酒石酸与La3+对草酸钙结晶的影响

胡　鹏，贺龙强，邓穗平，欧阳健明

(1.焦作大学　化工与环境工程学院，河南　焦作　454000；2.暨南大学　生物矿化与结石病防治研究所，广东　广州　510632)



酒石酸与La3+对草酸钙结晶的影响

胡鹏1,2*，贺龙强1，邓穗平2，欧阳健明2

(1.焦作大学化工与环境工程学院，河南焦作454000；2.暨南大学生物矿化与结石病防治研究所，广东广州510632)

采用X射线衍射(XRD)、傅立叶红外光谱(FTIR)和扫描电镜(SEM)分析了凝胶体系中混合添加剂酒石酸和La3+对草酸钙(CaOxa)晶体生长的影响。研究结果显示，酒石酸可以抑制CaOxa晶体的生长、聚集，并诱导二水草酸钙(COD)生成；La3+不仅可诱导COD生成，而且可使一水草酸钙(COM)的形貌发生变化；而酒石酸和La3+的联合作用则不仅增强了对COD的诱导能力，并使COM的聚集程度降低、比表面积减小。酒石酸和La3+的联合疗法对尿石病的预防和治疗有较大的参考价值。

X射线衍射；傅立叶红外光谱；扫描电镜；La3+；草酸钙；酒石酸；结晶

近年来，稀土成为无机生物化学研究的新热点。稀土元素在农业及畜牧业(稀土微肥、饲料添加剂)、工业(各种稀土工业材料、稀土添加剂等)及现代生物医学上的广泛应用，使其不可避免地进入生物圈[12]。Lare等[13]曾提出用稀土离子作为调控开关来研究结石中CaOxa晶体的生长，发现稀土离子能够部分取代CaOxa中的Ca2+，而且通过占有Ca2+的位点来调控晶体的晶相与形貌。

找到能抑制草酸钙晶体成核、生长和聚集的药物就能在尿石的预防和治疗上发挥重大作用[14]，稀土La3+作为药用已有报道[15]，本文在凝胶模拟体系中研究了酒石酸与La3+对草酸钙晶体生长的联合影响，并探讨了其影响机理，研究结果对尿结石的预防和治疗有一定的参考价值。

1　实验部分

1.1试剂与仪器

硅酸钠、醋酸、氯化钙、草酸(H2Oxa)、酒石酸(H2tart)、氯化镧(LaCl3)等均为分析纯试剂，且均用二次蒸馏水配制。所有玻璃器皿用二次蒸馏水洗涤干净。

XL-30型环境扫描电子显微镜(SEM，Philips公司),IFS25 型傅立叶变换红外光谱仪(FTIR，Bruker公司)，XD-2粉末射线衍射仪(XRD，北京大学研制),pH-3C精密pH计(上海雷磁仪器厂)，PSH500A生化培养箱(重庆试验设备厂)。

1.2实验方法

凝胶的配制：用体积分数为5%的醋酸溶液调节密度为1.03 g·cm-3的硅酸钠溶液至pH 6.35，然后注入U型管中，48 h后形成凝胶。

晶体的生长：胶化后，将0.5 mol·L-1氯化钙和La3+加入到U型管左侧，0.2 mol·L-1草酸和酒石酸加入到U型管右侧，左右两侧添加物的最终体积均为5 mL。在37 ℃生化培养箱中静置，使CaOxa结晶、生长。待晶体生长10 d后取出，进行SEM和XRD表征。

晶体的晶相和形貌观察：用SEM进行形貌观察，测试条件为：样品喷金处理，测量电压20 kV；用XRD分析晶体的物相，测试条件为：Cu的Kα辐射，40 kV，30 mA，石墨弯晶单色器，扫描范围2θ为5°～60°，狭缝：DS，1°，RS，0.15 mm，SS，1°，扫描速度：8°/min，步宽：0.02°。红外光谱仪分析晶体晶相，测试范围4 000～400 cm-1，分辨率0.5 cm-1。

