基于水通道蛋白的薄膜復(fù)合膜的制作方法【專利摘要】本發(fā)明是關(guān)于一種薄膜復(fù)合膜，其中并有兩親媒性囊泡的薄選擇性層由微孔基板支載。也揭示制備薄膜復(fù)合膜的方法及其用途?！緦＠f明】基于水通道蛋白的薄膜復(fù)合膜【
技術(shù)領(lǐng)域：
】[0001]本發(fā)明是關(guān)于薄膜復(fù)合膜，其中水通道蛋白(aquaporin)水通道已并入活性層中。此外，本發(fā)明是關(guān)于一種制造該薄膜復(fù)合膜的方法及其在過濾制程(諸如奈米過濾及滲透過濾制程)中的用途?！?br>背景技術(shù)：
】[0002]隨著世界范圍內(nèi)淡水及能源日益短缺，愈來愈多地關(guān)注海水及半咸水的淡化。使用諸多技術(shù)，諸如多效蒸懼(mult1-effectdistillat1n,MED)、多級閃蒸(multistageflash,MSF)及蒸汽壓縮以及膜淡化(如逆滲透(reverseosmosis,R0)或奈米過濾(nanofiltrat1n,NF))[I]。[0003]生物膜展示經(jīng)由水通道蛋白(AQP)蛋白質(zhì)跨滲透壓梯度的水輸送特性的最有效方式[2]，其中水信道蛋白結(jié)合于磷脂細胞膜中，水可自由通過生物膜而離子卻不能。據(jù)估計由2000:1莫耳比的脂質(zhì)/AQP組成的仿生膜將具有960L/m2-h的水滲透率，其遠高于文獻[3]中所提及的R0/F0膜的值。因此，基于AQP的仿生膜在水淡化、水回收及廢水處理等領(lǐng)域中具有極大應(yīng)用潛力。[0004]可開發(fā)人工膜來模擬天然細胞膜，此通過將AQP并入超薄兩親媒性脂質(zhì)膜/兩親媒性嵌段共聚物膜中，及/或?qū)QP并入兩親媒性脂質(zhì)/兩親媒性嵌段共聚物囊泡中，隨后將含有AQP的囊泡并入作為載體的微孔基板(substrate)上的選擇性層中來達成。美國專利7，208，089[4]ΓB1mimeticmembranes」描述如何將膜蛋白并入膜中以實現(xiàn)水純化。該發(fā)明的較佳形式描述利用朗繆耳-布羅基特槽(Langmuir-Blodgetttrough)在25mm商用超濾盤的表面上沈積5nm厚的合成三嵌段共聚物及蛋白質(zhì)單層，隨后利用254nmUV光使聚合物交聯(lián)。最后，用多孔PVDF膜覆蓋單層表面以確保安全操作及防止邊緣處滲漏。通過將裝置安裝在迫使加壓水穿過膜的腔室中來對其進行分析。然而，尚無任何資料支持該膜在嵌有膜蛋白后良好地用于水淡化。美國專利7，857，978[5]ΓMembraneforfilteringofwaterJ描述如何使脂質(zhì)雙層并有AQP且配置成夾層結(jié)構(gòu)以用于水純化。然而，仍也無數(shù)據(jù)支持水淡化可用呈夾層結(jié)構(gòu)的基于AQP的脂質(zhì)雙層膜進行。[0005]基于可獲得的已發(fā)布的報告及研究，仍無任何公開專利或文獻提及已成功地制造水信道分子(諸如AQP)并入選擇性層中的水淡化膜。另一方面，已提示水純化技術(shù)可通過將AQP蛋白質(zhì)表現(xiàn)至脂質(zhì)層囊泡中且將此等膜澆鑄在多孔載體上來形成[5]。用此概念制造仿生膜的一些嘗試已發(fā)表于文獻[3，6，7]中。Nielsen等人提出用于水純化或分離目的的仿生膜的設(shè)計，其中水通道蛋白質(zhì)跨過隔板嵌入脂質(zhì)或其他兩親媒性基質(zhì)中，使用囊封及緩沖材料來支載膜[6]?；谠撓敕ǎ圃旆律さ囊恍﹪L試已實現(xiàn)且可見于公開文獻中，其中跨過疏水性膜(諸如鐵氟龍膜(Teflonfilm))的一或多個孔形成雙層脂膜(BLM)的平面脂膜且利用水凝囊封高度交聯(lián)以使最終膜穩(wěn)定[11-13]。此外，Wong等人[7]提出雙層脂膜(BLM)的獨立平面脂膜可通過將脂質(zhì)原位囊封于跨過鐵氟龍隔板中的孔形成的(PM0XA-a-PDMS-b-PM0XA-a)型三嵌段共聚物膜中來獲得。Wang等人[3]提出經(jīng)由在錨定至涂有金的多孔氧化鋁的羧化聚乙二醇聚合物層表面上展布水通道蛋白Z(AqpZ)-1,2-二肉豆蘧?；?sn-甘油-3-磷酸膽堿(DMPC)(DMPC-AqpZ)囊泡的孔隙懸浮仿生膜，且其主張根據(jù)停流量測法，基于DMPC-AqpZ囊泡的仿生膜的水滲透率為膜中僅育有DMPC脂質(zhì)囊泡者的3，OOO倍。以上設(shè)計的主要顧慮為缺乏足夠機械強度用于膜過濾、保證水通道蛋白的穩(wěn)定性、避免膜缺陷及制造較大面積膜的制造技術(shù)的可縮放性。此外，以上文獻均未展示膜對于淡化目的的適用性。最后，現(xiàn)有設(shè)計通常僅適用于制造較小膜面積(cm2級)。[0006]基于逆滲透(RO)的淡化在最近幾十年內(nèi)已經(jīng)歷迅速發(fā)展。當(dāng)前海水RO膜通常為薄膜復(fù)合(TFC)型，其中通過二胺及均苯三甲酰氯單體的界面聚合形成約200nm的聚酰胺阻擋層。盡管相較于過去30年膜分離性質(zhì)已得以顯著改良，然而現(xiàn)代海水RO膜典型地具有約0.8Lm-2h-lbar-l的相對較低的水滲透率(Tang,C.Y.，Y.-N.Kwon及J.0.Leckie,Effectofmembranechemistryandcoatinglayeronphys1chemicalpropertiesofthinfilmcompositepolyamideROandNFmembranesI1.Membranephys1chemicalpropertiesandtheirdependenceonpolyamideandcoatinglayers.Desalinat1n,2009.242(1-3):第168頁至第182頁)。同時，若干近期研究已集中于合成較高滲透率的RO膜，諸如基于沸石的薄膜奈米復(fù)合膜[Wang，H.，B.A.Holmberg及Y.Yan,Homogeneouspolymer-zeolitenanocompositemembranesbyincorporatingdispersibletemplate-removedzeolitenanocrystalsJournalofMaterialsChemistry2002.12:第4頁]。[0007]然而，歸因于受限水力滲透性的高能量消耗仍為TFC膜用于包括淡化在內(nèi)的水過濾目的的障礙，參見Elimelech等人，TheFutureofSeawaterDesalinat1n:Energy,Technology,andtheEnvironment;Science333,712(2011)。[0008]因此，本發(fā)明的一目的為提供水滲透率、機械強度及規(guī)模擴大潛力得以改良的薄膜復(fù)合膜。本發(fā)明的另一目標(biāo)為提供能量需求降低因此適用于水淡化目的的薄膜復(fù)合膜。此外，本發(fā)明的一目的為提供過濾膜，其中功能性水信道蛋白水信道并入利用界面聚合反應(yīng)在多孔膜基板表面上形成的薄膜復(fù)合層中。【
發(fā)明內(nèi)容】[0009]本發(fā)明是關(guān)于基于水通道蛋白的薄膜復(fù)合膜及其制備。超薄選擇性層并有兩親媒性脂質(zhì)-AQP/兩親媒性共聚物-AQP囊泡且由微孔基板支載。所得薄膜復(fù)合膜顯示較高水通量，該水通量在脂質(zhì)-AQP/共聚物-AQP囊泡并入薄膜復(fù)合活性層時甚至更高。兩種膜類型對溶質(zhì)離子保持類似且較高的阻擋率。當(dāng)今無其他已知技術(shù)可達成此目的。在本發(fā)明的另一具體實例中，超薄選擇性層并有不具有水通道蛋白的兩親媒性脂質(zhì)/兩親媒性共聚物囊泡。[0010]此外，本發(fā)明是關(guān)于一種制備過濾膜的方法，其中在多孔基板表面上通過添加有兩親媒性脂質(zhì)/共聚物囊泡懸浮液的(芳族)胺的水溶液與隨后添加的酰氯于有機溶劑中的溶液的界面聚合以允許胺及酰氯在其中形成聚酰胺活性TFC層來產(chǎn)生薄膜。在薄聚酰胺膜形成期間，可能呈并有或未并有水通道蛋白的脂質(zhì)體或聚合物體(polymersome)(蛋白脂質(zhì)體或蛋白聚合物體)形式的囊泡成為活性層的一部分。該包含具有或不具有水信道蛋白水信道的脂質(zhì)體或聚合物體懸浮液的胺水溶液為適用于形成本發(fā)明的薄膜復(fù)合膜的新穎中間產(chǎn)物。