（生物医学工程专业论文）固载atp的导电亲和膜的制备及性能研究.pdf

摘要 关键词：导电亲和膜；电刺激；促进吸附 a b s t r a c t a b s t r a c t a f f i n i t y m e m b r a n es e p a r a t i o n ( a m s ) i san e ws e p a r a t i o n t e c h n o l o g y c o m b i n i n gt h ea d v a n t a g e s o f b o t h a f f i n i t yc h r o m a t o g r a p h y a n dm e m b r a n e t e c h n o l o g y d u et oh i g hs p e c i f i c i t ya n do u t p u to fa m s ，t h ef a s ts e p a r a t i o np r o c e s s u n d e rl o w e rp r e s s u r ed r o pc a nb eo b t a i n e d a m sh a sm a n yp r a c t i c a la p p l i c a t i o n si n c h e m i c a le n g i n e e r i n g ，b i o l o g i ce n g i n e e r i n g ，b i o m e d i c i n ea n do t h e rf i e l d s t h em a i n o b s t a c l ef o ra m si st h a ti t sb i n d i n gc a p a c i t ya n da d s o r p t i o nr a t ea r ei n s u f f i c i e n tt o t a k ea d v a n t a g eo ft h ei m p r o v e dt r a n s p o r tp r o p e r t i e so ft h em e m b r a n e t h ee x i s t i n g m e t h o d sf o ri m p r o v i n ga d s o r p t i o nc a p a c i t ya n dr a t ea r et h r o u g he n h a n c i n gl i g a n d c o n t e n to fa f f i n i t ym e m b r a n e b u tt h eh i g hl i g a n dd e n s i t yd o e sn o ta l w a y st r a n s l a t e i n t oh i g h l i g a t ec a p a c i t y i n t h i sw o r k ，an o v e l a f f i n i t ym e m b r a n e - a f f i n i t y e l e c t r o m e m b r a n ei sf a b r i c a t e da n dan e wa f f i n i t y s e p a r a t i o n m e t h o d e l e c t r i c a l f a c i l i t a t e da d s o r p t i o ni sd e v e l o p e d t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： 1 p r e p a r a t i o na n dc h a r a c t e r i z a t i o no ft h ea f f i n i t ye l e c t r o m e m b r a n e t h ea t p i m m o b i l i z e da f f i n i t ye l e c t r o m e m b r a n ei sf a b r i c a t e db yc h e m i c a l o x i d i z i n gp o l y p y r r o l e ( p p y ) o n t op o r o u sp o l y c a r b o n a t e ( p c ) t r a c k - e t c hm