多環(huán)芳烴是由2個(gè)或2個(gè)以上的苯環(huán)排列而成的多環(huán)化合物，不含雜質(zhì)原子或者取代基。這類化合物不易被生物降解，具有致癌、致畸和致突變的特性，對(duì)生物體有著很強(qiáng)的毒性。隨著社會(huì)工業(yè)的不斷發(fā)展，許多工業(yè)廢水中都含有多環(huán)芳烴。這些廢水排放后，對(duì)河流、湖泊和海洋造成污染，進(jìn)而污染整個(gè)生態(tài)環(huán)境。菲是一種能對(duì)人體健康造成嚴(yán)重危害的多環(huán)芳烴化合物，已被許多國家和地區(qū)列為20多種優(yōu)先預(yù)防和消除的多環(huán)芳烴污染物。目前去除多環(huán)芳烴的技術(shù)有吸附、光催化降解、氧化技術(shù)和生物修復(fù)等，其中吸附法由于選擇性強(qiáng)、綠色、操作簡單等特點(diǎn)而備受青睞，而其他的方法存在去除成本高、去除率低、二次污染嚴(yán)重等缺點(diǎn)。因此，開發(fā)易于分離、回收、快速和高效的吸附劑具有重要意義。
DNA由堿基、脫氧核糖和磷酸組成，并通過堿基對(duì)互補(bǔ)的氫鍵連接形成雙螺旋結(jié)構(gòu)。DNA雙鏈的特殊結(jié)構(gòu)使其能夠與平面小分子物質(zhì)結(jié)合，1961年，LERMAN發(fā)現(xiàn)吖啶通過疏水作用、范德華力等非共價(jià)作用嵌入到DNA雙鏈的堿基對(duì)中。相關(guān)研究表明，一些平面小分子如黃曲霉毒素類和多環(huán)芳烴類以嵌入的方式進(jìn)入DNA雙鏈的堿基對(duì)中。呂嘉楠等發(fā)現(xiàn)菲借助范德華力和氫鍵嵌入到DNA雙鏈的堿基對(duì)中，在體外以嵌入的方式與DNA相互作用形成DNA-菲復(fù)合物。但DNA是水溶性分子，菲與其結(jié)合后不易將復(fù)合物從水中分離。而磁性納米材料表面可修飾，并且具有磁響應(yīng)性和生物安全性，常被用于DNA的分離和純化。因此，基于DNA與菲之間存在的嵌入作用以及磁性納米顆粒與DNA的結(jié)合作用，將DNA磁性納米顆粒作為一種新的吸附劑去除污水中的菲。
本研究考察了時(shí)間、菲的初始質(zhì)量濃度和溫度等因素對(duì)DNA結(jié)合菲的影響，以及對(duì)DNA磁性納米顆粒去除菲的影響。優(yōu)化了吸附參數(shù)，并且通過吸附動(dòng)力學(xué)、等溫線和熱力學(xué)模型進(jìn)一步分析DNA磁性納米顆粒對(duì)菲的吸附機(jī)理。
1、材料與方法
1.1 材料
菲(99%)標(biāo)準(zhǔn)品(壇墨質(zhì)檢科技股份有限公司)；鯡魚精子DNA(北京索萊寶生物科技有限公司)；磁性納米顆粒(MSi100-DNA-0507，英芮誠生化科技有限公司)；本實(shí)驗(yàn)中使用的其他化學(xué)品均為分析純級(jí)。使用三級(jí)蒸餾水制備溶液。
1.2 儀器
熒光分光光度計(jì)(CaryEclipse，美國安捷倫科技有限公司)；溫控振蕩器(IS-RDV3，美國晶體技術(shù)有限公司)；紫外分光光度計(jì)(Cary-60，美國安捷倫科技有限公司)；熒光顯微鏡(DM4B，德國徠卡公司)；渦旋混合器(V2，中國沙海一恒有限公司)。
1.3 DNA磁性納米顆粒的制備
取20μL50mg·mL−1磁性納米顆粒懸浮液于EP管中，利用磁性分離架取出清液保留沉淀，加入500μL0.10mg·mL−1DNA溶液，與磁性納米顆粒混合均勻。將其放入40℃，轉(zhuǎn)速為300r∙min−1的恒溫?fù)u床中混合240min，之后利用磁性分離架將沉淀與溶液分離，得到DNA磁性納米顆粒。DNA溶液的濃度根據(jù)式(1)計(jì)算。
式中：A為DNA在260nm處的吸光度；ε為常數(shù)，6600L∙(mol∙cm)−1；b為比色皿的厚度，cm；c為DNA溶液的摩爾濃度，mol∙L−1。
根據(jù)初始DNA的濃度減去結(jié)合后清液中DNA的濃度，得到負(fù)載DNA的容量。計(jì)算得到DNA負(fù)載到磁性納米顆粒的容量為3.45μg·mg−1。
1.4 結(jié)合與吸附菲的實(shí)驗(yàn)