【專利附圖】【附圖說明】[0011]圖1顯示基于AQP的薄膜復(fù)合膜所用微孔基板的橫截面的掃描電子顯微照片(SEM):(a)商用UF膜(MWC0,50，000道爾頓)及(b)自制UF膜。[0012]圖2顯示PM0XA15-PDMS67-PM0XA15囊泡的穿透式電子顯微照片(TEM)。[0013]圖3顯示具有或不具有AqpZ的DOPC脂質(zhì)囊泡的停流量測。相同數(shù)據(jù)提供于圖9中。[0014]圖4顯示來自具有或不具有AqpZ的PM0XA15_PDMS67_PM0XA15(PM0XA_b_PDMS-b-PΜ0ΧΑ)聚合物囊泡的停流量測的標(biāo)準(zhǔn)化光散射數(shù)據(jù)。實心點及線為具有AqpZ的聚合物體，k值為505s-l，且空心點及虛線為不具有AqpZ的聚合物體，k值為14s_l。[0015]圖5顯示交叉流RO裝置，其中測試所制備基板及復(fù)合膜的固有分離性質(zhì)。膜固定于測試單元的頂板與底板之間。進料溶液自進料槽泵出，流過膜的活性層且返回至槽中。收集滲透物且量測溶質(zhì)的重量及濃度以測定通量及阻擋率。交叉流RO裝置用于量測膜的固有分離性能。(I)進料槽。(2)泵。(3)、(4)及(5)分別為進料、保留物及滲透物的壓力轉(zhuǎn)換器。(6)膜單元。(7)天平。[0016]圖6顯示形成基于AQP的薄膜淡化膜的界面聚合制程的示意圖。[0017]圖7顯示并有具有/不具有AQP的脂質(zhì)囊泡的TFC膜的水通量及溶質(zhì)阻擋率的比較。DOPC:含0.08mg/mlDOPC囊泡的胺溶液(1.5wt%MPD,98.5wt%H20)；AQP:含0.08mg/ml并有AqpZ的D0PC(D0PC:AcipZ，200:1，莫耳比)囊泡的胺溶液(1.5wt%MPD,98.5wt%H20)。測試條件:500ppmNaCl，在收集之前壓實3小時。[0018]圖8顯示并有具有/不具有AQP的聚合囊泡的TFC膜的水通量及溶質(zhì)阻擋率的比較。P-囊泡:含0.08mg/ml聚合物體(PM0XA15-PDMS67-PM0XA15)囊泡之胺溶液(1.5wt%MPD，98.5wt%H20)；AQP:含0.08mg/ml并有AqpZ的D0PC(D0PC:AcipZ，50:1，莫耳比)囊泡的胺溶液(1.5wt%MPD,98.5wt%H20)。測試條件:500ppmNaCl，在收集之前壓實3小時。[0019]圖9顯示不同囊泡的標(biāo)準(zhǔn)化光散射。圖中顯示以下三種不同種類囊泡的速率常數(shù)k值及水滲透率:并有野生型Aqpz的DOPC蛋白脂質(zhì)體、并有AqpzR189A的DOPC蛋白脂質(zhì)體(脂質(zhì)與蛋白質(zhì)比率為200:1)及DOPC脂質(zhì)體。速率常數(shù)(k)自5至10次量測的平均動力學(xué)通過將圖曲線擬合成一階指數(shù)來測定。水滲透率根據(jù)本文中方程式I計算。[0020]圖10為顯示不同膜的RO測試性能的直方圖，其中試驗條件為5巴、1mMNaCl。[0021]圖11為顯示隨壓力自2.5巴增加至10巴而變的水通量及NaCl阻擋率的圖式。PSUF200+D0PC+野生型Aqpz為具有包含并有活性Aqpz的DOPC蛋白脂質(zhì)體的聚酰胺層的膜。PSUF200為具有正常聚酰胺層的膜。PSUF200+D0PC+AqpzR189A為具有包含并有失活A(yù)qpz的DOPC蛋白脂質(zhì)體的聚酰胺層的膜(實驗描述為圖10及圖11所必需，參見圖6)。[0022]圖12為顯示各種脂質(zhì)體及相應(yīng)蛋白脂質(zhì)體的水滲透率的直方圖。[0023]圖13為顯示與水信道蛋白Z在一系列蛋白質(zhì)與脂質(zhì)比率(O、1:800、1:400、1:200、1:100及1:50)下重組的大腸桿菌提取脂質(zhì)、DOPC脂質(zhì)及DOPC膽固醇(7:3)混合物蛋白脂質(zhì)體的水滲透率測試結(jié)果的圖式。【具體實施方式】[0024]縮寫AQP在本文中用于表示水信道蛋白水信道。AqpZ例如在實施例中特定用于大腸桿菌(E.coli)水通道蛋白Z。然而，AqpZ在本文中也用作水信道蛋白水信道的一般實例。包括水甘油通道蛋白(aquaglyceroporin)在內(nèi)的天然存在或合成制造的所有已知蛋白質(zhì)水通道分子均適用于本發(fā)明。[0025]如本文所用，術(shù)語「微孔(microporous)」描述制備水通道蛋白薄膜復(fù)合膜所用的載體材料的特征，涵蓋奈米級至微米級的孔隙度范圍。較佳孔隙度典型地呈微米級。[0026]本文中所用兩親媒性脂質(zhì)的實例為大腸桿菌提取脂質(zhì)(也稱為大腸桿菌混合脂質(zhì))、大豆磷脂(asolectin)、DOPC及DPhPC,所有該等脂質(zhì)均可自AvantiPolarLipids,Alabaster,Alabama,USA購買。[0027]本文中所用兩親媒性共聚物的實例為A-B-A類型，其中較佳三嵌段共聚物實例PM0XA-a-PDMS-b-PM0XA-a、更特定言之諸如PM0XA15-PDMS67-PM0XA15、PMOXA15-PDMS110-ΡΜ0ΧΑ15,PMOXA15-PDMS119-PM0XA15及PM0XA6-PDMS35-PM0XA6可自PolymerSource,Canada購買；或者三嵌段共聚物可為非離子清潔劑,諸如SynperonicPE/L64(由FLUKA出售的E010P030E010)及PluronicPE10300(由BASF出售的E012P056E012)。此外，A-B-C類型的三嵌段共聚物可適用于本發(fā)明，諸如RoxanaStoenescu等人(2004)「AsymmetricABC-TriblockCopolymerMembranesInduceaDirectedInsert1nofMembraneProteins」MacromolecularB1science,第930頁至第936頁所描述。在本文的三嵌段共聚物中，A及C為親水性部分，且B為疏水性部分。A-B類型的二嵌段共聚物也適用于本發(fā)明的某些具體實例，例如E061P095、E010Bdl2、E014Bd35、E023Bd46、E048DMS70及E015B016。兩親媒性共聚物的選擇準(zhǔn)則可視待并入的水信道蛋白水信道蛋白質(zhì)的特定類型而定。然而，存在幾個一般準(zhǔn)則，諸如嵌段的穩(wěn)定化學(xué)性質(zhì)、疏水段的長度能夠通過「直接(direct)」匹配或通過能夠折迭至匹配中來匹配水通道蛋白蛋白質(zhì)的疏水段，意即在A-B-A嵌段共聚物的B嵌段中具有最多約140個重復(fù)單元而對于A-B嵌段共聚物具有最多約100個重復(fù)單元。此外，疏水區(qū)較佳具有相對較強的疏水性，且親水性/疏水性比率應(yīng)促進囊泡形成。EO=環(huán)氧乙燒,PMOXA=(聚)2-甲基惡唑啉,PO=環(huán)氧丙燒,BO=環(huán)氧丁燒,PDMS=(聚)二甲基硅氧烷且Bd=丁二烯。[0028]本文中所用載體膜較佳為多孔聚砜或聚醚砜片，其可如本文中所揭示制備或自供貨商獲得?？墒褂闷渌愋偷亩嗫纵d體材料，且熟習(xí)此項技術(shù)者應(yīng)了解如何選擇適合的載體膜。[0029]如本文所用的術(shù)語「囊泡(vesicle)」表示脂質(zhì)體及蛋白脂質(zhì)體以及聚合物體(聚合囊泡)及蛋白聚合物體。[0030]術(shù)語「雙價(bivalent)」及「二價(divalent)」在本文中可互換使用。[0031]「滲透過濾制程(osmoticfiltrat1nprocess)」在本文中意謂如此項技術(shù)中一般認可的逆滲透、正滲透及壓力延滯滲透制程的任何類型。更特定言之，本文中相關(guān)的滲透制程皆關(guān)于涉及水性介質(zhì)的分離制程。滲透分離制程的目的可為自水性介質(zhì)提取水以便獲得更濃縮的介質(zhì)，或其可自諸如廢水、半咸水或海水的來源獲得純化水。最后，在壓力延滯滲透中，目的為通過經(jīng)由水選擇性及鹽不透性膜自含鹽相對較少的水源提取純水至含鹽較多的接受者中來產(chǎn)生能量。[0032]使用兩種類型的囊泡來形成基于AQP的薄膜復(fù)合膜:(I)兩親媒性脂質(zhì)-AQP囊泡及(2)兩親媒性聚合物體-AqpZ囊泡。