e m b r a n e u s i n gt e m p l a t em e t h o d a t pw a ss e l e c t e da sb o t hl i g a n da n dd o p a n t b e c a u s e c o n d u c t i v ep o l y m e rc o u l dd o p ew i t hc a t i o no ra n i o nd u r i n gt h ep r o c e d u r eo fi t s p o l y m e r i z a t i o n ，a t pw a si n c o r p o r a t e di n t ot h ec o n d u c t i n gp o l y m e rd u r i n gp o l y m e r s y n t h e s i s b yc o n t r o l l i n gt h er e a c t i o nc o n d i t i o nt h ea t pi m m o b i l i z e da f f i n i t y e l e c t r o m e m b r a n ew i t hi d e a ls t r u c t u r ew a so b t a i n e d t h e p r e p a r e da f f i n i t y e l e c t r o m e m b r a n eh a sau n i f o r mc o n d u c t i v i t yv a l u eo f1 2 9 10 4s c m t h ea t p c o n t e n to fa f f i n i t ye l e c t r o m e m b r a n ei s2 0 3 9m g gm e m b r a n e 2 t h ea d s o r p t i o np r o p e r t ya n dm e c h a n i s mo fa f f i n i t ye l e c t r o m e m b r a n e h e m o g l o b i n ( h b ) w a sc h o s e na st h ea d s o r b a t e ，b s aa st h en o n s p e c i f i ct e s t i n g p r o t e i n e l e c t r i c a ls t i m u l a t i o no ft h ea f f i n i t ye l e c t r o m e m b r a n ew a sp e r f o r m e du s i n g at d 7 3 0 0 0e l e c t r o c h e m i c a ls y s t e mi nas t a n d a r dt h r e e - e l e c t r o d ec e l lc o n t a i n i n gh b s o l u t i o n t h ea f f i n i t ye l e c t r o m e m b r a n ea c t e da st h ew o r k i n ge l e c t r o d e ，a n da l lt h e i i i a b s t r a c t e l e c t r i c a ls t i m u l a t i o na d s o r p t i o ne x p e r i m e n t sw e r ep r o c e s s e da tc o n s t a n tc u r r e n t c o n d i t i o n t h ee f f e c t so fa d s o r p t i o nt i m e ，c u r r e n tv a l u e ，i o ns t r e n g t ha n di n i t i a l c o n c e n t r a t i o no fh b ，p ho fh bs o l u t i o no nt h ea d s o r p t i o nc a p a c i t yw e r ei n v e s t i g a t e d ； t h ea d s o r p t i o ns p e c i f i c i t yo ft h ea f f i n i t ye