膜表面荷负电修饰与抗蛋白质污染性能分析

范荣玉，郑细鸣，陈彬梅

（绿色化工技术福建省高等学校重点实验室，武夷学院 生态与资源工程学院，福建 武夷山 354300）

膜分离技术由于具有分离效率高、工艺简单、污染较轻或无污染、耗能低等优势，被广泛地应用于水处理和食品等各种领域[1-3]。膜分离技术的核心是膜材料，因此膜材料的表面性质对分离起着至关重要的作用，它与污染物的相互作用在很大程度上决定了膜污染是否发生[4-6]。目前使用的膜材料多数为疏水性强的高分子材料，其疏水性易导致生物物质在膜表面发生非特异性吸附，引起膜的生物污染，进而影响膜的使用。改善膜的亲水性，阻抗生物物质在膜上的吸附，是近年来膜领域的研究热点之一[7-9]。

在通常条件下，大多数的蛋白质和胶体在水中呈电负性，在膜表面构建负电层可以有效阻抗多数蛋白质的污染[10]。聚苯乙烯磺酸钠(PSS)分子中含有的磺酸根基团是强阴离子性和强亲水性基团，因此将聚苯乙烯磺酸钠负载到膜表面上，将有助于膜亲水性的改善和减少带负电荷蛋白质的污染，但聚苯乙烯磺酸钠黏附性差，不易负载到膜上。多巴胺能通过氧化自聚形成具有超强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钠作为修饰剂，通过多巴胺的氧化自聚，将PSS负载到膜表面上，从而制得具有强亲水性的荷负电修饰膜，并研究了修饰膜的抗蛋白质污染性能。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

微孔聚丙烯膜(MPPM)，平均孔径0.2μm，孔隙率约75%，德国Membrana公司生产；盐酸多巴胺(DBA)，从阿拉丁试剂有限公司购买，分析纯；三(羟甲基)氨基甲烷、丙酮、牛血清蛋白(BSA)，购于国药集团化学试剂有限公司，生物试剂；聚苯乙烯磺酸钠，美国Sigma-Aldrich有限公司生产。

AVATAR330傅里叶变换红外光谱仪，美国Thermo Nicolet公司；UV-2550型紫外可见分光光度计，日本岛津公司。

1.2 膜表面荷负电层的构建实验

将盐酸多巴胺溶解于浓度为0.01 mol·L-1的三(羟甲基)氨基甲烷-盐酸缓冲液中，配制成2.0 g·L-1的溶液，加入一定量的聚苯乙烯磺酸钠，混合均匀；将经过丙酮清洗的MPPM浸渍于上述混合溶液中，25℃下振荡反应24 h，取出膜并用去离子水反复清洗至水无明显的颜色，真空干燥后即得到表面负载聚苯乙烯磺酸根的MPPM,称为MPPM-PDBA-PSS。

聚多巴胺修饰膜(MPPM-PDBA)的制备按照上述方法，但在多巴胺反应液中不加入聚苯乙烯磺酸钠。膜表面涂覆率(μg·cm-2)按式(1)计算：

式中：W0为修饰前膜重（μg）；W1为修饰后膜重（μg）；S 为膜表面积（cm2）。

1.3 膜的水通量测定

将待测膜装入死端过滤模具内，在一定压力(0．025～0．10MPa)下测定膜的纯水通量(WF,L·m-2·h-1)。

式中，V为透过膜的液体体积 (L)，A为膜的有效过滤面积(m2)，Δt为渗透时间(h)。

1.4 蛋白质静态吸附量的测定

将待测膜放入小烧杯中，加入20 mL、pH为3．0(或 4．8、7．5)、浓度为 1．0 g·L-1的 BSA 溶液，在 25℃下恒温振荡吸附，每隔30min取一次样，直到吸附平衡。使用UV-2550在285 nm处对BSA溶液进行吸光度测定，以BSA标准曲线为对照，计算出相应的BSA浓度，根据吸附前后BSA浓度的变化进行BSA吸附量(μg·cm-2)的计算，公式如下：

