引言

“寵物食物污染”和“三鹿奶粉”事件相繼發生, 其相關實驗證明三聚氰胺能導致泌尿系結石形成. 但到目前為止, 三聚氰胺導致腎結石的形成機理尚未完全明了. 由于尿石中 70%~80%的晶體成分是草酸鈣\\(CaOx\\). 本文采用體外模擬方法研究了三聚氰胺對 CaOx 成核、晶體生長和晶型轉化的影響, 這有利于弄清三聚氰胺對草酸鈣結石形成的作用機制.

1、 實驗部分

1.1 試劑

三聚氰胺、草酸鈉、氯化鈣、氯化鈉等均為分析純試劑, 實驗用水為二次蒸餾水, 人造尿則參照文獻[8]方法配制\\(見表 1\\),其主要組成為 Na2SO4, MgSO4, NH4Cl, KCl, CaCl2, NaH2PO4,Na2HPO4, NaCl, Na2C2O4.

1.2 儀器

XL-30 型環境掃描電子顯微鏡\\(Philips 公司\\), XD2 型 X 射線粉末衍射儀\\(北京大學\\), 傅立葉變換紅外光譜儀\\(Bruker 公司\\), pH-3C 精密 pH 計\\(上海雷磁儀器廠\\), XJZ100 型正置金相顯微鏡\\(南京東圖數碼科技有限公司\\), DDS-11A 型電導率儀\\(上海盛磁儀器有限公司\\), SB3200-T 型數控超聲波清洗儀.

1.3 實驗方法

1.3.1 三聚氰胺對 CaOx 晶體成核的影響

取 4mL0.01mol·L-1CaCl2溶液, 加 42mL 的二次水, 然后在 37℃下邊磁力攪拌邊緩慢加入4mL0.01mol·L-1Na2Ox 溶液, 立即測定溶液電導率. 每隔 30s 讀取 1 次電導率值. 改變二次水體積, 加入三聚氰胺溶液, 使體系中三聚氰胺的濃度分別為 0.06、0.12 和 0.18mmol·L-1, 在相同條件下進行比較研究.

1.3.2 三聚氰胺對 CaOx 晶體生長的影響取 50mL 的 A 液, 加入一定量的三聚氰胺溶液\\(小于 2mL\\), 然后邊攪拌邊加入 50mL 的 B 液, 改變三聚氰胺的體積, 配制濃度為 0.06, 0.12 和 0.18mmol·L-1的三種溶液. 晶體培養按照文獻[9], 在 37℃下晶體生長 1d 后取出, 進行 SEM、XRD 和 FT-IR 等表征.

1.3.3 三聚氰胺對 CaOx 晶體形貌和物相的影響。用 SEM 進行形貌觀察, 測試條件為: 樣品噴金處理, 測量電壓 15 kV. 用 XRD 分析晶體的物相,測試條件為: Cu的Kα輻射, 40 kV, 20 mA, 石墨彎晶單色器, 狹縫: DS, 1°, RS, 0.15 mm, SS, 1°, 掃描速度:18\\( \\) min-° - , 步寬: 0.02°.

采用 XRD 作定量分析時, 按照文獻[10, 11]方法用下式計算 COM 的百分含量:

其中 ICOM, ICOD和 ICOT分別為一水草酸鈣\\(COM\\)、二水草酸鈣\\(COD\\)和三水草酸鈣\\(COT\\)主衍射峰的強度.

2、 結果與討論

2.1 三聚氰胺對 CaOx 成核的作用

草酸鈣尿結石形成的化學本質是在基質的調控作用下從過飽和尿液中析出草酸鈣晶體, 其結晶過程可用下式表示:

晶體生長過程中, 溶液中的離子相互作用形成過飽和溶液, 析出草酸鈣微粒, 微粒間由于范德華力、靜電作用及微粒與有機基質的作用而聚集成簇, 繼而形成晶核并逐漸長大. 當過飽和溶液中的Ca2C2O4晶體析出時, 溶液中導電離子的總濃度減少, 導電能力減弱, 溶液的電導率值下降, 因此, 通過電導率隨時間的動態變化情況可以監控草酸鈣晶體的結晶動力學過程.

草酸鈣結晶的形成過程遵循結晶的一般過程, 包括成核、生長與聚集三個步驟. 整個結晶過程中電導率呈現不同的變化, 并且每個步驟電導率的變化都有其自身的特點, 代表不同的含義. 反應初期電導率的變化與晶體的成核有關, 反應后期電導率的變化則反映晶體的生長和聚集.