l e c t r o m e m b r a n ew a se x a m i n e d ；a n dt h e a d s o r p t i o nm e c h a n i s mb e t w e e nt h eh ba n da f f i n i t ye l e c t r o m e m b r a n ew a sa n a l y z e d t h er e s u l t ss h o w ：( 1 ) h ba d s o r p t i o nc a p a c i t ya n dr a t ea r eg r e a t l yf a c i l i t a t e db y e l e c t r i c a ls t i m u l a t i o n ，a n dt h ea d s o r p t i o nc a p a c i t ya n dr a t ei n c r e a s ew i t hi n c r e a s i n g c u r r e n tv a l u e ；( 2 ) h i g h e ra d s o r p t i o nc a p a c i t yc a nb ea t t a i n e da tl o w e ri o ni n t e n s i t y , h i g h e ri n i t i a lc o n c e n t r a t i o no fh ba n dn e u t r a lh bs o l u t i o n ( p h 6 8 ) ；( 3 ) t h ep r e p a r e d m e m b r a n es h o w e dg o o da d s o r p t i o ns p e c i f i c i t yf o rh b ；( 4 ) t h em e c h a n i s m so fh b a d s o r p t i o no nt h ea f f i n i t ye l e c t r o m e m b r a n ef i t t e dt h ef r e u n d l i c hm o d e lw e l l 3 e l u t i o na n dr e g e n e r a t i o no ft h ea f f i n i t ye l e c t r o m e m b r a n e t h r e ed i f f e r e n ts o l u t i o n sw e r eu s e dt oe l u t et h eh ba d s o r b e dm e m b r a n e ，a n d c o m p a r e dt h ee l u t i o nr e s u l to ft h ea d s o r b e dm e m b r a n ew i t hd i f f e r e n ta d s o r p t i o n m e t h o d ( e l e c t r i c a lf a c i l i t a t e da d s o r p t i o na n dn o r m a la d s o r p t i o n ) ；a f t e ra d s o r b e da n d e l u t e dt h er e g e n e r a t i o ne x p e r i m e n tw a se x e c u t e du n d e rc y c l i cv o l t a m m e t r yc o n d i t i o n t h er e s u l t ss h o w ：t h eh ba d s o r b e do nt h em e m b r a n ec a nb et o t a l l ye l u t e db yt h e b i s t r i s ( p h 7 0 ) b u f f e r ；d e d o p e dr a t eo fa t p i s7 0 ，r e d o p e dr a t eb ye l e c t r o c h e m i c a l m e t h o dc o u l da t t a i n1 1 8 k e y w o r d s ：a f f i n i t ye l e c t r o m e m b r a n ；e l e c t r i c a ls t i m u l a t i o n ；f a c i l i t a t e da d s o r p t i o n l v 厦门大学学位论文原创性声明 本人呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立完成的研究成 果。