也制備未并有AQP的囊泡用于比較目的。此外，也制備并有失活A(yù)qpZ變體(AqpZR189A)的囊泡用于比較目的。[0033]第一囊泡類型為可根據(jù)以下方式形成的兩親媒性脂質(zhì)-AQP囊泡。首先，利用各種類型的兩親媒性脂質(zhì)將純化的AqpZ重組至蛋白脂質(zhì)體中，該等兩親媒性脂質(zhì)包括大腸桿菌脂質(zhì)提取物、DPhPc(1，2-二-3，7，11，15-四甲基十六?；?-sn_甘油_3_磷酸膽堿)、DOPCd,2-二油?；?sn-甘油-3-磷酸膽堿)及POPC(軟酯酰基油?；字Ｄ憠A)等。隨后，通過經(jīng)0.4μm孔徑聚碳酸酯過濾器擠出將脂質(zhì)制備成單層且均質(zhì)的預(yù)成形脂質(zhì)體。添加純化的AqpZ至脂質(zhì)體懸浮液中且在室溫下培育I小時，隨后裝載至透析管中(分子質(zhì)量截止點為12，000至14，000)且在室溫下相對于100體積的pH7.5的20mM磷酸鹽緩沖液透析24小時至72小時。最后，脂質(zhì)體再次經(jīng)0.2μπι孔徑擠出。利用動態(tài)光散射量測所獲得的蛋白脂質(zhì)體的直徑，且結(jié)果顯示于表I中。[0034]通過英國應(yīng)用光物理公司(appliedphotophysics)停流光譜儀量測具有或不具有AqpZ的脂質(zhì)/聚合囊泡的水滲透率，且水滲透率可利用以下方程式來計算:kU一ΛAf=..............................................[0035]±Va*r'ΛOSm^(I)[0036]其中S為囊泡的初始表面積，VO為囊泡的初始體積，Vw為水的莫耳體積(18cm3/mol),且Aosm為囊泡上容積滲透濃度的差值,也即囊泡內(nèi)水溶液與囊泡外水溶液之間的容積滲透濃度差值。[0037]并有或未并有AqpZ的脂質(zhì)的水滲透率的一些實例闡明于表I中。結(jié)果顯示AqpZ可良好地重組于DOPC中。[0038]表1.不同脂質(zhì)中重組的AqpZ之水滲透率(Pf)特性化[0039]k值，s-1囊泡直徑，nmPf,cm/s僅DOPC脂質(zhì)19.3+0.21570.00737+0.000076DOPC脂質(zhì)-AqpZ(200:1)188+20~116.70.057+0.006[0040]速率常數(shù)(k)自5至10次量測的平均動力學(xué)通過將圖曲線擬合成二階指數(shù)來測定，也參見圖3及圖9中的類似數(shù)據(jù)，圖9提供由如下DOPC囊泡得到的另一曲線:并有水通道蛋白Z變體AqpZ町894，具有可忽略的水輸送，產(chǎn)生218-讓值及884!11/8Pf值。圖9中的圖式顯示不同囊泡(脂質(zhì)體及蛋白脂質(zhì)體)隨時間而變的標(biāo)準(zhǔn)化光散射。圖中顯示以下三種不同種類的囊泡的速率常數(shù)k值及水滲透率:并有野生型AqpZ的DOPC蛋白脂質(zhì)體、并有AqpZR189A的DOPC蛋白脂質(zhì)體(兩種類型蛋白脂質(zhì)體的脂質(zhì)與蛋白質(zhì)比率均為200:1)及DOPC脂質(zhì)體。速率常數(shù)(k)自5至10次量測的平均動力學(xué)通過將圖曲線擬合成一階指數(shù)來測定。水滲透率根據(jù)方程式(I)計算。此外，圖4顯示聚合物體的停流實驗之結(jié)果。來自具有及不具有AcipZ的PM0XA15-PDMS67-PM0XA15(PMOXA-b-PDMS-b-PMOXA)聚合物囊泡的標(biāo)準(zhǔn)化光散射曲線，其中實心點為具有AqpZ的聚合物體的數(shù)據(jù)點，k值為505s-l，且空心點為無AqpZ的聚合物體的數(shù)據(jù)點，k值為14s_l。該圖清楚顯示AqpZ并入聚合物體中使得否則將相對水密的囊泡的水滲透率得以較大改良。[0041]另一囊泡類型為聚合物體-AqpZ囊泡，其可根據(jù)以下方式形成。(I)制備兩親媒性共聚物PMOXA-a-PDMS-b-PMOXA-a的聚合囊泡，其中a可在約10至約20范圍內(nèi)，且b可在約100至約120范圍內(nèi)(較佳為PM0XA15-PDMS67-PM0XA15)，在劇烈攪拌下將共聚物溶解于氯仿中且在室溫下靜置以便均勻混合在一起，該共聚物于溶液中的濃度為1.0?/ν%至20.0w/v%(8?八％至12w/v%)。隨后，在旋轉(zhuǎn)蒸氣蒸發(fā)儀中在氮氣沖洗下蒸發(fā)氯仿。共聚物在真空烘箱中在0.3毫巴下在室溫下進一步干燥隔夜以移除痕量剩余溶劑。隨后，向干燥的嵌段共聚物中添加ImlPBS溶液且再將混合物劇烈攪拌持續(xù)預(yù)定的持續(xù)時間。所獲得的聚合物體囊泡的直徑由TEM影像顯示(圖2)，且聚合物體囊泡直徑在200nm至350nm范圍內(nèi)(左側(cè)部分顯示聚合物體的染色且右側(cè)部分顯示聚合物體的聚集)。(2)制備聚合物體-AqpZ囊泡，制備聚合物體-AqpZ囊泡的制程與脂質(zhì)囊泡相同，但將脂質(zhì)與AqpZ比率由200:1(莫耳比)變?yōu)?0:1至500:1(較佳50:1至200:1，莫耳比)。[0042]圖6中描述制備基于AQP的薄膜復(fù)合膜所用的制程及化學(xué)反應(yīng)。此處，首先將用作載體的商用微孔UF膜在60°C至90°C(70°C至80°C)Mill1-Q水中加熱I分鐘至5分鐘(I分鐘至2分鐘)且在室溫Mill1-Q水中冷卻以達成穩(wěn)定細孔結(jié)構(gòu)。隨后移除基板，用壓縮空氣移除表面上的水，且用含有具有或不具有AqpZ的囊泡的胺水溶液覆蓋表面?zhèn)瘸掷m(xù)2分鐘至20分鐘(5分鐘至10分鐘)，其中，胺溶液中囊泡的濃度在0.02mg/ml至0.5mg/ml(較佳0.05mg/ml至0.2mg/ml)范圍內(nèi)。隨后，自表面移除溶液。完成此操作的一種方法為使基板于空氣中垂直豎立5分鐘至30分鐘(較佳5分鐘至15分鐘)，隨后用壓縮氮氣且在0.5巴至3巴(較佳I巴至2巴)下吹拂表面I分鐘至2分鐘以移除表面上任何可能的聚集的囊泡，隨后使基板繼續(xù)再垂直豎立干燥10分鐘至40分鐘(較佳15分鐘至25分鐘)，以使任何可能的過量溶液澈底地離開表面。隨后，將酰氯有機溶液傾于飽和基板的表面上且使之反應(yīng)0.5分鐘至10分鐘(I分鐘至2分鐘)，隨后在基板表面上形成并有具有/不具有AqpZ的囊泡的超薄聚酰胺選擇性層。沖洗新生復(fù)合膜以澈底移除殘余反應(yīng)物且儲存于Mill1-Q水中，且儲存于Mill1-Q水中直至使用。具有兩個胺官能基的芳族胺(諸如間苯二胺(MPD))在該制程中適用或較佳。然而，熟習(xí)制備界面聚合的薄膜活性層的技術(shù)者應(yīng)能夠選擇其他適用的胺化合物。同樣地，本文中所用的酰氯較佳為具有三個酰氯基團的均苯三甲酰氯(TMC)，由此提供與MH)的極佳交聯(lián)，產(chǎn)生芳族聚酰胺層(AP層)。因此，本發(fā)明的一態(tài)樣是關(guān)于含有具有或不具有AqpZ或其他水信道蛋白水信道的囊泡的胺水溶液，其中該胺較佳為具有兩個或兩個以上胺官能基的芳族胺，諸如間苯二胺，且該等囊泡可為視情況具有另一膽固醇摻合物(諸如在脂質(zhì)囊泡另外含有水通道蛋白的情況下，約20莫耳％至40莫耳％)的兩親媒性嵌段共聚物或兩親媒性脂質(zhì)囊泡。該含有囊泡的胺溶液為適用于制備本發(fā)明的薄膜復(fù)合膜的新穎中間產(chǎn)物。[0043]通過在Mill1-Q水中溶解間苯二胺(MPD)單體及具有/不具有AqpZ的囊泡(懸浮)來制備胺溶液。單體及視情況選用的添加劑的濃度為0.5?1:%至4.0wt%(1.(^1:%至2.0wt%)o通過在具有或不具有視情況選用的添加劑的有機溶劑(諸如己烷、(正已烷)或環(huán)己烷)中溶解均苯三甲酰氯(TMC)單體來制備酰氯溶液。添加劑是選自ε-己內(nèi)酰胺、N，N-二丁基甲酰胺、雙(伸戊基)脲、辛酸乙酯、十二烷基磺酸鈉及其組合。所用酰氯單體的濃度為0.05wt/v%至2wt/v%(0.lwt/v%至0.5wt/v%)。反應(yīng)闡明于如圖6所示的流程中。[0044]在吾人的RO實驗中，并有不具有AqpZ的兩親媒性脂質(zhì)/聚合囊泡的薄膜復(fù)合膜的水通量相對較高且隨施加壓力的增加而增加。