圖2為草酸鈣晶體生長過程中電導率隨時間動態變化曲線圖. 在不加三聚氰胺的純水體系中, 溶液的電導率在 7min 內迅速下降, 其后變化變緩, 15min 后達到沉淀溶解平衡, 說明 Ca2+與 C2O42-反應后迅速聚集成核. 加入三聚氰胺以后, 達到平衡的時間分別縮短為 13、12 和 7min, 可見三聚氰胺促進了 CaOx 晶體的成核. 并且隨三聚氰胺濃度增大, 促進成核能力增強.

這可能是三聚氰胺通過靜電作用促進鈣離子在其表面聚集成簇, 降低成核活化能, 為成核創造條件.因為三聚氰胺的-NH2上的N是sp3雜化軌道, 該胺基上的孤電子對是-NH2的一個頂端, 表現負電荷性質\\(圖3\\), 它能結合成礦陽離子 \\(如鈣離子\\), 而后者再結合成礦陰離子\\(如草酸根離子\\), 陰離子又結合陽離子,從而把離子聚集, 有助于成簇, 并且由于三聚氰胺表面負電荷的分布有序, 生成的簇是結構有序的, 為形成單一的草酸鈣晶核創造條件.

圖4為加入不同濃度三聚氰胺后CaOxa晶體的金相顯微鏡圖. 當三聚氰胺濃度為0.06mmol/L\\(圖4a\\), COM 晶體以多種形貌存在,這與空白溶液中得到的CaOxa 晶體相似. 隨著溶液中三聚氰胺濃度從0.06 mmol/L增大到0.12\\(圖4b\\)和0.18mmol/L時, 單位面積內COM的 相 對數量 從6588個/mm2增加到110653個 /mm2, 而 COM 的尺寸則從 5.6μm×3.6μm 分別減小 至2.8μm×1.2μm. 但COM尺寸均比空白組得到的尺寸\\(9.6μm×4.9μm\\)小, 相對晶體數量比空白組的\\(1870個/mm2\\)多\\(見表2\\). 這表明三聚氰胺可以促進COM的成核.

2.2 三聚氰胺對CaOx晶體生長的作用

圖 5 為草酸鈣晶體的 SEM 圖. 未加入三聚氰胺時, 晶體為四角雙錐的 COD\\(圖 5a\\). 加入三聚氰胺后得到的 CaOx 晶體均為 COM 和 COD 的混合物\\(圖 5b\\). 當三聚氰胺的濃度從 0.06 增大到 0.12 和 0.18mmol/L 時, 誘導 COM 的質量分數分別為 13%、30%和 46%. 這說明, 隨三聚氰胺濃度的增加, COD 減少,COM 增加. 這表明三聚氰胺抑制了 COD 生成, 促進了 COM 的生長．

圖6為加入三聚氰胺后CaOx的XRD譜. 在空白實驗\\(圖6a\\)得到的產物中, 主要出現COM 的衍射峰, 幾乎沒有出現 COD 的特征峰. COD 的特征峰出現在 0.618 , 0.442 , 0.278 nm , 分別歸屬于 COD 的\\(200\\), \\(211\\),\\(411\\)晶面. 加入三聚氰胺后, 同時出現了 COM 和 COD 晶體的特征衍射峰. COM 主衍射峰晶面間距 d 值分別為 0.593 、0.365 和 0.298 nm , 歸屬于 COM 晶體的\\(101\\) 、\\(020\\)和\\(202\\)晶面. 定量計算表明, 三聚氰胺濃度為 0.06\\(圖 6b\\)、0.12\\(圖 6c\\)和 0.18\\(圖 6d\\)mmol/L 時, COM 的百分含量分別為 13 % , 30%和 46 %.三聚氰胺誘導 COM 生成為 FT-IR 所證實. 在空白試驗中, CaOx 的羰基不對稱伸縮振動 υas\\(COO-\\)在1647cm-1表現出強的吸收, 對稱伸縮振動 υs\\(COO-\\)出現在 1325 cm-1與 COD 標樣的吸收峰一致, 這表明CaOx 主要是 COD. 加入三聚氰胺以后\\(圖 7\\), υas\\(COO-\\)紅移至 1624 和 1626 cm-1, υs\\(COO-\\)均在 1321 cm-1附近. 對比標樣 COM, 表明這些 CaOx 晶體為 COD 和 COM 的混合體. 并且隨三聚氰胺濃度的增大,υas\\(COO-\\)和 υs\\(COO-\\)吸收峰向低波數方向移動, 說明 CaOx 晶體中 COM 的比例依次增加, COD 的比例依次減小\\(詳見表 3\\).

3、 結論

綜上所述, 本實驗結果表明: 三聚氰胺能抑制COD促進COM成核, 并隨濃度的升高, 促進作用增強,并且有促進COM晶體生長的作用. 由于CaOxa不同晶型與細胞親和力不同, COM與細胞親和力較COD大,易滯留變大, 不容易排出體外, 有利于草酸鈣結石的形成, 這增大草酸鈣類結石發生的風險.