本人在论文写作中参考其他个人或集体己经发表的研究成果，均 在文中以适当方式明确标明，并符合法律规范和厦门大学研究生学 术活动规范( 试行) 。 另外，该学位论文为(石糖荔尔冶) 课题( 组) 的研究成果，获得() 课题( 组) 经费或实验室的 资助，在( 乏正挂加石 ) 实验室完成。( 请在以上括号内填写课 题或课题组负责人或实验室名称，未有此项声明内容的，可以不作特 别声明。) 声明人( 签名) ：乃媛媛 加暑年艿月汐日 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人同意厦门大学根据中华人民共和国学位条例暂行实施办 法等规定保留和使用此学位论文，并向主管部门或其指定机构送交 学位论文( 包括纸质版和电子版) ，允许学位论文进入厦门大学图书 馆及其数据库被查阅、借阅。本人同意厦门大学将学位论文加入全国 博士、硕士学位论文共建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和 摘要汇编出版，采用影印、缩印或者其它方式合理复制学位论文。 本学位论文属于： () 1 经厦门大学保密委员会审查核定的保密学位论文， 于年月日解密，解密后适用上述授权。 ( ) 2 不保密，适用上述授权。 ( 请在以上相应括号内打“”或填上相应内容。保密学位论文 应是已经厦门大学保密委员会审定过的学位论文，未经厦门大学保密 委员会审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认 为公开学位论文，均适用上述授权。) 声明人( 签名) ：乃媛馐 z 卯名年秽月弓d 日 第一章绪论 1 1 亲和膜技术研究进展 第一章绪论 随着生物工程和生命科学的迅速发展，对生物大分子分离纯化的要求越来越 苛刻。为获得高纯度、高质量、低成本的生物产品，突破传统的分离方法，寻找 一种既经济又有效的新型分离途径已成为迫切需要。在传统的研究中，膜分离和 亲和分离是两个平行发展的研究方向，在生物分子的分离和纯化方面各具特色， 但也存在着一些不可克服的技术缺陷。膜分离过程设备简单，易于放大，成本低， 分离速度快，可连续操作，但其选择性和特异性较差；而亲和分离的选择性和特 异性较强，但其处理能力较低。由膜技术与亲和分离相结合的亲和膜分离技术， 可发挥二者的特色，具有处理量大、选择性强、易于放大等显著优点。亲和膜技 术的研究始于2 0 世纪中期，自1 9 9 1 年k l e i n 1 】的亲和膜( a f f i n i t ym e m b r a n e ) 专 著出版以来，促进了对亲和膜技术的研究，在基膜材料改性、亲和配基偶联、亲 和膜组件设计、过程动力学以及亲和膜应用方面都有了较大的发展，但仍有许多 问题有待进一步深入研究。 1 1 1 生物分子纯化与分离 生物体可以合成纯化学法难以制备的化合物，然而其合成产物的浓度往往很 低( 一般质量分数 4 0 时，可忽略轴向扩散 的影响。通常膜堆越厚轴向扩散影响越小，此时相应的操作压降也会增大，但即 使在较快的流速下膜两侧压降也不会超过1m p a 。可见，亲和膜分离过程主要受 配基配体结合动力学过程的限制，对流和扩散不是主要的影响因素。 国内方面，鲍时翔掣4 8 】考察了蛋白质溶液在中空纤维亲和膜中流动状况和吸 附反应。以人免疫球蛋白在蛋白质a 为配基的亲和膜上的吸附为例，分析了所 有亲和吸附位点的反应速度常数都一致的均一吸附和存在两个亲和吸附位点反 应常数不同的非均一吸附两种情况。并在建立模型时考虑了沿膜径向和轴向上流 速的分布，用有限差分法获得了吸附透过曲线，并与实验结果进行了对照，结果 表明非均一吸附模型的预测值与实验结果更为接近。上述模型均基于理想吸附情 况较少考虑真实吸附行为，因而有关亲和膜分离机理的研究还有待于进一步深 入。 1 1 6 亲和膜技术应用及展望 1 1 6 1 国外亲和膜应用研究 从2 0 世纪8 0 年代开始的亲和膜研究，在9 0 年代得到了蓬勃发展，特别 是k l e i n 1 】的专著及1 9 9 5 一1 9 9 8 年期间发表的3 篇综述文章，所作出的对亲和 膜制备、过程及应用方面的总结与评价、存在问题及改进措施对于亲和膜分离研 究与发展具有推动作用。