對于含有兩親媒性脂質(zhì)/聚合-AqpZ囊泡的TFC膜可見相同模式，其中與僅并有不具有AqpZ的兩親媒性脂質(zhì)/聚合囊泡的膜相比獲得甚至更高的水通量，但兩種類型的膜對溶質(zhì)(諸如氯化鈉)保持類似的阻擋率，參見圖7及圖8。圖10及圖11中提供其他數(shù)據(jù)，顯示根據(jù)本發(fā)明制備但并有具有失活水通道蛋白Z的DOPC囊泡的TFC膜并未顯示改良的水通量，但維持鹽阻擋率。圖10為顯示根據(jù)本文實施例制備的不同膜與兩種商用膜(BW30及SW30HR)相比的RO測試性能的直方圖，其中測試條件為5巴，1mMNaCl。在圖中，A表示PSUF200+D0PC+野生型Αφζ，Β表示PSUF200，C表示PSUF200+D0PC+AqpzR189A，D表示BW30且E表示SW30HR.。PSUF200+D0PC+野生型Αφζ為具有包含并有活性Aqpz的DOPC蛋白脂質(zhì)體的聚酰胺層的膜。PSUF200為具有正常聚酰胺層的手工澆鑄聚砜膜(200μm)。PSUF200+D0PC+AqpzR189A為具有包含并有失活A(yù)qpz的DOPC蛋白脂質(zhì)體的聚酰胺層的膜。該圖清楚顯示并有或未并有水信道蛋白水信道的本發(fā)明TFC膜與商用RO海水淡化膜(SW30HR)相比顯示出較高水通量(LMH/bar)及NaCl阻擋率。此外，該圖顯示具有野生型水信道蛋白Z的本發(fā)明TFC膜與商用RO半咸水淡化膜(BW30)相比具有顯著較高的水通量(LMH/bar)。[0045]圖11為顯示隨壓力自2.5巴增加至10巴而變的水通量及NaCl阻擋率的圖式。PSUF200+D0PC+野生型Aqpz為具有包含并有活性Aqpz的DOPC蛋白脂質(zhì)體的聚酰胺層的膜。PSUF200為具有正常聚酰胺層的膜。PSUF200+D0PC+AqpzR189A為具有包含并有失活A(yù)qpz的DOPC蛋白脂質(zhì)體的聚酰胺層的膜。[0046]此外，并有聚合物體-AqpZ囊泡(50:1莫耳比)的復(fù)合膜之通量為僅聚合物體并入復(fù)合膜中的膜通量的2倍。且基于AqpZ的淡化膜可維持高于200磅/平方寸的壓力。基于此等性能數(shù)據(jù)，吾人可推斷本發(fā)明所揭示的基于水通道蛋白的薄膜復(fù)合膜在水淡化、水回收及廢水處理等方面具有前景。[0047]本發(fā)明所涵蓋的修改[0048]未來將研究以下方法以進一步改良膜性能:[0049]1.旋涂法，諸如在膜基板已用胺溶液浸泡之后利用旋涂法在膜基板表面上沈積脂質(zhì)/聚合囊泡(具有或不具有AqpZ)。[0050]2.膜表面涂布。在面對污水源時可在界面聚合之后使用交聯(lián)水凝膠(如PVA、PVP等及其衍生物)涂覆涂層以保護具有AqpZ的脂質(zhì)/聚合囊泡。[0051]3.基于AQP的薄膜復(fù)合膜也可應(yīng)用于使用薄且較多孔的微孔基板作為基板的正滲透及壓力延滯滲透應(yīng)用中。[0052]4.本發(fā)明可研究及涵蓋其他類型的水通道蛋白、脂質(zhì)及聚合囊泡組合。[0053]5.可并有其他類型的天然或合成水信道或離子信道。[0054]新穎特征[0055]如吾人所知，生物膜展示經(jīng)由水通道蛋白蛋白質(zhì)跨滲透壓梯度的水輸送特性的最有效方式[2]。已針對人工膜作出若干努力來模擬天然細胞膜，即通過將AQP并入超薄兩親媒性脂質(zhì)膜/兩親媒性嵌段共聚物膜(film)及膜(membrane)中。舉例而言，美國專利7,208,089[4]ΓB1mimeticMembranes」已描述如何將膜蛋白并入膜中來實現(xiàn)水純化。然而，無數(shù)據(jù)顯示此等膜有用于淡化。膜的機械強度為主要問題。美國專利7，857，987[5]「MembraneforFilteringofWater」描述如何使并有AQP的脂質(zhì)雙層配置成夾層結(jié)構(gòu)以用于水純化。然而，也無數(shù)據(jù)支持水淡化可以呈夾層結(jié)構(gòu)的基于AQP的脂質(zhì)雙層膜進行。[0056]直至目前，仍無任何公開專利或文獻提及成功地制造水信道分子(諸如AQP)并入功能層中的水淡化膜。本發(fā)明研制包含并有由微孔膜基板支載的AQP-脂質(zhì)/AQP-聚合物囊泡的超薄選擇性層的基于水通道蛋白的薄膜復(fù)合淡化膜。[0057]—個具體實例使用薄膜阻擋層中并有/未并有AQPZ的脂質(zhì)囊泡，且另一具體實例使用薄膜阻擋層中并有/未并有AQPZ的聚合囊泡。所有基于AqpZ的薄膜復(fù)合膜與僅并有脂質(zhì)/聚合囊泡的膜相比顯示較高水通量。此外，本發(fā)明研制的膜能夠經(jīng)受住高壓(\200磅/平方寸)。制造技術(shù)可易于規(guī)模放大。由此將使本發(fā)明所揭示的基于AQP的薄膜復(fù)合膜能夠用于水淡化、水回收及廢水處理等的極有前景的具體實例中。[0058]效用[0059]在本發(fā)明中，研制基于水通道蛋白的薄膜復(fù)合膜，其中超薄選擇性層并有由微孔基板支載的兩親媒性脂質(zhì)-AQP/兩親媒性共聚物-AQP囊泡。超濾膜用作載體基板，且含有該等兩親媒性囊泡的薄選擇性層經(jīng)由界面聚合在基板上形成。本發(fā)明中的基于AQP的薄膜復(fù)合膜通過將含水通道(諸如AqpZ)的囊泡并入薄選擇性層中來制備。在此方法中，囊泡被完全固定至選擇性層中，其使得在使用其他方法(如在公開文獻中多次提及的囊泡融合[14]或朗繆耳-布羅基特槽法[4])時在長期操作期間囊泡/水通道蛋白的不穩(wěn)定性的風(fēng)險降低。采用薄膜復(fù)合層作為容納含有AQP的囊泡的基質(zhì)也確保所得膜的機械穩(wěn)定性。在結(jié)構(gòu)方面，并入薄選擇性層中的囊泡中具有或不具有AqpZ的脂質(zhì)/聚合囊泡及本發(fā)明的基于AQP的膜與選擇性層中僅具有脂質(zhì)/聚合囊泡者相比可達到甚至更高的水通量及相當(dāng)?shù)柠}阻擋率。此方法開創(chuàng)了經(jīng)由界面聚合將各種含有天然及/或合成水信道以及離子信道的囊泡并入選擇性層中的新局面，且產(chǎn)生較高水滲透率的膜。[0060]本發(fā)明中所提及的膜可應(yīng)用于許多應(yīng)用中且具有前景，該等應(yīng)用包括用于海水及半咸水淡化、水回收、超純水制造、水軟化、飲用水生產(chǎn)、水純化、廢水處理[15]、海水及鹽水淡化[16，17]、食品加工[18，29]等的逆滲透(RO)或正滲透(FO)，且其有用于逆滲透、奈米過濾、正滲透及壓力延滯滲透應(yīng)用。[0061]實施例1.制備脂質(zhì)體及蛋白脂質(zhì)體[0062]制備所用的材料及方法[0063]除非另外提及，否則使用來自Mill1-Q超純水系統(tǒng)(Mill1-poreSingaporePte有限公司)的電阻率為18.2ΜΩcm的超純水來制備本研究中的試劑。純度大于99%的分析級NaCl>KCl、KH2PO4、MgCl2、MgSO4及Na2SO4購自Merck(Germany)。鹿糖(超純級)獲自USB公司(Cleveland，USA)。水通道蛋白Z表現(xiàn)及純化中所用的化學(xué)物(包括胺芐青霉素(Ampicilin)、氯霉素(Chloramphenicol)、IPTG、Tris、β-巰基乙醇、甘油及溶菌酶)獲自Sigma-Aldrich且為ACS(美國化學(xué)學(xué)會)級或SigmaUltra級。Benzonase購自Merck。N1-NTA樹脂購自B1-Rad。正辛基_b_D-葡萄哌喃糖苷(0G,超純級,Merck,Germany)在蛋白脂質(zhì)體制備期間用作清潔劑。當(dāng)前研究中所用脂質(zhì)包括1，2-二油酰基-sn-甘油-3-磷酸膽堿(DOPC)、大腸桿菌提取脂質(zhì)、1，2-二植烷?；?sn-甘油-3-磷酸膽堿(DPHPC)、1，2-二油?；?Sn-甘油-3-磷酸-(Γ-外消旋-甘油)(鈉鹽)(DOPG)及1，2-二油酰基-3-三甲銨-丙燒(氯鹽)(DOTAP)。此等脂質(zhì)由AvantiPolarLipids(Alabama,USA)以氯仿溶液(20毫克脂質(zhì)/毫升)的形式提供。脂質(zhì)保持于_20°C冰箱中直至使用。所有化學(xué)物均未作進一步純化即使用。在一些實驗中，膽固醇(AvantiPolarLipids)用作蛋白脂質(zhì)體制備的添加劑。