式中：C0为吸附前蛋白质溶液的溶度 （g·L-1）；C1为吸附后蛋白质溶液的溶度（g·L-1）；V为蛋白质溶液的体积（L）；S 为膜表面积（cm2）。

1.5 蛋白质溶液通量及透过率测定

将待测膜装入死端过滤模具内，在0．05 MPa压力下测定浓度为0．5 g·L-1的蛋白质溶液通量，记录不同时刻的水通量并测定过滤液的吸光度，蛋白质溶液的透过率(T)按式（4）计算：

式中，T为蛋白质透过率（%）；Cp为动态过滤过程中收集液的蛋白质浓度 （g·L-1）；Cf为蛋白质原液浓度（g·L-1）。

2 结果与讨论

2.1 膜的红外表征

研究采用AVATAR330傅里叶变换红外光谱仪分析了膜表面官能团信息，扫描范围：400～4 000 cm-1,结果如图1所示。从图可以看出，通过多巴胺氧化聚合后的膜出现了3个新峰，1 509 cm-1处吸收峰来自聚多巴胺苯环C=C骨架振动和N-H剪切振动的叠加峰，1 600 cm-1吸收峰来自聚多巴胺仲胺键N-H弯曲振动[11]，1 299 cm-1吸收峰来自聚多巴胺C-O伸缩振动。在多巴胺溶液中加入聚苯乙烯磺酸钠，氧化自聚后获得的膜在1 122 cm-1和1 035 cm-1处增加了S=O不对称伸缩振动和对称伸缩振动吸收峰，在675 cm-1处增加了C-S键的伸缩振动吸收峰，且随着负载率的提高，这些峰的强度也随之增加。以上事实表明，聚多巴胺和聚苯乙烯磺酸根已成功负载到MPPM膜表面。

图1 膜的FTIR谱图Figure 1 FTIR spectra ofmembranes

2.2 膜的亲水性分析

研究通过考察膜的水通量变化来分析改性前后膜的亲水性，结果如图2所示。未修饰的MPPM，即使在跨膜压力大至0．10 MPa，水仍然无法透过膜，水通量始终为0。负载聚多巴胺后，膜的亲水性得到改善，在跨膜压力为0．025 MPa时，水就能顺利透过膜。负载聚多巴胺和聚苯乙烯磺酸根后，膜的亲水性改善更加明显，在跨膜压力0．025MPa时，负载率为250μg·cm-2膜的水通量达1 591 L·m-2·h-1，当跨膜压力提高到0.10 MPa 时，膜的水通量升高至 6 100 L·m-2·h-1，且随着聚多巴胺和聚苯乙烯磺酸根涂覆率的增加，膜的水通量也随着增加，当涂覆率升高到350μg·cm-2，0.025MPa和0.10MPa跨膜压力下的水通量分别升高到1989L·m-2·h-1和 7 427 L·m-2·h-1。从图还可以看出，修饰膜的水通量随渗透时间的延长而减小，但幅度不大，说明膜表面的修饰层比较稳定。

图2 不同压力下膜的水通量Figure 2 Water flux ofmembranes under different pressures

2.3 膜的蛋白质吸附性能

为了研究修饰后膜的抗蛋白质吸附性能，考察了膜对不同带电状态下BSA的吸附量变化，结果如图3所示。BSA的等电点为4.8，当溶液的pH=3.0时BSA带正电，pH=4.8时BSA处于电中性状态，pH=7.5时BSA带负电，因此研究通过调整溶液的pH值来改变BSA的带电性。从图3可以看出，膜对BSA的吸附量均随着吸附时间的延长而增加，并逐渐趋于饱和，属于Langmuir型单分子层化学吸附，但吸附量的大小有很大的不同。对于未修饰的MPPM，其与BSA间存在较强的疏水作用[10]，无论带电情况如何，BSA在膜上均有较大的吸附；pH=3.0时，BSA带正电，其与MPPM-PDBA-PSS表面荷负电基团会发生较强的静电吸附作用，导致BSA在MPPM-PDBA-PSS上有较大的吸附，吸附量明显大于未修饰的膜，且随涂覆率的增大而增大；pH=4.8时，BSA处于电中性状态，其与膜之间只能通过疏水作用相互吸附，由于修饰后膜的亲水性明显改善，因此BSA在MPPM-PDBA-PSS上的吸附明显要弱于在MPPM上的吸附；pH=7.5时，BSA带负电，其与MPPM-PDBA-PSS表面荷负电基团会发生较强的静电排斥作用，导致BSA难于在MPPM-PDBA-PSS上吸附，吸附量几乎为0，说明表面荷负电的MPPM-PDBA-PSS对荷负电的蛋白质具有良好的抗吸附性能。