1)菲與DNA結(jié)合的實(shí)驗(yàn)。用無水乙醇制備菲母液(100mg·L−1)，用母液和Tris-HCl緩沖溶液(pH=7.4)制備不同質(zhì)量濃度的菲溶液，用Tris-HCl緩沖溶液維持體系的pH。將菲溶液(3mL)與DNA溶液(1mL)置于EP管中，放入300r∙min−1的溫控振蕩器中振蕩90min，加入磁性納米顆粒，使其結(jié)合溶液中的DNA-菲復(fù)合物，用磁性分離架將負(fù)載復(fù)合物的磁性納米顆粒與溶液分離。將溶液轉(zhuǎn)移至比色皿中，用熒光分光光度計(jì)測定溶液中菲的質(zhì)量濃度。實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次，以確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。
2)DNA磁性納米顆粒對(duì)菲的吸附實(shí)驗(yàn)。取一定量的吸附劑放入EP管中，加入菲溶液(1mL)，移至300r∙min−1的溫控振蕩器中振蕩90min。之后用磁性分離架將DNA磁性納米顆粒與溶液分離，將溶液轉(zhuǎn)移至比色皿中，用熒光分光光度計(jì)測定溶液中菲的質(zhì)量濃度。實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次。菲的去除率和吸附容量分別使用式(2)和式(3)計(jì)算。
式中：R為去除率，%；C0和Ci分別為菲的初始質(zhì)量濃度和吸附后的質(zhì)量濃度，μg·L−1；V0和Vi分別為吸附前和吸附后溶液的體積，L；m為吸附劑的質(zhì)量，g；q為吸附劑的吸附容量，mg·g−1。
1.5 吸附動(dòng)力學(xué)、等溫線和熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)
1)吸附動(dòng)力學(xué)模型。用準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)(式(4))、準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)(式(5))和粒子內(nèi)擴(kuò)散模型(式(6))描述DNA磁性納米顆粒對(duì)菲的吸附過程。
式中：qe為平衡吸附量，mg·g−1；qt為t時(shí)刻的吸附量，mg·g−1；k1為準(zhǔn)一級(jí)吸附速率常數(shù)，min−1；k2為準(zhǔn)二級(jí)吸附速率常數(shù)，g·(mg·min)−1。
式中：ki為粒子內(nèi)擴(kuò)散速率常數(shù)，mg·(g·min0.5)−1；C為與邊界厚度有關(guān)的常數(shù)。
2)吸附等溫線模型。使用Langmuir(式(7))、Freundlich(式(8))和Dubinin-Radushkevich(式(9))模型進(jìn)行了吸附等溫線研究。
式中：qe為平衡吸附量，mg·g−1；qm為最大吸附量，mg·g−1；Ce為吸附平衡時(shí)的質(zhì)量濃度，mg·L−1；KL為Langmuir吸附平衡常數(shù)，L·mg−1；KF為Freundlich吸附平衡常數(shù)；n為無量綱因子；Kad為DubininRadushkevich平衡常數(shù)，mol2·kJ−2；qs為理論最大吸附量，mg·g−1；ε為Polanyi電勢，kJ·mol−1，通過式(10)計(jì)算。
式中：T為吸附絕對(duì)溫度，K；R為理想氣體常數(shù)，8.314J·(mol·K)−1；根據(jù)Dubinin-Radushkevich等溫線方程，可以得到平均吸附能E(kJ·mol−1)，通過式(11)計(jì)算。
3)吸附熱力學(xué)模型。為了有效的評(píng)價(jià)吸附劑的吸附性能，根據(jù)熱力學(xué)參數(shù)：吉布斯自由能(ΔG)、焓變(ΔH)和熵變(ΔS)提供的信息，了解吸附機(jī)理。吸附熱力學(xué)模型如式(12)~式(15)所示。
式中：ΔG為吉布斯自由能，kJ·mol−1；ΔH為焓變，kJ·mol−1；ΔS為熵變，J·(mol·K)−1。
2、結(jié)果與討論
2.1 DNA與菲的結(jié)合的影響因素分析
1)時(shí)間對(duì)結(jié)合率的影響。
