膜表面荷負(fù)電修飾與抗蛋白質(zhì)污染性能分析

范榮玉，鄭細(xì)鳴，陳彬梅

（綠色化工技術(shù)福建省高等學(xué)校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武夷學(xué)院 生態(tài)與資源工程學(xué)院，福建 武夷山 354300）

膜分離技術(shù)由于具有分離效率高、工藝簡(jiǎn)單、污染較輕或無(wú)污染、耗能低等優(yōu)勢(shì)，被廣泛地應(yīng)用于水處理和食品等各種領(lǐng)域[1-3]。膜分離技術(shù)的核心是膜材料，因此膜材料的表面性質(zhì)對(duì)分離起著至關(guān)重要的作用，它與污染物的相互作用在很大程度上決定了膜污染是否發(fā)生[4-6]。目前使用的膜材料多數(shù)為疏水性強(qiáng)的高分子材料，其疏水性易導(dǎo)致生物物質(zhì)在膜表面發(fā)生非特異性吸附，引起膜的生物污染，進(jìn)而影響膜的使用。改善膜的親水性，阻抗生物物質(zhì)在膜上的吸附，是近年來(lái)膜領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一[7-9]。

在通常條件下，大多數(shù)的蛋白質(zhì)和膠體在水中呈電負(fù)性，在膜表面構(gòu)建負(fù)電層可以有效阻抗多數(shù)蛋白質(zhì)的污染[10]。聚苯乙烯磺酸鈉(PSS)分子中含有的磺酸根基團(tuán)是強(qiáng)陰離子性和強(qiáng)親水性基團(tuán)，因此將聚苯乙烯磺酸鈉負(fù)載到膜表面上，將有助于膜親水性的改善和減少帶負(fù)電荷蛋白質(zhì)的污染，但聚苯乙烯磺酸鈉黏附性差，不易負(fù)載到膜上。多巴胺能通過(guò)氧化自聚形成具有超強(qiáng)黏附性的聚多巴胺而牢固地粘附于膜的表面。本文采用多巴胺和聚苯乙烯磺酸鈉作為修飾劑，通過(guò)多巴胺的氧化自聚，將PSS負(fù)載到膜表面上，從而制得具有強(qiáng)親水性的荷負(fù)電修飾膜，并研究了修飾膜的抗蛋白質(zhì)污染性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

微孔聚丙烯膜(MPPM)，平均孔徑0.2μm，孔隙率約75%，德國(guó)Membrana公司生產(chǎn)；鹽酸多巴胺(DBA)，從阿拉丁試劑有限公司購(gòu)買，分析純；三(羥甲基)氨基甲烷、丙酮、牛血清蛋白(BSA)，購(gòu)于國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，生物試劑；聚苯乙烯磺酸鈉，美國(guó)Sigma-Aldrich有限公司生產(chǎn)。

AVATAR330傅里葉變換紅外光譜儀，美國(guó)Thermo Nicolet公司；UV-2550型紫外可見分光光度計(jì)，日本島津公司。

1.2 膜表面荷負(fù)電層的構(gòu)建實(shí)驗(yàn)

將鹽酸多巴胺溶解于濃度為0.01 mol·L-1的三(羥甲基)氨基甲烷-鹽酸緩沖液中，配制成2.0 g·L-1的溶液，加入一定量的聚苯乙烯磺酸鈉，混合均勻；將經(jīng)過(guò)丙酮清洗的MPPM浸漬于上述混合溶液中，25℃下振蕩反應(yīng)24 h，取出膜并用去離子水反復(fù)清洗至水無(wú)明顯的顏色，真空干燥后即得到表面負(fù)載聚苯乙烯磺酸根的MPPM,稱為MPPM-PDBA-PSS。

聚多巴胺修飾膜(MPPM-PDBA)的制備按照上述方法，但在多巴胺反應(yīng)液中不加入聚苯乙烯磺酸鈉。膜表面涂覆率(μg·cm-2)按式(1)計(jì)算：

