一种温敏性纸基膜的制备方法.pdf

一种温敏性纸基膜的制备方法属于分离膜领域。本发明步骤：将滤纸基膜用去离子水浸泡、清洗后干燥，裁剪后放入氮气气氛的反应器中；以经氮气置换过的酮和去离子水的混合溶液为溶剂，N-异丙基丙烯酰胺或者N-异丙基丙烯酰胺与丙烯酸酯的共聚物为溶质，加入溶质质量0.5％-3％的光敏剂；单体溶液加到滤纸上，使滤纸完全润湿，用紫外光照射10-15分钟以引发接枝聚合；除去未聚合单体、残余光敏剂后，将接枝聚合物的滤纸干燥。该分离膜仅通过温度的改变实现蛋白的吸附和淋洗脱附，从而达到分离纯化目的。本发明制备的膜具有运行压降小的优点，且生物相容性好(抗污染)、材料易得、成本低、不污染环境、设备操作简单。

1.  一种温敏性纸基膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、基质膜的处理
将滤纸基膜用去离子水浸泡、清洗后干燥，裁剪后放入氮气气氛的反应器中；
(2)、单体溶液的配制
单体溶液的配制：以经氮气置换过的酮和去离子水的混合溶液为溶剂，酮和去离子水两者的质量比为0.5～2∶1，N-异丙基丙烯酰胺或者N-异丙基丙烯酰胺与丙烯酸酯的共聚物为溶质，总的单体质量浓度为3％～30％，在该溶液中加入溶质质量0.5％-3％的光敏剂；
(3)、接枝聚合
将上述配好的单体溶液加到滤纸上，使滤纸完全润湿，用紫外光照射10-15分钟以引发接枝聚合；
(4)、分离膜的后处理
反应结束后用上述酮和去离子水混合溶液浸泡、洗涤所得聚合物接枝滤纸膜，以除去未聚合单体、残余光敏剂；最后，将接枝聚合物的滤纸干燥。

一种温敏性纸基膜的制备方法
技术领域
本发明涉及一种以纸为基膜制备温敏性分离膜的制备方法。
背景技术
作为一种新颖的分离、提纯技术，膜色谱较传统的柱色谱具有大量的优点，如低压降、大吸附量、传质快、易于放大等。膜色谱的工作原理是采用具有一定孔径的膜作为介质，连接配基，利用膜配基与蛋白质等目标分子之间的相互作用进行分离纯化。因此膜材料是决定膜色谱分离效果的关键因素。
常用的色谱膜材料有改性纤维素、壳聚糖以及其改性物等天然基高分子材料和聚砜、聚酰胺等人工合成高分子材料。由于人工合成高分子材料多为单一的均聚物，且绝大多数聚合物膜为憎水性的，易导致生物垢产生(膜污染)。
纤维素类是资源丰富的天然高分子化合物，且亲水性和生物相容性好，以其为膜基材有望减少膜污染。滤纸是利用纤维制成的，具有多孔形态结构，被广泛用作过滤介质，且具有一定的机械强度，可作为膜介质。Eli Ruckenstein等人(Wei Guo，Eli Ruckenstein.Separation and purification of horseradishperoxidase by membrane affinity chromatography.Journal of Membrane Science211(2003)101～111)曾以滤纸为基材制得亲和膜色谱，用于山葵过氧化酶等生物大分子的分离纯化。另外，Deqiang Yu等人(Deqiang Yu，Xiaonong Chen，Robert Pelton，Raja Ghos.Paper-PEG-Based Membranes forHydrophobicInteraction Chromatography：Purification of Monoclonal Antibody.Biotechnology and Bioengineering，2008，99(6)：1434～1442)将PEG接枝到滤纸上，制得了疏水色谱膜，利用在盐析效应，实现了对hIgG1-CD4的吸附和淋洗分离纯化。这些研究表明滤纸可作为分离膜的基材。
发明内容
本发明旨在制备一种新型纸基分离膜，该分离膜仅通过温度的改变实现蛋白的吸附和淋洗脱附，从而达到分离纯化目的。这种膜的工作原理是在相对较高温度下从水介质中吸附蛋白，而在较低温度下淋洗使蛋白脱附。因此，在滤纸基膜上接枝温敏性聚合物是获得这种膜的关键。本发明的接枝聚合物是聚N-异丙基丙烯酰胺及其共聚物，这些聚合物的温敏转变温度介于5-32℃之间。由于接枝后保留了滤纸的多孔结构，因此这种膜具有运行压降小的优点，且生物相容性好(抗污染)、材料易得、成本低、不污染环境、设备操作简单。