如圖1(a)所示，隨著時(shí)間的增加，DNA與菲的結(jié)合率不斷升高，在菲初始質(zhì)量濃度為150、200、250μg∙L−1的體系中，50min時(shí)結(jié)合率分別為95.47%、93.46%、91.14%，之后趨于平衡。這是因?yàn)樵诜磻?yīng)前50min溶液中DNA的質(zhì)量濃度較高，之后大部分的DNA與菲結(jié)合，其結(jié)合菲的能力有所降低，結(jié)合率變化不明顯，結(jié)合達(dá)到平衡。因此，50min為DNA結(jié)合菲的最佳時(shí)間。
2)溫度對(duì)結(jié)合率的影響。
由圖1(b)可知，溫度為15℃時(shí)，菲的結(jié)合率最低，在35℃時(shí)增至最大，之后略微下降。這是因?yàn)闇囟容^低時(shí)，體系中的分子活性被抑制，DNA與菲的結(jié)合效率下降。隨著溫度的不斷升高，體系中分子活性得到提升，DNA與菲更容易結(jié)合。體系溫度高于35℃后，可能使DNA與菲之間的結(jié)合能力減弱，結(jié)合率下降。因此，DNA結(jié)合菲的最佳溫度為35℃。
3)菲初始質(zhì)量濃度對(duì)結(jié)合率的影響。
如圖1(c)所示，菲的初始質(zhì)量濃度由100μg∙L−1增加至350μg∙L−1，結(jié)合率由96.41%降至79.92%。菲的初始質(zhì)量濃度較低時(shí)，體系中DNA的結(jié)合能力較強(qiáng)，結(jié)合率較高。菲的初始質(zhì)量濃度增加，DNA的結(jié)合能力不足，當(dāng)體系中菲與大部分DNA結(jié)合后，剩余的菲與DNA的結(jié)合變得困難，結(jié)合率降低。
4)DNA質(zhì)量濃度對(duì)結(jié)合率的影響。
隨著體系中DNA質(zhì)量濃度的增加，結(jié)合率不斷升高。如圖1(d)所示，結(jié)合率從0.5mg∙mL−1時(shí)的89.81%增長到了2.5mg∙mL−1時(shí)的97.17%。DNA質(zhì)量濃度較低時(shí)，體系中DNA的結(jié)合能力較低，溶液中未結(jié)合的菲較多，結(jié)合率低。DNA質(zhì)量濃度增加，結(jié)合能力增強(qiáng)，結(jié)合菲的容量隨之增加。
2.2 熒光顯微鏡觀察
包括菲在內(nèi)的大多數(shù)多環(huán)芳烴均具有熒光效應(yīng)，當(dāng)在熒光顯微鏡下被紫外線照射時(shí)，能觀察到熒光斑點(diǎn)。用熒光顯微鏡觀察DNA磁性納米顆粒吸附菲前和吸附后的熒光變化情況，結(jié)果如圖2所示。在吸附菲后(圖2(b))的DNA磁性納米顆粒上可以觀察到明顯的熒光斑點(diǎn)，說明菲已經(jīng)吸附到DNA磁性納米顆粒上。表明DNA磁性納米顆粒能夠有效吸附菲。
2.3 DNA磁性納米顆粒對(duì)菲的吸附
1)時(shí)間對(duì)吸附效果的影響。
在35℃，pH為7.4的條件下吸附90min后，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3(a)所示。前10minDNA磁性納米顆粒對(duì)菲的吸附速度較快，隨后去除率不斷升高，50min后吸附趨于平衡。吸附初始階段，體系中有較多的嵌入位點(diǎn)。隨著時(shí)間的增加，大部分嵌入位點(diǎn)被菲占據(jù)，體系中的位點(diǎn)不斷減少，吸附速率變緩，吸附逐漸達(dá)到平衡。因此，最佳的吸附時(shí)間為50min。
2)溫度對(duì)吸附效果的影響。
在溫度從15℃升高至35℃的過程中，菲的去除率不斷增加，35℃后去除率降低，如圖3(b)所示。溫度升高，體系中的分子活性增加，吸附劑吸附菲的能力增強(qiáng)，去除效果較好。溫度高于35℃時(shí)，溶液中分子的運(yùn)動(dòng)速率加快且混溶性變高，可能引起菲的解吸，導(dǎo)致去除率下降。因此，35℃為吸附的最佳溫度。
3)菲初始質(zhì)量濃度對(duì)吸附效果的影響。當(dāng)菲的質(zhì)量濃度由100μg·L−1增加到350μg·L−1，去除率由96.47%降至61.79%，如圖3(c)所示。菲的質(zhì)量濃度較低時(shí)，吸附體系中有充足的嵌入位點(diǎn)，能夠有效的吸附菲。菲的質(zhì)量濃度增加后，體系中的嵌入位點(diǎn)不足，當(dāng)大部分位點(diǎn)被占據(jù)后，菲與剩余位點(diǎn)結(jié)合的概率降低，導(dǎo)致去除效果下降。