图3 膜对BSA的吸附量Figure 3 Adsorption amountofmembranes for BSA

2.4 膜的蛋白质动态过滤

为了进一步考察膜的抗蛋白质污染性能，研究通过动态过滤实验考察了不同带电状态下BSA溶液的通量下降行为，结果如图4所示。从图可知，对于荷正电BSA，其与MPPM-PDBA-PSS存在静电吸附作用，导致BSA大量吸附在膜上，通量随着渗透时间的延长而明显下降，BSA的初始通过率仅为73.4%；对于荷负电BSA，其与MPPM-PDBA-PSS存在静电排斥作用，抑制了BSA在膜上的吸附，蛋白质溶液在膜上通量随着渗透时间的延长下降幅度明显变缓，BSA的初始通过率高达92.7%。研究还进一步考察了荷负电BSA在不同膜上的通量下降行为，结果如图5所示。从图可知，对于MPPM-PDBA，溶液通量随着渗透时间的延长下降明显，BSA的初始通过率仅为74.5%；而对于MPPM-PDBA-PSS，通量随着渗透时间的延长下降明显变缓，且随着涂覆率的增大，减缓幅度更加明显，如涂覆率从 250 μg·cm-2提高到 350 μg·cm-2，BSA的初始通过率从80.2%提高到92.7%。

图4 不同pH值BSA溶液通量下降行为(左)及透过率(右)Figure 4 Flux decline behavior(left)and transmission(right)of BSA solution at different pH

图5 BSA溶液在不同膜上的通量下降行为(左)及透过率(右)Figure 5 Flux decline behavior(left)and transmission(right)of BSA solution on different membranes

2.5 膜的重复使用性能

为了考察修饰膜的重复使用性能，对过滤BSA溶液后的膜用水漂洗，并在0.05MPa下测试纯水通量和BSA的透过率。实验进行了3个循环，每个循环中膜依次过滤纯水和BSA溶液，过滤BSA溶液后仅用水漂洗膜表面，测试结果如图6所示。由图可知，经过简单的漂洗，膜表面的蛋白质即可清洗干净，纯水通量可恢复到80%以上，且BSA的透过率则保持在92%以上。说明MPPM-PDBA-PSS可以用水漂洗并反复使用。

图6 再生MPPM-PDBA-PSS的水通量和BSA透过率Figure 6 Water flux and BSA transmission of reused MPPM-PDBA-PSS

3 结论

采用多巴胺和聚苯乙烯磺酸钠作为修饰剂，通过多巴胺的氧化自聚制得具有高水通量的荷负电修饰膜，制得的膜具有良好的抗蛋白质污染能力。在0.05MPa下，未经修饰MPPM水通量为0，仅用多巴胺修饰的膜水通量为 2 599 L·m-2·h-1，进一步用 PSS 修饰后，在涂覆率仅为350μg·cm-2时，水通量就可高达3 581 L·m-2·h-1，为聚多巴胺修饰膜的1.4倍。膜表面通过荷负电修饰后，其与带负电的蛋白质会产生较强的静电排斥作用，导致蛋白质难于在膜上吸附，膜受到蛋白质的污染明显减弱，且膜表面的蛋白质可用水清洗除去。该修饰方法工艺简单、环境友好且具有普适性，展现出很好的应用前景。