上述纸基蛋白色谱分离膜的制备方法包括以下工艺步骤：
1、基质膜的处理
将滤纸基膜用去离子水浸泡、清洗后干燥，裁剪成适宜尺寸后放入氮气气氛的反应器中。
2、单体溶液的配制
单体溶液的配制：单体溶液以经氮气置换过的酮和去离子水的混合物为溶剂，两者的质量比为0.5～2∶1，N-异丙基丙烯酰胺或者N-异丙基丙烯酰胺与丙烯酸酯的共聚物为溶质，总的单体质量浓度为3％～30％，在该溶液中加入单体质量0.5-3％的光敏剂(例如二苯甲酮，但不局限于二苯甲酮)。
3、接枝聚合
将配好的单体溶液加到滤纸上，使滤纸完全润湿。用紫外光照射以引发接枝聚合。
4、分离膜的后处理
反应结束后用丙酮和蒸馏水的混合溶液浸泡、洗涤所得聚合物接枝滤纸膜，以除去未聚合单体、残余光敏剂。最后，将接枝聚合物的滤纸干燥。
本发明提供的纸基色谱分离膜对蛋白质的分离过程：在温度高于聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAM)或其共聚物的低临界溶解温度(LCST)时，接枝链处于疏水状态，与蛋白质的疏水基团发生疏水相互作用，吸附蛋白质；而当温度低于接枝链的LCST时，接枝链变得亲水，与蛋白质的疏水相互作用消失，蛋白质发生解吸附。利用不同蛋白质疏水性的差异，即接枝链疏水相互作用力的差异，实现蛋白质分离。
本发明具有以下效果：
1、本发明制得的纸基色谱分离膜所采用的滤纸是亲水性天然材料，具有很好的生物相容性，降低蛋白质的变性风险和膜污染风险。
2、紫外光引发接枝聚合能控制接枝率，保持了膜的多孔结构，从而使膜具有低的运行压降和高通量。
3、本发明制得的纸基分离膜通过控制接枝链组成及其温敏转变温度，可在较低温度下实现蛋白吸附，从而节约能耗，并且降低蛋白变形风险。
4、蛋白吸附时无须高盐水介质，分离过程更为环保。
5、滤纸基材易得、成本低。
附图说明
图1是实例1电镜照片；
图2是实例2电镜照片；
图3是实例6电镜照片。
具体实施方式
实施实例1：
本实例中采用分析滤纸(杭州特种纸业有限公司的定性分析滤纸)为基质膜，通过紫外光引发接枝聚合，在基质膜表面接枝聚N-异丙基丙烯酰胺链。
具体步骤如下：
1.裁剪10×10厘米滤纸置于透光且已充氮的反应器中；
2.配制单体溶液，单体溶液以经氮气置换过的丙酮和去离子水的混合物(丙酮1.6g，去离子水1.3g)为溶剂，以N-异丙基丙烯酰胺(0.25g)为溶质，单体浓度为7.9％，光敏剂为二苯甲酮(0.005g)。
3.用注射器将配好的溶液注射到滤纸上，使滤纸完全润湿，进行聚合反应。照射时间为10分钟。
4.反应结束后用丙酮和去离子水的混合溶液浸泡、洗涤滤纸，再用去离子水反复浸泡，以除去未聚合单体、残余光敏剂。
5.最后，将滤纸自然晾干后于60℃干燥箱中烘干，再放置至室温后称重，计算接枝率为4.2％(wt)。接枝聚合物的温敏转变温度(LCST)为32℃。
本实例制得的分离膜表面多孔结构如图1电镜照片所示：
实施实例2：
本实例中采用滤纸与实例1相同，通过紫外光引发接枝聚合，在基质膜表面接枝聚N-异丙基丙烯酰胺链。具体步骤如下：
1.裁剪10×10厘米滤纸置于透光且已充氮的反应器中；
2.配制单体溶液，单体溶液以经氮气置换过的丙酮和去离子水的混合物(丙酮1.2g，去离子水1.0g)为溶剂，以N-异丙基丙烯酰胺(0.5g)为溶质，单体浓度为18.5％，光敏剂为二苯甲酮(0.01g)。
3.用注射器将配好的溶液注射到滤纸上，使滤纸完全润湿，进行聚合反应。照射时间为15分钟。
4.反应结束后用丙酮和去离子水的混合溶液浸泡、洗涤滤纸，再用去离子水反复浸泡，以除去未聚合单体、残余光敏剂。
5.最后，将滤纸自然晾干后于60℃干燥箱中烘干，再放置至室温后称重，接枝率为38％(wt)。接枝聚合物的我们转变温度(LCST)为32℃。
本实例制得的分离膜表面多孔结构如图2电镜照片所示：
实施实例3：
本实例中采用滤纸与实例1相同，通过紫外光引发接枝聚合，在基质膜表面接枝聚N-异丙基丙烯酰胺链。具体步骤如下：
1.裁剪10×10厘米滤纸置于透光且已充氮的反应器中；
