采用耗尽法研究短肽在溶液分散无机纳米颗粒上的吸附

摘要

理解生物分子-无机固相相互作用的第一步是揭示可通过建立吸附等温线来评估的基本物理化学常数。液相中的吸附受到动力学、表面容量、pH值以及竞争性吸附的限制，因此在设置吸附实验之前应谨慎考虑所有这些因素。

摘要

无机-有机相互作用的基本原理在发现和开发可用于生物技术和医学领域的新型生物界面中至关重要。近期研究表明，蛋白质通过有限的吸附位点与表面相互作用。氨基酸和多肽等蛋白质片段可用于模拟复杂生物大分子与无机表面之间的相互作用。在过去三十年中，已发展出多种有效且灵敏的方法来测定这些相互作用的物理化学基础：等温滴定 calorimetry（ITC）、表面等离子体共振（SPR）、石英晶体微天平（QCM）、全内反射荧光（TIRF）以及衰减全反射光谱法（ATR）。

测量吸附的最简单且最经济的方法是耗尽法，该方法通过计算溶质与溶液分散的吸附剂接触后浓度的变化（即耗尽量），并假设该变化量即为被吸附的量。基于耗尽数据构建的吸附等温线可提供所有基本的物理化学信息。然而，由于动力学限制以及高比表面积吸附剂的存在，溶液中的吸附过程需要更长的平衡时间，使得该方法几乎不适用于宏观固定平面表面。此外，在研究肽类吸附时，还需考虑溶胶不稳定性、纳米颗粒聚集体、吸附剂结晶度、纳米颗粒尺寸分布、溶液pH值以及吸附竞争等因素。耗尽法等温线的构建能够为几乎所有可溶性吸附质提供全面的物理化学数据，同时仍是最易实施的方法，因其无需昂贵的实验装置。本文介绍了一种研究肽类在无机氧化物表面吸附的实验基本方案，并涵盖了影响该过程的所有关键要点。

引言

近50年来，无机表面与多肽之间的相互作用因其在材料科学和医学领域的重要意义而受到广泛关注。生物医学研究主要关注生物无机表面的相容性与稳定性，这直接关系到再生医学、组织工程^1、2、3以及植入技术^{4、5、6、7}的发展。当前的生物响应装置，如传感器和执行器，通常依赖于固定在氧化物半导体表面的功能性蛋白质^{8、9、10、11、12、13}。现代蛋白质生产中的纯化工艺通常依赖于生物分子在下游纯化与分离过程中的相互作用特性¹⁴。

在多种无机氧化物中，二氧化钛仍是与生物相关底物结合使用最广泛的材料^15,16。基于TiO₂的生物界面研究主要集中于实现蛋白质和多肽的强效且特异性结合，同时不改变其生物学和结构特性。最终主要目标是构建具有高表面密度、高稳定性及增强功能性的生物分子层，从而推动基于钛的生物技术和医学应用的发展¹⁷。

钛及其合金作为外科植入材料已广泛应用了至少六十年，因其表面存在厚度仅为数纳米的 TiO₂ 层，具有耐腐蚀性，并在多种体内应用中表现出高度的生物相容性^18,19,20。二氧化钛也被广泛视为生物矿化过程中生成的一种无机基质，其中在蛋白质和多肽的参与下发生的成核及无机相生长，可能赋予材料优异的催化和光学性能^21,22,23,24。

鉴于无机材料与生物分子之间的相互作用，特别是蛋白质与TiO₂之间的相互作用具有重要意义，已有大量研究致力于调控蛋白质在TiO₂表面的吸附行为。通过这些研究，人们揭示了该相互作用的一些基本特性，如吸附动力学、表面覆盖率以及生物分子的构象，为生物界面领域的进一步发展提供了有力支持^5,13。

然而，蛋白质的复杂性对全面确定和理解其在分子水平上与无机表面的相互作用带来了显著限制。假设生物分子通过有限的位点与无机表面相互作用，一些具有已知结构和氨基酸序列的蛋白质已被简化为其组成单元——肽段和氨基酸，并被分别进行研究。其中一些肽段已显示出显著的活性，使其成为吸附研究的独特对象，而无需事先进行蛋白质分离^{25,26,27,28,29,30}。

