возможно в результате электростатического взаимодействия ${\text{NH}}_{3}^{ + }$-группы аминокислоты с электроотрицательными центрами каркаса сорбентов [AlO⁴]^–. При рассмотрении ионообменной составляющей сорбции необходимо принимать во внимание наличие в равновесном растворе некоторого количества катионов гистидина, а также возможность протонирования цвиттерионов аминокислоты бренстедовскими кислотными центрами сорбентов [15, 19, 29].

Закрепление His^± на алюмосиликатах приводит к появлению на ИК-спектре дополнительных полос поглощения. Полосы, характерные для симметричных и асимметричных СОО^–-групп аминокислоты, проявляются соответственно для клиноптилолита при 1390 и 1630 см^–1, для глауконита – при 1405 и 1640 см^–1. Максимумы полос поглощения при 1560 см^–1 для клиноптитолита и 1574 см^–1 – глауконита отвечают валентным колебаниям имидазольного кольца. Его деформационные колебания характеризуют полосы поглощения для клиноптилолита при 535 и 525 см^–1 – для глауконита. Электростатическое взаимодействие в системе отмечается на ИК спектре в смещении частот валентных колебаний, отвечающих Si–O–Al – группам алюмосиликатов (1050 → 1025 см^–1 для клиноптилолита и 995 → 975 см^–1 для глауконита) и ${\text{NH}}_{3}^{ + }$-группы аминокислоты (для клиноптилолита 3450 → 3430 см^–1 и для глауконита 3450 → → 3435 см^–1), в низкочастотную область спектра.

При сорбции His^± из раствора концентрацией более 7.50 ммоль/дм³ отмечается увеличение сорбционной емкости, при этом количество вытесненных в равновесный раствор внекаркасных катионов снижается (рис. 2, 3). С ростом концентрации раствора His^± возможно экранирование активных центров матрицы алюмосиликатов диссоциированной карбоксильной группой, что создает ограничения для ионного обмена. Согласно литературным данным [4, 18, 34, 35], при концентрации раствора гистидина более 6.50 ммоль/дм³ биомолекулы, самоорганизуясь, образуют структурные ассоциаты за счет образования водородных связей, диполь-дипольного и гидрофобных взаимодействий, количество которых увеличивается с ростом концентрации аминокислоты. Ассоциаты His^± включают от двух до четырех молекул аминокислоты, что позволяет им размещаться в структурной матрице сорбента [4, 31, 32]. Полимолекулярный характер сорбции His^± отмечается появлением на ИК спектре максимумов поглощения при 3120 см^-1 для клиноптилолита и 3115 см^–1 для глауконита, отвечающих колебаниям связи СОО^–…${\text{NH}}_{3}^{ + }$. Наблюдается смещение максимумов полос поглощения, характеризующих колебания имидазольного кольца (1560 → 1545 см^–1) и N–H-связи (3430 → 3410 см^–1) в низкочастотную область спектра.

Для описания сорбционного равновесия по механизму эквивалентного обмена использовали уравнение теории сорбции Ленгмюра в линейной форме [36]:

где Q – количество сорбируемого гистидина при определенной концентрации равновесного раствора, ммоль/г; Q_mono – предельная емкость монослоя аминокислоты, ммоль/г; С_p – равновесная концентрация раствора, ммоль/дм³; K_L – коэффициент сорбционного равновесия, характеризующий интенсивность процесса сорбции, дм³/ммоль. Определены параметры, отвечающие образованию монослоя гистидина, коэффициент сорбционного равновесия (K_L) и предельная емкость монослоя (Q_mono) (табл. 1).

Рассчитана величина свободной энергии Гиббса (ΔG⁰) процесса сорбции гистидина по механизму эквивалентного обмена:

где R – универсальная газовая постоянная (R = = 8.3144 Дж/(моль К); Т – температура (К); K_а – константа изотермы сорбции (безразмерная величина), вычисленная согласно [21, 22]: ${{K}_{a}} \approx {{K}_{L}}{{C}_{{{{{\text{H}}}_{{\text{2}}}}{\text{O}}}}}$, (K_L – константа в уравнении Ленгмюра, дм³/моль; ${{C}_{{{{{\text{H}}}_{{\text{2}}}}{\text{O}}}}}$ – концентрация воды, ммоль/дм³). ΔG⁰ отрицательна, что свидетельствует об энергетической выгодности процесса. Близкие значения энергии Гиббса сорбции аминокислоты на клиноптилолите и глауконите подтверждают, что монослойное закрепление His^± протекает по одному и тому же механизму.

Различия в кристаллохимической структуре, текстурных характеристиках, природе и количестве обменных катионов для клиноптилолита и глауконита не отражаются на форме изотермы, но проявляется в их сорбционной способности по отношению к биполярному иону аминокислоты. В области эквивалентного обмена для клиноптилолита характерна более высокая сорбционная способность (сорбционное отношение клиноптилолит n_кл/n_гл ~ 1.3, где n_кл и n_гл соответственно количество сорбированной аминокислоты клиноптилолитом и глауконитом). Максимальная сорбционная способность глауконита (1.33 ммоль/г) примерно в 1.3 раза ниже, чем клиноптилолита (1.72 ммоль/г). Можно предположить, что преимущество сорбции His^± на клиноптилолите обусловлено более развитой пористостью и поверхностью алюмосиликата, а также большей концентрацией внекаркасных катионов и их лучшей доступностью.

Рассчитан равновесный коэффициент распределения (D) цвиттерионов гистидина между сорбентами и раствором (рис. 4):

где Q − количество His^±, закрепленного на сорбенте, ммоль/г; С_р − равновесная концентрация аминокислоты в растворе, ммоль/дм³; W − удельный объем сорбента, г/дм³.

Ограничение ионного обмена с увеличением концентрации раствора для His^± проявляется в снижении значения коэффициента распределения, что подтверждает влияние стерического фактора. Полимолекулярное закрепление аминокислоты сопровождается на начальном этапе сорбции ростом значения D, а затем его монотонным уменьшением. Большее значение сорбционной емкости для клиноптилолита проявляется в более высоком значении коэффициента распределения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выявлены особенности иммобилизации цвиттерионов гистидина на клиноптилолите и глауконите. Установлен ионообменный характер монослойного закрепления аминокислоты на алюмосиликатах, обусловленный электростатическими взаимодействиями аминогрупп гистидина с электроотрицательными центрами каркаса сорбентов. Гистидин, образуя монослой в результате эквивалентного обмена, выступает в роли модификатора поверхности, что проявляется в резком увеличении сорбционной емкости за счет водородных связей, диполь-дипольных и гидрофобных взаимодействий.

Большая сорбционная способность клиноптилолита по His^± может быть связана с более развитой пористостью и поверхностью каркасного алюмосиликата, а также большей концентрацией внекаркасных катионов и их лучшей доступностью.