4)pH對(duì)吸附效果的影響。
當(dāng)溶液pH為中性時(shí)，吸附劑對(duì)菲的去除效果最佳，偏酸或偏堿時(shí)，去除率降低，如圖3(d)所示。溶液中pH的變化對(duì)DNA的磷酸骨架結(jié)構(gòu)有一定的影響，進(jìn)而影響對(duì)菲的去除效果。當(dāng)pH較低時(shí)，溶液中的氫離子含量增加，可能會(huì)導(dǎo)致吸附劑發(fā)生質(zhì)子化的現(xiàn)象，導(dǎo)致去除效果下降。pH較高時(shí)，溶液中較多的氫氧根離子可能會(huì)削弱吸附劑與吸附質(zhì)之間的靜電吸引力。無論是在酸性或者堿性條件下，DNA磁性納米顆粒對(duì)菲的去除效果均會(huì)降低。因此，吸附的最佳pH為6.9~7.4。
5)環(huán)境共存物質(zhì)對(duì)吸附效果的影響。
環(huán)境共存物質(zhì)的存在會(huì)影響DNA磁性納米顆粒對(duì)菲的吸附效果。吸附體系中環(huán)境共存物質(zhì)的質(zhì)量濃度見表1。一些常見的離子，如Ca2+、Mg2+和Cl−等對(duì)去除效果沒有影響。但在吸附體系中加入十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)和十二烷基硫酸鈉(SDS)這類表面活性劑后，去除率大幅降低。可能是表面活性劑在溶液中產(chǎn)生膠束，菲在其膠束內(nèi)核中聚集，從而影響DNA磁性納米顆粒對(duì)菲的吸附效果。并且表面活性劑對(duì)DNA的結(jié)構(gòu)具有一定的破壞作用，其能改變?nèi)芤旱慕缑鎻埩Γ?/span>DNA由拉伸狀態(tài)被壓縮成小球狀態(tài)，這些變化使菲與DNA之間的結(jié)合變得困難。在吸附體系中加入葡萄糖、尿素和氨基酸這類物質(zhì)，則對(duì)去除效果沒有影響。
6)與已報(bào)道吸附劑的吸附性能比較。
已報(bào)道的其他吸附劑的吸附性能如表2所示。有機(jī)膨潤土、石墨烯-生物炭復(fù)合材料等吸附劑對(duì)菲均有較好的去除效果，DNA磁性納米顆粒對(duì)菲的去除率為96.47%，與氧化鈣-活性炭納米復(fù)合材料的去除率接近，但高于石墨烯-生物炭復(fù)合材料、TiO2-石墨烯復(fù)合材料等其他吸附劑。DNA磁性納米顆粒達(dá)到吸附平衡的時(shí)間也遠(yuǎn)小于聚環(huán)糊精、石墨烯-生物炭復(fù)合材料等吸附劑。因此，DNA磁性納米顆粒作為一種去除菲的吸附劑，具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。
2.4 吸附動(dòng)力學(xué)、等溫線和熱力學(xué)
1)吸附動(dòng)力學(xué)。
繪制了準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)和準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型曲線，如圖4(a)所示。表3為動(dòng)力學(xué)模型的相關(guān)參數(shù)。可知，準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)(R2≥0.9965)的R2優(yōu)于準(zhǔn)一級(jí)(R2≤0.9528)，并且由準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)得到的平衡吸附量與實(shí)驗(yàn)實(shí)際測得的十分接近。因此，DNA磁性納米顆粒吸附菲的過程遵循準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型。粒子內(nèi)擴(kuò)散模型擬合如圖4(b)所示，參數(shù)見表4。吸附劑吸附不同質(zhì)量濃度菲的qt和t0.5的關(guān)系均為線性，且均沒有通過原點(diǎn)，說明粒子內(nèi)擴(kuò)散不是唯一的限速步驟，還涉及到孔擴(kuò)散和膜擴(kuò)散過程。
2)吸附等溫線。