另外在以下几个方面的进一步认识，对亲和膜技术的 发展也有贡献。 基膜材料的开发与应用。性能稳定的亲和膜材料及其相应的亲和膜的研究报 道较多。在亲和膜材料的选用方面，纤维素、壳聚糖、聚偏氟乙烯、尼龙等应用 较多。比较典型的如r u c h e n s t e i n 【4 9 , 5 0 用丝光处理后的纤维素膜亲和纯化木瓜蛋 白酶和胰蛋白酶抑制剂，用壳聚糖膜纯化小麦胚芽中的麦胚凝集素【5 1 】；s u e n 5 2 】 以聚偏氟乙烯为基膜材料，用金属离子作配基，纯化肝细胞生长因子；c a s t i l h o 5 3 】 1 3 第一章绪论 用尼龙膜固定不同配基，分离免疫球蛋白。 亲和膜的制备方法与结合机理c h a r e o s s e t 5 4 】综述了几种常用亲和膜基膜材 料的改性方法，氨基酸、抗原和抗体、染料、金属螯合物、生物分子、离子交换 配体等配基的偶联方法，并用大量的实例说明了配基与生物分子的结合机理。 膜孔径大小对亲和配基结合率影响。t h o m m e s 和k u l a 5 5 】通过对亲和膜过程 中的扩散和对流传质、反应速率的考察，发现膜的内表面积与溶质的吸附量并非 呈线性关系，其原因是孔径小、表面积大的膜，固定的配基量并不一定多。大多 膜材料与膜孔结构呈不均匀态，存在一个孔径分布，使得平均孔径小的膜在低压 或流体表面张力较高下，配基的偶联较困难。 轴向的压力降。r o p e r 和l i g h t f o o t 5 6 1 通过对一些本身带有配基或固载配基的 膜材料的测试，指出膜不仅是一种过滤介质，还是吸附材料，兼有对流过滤与吸 附的性能。在叠合式组件内也存在沿轴向的压力降问题，膜结构与孔径分布的均 匀性影响流体流动的均匀性，会直接影响亲和膜分离的效果。 膜组件内的流动状态。k l e i n 5 7 】认为，在中空纤维亲和膜分离过程中，其流 体在组件内的流动状态与常规的填充柱里的流动有所不同，通过小试装置试验来 预测或进行亲和膜组件的放大设计存在较大的差异，限制了亲和膜技术的规模化 推广应用。在一般的颗粒填充柱里，流体通常可认为以平推流( p m gf l o w ) 的方式 通过床层；而在中空纤维亲和膜组件内，由于空隙体积由多孔和腔体两部分组成， 即使在组件内膜的填充率达到6 0 ，流体还是以减速流( r e t a r d e df l o w ) ，而非平 推流的形式通过。减速流会带来产品浓度的下降、清洗和洗脱液的体积增大等影 响。另一方面，由于膜的多孔性，错流过滤是膜分离过程的特色，但是在亲和膜 分离过程中，这一特色尚未被充分利用。目前的亲和膜分离大多采用死端过滤 ( d e a d e n df i l t r a t i o n ) 形式，对料液的要求也比较高，没有经过预处理的料液会造 成膜表面的污染，降低膜上亲和配基的利用率，限制了亲和膜的应用范围。采用 错流过滤，亲和膜组件也可用于悬浮体系的分离。因此，设计开发高效的亲和膜 分离设备( 平板式和中空纤维式) 和制备性能稳定的亲和膜是促进亲和膜技术发 1 4 第一章绪论 展的关键。 亲和膜分离设备开发和设计。t e j e d a t 5 8 1 对亲和膜柱设计进行优化，以便于选 择合适的膜操作条件、柱尺寸、最大处理量等。并对膜柱色谱和颗粒填充色谱的 吸附分离机理进行了比较5 9 】，为亲和膜柱色谱的放大设计与规模化生产提供了理 论依据。 1 1 6 2 国内亲和膜应用研究 国内从1 9 9 5 年开始出现有关亲和膜研究的报道，虽然起步较晚，但是近几 年得到了较快的发展，研究范围涉及基膜改性、亲和吸附、动力学研究和亲和膜 应用。大连物化所和浙江大学在亲和膜分离研究上丌始较早，并取得了一定的成 绩。 商振华等人 6 0 , 6 h 将水解后的尼龙6 6 微孔膜用二溴丙烷活化，偶联己二胺作 间隔臂，再用戊二醛法固载组氨酸作为配基。所制得的亲和膜可成功地去除氨基 酸注射液、牛血清蛋白、溶菌酶等医药制剂中的内毒素，去除率在9 0 以上。 为提高尼龙膜的配基含量、降低非特异性吸附，该课题组通过在尼龙膜上偶合含 有丰富羟基的多糖类物质，如葡聚糖、纤维素、淀粉、h e c ( 羟甲基纤维素) 等， 形成尼龙一多糖复合膜，再将配位基( 如：组氨酸、粘多菌素b 、季铵盐和金属 螯合物) 固载在复合膜上，制备出了用于清除内毒素的亲和膜6 2 1 。所制备的亲和 膜展现了较低的非特异性吸附和较高的内毒素清除率，最高去除效果可将溶液中 的内毒素水平减低至0 1n g m l 。