式中：W0為修飾前膜重（μg）；W1為修飾后膜重（μg）；S 為膜表面積（cm2）。

1.3 膜的水通量測(cè)定

將待測(cè)膜裝入死端過(guò)濾模具內(nèi)，在一定壓力(0．025～0．10MPa)下測(cè)定膜的純水通量(WF,L·m-2·h-1)。

式中，V為透過(guò)膜的液體體積 (L)，A為膜的有效過(guò)濾面積(m2)，Δt為滲透時(shí)間(h)。

1.4 蛋白質(zhì)靜態(tài)吸附量的測(cè)定

將待測(cè)膜放入小燒杯中，加入20 mL、pH為3．0(或 4．8、7．5)、濃度為 1．0 g·L-1的 BSA 溶液，在 25℃下恒溫振蕩吸附，每隔30min取一次樣，直到吸附平衡。使用UV-2550在285 nm處對(duì)BSA溶液進(jìn)行吸光度測(cè)定，以BSA標(biāo)準(zhǔn)曲線為對(duì)照，計(jì)算出相應(yīng)的BSA濃度，根據(jù)吸附前后BSA濃度的變化進(jìn)行BSA吸附量(μg·cm-2)的計(jì)算，公式如下：

式中：C0為吸附前蛋白質(zhì)溶液的溶度 （g·L-1）；C1為吸附后蛋白質(zhì)溶液的溶度（g·L-1）；V為蛋白質(zhì)溶液的體積（L）；S 為膜表面積（cm2）。

1.5 蛋白質(zhì)溶液通量及透過(guò)率測(cè)定

將待測(cè)膜裝入死端過(guò)濾模具內(nèi)，在0．05 MPa壓力下測(cè)定濃度為0．5 g·L-1的蛋白質(zhì)溶液通量，記錄不同時(shí)刻的水通量并測(cè)定過(guò)濾液的吸光度，蛋白質(zhì)溶液的透過(guò)率(T)按式（4）計(jì)算：

式中，T為蛋白質(zhì)透過(guò)率（%）；Cp為動(dòng)態(tài)過(guò)濾過(guò)程中收集液的蛋白質(zhì)濃度 （g·L-1）；Cf為蛋白質(zhì)原液濃度（g·L-1）。

2 結(jié)果與討論

2.1 膜的紅外表征

研究采用AVATAR330傅里葉變換紅外光譜儀分析了膜表面官能團(tuán)信息，掃描范圍：400～4 000 cm-1,結(jié)果如圖1所示。從圖可以看出，通過(guò)多巴胺氧化聚合后的膜出現(xiàn)了3個(gè)新峰，1 509 cm-1處吸收峰來(lái)自聚多巴胺苯環(huán)C=C骨架振動(dòng)和N-H剪切振動(dòng)的疊加峰，1 600 cm-1吸收峰來(lái)自聚多巴胺仲胺鍵N-H彎曲振動(dòng)[11]，1 299 cm-1吸收峰來(lái)自聚多巴胺C-O伸縮振動(dòng)。在多巴胺溶液中加入聚苯乙烯磺酸鈉，氧化自聚后獲得的膜在1 122 cm-1和1 035 cm-1處增加了S=O不對(duì)稱伸縮振動(dòng)和對(duì)稱伸縮振動(dòng)吸收峰，在675 cm-1處增加了C-S鍵的伸縮振動(dòng)吸收峰，且隨著負(fù)載率的提高，這些峰的強(qiáng)度也隨之增加。以上事實(shí)表明，聚多巴胺和聚苯乙烯磺酸根已成功負(fù)載到MPPM膜表面。