过去几十年来，已针对生物分子开发了多种物理方法，可用于定量表征多肽在TiO₂或其他无机表面的吸附行为。这些方法包括等温滴定 calorimetry（ITC）、表面等离子体共振（SPR）、石英晶体微天平（QCM）、全内反射荧光（TIRF）以及衰减全反射光谱（ATR），均可通过提供关键的热力学数据——结合常数、吉布斯自由能、焓和熵³¹——来检测吸附强度。

生物分子对无机材料的吸附可通过两种方式实现：1）等温滴定量热法（ITC）以及耗尽法使用分散在溶液中的颗粒结合固定的宏观表面；2）表面等离子体共振（SPR）、石英晶体微天平（QCM）、全内反射荧光（TIRF）和衰减全反射（ATR）则使用经无机材料修饰的宏观表面，例如分别使用镀金玻璃或金属芯片、石英晶体、硫化锌晶体和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）芯片。

等温滴定 calorimetry（ITC）是一种无标记的物理方法，用于测量溶液或非均相混合物在滴定过程中产生或消耗的热量。灵敏的量热池可检测低至100纳焦耳的热效应，使得测量纳米粒子表面吸附热成为可能。在连续加样—滴定过程中，吸附质的热行为提供了相互作用的完整热力学特征，揭示在给定温度下的焓变、结合常数和熵变^{32,33,34,35,36}。

表面等离子体共振（SPR）光谱法是一种基于测量靠近被研究表面的介质折射率的表面敏感型光学技术。该方法可实时、无标记地监测可逆吸附过程及吸附层厚度。结合关联速率与解离速率，可计算出结合常数。在不同温度下进行的吸附实验，可提供有关活化能随温度变化的信息，并进一步获得其他热力学参数^37,38,39。

石英晶体微天平（QCM）方法通过测量压电晶体在吸附和脱附过程中振荡频率的变化来实现检测。结合常数可通过吸附与脱附速率常数的比值计算得出。QCM用于相对质量测量，因此无需校准^25,27,40。QCM可用于气体和液体中的吸附研究。液相技术使QCM能够作为一种分析工具，用于表征在不同修饰表面上的沉积过程⁴¹。

全内反射荧光（TIRF）是一种基于内反射产生的隐逝波激发吸附型荧光分子，并检测其荧光信号的高灵敏度光学界面技术。该方法可检测覆盖在表面、厚度仅为数十纳米的荧光分子，因此被广泛应用于研究大分子在各种表面上的吸附行为^42,43。通过原位监测吸附与脱附过程中的荧光动力学变化，可以获得吸附动力学参数，进而推导出热力学数据^42,43。

Roddick-Lanzilotta 采用衰减全反射（ATR）法，基于赖氨酸在 1,600 和 1,525 cm^-1 处的光谱峰，建立了赖氨酸吸附等温线。这是首次利用原位红外方法测定肽在 TiO₂ 上的结合常数⁴⁴。该技术已成功用于聚赖氨酸肽⁴⁵和酸性氨基酸⁴⁶吸附等温线的建立。

与上述原位测量吸附参数的方法不同，在常规实验中，通过表面接触溶液后溶液中浓度的变化来测定吸附的生物分子量。由于在绝大多数吸附情况下，溶质的浓度会降低，因此该方法被称为耗尽法。浓度测定需要经过验证的分析方法，该方法可基于溶质的内在分析特性，或基于标记^47,48,49,50或衍生化^51,52技术。

使用石英晶体微天平（QCM）、表面等离子体共振（SPR）、全内反射荧光（TIRF）或衰减全反射（ATR）进行吸附实验时，需要对用于吸附研究的芯片和传感器进行特殊的表面处理。制备好的表面只能使用一次，在更换吸附质时必须更换，因为氧化物表面不可避免会发生水合，或吸附质可能发生化学吸附。使用等温滴定量热法（ITC）、QCM、SPR、TIRF 或 ATR 时，每次只能运行一个样品；而在耗尽法中，可以同时运行数十个样品，其数量仅受限于恒温设备的容量和吸附剂的可用性。这在处理大批量样品或生物活性分子库时尤为重要。重要的是，耗尽法不需要昂贵的仪器，仅需一个恒温装置即可。

然而，尽管该耗竭法具有明显优势，但其操作步骤较为复杂，可能显得繁琐。本文介绍了如何利用耗竭法对二肽在TiO₂表面的吸附进行系统的物理化学研究，并探讨了研究人员在开展相关实验时可能遇到的问题。