采用XRD定量分析时，按照文献[16]计算二水草酸钙(COD)的含量：COD(%)=ICOD/(ICOM+ICOD)。式中ICOM和ICOD分别为一水草酸钙(COM)和COD主要衍射峰的强度。

2　结果与讨论

2.1酒石酸或镧离子不同添加剂对草酸钙晶体的抑制

图1为凝胶体系中加入酒石酸或镧离子后CaOxa晶体的SEM图像。空白实验(即不加添加物)得到的CaOxa晶体均为COM(图1A)，无COD生成，且COM主要是蔷薇花状晶体；单独加入H2tart后，有棱角不分明、六边形尖角已消失的COM聚集体出现和部分四方锥形COD生成(17%)(图1B)。tart2-对Ca2+离子的螯合作用及其与CaOxa沉淀之间动态的络合-离解平衡可使CaOxa晶体的棱角变得圆钝，比表面积明显减小，从而显著减小COM晶体与细胞膜的粘附[11]；H2tart吸附在COM和COD晶体表面时，可使晶体表面的zeta电位升高，晶体颗粒之间的排斥作用增强，从而抑制草酸钙晶体的聚集，有利于防止CaOxa结石的形成[17-18]。

　　图1　加入不同添加剂后CaOxa晶体的SEM图Fig.1　SEM images of calcium oxalate crystals in gel after addition of different additives A：no additive；B：0.10 mol·L-1 H2tart；C：0.10 mol·L-1 La3+ ；D:0.10 mol·L-1 H2tart+0.10 mol·L-1 La3+

La3+诱导COD生成的原因是由于La3+吸附在COM富草酸根的(010)晶面上，抑制了COM的成核与生长，从而利于COD的生长。此外，CaOxa晶体成核过程中，La3+半径与Ca2+相近，性质相似，能置换出CaOxa晶体表面层的Ca2+离子，形成掺杂。晶面生长自由能与晶面上所吸附的杂质及其浓度密切相关[20]，掺杂La3+后CaOxa晶面的生长自由能降低，也有利于得到热力学不稳定的COD[21]。

当凝胶体系中同时加入H2tart和La3+后，草酸钙晶体发生如下变化(图1D)：①得到球形和椭圆状的COM；②COM晶体尺寸减小；③诱导更多的COD生成(57%)。其中抑制COM生长和聚集，诱导COD生成的能力强弱顺序依次为：H2tart-La3+>H2tart≈La3+。

H2tart和La3+混合添加剂抑制COM生长的主要原因是H2tart和La3+形成的配合物能在晶体表面的生长点发生吸附作用，阻碍晶体的进一步生长[22]。Cody等[23]分析CaOxa晶面结构模型时发现，在COM晶格中存在8个tart2-的可能的吸附位点，而在COD中只有3个。因此，H2tart-La3+不仅能抑制COM的亚临界成核，还能促进COD的形成。所形成的H2tart-La3+络合物吸附在COM表面，可以不断与晶体表面的Ca2+发生置换反应，从而抑制COM的生长。

2.2混合添加剂中镧离子浓度对草酸钙晶体抑制的影响

前期工作已对酒石酸浓度对草酸钙晶体抑制的影响[11]进行了研究，本文重点考察La3+浓度变化对草酸钙晶体的抑制作用。图2为0.10 mol·L-1酒石酸和不同浓度La3+所得CaOxa晶体的SEM图。从图2可以看出，随着La3+浓度的增加，CaOxa晶体的晶相未发生较大变化，仍主要由COM和COD组成，无聚集体状晶体存在。当La3+浓度为0.01 mol·L-1时，COM晶体的棱角变得圆钝，但仍为叉生状晶体，与图1B中晶体有相似之处；当La3+浓度为0.05 mol·L-1时，开始出现球形COM，La3+的加入促使酒石酸的作用更强，对晶体的去棱角作用增强，使得六边形的COM晶体变得圆钝呈椭圆状，再逐渐变为球形晶体。