等溫線擬合如圖4(c)所示，參數(shù)見表5。可知，Langmuir模型的(R2≥0.9974)相關(guān)系數(shù)高于Freundlich模型(R2≤0.8156)，并且Langmuir模型在15、25、35℃得到的理論吸附量與實(shí)際測得的較為吻合。因此，DNA磁性納米顆粒對(duì)菲的吸附符合Langmuir模型，表明吸附劑具有均勻的表面，吸附發(fā)生在單分子層。Dubinin-Radushkevich模型擬合如圖4(d)所示，參數(shù)見表6。平均吸附能E的大小反映了吸附的機(jī)制，如物理吸附(E<8kJ·mol−1)、離子交換(8<E<16kJ·mol−1)和化學(xué)吸附(E>16kJ·mol−1)。實(shí)驗(yàn)得到的E≤3.44kJ·mol−1，表明吸附劑吸附菲的過程存在物理吸附。
3)吸附熱力學(xué)。
圖5(a)為DNA磁性納米顆粒吸附菲的lnKd與1/T的線性圖。在35℃時(shí)，根據(jù)線性圖5(a)的斜率和截距計(jì)算得到吸附劑吸附不同質(zhì)量濃度菲的焓變(ΔH)和熵變(ΔS)，結(jié)果如表7所示。可見，吸附過程中的ΔG為負(fù)值，說明吸附為自發(fā)進(jìn)行，吸附實(shí)驗(yàn)具有可行性。隨著菲的初始質(zhì)量濃度不斷增加，ΔG不斷減小，表明體系中菲的質(zhì)量濃度越大越不利于吸附的進(jìn)行。吸附劑與吸附質(zhì)之間主要存在物理和化學(xué)2種吸附方式，當(dāng)ΔH在5~40kJ·mol−1時(shí)主要是物理吸附，在40~125kJ·mol−1時(shí)為化學(xué)吸附。ΔH為正值表明吸附過程是吸熱的，ΔH≤33.96kJ·mol−1，小于40kJ·mol−1，表明吸附過程涉及物理吸附。并且ΔS>0，表明固體吸附界面的隨機(jī)性增加，菲被DNA磁性納米顆粒吸附后，吸附體系更加混亂。
2.5 磁性納米顆粒的重復(fù)利用
堿性緩沖溶液能夠破環(huán)DNA和磁性納米顆粒之間的離子平衡，將DNA與磁性納米顆粒分離，使磁性納米顆粒得到重復(fù)利用。實(shí)驗(yàn)使用磷酸鹽緩沖溶液(pH=12)洗滌DNA磁性納米顆粒，用磁性分離架去除洗滌后的清液，重復(fù)洗滌5~6次。將洗滌后的磁性納米顆粒重新與DNA結(jié)合，進(jìn)行吸附實(shí)驗(yàn)。如圖5(b)所示，重復(fù)進(jìn)行6次后，制備的DNA磁性納米顆粒對(duì)菲的去除率在90%以上，表明磁性納米顆粒具有較好的重復(fù)利用性。
3、結(jié)論
本研究基于DNA與菲之間存在的嵌入作用，證明了DNA結(jié)合菲的能力較強(qiáng)，隨后將DNA與磁性納米顆粒結(jié)合，制備了DNA磁性納米顆粒，得出如下結(jié)論。
1)在35℃、pH=7.4、結(jié)合時(shí)間為50min、DNA的質(zhì)量濃度為0.1mg∙mL−1、菲的初始質(zhì)量濃度分別為150、200、250μg∙L−1時(shí)，DNA與菲的結(jié)合率分別為95.47%、93.46%、91.14%，結(jié)合量分別為4.296、5.067、6.836mg∙g−1。
2)其他條件相同時(shí)，在吸附劑用量為1mg、菲的初始質(zhì)量濃度分別為100、150、200、250μg∙L−1時(shí)，DNA磁性納米顆粒對(duì)菲的去除率分別為96.47%、95.61%、93.46%、88.03%，吸附量分別為96、143、187、220μg∙g−1。水中的一些天然離子和其他物質(zhì)對(duì)吸附劑去除菲的效果影響較小，但表面活性劑對(duì)去除效果影響較大。
3)DNA磁性納米顆粒對(duì)菲的吸附符合準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型和Langmuir模型，說明吸附劑表面均勻，吸附發(fā)生在單分子層。粒子內(nèi)擴(kuò)散模型表明吸附不僅僅受限于粒子內(nèi)擴(kuò)散。熱力學(xué)參數(shù)表明吸附過程是自發(fā)和吸熱的。
4)磁性納米顆粒具較好的重復(fù)利用性，經(jīng)過6次的吸附解吸后，再次制備的DNA磁性納米顆粒對(duì)菲的去除率仍能達(dá)到90%以上。（來源：廣西科技大學(xué)生物與化學(xué)工程學(xué)院）