方案

1. 二肽储备液的配制与稀释

1. 16 mM 二肽溶液的制备
   1. 将0.183 g二肽（Ile-His）置于（参见 材料清单在无菌聚合物试管中，用双蒸水（DDW）定容至35 mL，并在室温（RT）下剧烈搅拌溶解。
      注意：如果二肽在搅拌条件下不溶于双蒸水（DDW），可将二肽溶液置于超声波水浴中，超声数分钟。
   2. 制备50 mM的2-(N-吗啉代)乙磺酸（MES）缓冲液，通过将0.533 g干燥的2-(N在无菌试管中，将 2-吗啉乙磺酸溶于 50 mL 去离子水。通过将 200 mg 氢氧化钠溶解于 100 mL 去离子水中，配制 50 mM 氢氧化钠溶液。
   3. 将预先溶解的二肽溶液在室温下搅拌，并使用pH计监测pH值，通过微量滴定小心加入50 mM MES或50 mM氢氧化钠溶液，将pH调节至7.4。调节pH后，将溶液倒入量筒中，冲洗试管，并用去离子水定容至40 mL，得到终浓度为16 mM的溶液。
2. 从16 mM 储备液配制二肽稀释液
   1. 用双蒸水（DDW）稀释16 mM二肽溶液，配制浓度介于0.4至12.0 mM之间的肽溶液。例如，配制8 mM二肽溶液时，向10 mL的16 mM二肽溶液中加入7 mL DDW。稀释后，逐滴加入50 mM MES或50 mM NaOH，调节溶液pH至7.4（参见步骤1.1.3）。pH调节完成后，将溶液倒入量筒中，用DDW冲洗试管，并继续向量筒中添加DDW至总体积为20 mL，使二肽终浓度为8 mM。
      注意：根据需要，将16 mM二肽储备液稀释为以下浓度：0.4、0.8、1.2、1.6、2.0、3.0、4.0、8.0 和 12.0 mM 图1每种二肽溶液pH值调整至7.4的操作详见步骤1.1.3。

2. 二氧化钛溶胶的制备

1. 将1.066 g MES溶解于500 mL去离子水中，配制10 mM MES缓冲液。在搅拌条件下，使用pH计监测pH值，并用干燥的氢氧化钠调节pH至7.4。
2. 在研钵中研磨200 mg纳米晶TiO₂，至少研磨5分钟（见材料表）。
3. 称取40 mg已研磨的二氧化钛纳米颗粒，放入实验室烧瓶中。使用实验支架将烧瓶固定后置于超声浴中（见材料表）。
4. 向含有TiO₂的烧瓶中加入20 mL 10 mM MES缓冲液，在超声波清洗器（5 L，40 kHz，120 W）中超声处理20分钟。

3. 混合与恒温

1. 将恒温器（参见材料表）设定至所需温度（即 0.00、10.00、20.00、30.00 或 40.00 °C）。
2. 向已标记的吸附管中加入 1 mL 超声处理后的 TiO₂ 溶胶。将标记好的吸附管与对应的二肽稀释液配对，插入由挤出聚苯乙烯泡沫制成的简易浮架中。将装有标记吸附管及对应二肽稀释液的浮架放入恒温器中，至少预平衡 5 分钟。
3. 向每个对应的标记吸附管中加入 1 mL 各种二肽稀释液，确保所有混合溶液温度一致。将所得的一系列吸附样品在恒温器中于 0.00、10.00、20.00、30.00 或 40.00 °C 条件下保持 24 小时，以达到吸附平衡。
   注意：在将样品放入恒温器前，需小心振荡所有所得分散液。
4. 在恒温过程中，定期通过手动振荡混合 TiO₂ 分散液。

4. 恒温样品的过滤

1. 为避免温度变化引起的重新平衡，从恒温器中每次只取出一个样品进行过滤。
2. 使用注射器通过注射器针头从每个玻璃小瓶中吸取二肽溶液样品。取下针头，将注射器过滤器（参见材料表）安装到注射器上，过滤二肽溶液至玻璃小瓶中。对其他样品重复此过滤操作。
3. 按照第5节所述分析滤液。
   注意：请勿离心样品，因为离心需要数分钟，可能导致浓度平衡发生变化。