圖1 膜的FTIR譜圖Figure 1 FTIR spectra ofmembranes

2.2 膜的親水性分析

研究通過(guò)考察膜的水通量變化來(lái)分析改性前后膜的親水性，結(jié)果如圖2所示。未修飾的MPPM，即使在跨膜壓力大至0．10 MPa，水仍然無(wú)法透過(guò)膜，水通量始終為0。負(fù)載聚多巴胺后，膜的親水性得到改善，在跨膜壓力為0．025 MPa時(shí)，水就能順利透過(guò)膜。負(fù)載聚多巴胺和聚苯乙烯磺酸根后，膜的親水性改善更加明顯，在跨膜壓力0．025MPa時(shí)，負(fù)載率為250μg·cm-2膜的水通量達(dá)1 591 L·m-2·h-1，當(dāng)跨膜壓力提高到0.10 MPa 時(shí)，膜的水通量升高至 6 100 L·m-2·h-1，且隨著聚多巴胺和聚苯乙烯磺酸根涂覆率的增加，膜的水通量也隨著增加，當(dāng)涂覆率升高到350μg·cm-2，0.025MPa和0.10MPa跨膜壓力下的水通量分別升高到1989L·m-2·h-1和 7 427 L·m-2·h-1。從圖還可以看出，修飾膜的水通量隨滲透時(shí)間的延長(zhǎng)而減小，但幅度不大，說(shuō)明膜表面的修飾層比較穩(wěn)定。

圖2 不同壓力下膜的水通量Figure 2 Water flux ofmembranes under different pressures

2.3 膜的蛋白質(zhì)吸附性能

為了研究修飾后膜的抗蛋白質(zhì)吸附性能，考察了膜對(duì)不同帶電狀態(tài)下BSA的吸附量變化，結(jié)果如圖3所示。BSA的等電點(diǎn)為4.8，當(dāng)溶液的pH=3.0時(shí)BSA帶正電，pH=4.8時(shí)BSA處于電中性狀態(tài)，pH=7.5時(shí)BSA帶負(fù)電，因此研究通過(guò)調(diào)整溶液的pH值來(lái)改變BSA的帶電性。從圖3可以看出，膜對(duì)BSA的吸附量均隨著吸附時(shí)間的延長(zhǎng)而增加，并逐漸趨于飽和，屬于Langmuir型單分子層化學(xué)吸附，但吸附量的大小有很大的不同。對(duì)于未修飾的MPPM，其與BSA間存在較強(qiáng)的疏水作用[10]，無(wú)論帶電情況如何，BSA在膜上均有較大的吸附；pH=3.0時(shí)，BSA帶正電，其與MPPM-PDBA-PSS表面荷負(fù)電基團(tuán)會(huì)發(fā)生較強(qiáng)的靜電吸附作用，導(dǎo)致BSA在MPPM-PDBA-PSS上有較大的吸附，吸附量明顯大于未修飾的膜，且隨涂覆率的增大而增大；pH=4.8時(shí)，BSA處于電中性狀態(tài)，其與膜之間只能通過(guò)疏水作用相互吸附，由于修飾后膜的親水性明顯改善，因此BSA在MPPM-PDBA-PSS上的吸附明顯要弱于在MPPM上的吸附；pH=7.5時(shí)，BSA帶負(fù)電，其與MPPM-PDBA-PSS表面荷負(fù)電基團(tuán)會(huì)發(fā)生較強(qiáng)的靜電排斥作用，導(dǎo)致BSA難于在MPPM-PDBA-PSS上吸附，吸附量幾乎為0，說(shuō)明表面荷負(fù)電的MPPM-PDBA-PSS對(duì)荷負(fù)電的蛋白質(zhì)具有良好的抗吸附性能。