[0064]水通道蛋白Z(AqpZ)表現(xiàn)及純化[0065]在本研究中選擇AqpZ(—種見于大腸桿菌細胞膜中的水通道蛋白)是歸因于其可用性及其經(jīng)充分描繪的性質(zhì)[25]。AqpZ的表現(xiàn)及純化根據(jù)先前報導(dǎo)的方案[25，27]進行。將含有AqpZ基因的pET3a質(zhì)體轉(zhuǎn)型至大腸桿菌勝任細胞株C41_pLysS中以達成蛋白質(zhì)過表現(xiàn)。挑選來自單個群落的細胞接種于具有100μg/ml胺節(jié)青霉素及34μg/ml氯霉素的極品肉汁(TerrificBroth,TB)培養(yǎng)基中，且在37°C下生長隔夜。將隔夜培養(yǎng)物100倍稀釋至新鮮TB肉汁中且繁殖至約1.2至1.5的密度(在600nm下的0D)。用ImM異丙基-β-硫半乳糖苷(IPTG)誘導(dǎo)細胞且在37°C下生長3小時，隨后離心。通過使用離子交換層析繼的以N1-NTA親和層析來純化AqpZ。使收獲的細胞在0.4mg/ml溶菌酶、50單位Bensonase(Merck)及3%正辛基-β-D-葡萄哌喃糖苷存在下再懸浮于陰離子交換結(jié)合緩沖液(20mMTris(pH8.0)、50mMNaCl、2mMβ-巰基乙醇、10%甘油)中。使樣品在微射流均質(zhì)機(mic1fluidizer)中進行五次溶解循環(huán)，隨后離心以移除不溶性物質(zhì)。使上清液通過Q-瓊脂糖凝膠快流管柱(AmershamPharmacia),且收集流過物。流過部份用250mMNaCl加滿，隨后裝載至預(yù)平衡的N1-NTA管柱(B1-Rad)上。使蛋白質(zhì)在4°C下在輕微震蕩下與樹脂結(jié)合隔夜。用20倍管柱體積的含有20mMTris(pH8.0)、300mMNaCl、25mM咪唑、2πιΜβ-巰基乙醇、10%甘油的緩沖液洗滌結(jié)合有融合蛋白質(zhì)的鎳樹脂。用含有(20mMTris(pH8.0),300mMNaCl、300mM咪唑、2πιΜβ-巰基乙醇、10%甘油、含有30mM正辛基-β-D-葡萄哌喃糖苷)的洗提緩沖液來洗提結(jié)合的蛋白質(zhì)。通過凝膠電泳檢查含有融合蛋白質(zhì)的部分且以Amicon濃縮器(膜截止點為10，OOODa)(Miliporeii)濃縮至5mg/ml至10mg/ml的濃度。通過量測在280nm下的UV吸光率來測定AqpZ的蛋白質(zhì)濃度(AqpZ消光系數(shù)=35090M-lcm-l，分子量=24524g/mol)。將濃縮的AqpZ在_80°C下保持冷凍直至使用。[0066]AqpZ表現(xiàn)構(gòu)筑體[0067]來自大腸桿菌DH5a的基因組DNA用作擴增AqpZ基因的來源。使用在N-末端處添加6-His標(biāo)記序列的基因特異性引子來擴增AqpZ基因。經(jīng)擴增的AqpZ用酶NdeI及BamHI消化，隨后接合至經(jīng)類似消化的pEt3a載體DNA上。利用PCR篩選驗證陽性純系。隨后，通過DNA測序(第一堿基)來證實構(gòu)筑體的可靠性。[0068]為獲得AqpZ突變體R189A，通過使用QuikchangeTM定點變突誘發(fā)(SDM)套組(Stratagene,LaJolla,CA)將位置189上的精胺酸殘基用丙胺酸替換至pET3a/AqpZ中。通過DNA測序(第一堿基)來證實突變誘發(fā)的構(gòu)筑體的可靠性。[0069]AqpZ的過表現(xiàn)[0070]將含有AqpZ基因(野生型及R189A)的pET3a質(zhì)體轉(zhuǎn)型至大腸桿菌勝任細胞株C41-pLysS中以達成蛋白質(zhì)過表現(xiàn)。挑選來自單個群落的細胞接種于具有100yg/ml胺節(jié)青霉素及34μg/ml氯霉素的極品肉汁(TB)培養(yǎng)基中，且在37°C下生長隔夜。將隔夜培養(yǎng)物100倍稀釋至新鮮TB肉汁中且繁殖至約1.2至1.5的密度(在600nm下的0D)。用ImM異丙基-β-硫半乳糖苷(IPTG)誘導(dǎo)細胞且在37°C下生長3小時，隨后離心。[0071]通過使用離子交換層析繼的以N1-NTA親和層析來純化AqpZ。使收獲的細胞在0.4mg/ml溶菌酶、50單位Bensonase(Merck)及3%正辛基-β-D-葡萄哌喃糖苷存在下再懸浮于陰離子交換結(jié)合緩沖液(20mMTris(pH8.0)、50mMNaCl、2mMP-巰基乙醇、10%甘油)中。使樣品在微射流均質(zhì)機中進行五次溶解循環(huán)，隨后離心以移除不溶性物質(zhì)。使上清液通過Q-瓊脂糖凝膠快流管柱(AmershamPharmacia),且收集流過物。流過部份用250mMNaCl加滿，隨后裝載至預(yù)平衡的N1-NTA管柱(B1-Rad)上。使蛋白質(zhì)在4°C下在輕微震蕩下與樹脂結(jié)合隔夜。用20倍管柱體積的含有20mMTris(pH8.0)、300mMNaCl、25mM咪唑、2πιΜβ-巰基乙醇、10%甘油的緩沖液洗滌結(jié)合有融合蛋白質(zhì)的鎳樹脂。用含有(20mMTris(pH8.0),300mMNaCl、300mM咪唑、2πιΜβ-巰基乙醇、10%甘油、含有30mM正辛基-β-D-葡萄哌喃糖苷)的洗提緩沖液來洗提結(jié)合的蛋白質(zhì)。通過凝膠電泳檢查含有融合蛋白質(zhì)的部分且以Amicon濃縮器(膜截止點為10，OOODa)(ΜΠ丨pore?)濃縮至5mg/ml至10mg/ml的濃度。通過量測在280nm下的UV吸光率來測定AqpZ(野生型及R189A)的蛋白質(zhì)濃度(AqpZ消光系數(shù)=35090M-lcm_l，分子量=24524g/mol)。將濃縮的AqpZ在_80°C下保持冷凍直至使用。[0072]脂質(zhì)體及蛋白脂質(zhì)體制備[0073]通過膜再水合法[26，27]制備脂質(zhì)囊泡。溶解于0.5ml氯仿中的1mg脂質(zhì)在氮氣下干燥，形成薄脂質(zhì)膜。在一些實驗中，將預(yù)定量的膽固醇與指定脂質(zhì)(本研究中的D0PC)混合，形成含有膽固醇的脂質(zhì)膜。在各情況下，將所得膜保持在真空干燥器中至少2小時。使用Iml磷酸鹽緩沖鹽水(PBS)緩沖溶液(pH7.4)再水合脂質(zhì)膜，隨后進行3個凍融循環(huán)處理。所得溶液含有尺寸分布較寬的單層脂質(zhì)囊泡。通過使用Avestin擠出機(Canada)將溶液經(jīng)由200nm孔徑聚碳酸酯過濾器擠出21次來獲得具有均一尺寸的脂質(zhì)體。通過利用透析法將AqpZ并入脂質(zhì)體中來制備蛋白脂質(zhì)體[20]。簡言之，將AqpZ溶液與含有1mg/ml脂質(zhì)囊泡及1%清潔劑OG的第二溶液以所需蛋白質(zhì)脂質(zhì)比率混合，隨后在室溫下培育I小時。使用透析管(Spectrumlaboratories,USA,MWCO為12KDa至14KDa)通過將蛋白脂質(zhì)體溶液相對于PBS緩沖溶液在pH7.4下透析3天以自蛋白脂質(zhì)體溶液中移除0G。在此期間，透析PBS緩沖溶液每日更換一次。在3天透析之后，AqpZ(野生型或R189A)成功地重組至脂質(zhì)囊泡中。[0074]脂質(zhì)體及蛋白脂質(zhì)體特性化[0075]尺寸及ξ電位特性化[0076]使用ZetasizerNanoZS(MalvernInstruments有限公司，UK)來測定脂質(zhì)體及蛋白脂質(zhì)體的尺寸。所量測的直徑用于計算脂質(zhì)體或蛋白脂質(zhì)體的水滲透率。此外，尺寸測定也用于監(jiān)測囊泡溶液質(zhì)量。在本研究中，溶液多分散指數(shù)(roi)始終小于0.2，指示囊泡的尺寸分布較窄[29]。均一尺寸分布有助于使囊泡水滲透率測定中的誤差最小。脂質(zhì)體及蛋白脂質(zhì)體的I電位值也利用ZetasizerNanoZS來量測。[0077]水滲透率及溶質(zhì)反射系數(shù)評估[0078]使用SX20停流光譜儀(AppliedPhotophysics,UnitedKingdom)來特性化囊泡水滲透率。停流測試中所用所有溶液的容積滲透濃度均由蒸氣滲壓計5520(Wescor公司，USA)特性化。針對所有停流測試選擇熒光動力學(xué)模式，且光源波長為500nm。