5. 衍生化与高效液相色谱分析

1. 配制50 mL的三氟乙酸（TFA）乙腈溶液。在量筒中加入0.34 mL TFA，并用乙腈在室温下定容至50 mL。
   注意：操作TFA时应在通风橱内进行，并确保有排风装置，因为三氟乙酸吸入后有害，可导致严重皮肤灼伤，即使在低浓度下也对水生生物具有毒性⁵³。
2. 通过将299 µL苯基异硫氰酸酯和347 µL三乙胺加入量筒中，再用乙腈在室温下定容至50 mL，配制衍生化试剂（即埃德曼试剂⁵⁴）。
3. 在高效液相色谱（HPLC）分析前，将样品在色谱小瓶中用埃德曼试剂进行衍生化处理。取400 µL样品与400 µL埃德曼试剂混合，于60 °C加热15分钟。加热后，加入225 µL TFA溶液中和样品，并静置数分钟使样品冷却至室温。
4. 采用高效液相色谱分析（见材料表）测定二肽溶液在吸附前后浓度。将含有待测溶液的色谱小瓶放入HPLC自动进样器中，按照软件设定的必要条件开始分析（见材料表）。
   注：流动相由含0.1% TFA的去离子水和纯乙腈组成，乙腈梯度在13分钟内从20%升至90%，检测波长为286 nm。每个样品重复分析三次。使用先前建立的校准曲线（图2）测定二肽溶液浓度。色谱分析具体参数参见Shchelokov等人的研究⁵⁵。

结果

在0−40 °C温度范围内，研究了二肽在纳米晶二氧化钛表面于生物相容性条件下的吸附行为。实验测得的二肽在二氧化钛表面的吸附量（A，mmol/g）计算如下

其中，C₀ 和 C_e 分别为二肽的初始浓度和平衡浓度，单位为毫摩尔；V 为二肽溶液的体积，单位为升；m 为吸附剂的质量，单位为克。

二肽吸附的测量数据采用亨利模型进行处理。该等温模型假设在较低浓度下，吸附质分子在吸附剂表面相互隔离，适用于描述实验数...

讨论

由于动力学限制以及吸附剂具有高比表面积，用于构建等温吸附曲线的溶液吸附需要更长的平衡时间。此外，在吸附氨基酸时，还应考虑溶胶的不稳定性、纳米粒子聚集体、结晶度、纳米粒子尺寸分布、溶液pH值以及吸附竞争等因素。然而，采用耗尽法构建吸附等温线仍然是最常用的方法，因为该方法不需要昂贵的设备，却能为几乎所有可溶性吸附质提供详尽的物理化学数据。

当使用结晶材料作为吸附剂时，必须区分吸附模式（即溶液中分散的颗粒或固定在表面上的颗粒）。人们应预期到，在宏观平坦表面上和在颗粒上的晶面分布存在显著差异。从多肽在纳米颗粒上的吸附所确定的热力学参数可能与多肽在宏观平坦表面上吸附的热力学参数不一致。

肽在无机表面上的吸附量平均极低。在室温下，该值约为每平方米数百微克²⁸。如此微量的吸附物要求采用精确的测量方法以及具有充分发展表面积的固体材料。因此，吸附实验应使用具有大比表面积（数百平方米）的细小颗粒物质^43,

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
2-(N-吗啉代乙磺酸	TCI Chemicals	4432-31-9	2-(N-吗啉代)乙磺酸， >98%
乙腈	Panreac AppliChem		HPLC 级
色谱小瓶			玻璃
二肽 Ile-His	Bachem	4000894
双蒸水			DDW 现场制备
加热清洗浴 "Ultrasons-HD"	J.P. Selecta	3000865	5 L，40 kHz，120 瓦特
配备紫外检测器的高效液相色谱系统−可见光检测器	岛津，LC-20 Prominence		高效液相色谱
异丙醇	Sigma-Aldrich（默克）	67-63-0	99.70%
LabSolutions Lite	Shimadzu	223-60410	高效液相色谱系统软件
纳米晶 TiO2			纯锐钛矿，结晶度至少为99%。平均粒径10.62 ± 3.31 nm。比表面积131.9 m²/g（BET）。参见 朗缪尔 2019, 35, 538−550，以获取详细信息。
苯基异硫氰酸酯	Acros Organics	103-72-0	PITC，98%
反相Zorbax色谱柱	ZORBAX LC		150×内径 2.5 mm，平均粒径 5 μm
注射器滤器	Vladfilter		25 mm，0.2 μm孔，醋酸纤维素
测试无菌聚合物管			聚丙烯
恒温器 TC-502	Brookfield		用于样品衍生化的可编程控温循环浴槽
三乙胺	Sigma-Aldrich（默克）	121-44-8	TEA；99%
三氟乙酸	Panreac AppliChem	163317	TFA，99%