在人工胃肠液中CNTs（碳纳米管）上菲的吸附和脱附外文翻译资料

 2022-12-16 11:12

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在人工胃肠液中CNTs（碳纳米管）上菲的吸附和脱附

Zhenyu Wang,dagger; Jian Zhao,dagger;,Dagger; Lei Song,Dagger; Hamid Mashayekhi,Dagger; Benny Chefetz,sect; and Baoshan Xing*,Dagger;

dagger;College of Environmental Science and Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China

Dagger;Department of Plant, Soil and Insect Sciences, University of Massachusetts, Amherst, Massachusetts 01003, United States

sect;Department of Soil and Water Sciences, Hebrew University of Jerusalem, Rehovot 76100, Israel

摘要:

通过模拟胃肠液研究碳纳米管中菲的吸附和其生物利用率。在800mg/L胃蛋白酶溶液（胃中）和500到5000mg/L的碱性胆汁液(肠中)碳纳米管中，菲的吸附是被抑制的。除强大的吸附作用外，菲在胃蛋白酶和高浓度碱性胆汁液（5000mg/L，高于临界胶团浓度）分别是其在水中溶解度的3和30倍。因此这实际上减少了CNT（碳纳米管）上菲的吸附、胃蛋白酶和胆汁液也加快了部分菲从CNT中的解吸。这种快速解吸阶段持续时间一般不超过1h。进一步研究表明，当人工胃液酶浓度偏低时，43-68%的菲能从CNT中解吸释放出来。当浓度高时，53-86%的菲都能被释放出来。这些发现表明参与疏水性有机混合物的释放（从CNT中）可以被生物分子（如胃蛋白酶和胆汁液）增强。因此增加了消化道中吸收菲的生物转化率，并可能加强和菲关联物质的毒性。

说明：

随着CNTs（碳纳米管）产量和用途的扩大，人类接触和摄入它们的风险也在增加。有数种可能途径摄入CNTs。第一，它们被用于医疗健康，食品包装盒生物医学，CNTs可以接近并进一步直接进入人体。第二，环境当中的CNTs可以被水生生物（如鱼类）和陆生植物（如番茄）吸收和积累，从而进入食物链。第三，小孩子的一些不卫生行为（如直接接触土壤），并且土壤中的CNTs可直接进入胃肠道，更有甚者，CNTs已经被广泛应用于去除饮用水或污水处理中疏水物质的重要吸附媒介。例如，在去除饮用水污垢物质的过滤装置当中CNTs被用作吸附剂，这就有潜在污染水源的风险。然而至今为止，CNTs的环境效应和风险尚不明确。有限的口服毒性试验表明，给大鼠2000mg /kg和小鼠1000mg /kg(按体重计)的口服剂量尚未出现死亡现象，生长液无明显影响，以致其他明显临床症状。通过这些研究表明尽管纯CNTs可看作对环境无害，但CNTs因其强大的吸附能力可作为疏水有机污染物的载体。如水处理后HOCs可残留在CNTs中，并随CNTs进入人体胃肠部。另外，多环芳烃（PAHs），作为一种HOCs，广泛用作电弧放电法合成CNTs的碳源，并且是热处理中催化化学气相沉积法的重要副产品。因此PAHs很可能这样残留在CNTs上。CNTs的吸附作用能极大影响PAHs的归趋、迁移和生物积累，这对环境都存在着潜在危害。所以，研究CNTs的吸附作用和胃肠道中CNTs上PAHs的解吸和生物吸收率是很有必要的。

试管胃肠道模型已经被广泛应用于土壤和失误中HOCs生物效应的评估。然而，还未有报道此种在试管内模拟胃肠道中吸附了CNTs的HOCs被消化的方法。人们注意到土壤中HOCs的生物吸收与他们在胃肠液中的溶解度息息相关，并且表面活性生物分子浓度在不同状态下是不同的（例如胆汁盐）。因此，我们根据人类胃肠道不同组成（如西子浓度和生物分子浓度）使用一个试管模型（具备高低两种不同胆汁液浓度）。生物分子本身可能会影响CNTs生PAHs的吸收。

PAHs与其他有机化合物比如溶解有机物和表面污染物的竞争吸附已有研究先例，其相关机理也被探索过，但这些拟建机制对类似胃蛋白酶和胆汁液中的生物分子是佛使用我们不得而知，因生物分子构造不同且极其复杂。此外，在胃肠道中的消化时间是有限的（胃中2h，肠道中4h），因此PAHs的解吸超过6h就不能代表人体消化系统中的情形了。菲是在CNTs热化学气相沉积合成法中的主要PAHs类副产品，且是研究PAHs吸附行为的绝佳代表物质。因此，本课题的研究目标是调查（ⅰ）从CNTs上菲的动力学解吸和胃蛋白酶和胆汁盐的作用（ⅱ）用试管胃肠道模型探寻CNTs上菲在胃肠道中的生物吸收率。