此外，该课题组还采用酰化一胺化和氯甲基化一 胺化等途径对聚砜膜进行改性，在芳环上引入末端氨基，制得的亲和超滤膜，并 已被用于胰蛋白酶的固载化和对其抑制剂的亲和分离【6 3 1 。 陈欢林等人f 6 4 】用低温氧等离子体方法对聚丙烯微孔膜表面进行改性。扫描电 镜、红外光谱和光电子能谱综合分析结果表明，膜表面上产生了一o h 、一c o o h 和 c - - o 等极性基团，这些基因可被活化和偶联制亲和膜。所制备的c u 2 + 离子金 属螯合亲和膜用于对溶菌酶的吸附，在2 0m i n 和6 8w 的最佳条件下制成的亲 1 5 第一章绪论 和膜对溶菌酶的吸附量为8i t g c m 2 。用低温氧或氨等离子体法改性聚丙烯微孔 膜，基于等离子体改性膜的活化、偶联及螯合过程的机理，制备出了f e 3 + 、n i ”、 c u 2 + 、z n 2 + 等金属离子螯合亲和膜【6 5 娜】，并用于溶菌酶的吸脱附实验，实验结 果表明，n i 2 + 和c u 2 + 离子螯合亲和膜对溶菌酶具有较高的吸附量，螯合过程中 采用氯化物盐溶液制得的膜对溶菌酶吸附量比采用硫酸盐溶液制得的膜的吸附 量高。n i 2 + 和c u 2 十两种膜的重复吸脱附性能相近，而f e 3 + 螯合亲和膜基本上 不能用于重复吸脱附实验。采用补充金属螯合离子，能部分恢复亲和膜对溶菌 酶的吸附量，是实现亲和膜重复使用的有效方法【6 7 】。他们还采用自制的等离子体 引发聚合装置，在微孔聚丙烯膜表面接枝甲基丙烯酸缩水甘油酯，再通过亚氨二 乙酸钠( i d a ) 偶联和铜离子螯合，制备了固定铜离子亲和膜【】。考察了等离子体 放电条件、单体浓度和接枝时间对接枝率的影响，用红外光谱和x 射线光电子 能谱表征了处理前后膜结构的变化，并用制得的亲和膜进行牛血清蛋白的吸附研 究。此外，他们还对叠合式平板膜吸附生物分子的动力学模型进行了探讨【6 9 】。该 课题组还对聚偏氟乙烯中空纤维膜进行表面亲水化处理，再经活化、偶联制得了 带有苯丙氨酸( p h e ) 的p v d f ( 聚偏氟乙烯) 中空纤维亲和膜【7 0 1 。制备过程中以光电 子能谱( x p s ) 及红外光谱分析膜表面基团的变化，经亲水化处理及活化偶联后， 膜表面的o 、n 含量分别从5 6 、0 6 增加到1 6 5 、3 0 ，而f 含量由3 8 3 降低为2 3 0 。该亲和膜用于室温下血浆中y 球蛋白的分离实验，在p h = 7 4 、 离子强度i = o 1 8 的缓冲液体系及进料浓度为1 0m g m l 条件下，该亲和膜对丫- 球蛋白单位膜的吸附量可达到5 8 5m g g ；与市售丫- 球蛋白相比，血浆中所提取 的质量分数可达到8 3 9 。 余晓等人【7 l 】利用寡聚组氨酸为配基的亲和色谱法分离免疫球蛋白( i g g ) ，随 着配基中组氨酸残基数目的增加，解离常数降低，亲和相互作用增强。并且认为 组氨酸主要是通过咪唑基与i g g 作用的。 周冬梅等人【7 2 1 ，以甲基丙烯酸缩水甘油酯纤维素复合膜为基质，分别以蛋 白a ( p r o t e i na ) 、人免疫球蛋白g ( h i g g ) 、三嗪染料( c i b a c r o nb l u ef 3 g a ) 、亚 1 6 第一章绪论 胺二乙酸铜离子为配基，用不同方法制备了适合于分析及小量制备的高效亲和 膜色谱介质，并对高效亲和柱的基本性能及其应用于各种相应蛋白的定量测定情 况进行了考察。利用这种方法可以针对不同的目标蛋白及所存在的环境采用不同 的配基，对各种蛋白的定量测定及小量制备可达到较为满意的结果。 汤崇正等人用聚乙烯制成微孔泡沫膜，通过接枝上羟基、胺基成为基质膜 再进而与乙烯基二甲基吖内酯接枝为改性膜，它在中性缓冲液中能与蛋白a 的 氨基产生配位而吸附，于酸性液中解离。利用这种配位、亲和性、螯合作用在物 化条件转变下的可逆过程，能分离提纯细菌、蛋白质、金属化合物等。 虽然亲和膜技术的发展历史较短，但已经在化工、医药、环境卫生、食品、 临床医学等领域获得了许多实际的应用。如对内毒素的清除、蛋白质、酶等生物 分子的分离纯化、蛋白质分析等都表现出良好的性能：处理速度快、选择性好、 分离纯化纯度高。在基础理论研究中也有应用，如酶反应机理的研究、多肽化学 的研究。可以预见，随着更新的性能优良的膜的出现，更新、更完善的化学改性 和固载化技术的发展、性能更优良的膜分离设备的出现以及亲和作用理论的不断 完善，亲和膜分离技术将对生命科学和生物工程技术的发展作出更大的贡献。 