　　图2　加入混合添加剂得到CaOxa晶体的SEM图Fig.2　SEM images of calcium oxalate crystals in mixed additive(0.10 mol·L-1 H2tart and La3+) concentraion of La3+(A-D):0.01，0.05，0.10，0.20 mol·L-1

图3　加入混合添加剂后得到CaOxa晶体的XRD图Fig.3　XRD patterns of calcium oxalate crystals in mixed additive(0.10 mol·L-1 H2tart and La3+) concentraion of La3+(a-d):0.01,0.05,0.10,0.20 mol·L-1

La3+从0.01 mol·L-1增至0.05 mol·L-1时，COD增加了13%，从0.05 mol·L-1增至0.10 mol·L-1时，COD增加了14%，此时La3+与H2tart的摩尔比为1∶1，La3+和H2tart形成稳定的配合物(络合常数为103.06)[24]，La3+被暂时储存起来，一方面可避免La3+的水解丢失，另一方面也增加了La3+与CaOxa作用的持久性。La3+浓度增至0.20 mol·L-1时，La3+与H2tart的摩尔比为2∶1，部分La3+不仅未能与H2tart发生络合而受到保护，反而发生水解，导致La3+浓度从0.10 mol·L-1增至0.20 mol·L-1时COD含量仅增加5%。这说明La3+与H2tart可能是按照此机理共同作用的。

FTIR光谱也进一步证明了上述结果。在不加添加物得到的CaOxa晶体中，CaOxa的羧基不对称伸缩振动νas(COO-)在1 621 cm-1表现出强吸收峰，对称伸缩振动νs(COO-)出现在1 317 cm-1，与COM标样的峰一致，表明这些CaOxa晶体主要为COM。而加入混合添加剂后，νas(COO-)蓝移至1 625 cm-1，νs(COO-)出现在1 319 cm-1附近。对比COD的νas(COO-)和νs(COO-)峰分别为1 647 cm-1和1 325 cm-1，表明这些CaOxa晶体为COM和COD的混合物。

3　结　论

混合添加剂H2tart和La3+的联合使用增强了抑制草酸钙晶体成核、生长和聚集的能力，这归因于La3+与Ca2+离子竞争及H2tart对La3+的储存作用。混合添加剂对草酸钙有更强的抑制作用，不仅可促使COM表面更加圆钝，而且还可诱导COD生长，从而减少草酸钙晶体与尿路细胞膜的粘附，这为尿石病的预防和临床治疗提供了理论参考。

[1]Yu S L,Gan X G,Huang J M,Cao Y,Wang Y Q,Pan S H,Ma L Y,Teng Y Q,An R H.J.Urol.,2011,186(3):1114-1120.

[2]Liu Y M,Xia Z Y,Ouyang J M,Jia L P,Zhang G N,Ding Y M.Chin.J.Inorg.Chem.(柳一鸣,夏志月,欧阳健明,贾丽萍,张广娜,丁一鸣.无机化学学报),2013，29(5):903-909.

[3]Cao Q S,Ba Y M,Luo J H,Dai Q.ActaAcad.Med.Sin.(曹秋实，巴元明，罗俊华，戴琪.中国医学科学院学报),2015，37(1):82-87.

[4]Li Y B,Wen X L,Xue J F,Ouyang J M.Spectrosc.SpectralAnal.(李玉宝，温小玲，薛俊发，欧阳健明.光谱学与光谱分析),2015，35(8):2257-2262.

[5]Chen L,Man R L,Li Z M.J.Instrum.Anal.( 陈岚,满瑞林,李志明.分析测试学报),2007，26(4):582-584.[6]Sun X Y,Ouyang J M,Li Y B,Zhu W Y.J.Synth.Cryst.(孙新园，欧阳健明，李玉宝，朱文玉.人工晶体学报),2014,43(11):2943-2949.

[7]Yao X Q,Ouyang J M,Peng H,Zhu W Y,Chen H Q.Carbohydr.Polym.,2012,90(1):392-398.