用8個大氣壓的加壓氮氣促進樣品溶液與吸引溶液(drawsolut1n)的快速混合，且空滯時間為500μS0在所有停流量測中，溫度均維持在23°C±1°C下。基于熒光信號與囊泡體積之間的關(guān)系，隨時間變化記錄囊泡體積變化速率。囊泡體積因水向外輸送而減少，其將受囊泡上的容積滲透濃度差值以及囊泡的水滲透率影響。在典型停流實驗中，吸引溶液及樣品溶液具有相同的PBS緩沖液濃度，使得水滲透由吸引溶質(zhì)(例如蔗糖或NaCl)濃度誘發(fā)。水滲透率可利用以上方程式I計算。[0079]指定溶質(zhì)的反射系數(shù)σ可通過比較在相同容積滲透濃度條件下使用特定吸引溶質(zhì)量測的水滲透率(Pf，溶質(zhì))與使用參考溶質(zhì)量測的水滲透率(Pf，參考)來測定。蔗糖在當(dāng)前研究中用作參考溶質(zhì)，因為其分子相對較大且?guī)缀跬耆珵橹|(zhì)囊泡保留。因此，較小吸引溶質(zhì)(諸如NaCl)的表觀反射系數(shù)可利用以下方程式來計算[30]:P*f,宕ff[0080]σ=方程式2[0081]除蔗糖及NaCl之外，其他物質(zhì)也有用于作為吸引溶質(zhì)。使用溶解于PBS緩沖溶液中的MgCl2來評估雙價離子在影響脂質(zhì)體及蛋白脂質(zhì)體性質(zhì)中的效應(yīng)。囊泡處于PBS緩沖溶液中。容積滲透濃度為914moSm/l的吸引溶液為溶解不同濃度MgCl2的PBS緩沖溶液。施用其他蔗糖以維持所有吸引溶液的容積滲透濃度為914moSm/l。[0082]使用蔗糖作為吸引溶質(zhì)(Λosm=356mosm/L)，DOPC脂質(zhì)體的動力學(xué)速率常數(shù)為約20L/s。比較而言，對于重組的DOPCAqpZ蛋白脂質(zhì)體(蛋白質(zhì)與脂質(zhì)比率為1:200，參見上表I)觀察到較大改良的速率常數(shù)(188L/S)。蛋白脂質(zhì)體的相應(yīng)水滲透率為690μm/s。假設(shè)所有AqpZ均成功地并入脂質(zhì)體中，則所得蛋白脂質(zhì)體的蛋白質(zhì)與脂質(zhì)比率為1:200?？赏ㄟ^參考每AqpZ及每脂質(zhì)的面積來估算AqpZ單體的量[31,32]。因此，各AqpZ的滲透性可估算為3.2X10-14cm3/s。此值與先前由NormanT.Hovijitra報導(dǎo)的結(jié)果(約4X10-14cm3/s)[33]相符。因此，蛋白脂質(zhì)體滲透性比相應(yīng)DOPC脂質(zhì)體高一個數(shù)量級。當(dāng)NaCl用作吸引溶液時亦觀察到類似趨勢，證實AqpZ的水滲透率極佳。[0083]基于DOPC的脂質(zhì)體及蛋白脂質(zhì)體對NaCl的反射系數(shù)(使用蔗糖作為參考溶質(zhì)，根據(jù)方程式2測定)接近于一致。在當(dāng)前研究中，盡管在AqpZ并入之后水滲透率顯著增強，然而對NaCl的保留率仍然極佳。由此提示脂質(zhì)雙層及AqpZ對于溶質(zhì)均具有良好保留率，因此其成為并入本發(fā)明的TFC膜的較佳候選者。[0084]多種脂質(zhì)效應(yīng)[0085]使用多種脂質(zhì)在PBS緩沖溶液中制備單層囊泡。根據(jù)相同程序以固定的蛋白質(zhì)與脂質(zhì)莫耳比(1:200)進行AqpZ蛋白脂質(zhì)體重組。發(fā)現(xiàn)圖13中所示的不同蛋白脂質(zhì)體的水滲透性不同。大腸桿菌提取脂質(zhì)、DOPC及DPHPC脂質(zhì)對Aqpz有偏向性，且大腸桿菌提取脂質(zhì)具較高偏向性。由于蛋白脂質(zhì)體的滲透性受AqpZ四聚體的活性及數(shù)量支配，故其中在不同蛋白脂質(zhì)體中AqpZ的滲透性活性保持相同[33]。因此，吾人認為不同脂質(zhì)性質(zhì)(諸如結(jié)構(gòu)及頭端基團)通過影響脂質(zhì)與AqpZ之間的相互作用可影響重組制程且產(chǎn)生不同蛋白脂質(zhì)體性能。已發(fā)現(xiàn)脂質(zhì)的厚度及電荷性質(zhì)會影響蛋白質(zhì)脂質(zhì)相互作用[34，35]。ξ電位測試顯示DOPG及DOTAP脂質(zhì)體分別因磷酸基團、三甲基銨基團而具有較強電荷性質(zhì)(分別約_30mV及約+30mV)，其可使得AqpZ并入困難。[0086]AqpZ與脂質(zhì)比率及膽固醇效應(yīng)[0087]類似于針對聚合物體所發(fā)現(xiàn)的最佳條件[21]，也觀察到圖13中所示的大腸桿菌提取脂質(zhì)及DOPC脂質(zhì)系統(tǒng)的最佳AqpZ與脂質(zhì)莫耳比。對于兩種脂質(zhì)系統(tǒng)，當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)與脂質(zhì)比率為1:200時，蛋白脂質(zhì)體達到最高水滲透率。[0088]一旦超過特定比率，所得蛋白脂質(zhì)體即顯示較低滲透性。此可能因為當(dāng)并入較多蛋白質(zhì)時出現(xiàn)較多缺陷。已發(fā)現(xiàn)在使30%膽固醇與DOPC脂質(zhì)混合的后，脂質(zhì)體的滲透性減小約40%(自76μm/s減小至45μm/s),其與先前報導(dǎo)[36]相符。然而,吾人發(fā)現(xiàn)蛋白脂質(zhì)體的水滲透率保持隨AqpZ與脂質(zhì)比率增加而增加。已知膽固醇摻合可增加脂質(zhì)雙層的剛性，改變撓曲彈性及脂質(zhì)雙層裝填[23，24，25，28，37]，且可增強脂質(zhì)雙層與AqpZ之間的相互作用或吸引力[28]。吾人假設(shè)在此混合物系統(tǒng)中膽固醇有效促進減少可能由較高蛋白質(zhì)與脂質(zhì)比率所引起的缺陷，且令人驚訝地甚至增加總體滲透性。因此，當(dāng)制備AqpZ蛋白脂質(zhì)體以用于并入本發(fā)明的TFC膜中時向兩親媒性脂質(zhì)中添加約30%膽固醇在需要極高水通量時可成為優(yōu)勢。[0089]濃度極化機制[0090]通過停流，使用一系列不同容積滲透濃度的NaCl及蔗糖溶液作為吸引溶液來特性化DOPC脂質(zhì)體及蛋白脂質(zhì)體的滲透性。對于脂質(zhì)體，速率常數(shù)k與容積滲透濃度梯度Aosm線性相關(guān)，其由方程式I充分描述。此也提示SD機制充分描述脂質(zhì)體的水滲透率[34]。然而，對于蛋白脂質(zhì)體，僅在較低容積滲透濃度梯度蔗糖溶液條件(〈0.2oSmol/L)下，以上方程序可適用。在蔗糖濃度高于0.3oSmol/L時，k值將出現(xiàn)顯著偏差?？赡芤蛳♂尩恼崽俏芤航咏p層表面而出現(xiàn)較低k值。在最初水自囊泡中出來時，表面邊界蔗糖被稀釋且因逆擴散能力較差而保持在較低濃度下。600mM蔗糖吸引溶液的黏度與NaCl吸引溶液有細微差別，兩者的黏度均在1.015PaS至1.30PaS之間(數(shù)據(jù)由OLIAnalyzer3.1，OLISystems公司，USA提供)。然而，PBS緩沖溶液中蔗糖的質(zhì)量擴散系數(shù)低至4.11X10-1lm2/s，遠小于NaCl擴散系數(shù)。此可能為蔗糖吸引溶液濃度極化較嚴(yán)重的原因。因此，吾人咸信適合的測試條件應(yīng)低于0.3oSmol/l，尤其在物質(zhì)具有較低擴散系數(shù)時。[0091]吸引溶質(zhì)物質(zhì)效應(yīng)[0092]考慮到潛在海水淡化應(yīng)用，研究海水中存在的4種主要物質(zhì)(NaCl、MgSO4,Na2SO4及MgCl2)的效應(yīng)。對于脂質(zhì)體，所有物質(zhì)中的大多數(shù)對DOPC脂質(zhì)體水滲透率的效應(yīng)可忽略。然而，與DOPC脂質(zhì)體相比，大腸桿菌提取脂質(zhì)脂質(zhì)體對Mg2+及S042_較為敏感，其可能歸因于大腸桿菌提取脂質(zhì)的較強負電荷性質(zhì)(在PH7.4下在PBS緩沖溶液中ξ電位為約-20mv)。在脂質(zhì)體與較高濃度Mg2+溶液混合時此值甚至可達到正值(約Imv)。對于蛋白脂質(zhì)體，雙價離子(包括Mg2+及SO42O甚至在極低濃度1mM下也可顯著影響大腸桿菌提取脂質(zhì)蛋白脂質(zhì)體特性。NaCl也能夠使停流特性化結(jié)果出現(xiàn)較大偏差。