2.配制单体溶液，单体溶液以经氮气置换过的丙酮和去离子水的混合物(丙酮3g，去离子水1.5g)为溶剂，以N-异丙基丙烯酰胺(0.5g)为溶质，单体浓度为10％，光敏剂为二苯甲酮(0.01g)。
3.用注射器将配好的溶液注射到滤纸上，使滤纸完全润湿，进行聚合反应。照射时间为15分钟。
4.反应结束后用丙酮和去离子水的混合溶液浸泡、洗涤滤纸，再用去离子水反复浸泡，以除去未聚合单体、残余光敏剂。
5.最后，将滤纸自然晾干后于60℃干燥箱中烘干，再放置至室温后称重，接枝率为12.2％(wt)。接枝聚合物的我们转变温度(LCST)为32℃。
实施实例4：
本实例中采用滤纸与实例1相同，通过紫外光引发接枝聚合，在基质膜表面接枝聚N-异丙基丙烯酰胺链。具体步骤如下：
1.裁剪10×10厘米滤纸置于透光且已充氮的反应器中；
2.配制单体溶液，单体溶液以经氮气置换过的丙酮和去离子水的混合物(丙酮2.2g，去离子水4.4g)为溶剂，以N-异丙基丙烯酰胺(1.8g)为溶质，单体浓度为21.4％，光敏剂为氧杂蒽酮(0.009g)。
3.用注射器将配好的溶液注射到滤纸上，使滤纸完全润湿，进行聚合反应。照射时间为15分钟。
4.反应结束后用丙酮和去离子水的混合溶液浸泡、洗涤滤纸，再用去离子水反复浸泡，以除去未聚合单体、残余光敏剂。
5.最后，将滤纸自然晾干后于60℃干燥箱中烘干，再放置至室温后称重，接枝率为41.0％(wt)。接枝聚合物的我们转变温度(LCST)为32℃。
实施实例5：
本实例中采用滤纸与实例1相同，通过紫外光引发接枝聚合，在基质膜表面接枝聚N-异丙基丙烯酰胺链。具体步骤如下：
1.裁剪10×10厘米滤纸置于透光且已充氮的反应器中；
2.配制单体溶液，单体溶液以经氮气置换过的丁酮和去离子水的混合物(丁酮2.2g，去离子水1.8g)为溶剂，以N-异丙基丙烯酰胺(0.17g)为溶质，单体浓度为4.0％，光敏剂为二苯甲酮(0.0051g)。
3.用注射器将配好的溶液注射到滤纸上，使滤纸完全润湿，进行聚合反应。照射时间为15分钟。
4.反应结束后用丁酮和去离子水的混合溶液浸泡、洗涤滤纸，再用去离子水反复浸泡，以除去未聚合单体、残余光敏剂。
5.最后，将滤纸自然晾干后于60℃干燥箱中烘干，再放置至室温后称重，接枝率为3.0％(wt)。接枝聚合物的我们转变温度(LCST)为32℃。
实施实例6：
本实例中采用滤纸与实例1相同，通过紫外光引发接枝聚合，在基质膜表面接枝聚N-异丙基丙烯酰胺链。具体步骤如下：
1.裁剪10×10厘米滤纸置于透光且已充氮的反应器中；
2.配制单体溶液，单体溶液以经氮气置换过的丙酮和去离子水的混合物(丙酮2.6g，去离子水2.1g)为溶剂，以N-异丙基丙烯酰胺(0.6g)和丙烯酸乙酯(0.11g)为溶质，单体浓度为11.3％，光敏剂为二苯甲酮(0.012g)。
3.用注射器将配好的溶液注射到滤纸上，使滤纸完全润湿，进行聚合反应。照射时间为15分钟。
4.反应结束后用丙酮和去离子水的混合溶液浸泡、洗涤滤纸，再用去离子水反复浸泡，以除去未聚合单体、残余光敏剂。
5.最后，将滤纸自然晾干后于60℃干燥箱中烘干，再放置至室温后称重，接枝率为25％(wt)。接枝聚合物的温敏转变温度为(LCST)为20℃。
本实例制得的分离膜表面多孔结构如图3电镜照片所示：
采用实施例3接枝率为12.2％的分离膜进行蛋白质的吸附实验。实验所用蛋白质为牛血清白蛋白(BSA)。用紫外分光光度计测定蛋白溶液透光率的变化来表征蛋白质浓度的变化。具体过程包括：
1、配制浓度为500μg/ml的BSA水溶液(pH＝6.0)。
2、吸附：将膜剪成3cm×3cm大小，放入容积为50ml的瓶子中，加入蛋白质溶液20ml(膜完全浸入溶液中)，密封后放入恒温振荡器中，在37℃条件下吸附2小时。
3、通过紫外分光光度计测定步骤1的原始蛋白质溶液、步骤2吸附后的蛋白质溶液的透光率，计算相应蛋白浓度，进而计算吸附量。
测定结果：未经吸附的BSA溶液透光率为26.1％(BSA浓度为500μg/ml)，经滤膜吸附后BSA溶液的透光率为44.2％，相应的蛋白浓度为225μg/ml。根据BSA浓度下降值(275μg/ml)、吸附实验中蛋白溶液的总体积(20ml)和纸基分离膜的面积(18cm²)计算出该分离膜对BSA的吸附能力为611.1μg/cm²)。