[8]Pak C Y C,Heller H J,Pearle M S,Odvina C V,Poindexter J R,Pererson R D.J.Urol.,2003，169(2):465-469.[9]Ouyang J M,Duan L,Tieke B.Langmuir,2003，19(21):8980-8985.

[10]Ouyang J M,Duan L,He J H,Tieke B.Chem.Lett.,2003，32(3):268-269.

[11]Yuan H X,Ouyang J M.Prog.Chem.(袁欢欣,欧阳健明.化学进展),2006，18(5):573-578.

[12]Shen Z G,Zhong G T,Kong P Y,Sun J X,Wang Y Q,Yang J,Yuan X B.J.Instrum.Anal.(申治国,钟广涛,孔聘颜,孙景信,王玉琦,杨简,苑旭波.分析测试学报),1999,18(4):20-22.

[13]Lare A T,Michael J L,Brian J M,Viola V.Nat.Mater.,2004，3(4):239-243.

[14]Li J J,Hou S H,Xia Z Y,Ouyang J M.Chin.J.Inorg.Chem.(李君君,侯善华,夏志月,欧阳健明.无机化学学报),2012,28(2):245-250.

[15]Fricker S P.Chem.Soc.Rev.,2006，35:524-533.

[16]Donnet M,Jongen N,Lemaitre J,Bowen P.J.Mater.Sci.Lett.,2000,19(9):749-750.

[17]Rao T V R K,Bano S.AsianJ.Chem.,2004，16(1):59-66.

[18]Callejas-Fernandez J,Martinez-Garcia R,Hidalgo-Alvarez R,De las Nieves J.Progr.Colloid.Polym.Sci.,1993,93:210-215.

[19]Christoffersen J,Christoffersen M R,Kolthoff N,Bärenholdt O.Bone,1997,20(1):47-54.

[20]Teng H H,Dove P M,Orme C A,De Yoreo J J.Science,1998,282(5389):724-727.

[21]Sangwal K,Palczynska T.J.Cryst.Growth,2000,212(3):522-531.

[22]Grases F,Genestar C,Millan A.J.Cryst.Growth,1989,94(2):507-512.

[23]Cody A M,Cody R D.J.Cryst.Growth,1994,135(Suppl 1/2):234-245.

[24]Desroches S,Dayd S,Berthon G.J.Inorg.Biochem.,2000,81(4):301-312.

Effects of Tartaric Acid and La3+on Calcium Oxalate Crystallization

HU Peng1,2*，HE Long-qiang1，DENG Sui-ping2，OUYANG Jian-ming2

(1.College of Chemical Industry and Environment Engineering,Jiaozuo University,Jiaozuo454000,China;2.Institute of Biomineralization and Lithiasis Research,Jinan University,Guangzhou510632,China)

Effects of the mixed additive containing tartaric acid and La3+on the crystallization of calcium oxalate in silica gel were investigated by means of X-ray diffraction(XRD),Fourier transform infrared(FTIR) spectroscopy and scanning electron microscopy(SEM).The results indicated that artaric acid could inhibit the growth and aggregation of the crystal,and induce the formation of calcium oxalate dehydrate(COD).La3+could also induce the COD formation and affect the morphology of calcium oxalate monohydrate(COM).While the mixed additive of tartaric acid and La3+could not only enhance the ability of inducing the COD formation,but also inhibit the COM aggregation and decrease the COM surface area.The mixed additive of tartaric acid and La3+is worthy to be considered for the prevention and treatment of urolithiasis.

X-ray diffraction(XRD);Fourier transform infrared(FTIR) spectroscopy;scanning electron microscopy(SEM);La3+;calcium oxalate；tartaric acid；crystallization

2015-12-10；

2016-01-10

国家自然科学基金项目(81170649)；河南省基础前沿研究计划项目(122300410004)

胡鹏,硕士,讲师,研究方向:生物矿化与纳米材料,Tel:0391-2989257,E-mail:penghujz@126.com

doi:10.3969/j.issn.1004-4957.2016.07.017

O766.1

A

1004-4957(2016)07-0874-04