與大腸桿菌提取脂質(zhì)相比，DOPC系統(tǒng)可經(jīng)受住較高濃度的Mg2+及S042_，不過存在Mg2+及S042_也使得DOPC蛋白脂質(zhì)體的停流量測較為困難。此等離子可通過影響雙層與AqpZ之間的相互作用或形成錯合物、組合雙層及AqpZ來影響AqpZ[38]。[0093]針對DOPC及大腸桿菌提取脂質(zhì)系統(tǒng)進一步研究Mg2+濃度效應(yīng)。容積滲透濃度為914mosm/l的吸引溶液為溶解不同濃度MgCl2的PBS緩沖溶液。施用其他蔗糖以維持所有吸引溶液的容積滲透濃度為914moSm/l。已發(fā)現(xiàn)對于DOPC蛋白脂質(zhì)體，Mg2+在測試條件內(nèi)(Mg2+濃度至多50mM)對水滲透率的效應(yīng)可忽略。然而，對于大腸桿菌提取脂質(zhì)蛋白脂質(zhì)體，在Mg2+濃度大于5mM時，Mg2+在測試時間(Is)內(nèi)能夠引起嚴(yán)重的囊泡聚集。已報導(dǎo)Mg2+及Ca2+均可以極低濃度(低于5mM)通過與脂質(zhì)形成多種錯合物來引起脂質(zhì)體融合[40]?；谙惹皥髮?dǎo)[41]，Ca2+最有可能會引起更嚴(yán)重的問題，但本研究中未包括Ca2+。存在Mg2+可使Ca2+甚至更有效地誘導(dǎo)脂質(zhì)體融合。其他金屬離子也可顯著影響脂質(zhì)雙層的相或結(jié)構(gòu)[39]。盡管據(jù)報導(dǎo)一些膜蛋白在一定程度上在重組至脂質(zhì)體中之后可增強脂質(zhì)雙層的穩(wěn)定性[40]，但AqpZ似乎不能夠允許大腸桿菌提取脂質(zhì)蛋白脂質(zhì)體經(jīng)受住較高濃度的雙價離子，諸如50mMMg2+溶液。[0094]對于涉及具有相對較高二價離子濃度的海水或其他水源的水過濾制程，可能宜在制備本發(fā)明的薄膜復(fù)合膜中選擇中性兩親媒性脂質(zhì)(諸如D0PC)以避免不需要的相互作用。在吾人當(dāng)前膜設(shè)計中，蛋白脂質(zhì)體嵌埋于界面聚合的聚酰胺(PA)膜中。在吾人當(dāng)前發(fā)明中，PA膜充當(dāng)對蛋白脂質(zhì)體的保護，PA膜不僅提供足夠機械支載，而且其也因PA層固有的較高阻擋率而排斥二價離子以免其與蛋白脂質(zhì)體直接接觸，且因此提供另一優(yōu)勢。[0095]結(jié)論[0096]本研究系統(tǒng)地研究脂質(zhì)類型、吸引溶質(zhì)濃度、蛋白質(zhì)與脂質(zhì)比率、膽固醇混合物、溶解離子的存在對水通道蛋白-脂質(zhì)雙層性質(zhì)的效應(yīng)。顯示例如大腸桿菌提取脂質(zhì)及DOPC脂質(zhì)均可適用于在并入AqpZ之后形成功能性雙層，提供極佳水滲透率。濃度極化現(xiàn)象(膜過濾主題中的重要問題之一)可能在高濃度蔗糖溶液用作吸引溶液的蛋白脂質(zhì)體停流量測中變得顯而易見。為了提升水輸送性能，可優(yōu)化AqpZ與脂質(zhì)比率。對于純脂質(zhì)系統(tǒng)，最佳AqpZ與脂質(zhì)比率可為1:200。隨著AqpZ量增加，可能出現(xiàn)缺陷。在此情況下，膽固醇添加可有益于維持較高水通量。當(dāng)前脂質(zhì)體結(jié)構(gòu)藉由自組裝形成，其本身可能并不足夠強以致于能經(jīng)受住RO淡化條件(諸如較高水壓)。因此，如以下實施例中所述在薄膜復(fù)合層中并入脂質(zhì)體提供必需的機械強度。[0097]實施例2.制備并有脂質(zhì)-AqpZ囊泡的薄膜復(fù)合膜且在RO裝置中測試[0098]商用UF膜(MWC0，50，000道爾頓(Dalton))用作基板，將含有0.08mg/gD0PC-AqpZ囊泡的50ml胺水溶液1.5wt%MPD展布于UF膜基板表面上，且用水溶液保持基板濕潤15分鐘。隨后，自表面移除胺水溶液，且使基板于空氣中垂直豎立10分鐘，隨后用壓縮氮氣且在2巴下吹拂表面I分鐘以移除表面上任何可能的聚集的囊泡，隨后使基板繼續(xù)再垂直豎立干燥20分鐘。隨后，將0.lw/v%TMC溶液傾注于飽和基板的表層上且使之反應(yīng)I分鐘。將所得膜儲存于Mill1-Q水中直至使用。tfc膜的面積為200cm2，將其切割以安裝至測試模塊中(42cm2)。將所得TFC膜固定于測試單元(6)中，參見圖5。以200磅/平方寸自進料槽(I)泵出進料溶液(500ppmNaCl)，流過膜的活性層且返回至槽中。收集滲透物，且在天平(7)上量測重量，且通過電導(dǎo)率量測來測定溶質(zhì)的濃度以便計算通量及阻擋率(參見方程式I及2)。并有DOPC-AqpZ囊泡的薄膜復(fù)合膜對于500ppmNaCl(200磅/平方寸)的水通量及鹽阻擋率分別為25.2L/m2.h及96.3%。[0099]實施例3.制備并有脂質(zhì)囊泡的薄膜復(fù)合膜且在RO裝置中測試[0100]界面聚合的兩個階段及制程中反應(yīng)性單體溶液的組成與實施例2類似，例外為僅0.08mg/g不具有AqpZ的DOPC囊泡溶解于胺水溶液中。如實施例2進行RO測試。并有DOPC-AqpZ囊泡的薄膜復(fù)合膜對于500ppmNaCl(200磅/平方寸)的通量及阻擋率分別為16.9L/m2.h及98.5%。來自涉及在漸增至200磅/平方寸的壓力下僅并有脂質(zhì)囊泡或并有脂質(zhì)-AqpZ囊泡的薄膜復(fù)合膜的水通量及溶質(zhì)阻擋率的比較的實驗結(jié)果顯示于圖7中，其清楚顯示在并入DOPC囊泡的情況下可獲得相對較高的水通量。然而，DOPC-AqpZ囊泡的并入顯著改良所得膜的水通量。兩種類型的TFC膜均顯示初始較高且漸增的鹽阻擋率，其穩(wěn)定在較高水平(>98%)。[0101]實施例4.制備并有脂質(zhì)-AqpZ囊泡的薄膜復(fù)合膜且在RO裝置中測試[0102]界面聚合的兩個階段及制程中反應(yīng)性單體溶液的組成與實施例2類似，例外為將0.16mg/gDOPC-AqpZ囊泡溶解于胺水溶液中。如實施例2進行RO測試。并有DOPC-AqpZ囊泡的薄膜復(fù)合膜對于500ppmNaCl(36磅/平方寸)的通量及阻擋率分別為17.2L/m2.h及76.5%0[0103]實施例5.制備并有共聚物-AqpZ囊泡的薄膜復(fù)合膜且在RO裝置中測試[0104]界面聚合的兩個階段及制程中反應(yīng)性單體溶液的組成與實施例2類似，例外為在胺水溶液中，將0.08mg/g(PM0XA15-PDMS67-PM0XA15)聚合物體-AqpZ囊泡溶解于胺水溶液中。如實施例2進行RO測試。并有聚合物體-AqpZ囊泡的薄膜復(fù)合膜對于500ppmNaCl(200磅/平方寸)的通量及阻擋率分別為36.5L/m2.h及95.2%。[0105]實施例6.制備并有共聚物囊泡的薄膜復(fù)合膜且在RO裝置中測試[0106]界面聚合的兩個階段及制程中反應(yīng)性單體溶液的組成與實施例5類似，例外為在胺水溶液中，僅0.08mg/g不具有AqpZ的(PM0XA15-PDMS67-PM0XA15)共聚物囊泡溶解于胺水溶液中。如實施例2進行RO測試。并有聚合囊泡的薄膜復(fù)合膜對于500ppmNaCl(200磅/平方寸)的通量及阻擋率分別為17.2L/m2.h及93.3%。來自涉及在漸增至200磅/平方寸的壓力下僅并有共聚物囊泡或并有聚合物體-AqpZ囊泡的薄膜復(fù)合膜的水通量及溶質(zhì)阻擋率的比較的實驗結(jié)果顯示于圖8中。在此實驗中，對于并有聚合物囊泡的TFC膜，吾人獲得與實施例3中并有脂質(zhì)囊泡的TFC膜相同的較高水通量。然而，聚合物體-AqpZ并入薄膜復(fù)合膜中顯著增強膜的水通量且不損害鹽阻擋率。[0107]實施例7.澆鑄聚砜UF膜且將其用于制備并有脂質(zhì)囊泡或脂質(zhì)-AqpZ囊泡的薄膜復(fù)合膜[0108]聚砜超濾膜用聚合物摻雜劑(16wt%聚砜、5wt%聚乙二醇(分子量=600Da)、2wt%LiCl及77wt%N-甲基-2-吡咯啶酮)內(nèi)部澆鑄。此超濾膜用作后續(xù)膜制備的基板。將含有0.08mg/gDOPC或DOPC-AqpZ囊泡的50ml胺水溶液Iwt%MPD展布于UF膜基板表面上，且用水溶液保持基板濕潤10分鐘。隨后，自表面移除胺水溶液且使基板在空氣中保持水平30分鐘，隨后在2巴下用壓縮氮氣吹拂表面I分鐘以移除過量液體。其余程序與實施例2相同。在5巴(74磅/平方寸)下測試所得膜?？瞻啄?