材料与方法：

材料；放射性菲（8.2mu;ci /mu;mol）、未标记的菲、胃蛋白酶、从sigma-aldrich化学共沉淀法中得到的胆汁盐。分子量178.2g /mol分子体积169.5Aring;和辛醇—水分配系数（logKOW）的菲，水中的溶解度在25℃和37℃分别是1.00和1.75mg/L（由May和Wasik计算出）胃蛋白酶（600-1800units/mg蛋白质）是从猪胃粘膜上取得，并且分子量达35千道尔顿（KDa），胆汁液是50%胆酸钠（NaC）和50%脱氧胆酸钠(NaDC)的混合液。三支碳纳米管包括1支单层纳米管（SWCNT）和两支多层纳米管（MWCNT10,MCNT40），由中国深圳纳米科技公司购得。它们的特性在附件表S1列出。

胃肠液准备：

胃肠液是根据人体胃肠液组成成分和量（如离子强度、胃蛋白酶和胆汁盐浓度）确定。简而言之，人工胃液是NaCl-HCl（NaCl0.1mol/L,PH2.0）和800mg/L胃蛋白酶的混合液。人工肠液是中性缓冲溶液（NaCl0.12mol/L,Na2CO30.02mol/L,PH7.5，胆盐浓度或低500mg/L或高5000mg/L）。背景（空白）溶液（0.01mol/LCaCl2、蒸馏水配制,PH7.0），它用来作为胃肠液吸附和解吸过程的对照试验。在所有溶液中加NaN3盐以防菲的分解，并控制最终浓度为200mg/L。

吸附试验：

所有吸附等温线都是在40mL玻璃瓶（温度37℃）时用一组均衡方法获取的。对于菲的吸附，将14C标记和未标记的菲分别在甲醇中溶解并作为储备液。用人工模拟胃液、 肠液（高低不同浓度的胆汁盐液）或背景溶液（CaCl2）0.01mol/L）将菲储备液分别稀释成一系列不同浓度溶液。在每40ml菲溶液当中加入1mgCNTs并保存在小玻璃瓶中。将装有溶液的小玻璃瓶密封并置于37℃恒温振荡器上振荡4天。振荡混匀后用1280 g离心分离15min并取1ml上层清液加入到4ml Ultima Gold XR混合物(Perkin-Elmer)，用(Beckman LS6500)液体闪烁计数器测量。模仿胃肠液中14C标记的菲可被测量。试验表明胃蛋白酶和胆汁盐的存在并未显著影响菲的分析（标号s1），且未从高效液相色谱仪（HPLC）中观测到菲的分解。因此，被CNTs吸附了的菲能通过质量变化直接计算出来。

至于胃蛋白酶和胆汁盐液的吸附，就像上文描述的它们被分别加入了NaCl-HCl和NaCl-NaCO3溶液以获得不同浓度的胃蛋白酶溶液（10-800mg/L）和胆汁盐溶液（200-1600mg/L）。然后分别将20mgSWCNT和MWCNT加入每个装有40mL胃蛋白酶溶液的小瓶，分别将80mgSWCNT和160mg的MWCNTs加到40mL装有胆汁盐溶液小瓶中。所有瓶装溶液均置于37℃振荡器上振荡4h至均匀。离心分离后，将上层青叶通过0.22mu;m聚四氟乙烯滤膜以待分析。上层清液中胃蛋白酶浓度由总有机碳测定仪（TOC-5000A, Shimadzu）测定，测定采用不可吹出有机碳NPOC法。至于胆汁上清液，取0.1mL并加入3mL98%浓硫酸后静置1h。在其最大吸收波长313nm处吸收，由分光光度计测定吸光度（安捷伦8453，USA），并绘制标准曲线（r2=0.9992）。吸附的胃蛋白酶或胆汁盐量可通过最初和最终平衡浓度的差别计算得出。

溶解实验:

胃蛋白酶和胆汁液溶解菲参考了Yang et al的方法。22简而言之，将甲醇中过量的14C标记过的和未标记的菲分别加入到一系列含不同浓度胃蛋白酶或胆汁盐缓冲溶液的20mL小玻璃瓶中，其中瓶子中菲最高浓度为50mg/L，甲醇的体积分数不得超过0.5%以防助溶剂带来的误差。玻璃瓶在37℃下振荡4天离心分离出晶体和溶解菲。上层清液中的菲浓度由液体闪烁计数器测定。胆汁盐（NaCl-Na2CO3缓冲溶液中）临界胶团浓度通过使用下沉曲面分析系统（DSA100，Kruss）测量不同浓度胆汁液的表面张力后获得。

动力学去吸附试验：

菲的去吸附是在人工胃液、肠液（分别有高低不同胆汁盐浓度和背景溶液中用修改的Yang和Xing

的方法分析的。简单地讲，将230mL背景溶液加入到240mL且含6mgCNTs的瓶中。将菲贮备液数次加入到每个瓶中直到一个稳定平衡点（菲浓度达到0.95-0.98mg /L，接近在水中的溶解度），温度控制在25℃。经离心分离后，从每个瓶中取210mL上层清液，并据相同体积的胃液、肠液或背景溶液立即修正。密封这些瓶子并在37℃下振荡以模仿胃肠道中的解吸过程。在不同时段（总解吸时间12h），离心分离后取上层清液转移至闪烁混合液，用液体闪烁计数器测定。移取的样品总量不得超过总液体体积的5%以避免固/水比例出现明显变化。

试管内胃肠模型：

在有序的孵化过程中，先在胃液中分析2h后在肠液中（胆汁中性缓冲溶液）分析4h以模拟胃肠道消化过程，在含6mgCNTs和230mL背景溶液的吸附后，菲的最终平衡浓度为0.95-0.98mg /L（温度保持25℃）。离心分离后，从CNTs混合液中移取210mL上层清液，后按胃液相同体积修正。所有溶液在37℃下振荡来模拟胃部消化过程。在2h的孵化阶段后，用离心机分离溶液并移取210mL上清液，并按人工胃液（含500mg /L或5000mg /L胆汁盐）同等体积以模拟肠消化过程。在4h37℃温度条件下的孵化后，再将这些溶液离心分离，测定各过程上层清液的放射性，然后据其算出被吸附菲的浓度。

数据分析：

所有实验结果一式三份。非线性Freundlich和Langmuir模型可用来匹配菲，胃蛋白酶和胆汁盐吸附等温线。

qe =Kf Cen

qe = Q 0Ce /（KL Ce）

qe----（mg/Kg）溶液平衡吸附浓度。Ce----平衡浓度，Kf[(mg/kg)/(mg/L)n]是Freundlich亲和系数。n----Freundlich指数系数。Q0：最大吸附容量。Kl（mg/L）：Langmuir亲和。CNTs动力学

吸附菲过程可用一级双室模型来表述：St/So=Frap e- Krap t Fslowe-Kslow t。

St和S0分别是去吸附过程时间t（h）和开始时吸附在CNTs上的菲的质量。Frap和Fslow分别是在快速和缓慢脱附阶段的菲。Krap和Kslow（h﹣）分别是用来描述脱附快慢阶段的速率常数。

结果与讨论：

胃肠液中碳纳米管上菲的吸附。所有菲等温线是非线性的（图1，图S2）且适用于Freundlich（表1）和Langmuir（表2）模型。相较于Langmuir模型来说Freundlich适用结果偏低因其radj2（校正系数）。非线性等温线表明CNTs上有不同类型的表面吸附丶或有限可获得吸附点。对于1个给定的CNT，菲的等温线在胃肠液中比表1描述的背景溶液中更趋线性（由于偏高的n值）。CNTs上菲（在两个选定浓度）分别在背景溶液，NaCl-HCl和NaCl-NaCO3溶液（不含胃蛋白酶和胆汁盐）研究结果显示，人工液中离子强度（lt;0.17mol/L）和PH（2-27.5）未显著影响菲（吐S3）的吸附量。因此，人工胃液和胆汁液的偏高n值主要由胃蛋白酶和胆汁盐引起。竞争吸附可能出现在胃蛋白酶/胆汁液之间，这一观点已被在CNT上萘和十六烷基吡啶的一个竞争吸附研究课题结果支持，十六烷基存在情况下n的值有所增加。

Freundlich适用结果基础下的单点吸附系数(K)按以下顺序排列：SWCNTgt;MWCNT40gt;MWCNT10。CNTs上胃蛋白酶和胆汁盐的吸附液经检测图2A,2B）。对于胃蛋白酶（计算出Ce=500mg/L）。MWCNT40的K/Asurf值最高（表S3），说明MWCNT40可为胃蛋白酶和胆汁液提供更易可及的表面。

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