圖3 膜對(duì)BSA的吸附量Figure 3 Adsorption amountofmembranes for BSA

2.4 膜的蛋白質(zhì)動(dòng)態(tài)過(guò)濾

為了進(jìn)一步考察膜的抗蛋白質(zhì)污染性能，研究通過(guò)動(dòng)態(tài)過(guò)濾實(shí)驗(yàn)考察了不同帶電狀態(tài)下BSA溶液的通量下降行為，結(jié)果如圖4所示。從圖可知，對(duì)于荷正電BSA，其與MPPM-PDBA-PSS存在靜電吸附作用，導(dǎo)致BSA大量吸附在膜上，通量隨著滲透時(shí)間的延長(zhǎng)而明顯下降，BSA的初始通過(guò)率僅為73.4%；對(duì)于荷負(fù)電BSA，其與MPPM-PDBA-PSS存在靜電排斥作用，抑制了BSA在膜上的吸附，蛋白質(zhì)溶液在膜上通量隨著滲透時(shí)間的延長(zhǎng)下降幅度明顯變緩，BSA的初始通過(guò)率高達(dá)92.7%。研究還進(jìn)一步考察了荷負(fù)電BSA在不同膜上的通量下降行為，結(jié)果如圖5所示。從圖可知，對(duì)于MPPM-PDBA，溶液通量隨著滲透時(shí)間的延長(zhǎng)下降明顯，BSA的初始通過(guò)率僅為74.5%；而對(duì)于MPPM-PDBA-PSS，通量隨著滲透時(shí)間的延長(zhǎng)下降明顯變緩，且隨著涂覆率的增大，減緩幅度更加明顯，如涂覆率從 250 μg·cm-2提高到 350 μg·cm-2，BSA的初始通過(guò)率從80.2%提高到92.7%。

圖4 不同pH值BSA溶液通量下降行為(左)及透過(guò)率(右)Figure 4 Flux decline behavior(left)and transmission(right)of BSA solution at different pH

圖5 BSA溶液在不同膜上的通量下降行為(左)及透過(guò)率(右)Figure 5 Flux decline behavior(left)and transmission(right)of BSA solution on different membranes

2.5 膜的重復(fù)使用性能

為了考察修飾膜的重復(fù)使用性能，對(duì)過(guò)濾BSA溶液后的膜用水漂洗，并在0.05MPa下測(cè)試純水通量和BSA的透過(guò)率。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了3個(gè)循環(huán)，每個(gè)循環(huán)中膜依次過(guò)濾純水和BSA溶液，過(guò)濾BSA溶液后僅用水漂洗膜表面，測(cè)試結(jié)果如圖6所示。由圖可知，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的漂洗，膜表面的蛋白質(zhì)即可清洗干凈，純水通量可恢復(fù)到80%以上，且BSA的透過(guò)率則保持在92%以上。說(shuō)明MPPM-PDBA-PSS可以用水漂洗并反復(fù)使用。

圖6 再生MPPM-PDBA-PSS的水通量和BSA透過(guò)率Figure 6 Water flux and BSA transmission of reused MPPM-PDBA-PSS

3 結(jié)論

采用多巴胺和聚苯乙烯磺酸鈉作為修飾劑，通過(guò)多巴胺的氧化自聚制得具有高水通量的荷負(fù)電修飾膜，制得的膜具有良好的抗蛋白質(zhì)污染能力。在0.05MPa下，未經(jīng)修飾MPPM水通量為0，僅用多巴胺修飾的膜水通量為 2 599 L·m-2·h-1，進(jìn)一步用 PSS 修飾后，在涂覆率僅為350μg·cm-2時(shí)，水通量就可高達(dá)3 581 L·m-2·h-1，為聚多巴胺修飾膜的1.4倍。膜表面通過(guò)荷負(fù)電修飾后，其與帶負(fù)電的蛋白質(zhì)會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的靜電排斥作用，導(dǎo)致蛋白質(zhì)難于在膜上吸附，膜受到蛋白質(zhì)的污染明顯減弱，且膜表面的蛋白質(zhì)可用水清洗除去。該修飾方法工藝簡(jiǎn)單、環(huán)境友好且具有普適性，展現(xiàn)出很好的應(yīng)用前景。