無DOPC或DOPC-AqpZ)、含有DOPC的膜及含有DOPC-AqpZ的膜的膜水滲透性分別為3.16±0.07L/m2.h、3.34±0.29L/m2,h及3.92±0.34L/m2.h。包括AqpZ具有顯著增強的水滲透率。圖1顯示基于AQP的薄膜復(fù)合膜所用微孔基板的橫截面的掃描電子顯微照片(SEM):(a)由Dow(Dowffater&ProcessSolut1ns)制造的商用UF膜(聚砜)及(b)自制UF膜(聚砜)。[0109]參考文獻(其主題以引用的方式并入本文中)[0110][I]1.C.Karagiannis,Soldatos,P.G.,Waterdesalinat1ncostIiterature:reviewandassessment,Desalinat1n,223(2008)448-456.[0111][2]M.Kumar,Grzelakowski,M.1ZiIles,J.,Clark,M.,Meier,ff.,Highlypermeablepolymericmembranesbasedontheincorporat1nofthefunct1nalwaterchannelproteinAquaporinZ，PANS，104(2007)20719-20727.[0112][3]H.Wang,Chung,T.S.，Tong,Y.W.，Meier,W.，Chen,Z.，Hong,M.，JeyaseelanjK.，ArmugamjA.，Preparat1nandcharacterizat1nofpore-suspendingb1mimeticmembranesembeddedwithaquaporinZoncarboxylatedpolyethyleneglycolpolymercush1n,SoftMatter,Inpress(2011).[0113][4]C.D.MontemagnojSchmidt,J.J.,TozzijS.P.,B1mimeticmembranes,U.S.Patent,7，208，089B2(2007).[0114][5]P.H.Jensen,Keller,D.,Nielsen,C.H.,Membraneforfilteringofwater,U.S.Patent,7857978(2010).[0115][6]C.H.Nielsen,B1mimeticmembranesforsensorandseparat1napplicat1nsAnal.B1anal.Chem.，395(2009)697-718.[0116][7]T.J.J.D.Wong,J.Schmidt,Singlemoleculemeasurementsofchannelproteinsincorporatedintob1mimeticpolymermembranes,Nanotechnology,17(2006)3710-3717.[0117][8]P.AgrejTheaquaporins，blueprintsforcellularplumbingsystem,J.B1l.Chemj273(1998)14659-14662.[0118][9]S.N.M.BorgniajA.Engle,P.AgrejCellularandmolecularb1logyoftheaquaporinwaterchannels,Annu.Rev.B1chem.，68(1999)425-458.[0119][10]M.Y.D.KozonojL.S.King,P.Agre，Aquaporinwaterchannels:atomicstructureandmoleculardynamicsmeetclinicalmedicine,J.Clin.1nvest.，109(2002)1395-1399.[0120][11]N.M.T.J.Jeon,J.J.Schmidt,Hydrogel-encapsulatedlipidmembranes,J.Am.Chem.Soc.，128(2006)42-43.[0121][I2]K.B.S.A.Gonzalez-PerezjT.Vissing，C.H.Nielsen,0.G.MouritsenjB1mimetictriblockcopolymermembranearrays:astabletemplateforfunct1nalmembraneproteins,Langmuirj25(2009)10447-10450.[0122][I3]K.B.S.S.1ragimova，P.Szewczykowski,M.Perry,H.Bohr,C.H.Nielsen,Hydrogelsforinsituencapsulat1nofb1mimeticmembranearrays,Polym.Adv.Technol.，21(2010)1-8.[0123][14]A.B.Y.Kaufman,V.FregerjSupportedlipidbilayermembranesforwaterpurificat1nbyreverseosmosis，Langmuir，26(2010)7388-7395.[0124][15]A.Achi11i，T.Y.CathjE.A.MarchandjA.E.Childress,Theforwardosmosismembraneb1reactor:AlowfoulingalternativetoMBRprocesses,Desalinat1n,239(2009)10-21.[0125][16]J.R.McCutcheonjR.LMcGinnis,M.ElimelechjAnovelammonia—carbond1xideforward(direct)osmosisdesalinat1nprocess,Desalinat1n,174(2005)1-11.[0126][17]C.R.MartinettijA.E.Childress，T.Y.Cath，HighrecoveryofconcentratedRObrinesusingforwardosmosisandmembranedistillat1n,JournalofMembraneScience，331(2009)31-39.[0127][18]M.1.DovajK.B.PetrotosjH.N.LazaridesjOnthedirectosmoticconcentrat1nofliquidfoods.Part1:1mpactofprocessparametersonp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質(zhì)莫耳比存在。13.如上述權(quán)利要求任一項的薄膜復(fù)合膜，其中該微孔基板選自由聚砜膜及聚醚砜膜組成的群。14.一種如權(quán)利要求1至13的薄膜復(fù)合膜的用途，其用于奈米過濾及滲透制程中，諸如正滲透、逆滲透及壓力延滯滲透(pressureretardedosmosis)。15.一種制備如權(quán)利要求1至13中任一項的薄膜復(fù)合膜的方法，其經(jīng)由界面聚合制備。16.如權(quán)利要求15的方法，其包含以下步驟:a.提供適當(dāng)微孔載體膜，諸如權(quán)利要求13的微孔載體膜，b.向該載體膜的至少一個表面涂覆胺溶液與并有或未并有水通道蛋白的濃縮囊泡溶液的水性混合物以使該膜浸泡，c.向該浸泡的膜涂覆酰氯于有機溶劑中的溶液以形成具有固定囊泡的薄聚酰胺層。17.如權(quán)利要求16的方法，其中該胺為間苯二胺且其中該酰氯為均苯三甲酰氯。18.一種含有囊泡的胺水溶液，其有用于作為如權(quán)利要求15至17的方法中的中間產(chǎn)物，其中該胺較佳為具有兩個或兩個以上胺官能基的芳族胺，諸如間苯二胺，且該等囊泡可為兩親媒性嵌段共聚物或兩親媒性脂質(zhì)。19.如權(quán)利要求18的胺水溶液，其在該等囊泡中另外含有水通道蛋白，諸如AqpZ，且具有另一膽固醇摻合物，諸如為脂質(zhì)的約20莫耳％至40莫耳％?！疚臋n編號】B01D69/12GK104144737SQ201280057206【公開日】2014年11月12日申請日期:2012年3月2日優(yōu)先權(quán)日:2011年9月21日【發(fā)明者】湯初陽,邱長泉,趙陽,沈文明,亞查拉朋·維拉瓦塔納維屈,王蓉,胡曉,杰米·托瑞斯,安東尼·G·范恩,克勞斯·海力克斯-尼爾森申請人:南洋理工大學(xué),水道蛋白公司