1 1 6 3 亲和膜技术的展望 亲和膜分离技术兼具亲和色谱和膜分离的优点，分离过程选择性好，特异性 高，而且操作简便，易于放大，将成为生物分离工程中的一项重要技术。为了完 善和推广这项技术，在以下几方面还有待进一步探索和研究。 ( 1 ) 寻找更理想的膜材料。当前的亲和膜材料在孔径分布、生物相容性及耐 用性方面都存在着或多或少的缺陷，有待于分析化学家、高分子化学家、生物化 学家共同努力，开发更理想的亲和膜材。 ( 2 ) 开发新型的活化方法、寻找合适的配基，进一步深入研究配基与生物大 分子间的作用机理。只有充分理解配基与生物大分子的相互作用，才能有针对性 的选择具有适宜亲和性的配基。 1 7 第一章绪论 ( 3 ) 使用计算机辅助设计配基，解决目前广泛存在的膜污染的问题。因为生 物分子有相互作用，易在膜表面及膜孔内聚集，从而使膜丧失分离能力。 ( 4 ) 机理研究有待进一步发展。当前提出的各种数学模型都过于理想化，真 正基于物理化学生物特异性作用理论和关系式还没有。通过对分离机制的深入 研究有助于实验操作过程自动化，以达到真正的快速、准确、高效分离【7 4 】。 1 2 导电高分子聚吡咯 早在1 9 1 6 年，有吡咯黑之称的聚吡咯( p p y ) 粉末就已合成出来7 5 1 。但直 到1 9 7 9 年，d i a z 等在乙腈电解液中制备出电导率高达1 0 0s c a n 的稳定聚吡咯膜， 导电聚吡咯才受到广泛关注。聚吡咯( p o l y p y r r o l e ，p p y ) 是一种典型的导电聚 合物，可以由吡咯单体通过化学法或电化学法氧化而生成，因其特有的一些性质 而在微电子、光学、电化学、生物技术等多个领域均有广泛的应用前景，引起了 学者们的热切关注。导电p p y 具有空气稳定性好、易于化学法或电化学法制备 成膜、无毒、生物相容性良好等优点，并且不溶不熔，还具有掺杂脱掺杂完全 可逆的特性【7 6 】。 在2 0 世纪8 0 年代初，国内外主要采用电化学法合成聚吡咯薄膜，此法反应 设备复杂，生产成本较高，产量低，无法制备大面积、均匀的薄膜，且存在着所 制备的膜难以从电极表面剥离等问题。与电化学法相比用化学氧化法合成聚吡 咯，具有制备工艺简单易操作，成本较低，条件易于控制，适于大批量生产等有 点。 据文献报道 7 7 , 7 8 】，反应温度越低，则聚吡咯分子链排列越规整，聚合物中缺 陷结果含量越少，对阴离子掺杂度越高，电导率越高。安颢瑗等也通过实验【7 9 】 证实了在冰浴下所得聚吡咯掺杂磺酸根离子与氯离子的含量均高于常温下所得 材料，且冰浴下所得聚吡咯展现了较高的电导率。 p p y 不仅具有良好的导电性，而且具有极佳的生物相容性，已在生物医学工 程领域引起了广泛的关注。聚吡咯在生物医学领域的研究主要集中在对生物材料 l r 第一章绪论 的改性、生物相容性一表面属性的改变对细胞生长和功能的调节作用、组织工程、 生物芯片和生物传感器等方面，以聚吡咯为基础的聚合物也可用于装载控释药物 和生物大分子舳1 。李永舫【7 6 】等科学家研究了导电聚吡咯尼6 6 复合膜的结构特 征，发现复合p p y 后使得尼龙6 6 的结晶度和结晶完整性大大增加，复合膜表面 的p p y 具有网状结构，其网眼大小为4 0 - - - 3 0 0 岬，网中为高度结晶的尼龙6 6 ， 复合膜还提高了原基体尼龙6 6 的杨氏模量。m o r i t a t 8 1 】将p p y 与多孔的再生纤维 素膜形成了复合膜，并研究了在一定电压各种不同离子在这种膜中通过的机理， 期望制成一种能控制透过的复合膜。 正是p p y 所具有的这些特性，和它简便易行的合成方法，使聚吡咯非常适合 于对基膜材料进行修饰。尤其是其可逆的掺杂脱掺杂特性，可以利用来固载更 换亲和配基。y a n g 8 2 】等将掺杂有肝素的聚吡咯通过电化学沉积的方法复合到聚 偏氟乙烯膜上，而在聚合过程中将肝素钠作为聚阴离子掺杂进入p p y 膜形成 p p y 肝素钠复合材料。同时由于具有独特的结构和表面电荷分布，肝素钠与凝血 酶之间有较强的亲和力，因而这种材料被用于分离凝血酶；研究结果表明凝血酶 与处于氧化态的p p y - 肝素钠复合材料具有很强的亲和力，而与处于还原态的该 种复合材料几乎没有亲和力。 1 2 1p ly 的掺杂脱掺杂特性 p p y 是具有共轭弘键的聚合物，经过化学或电化学掺杂由绝缘体或半导体转 变为导体。它最突出的特点是共轭链结构和共轭链的p 型掺杂和n 型掺杂特性。 p p y 的本征态处于半导体或绝缘体态，p 型或n 型掺杂后转变为导电态。p p y 的 p 型掺杂是指其主链失去电子的同时伴随着对阴离子的嵌入，n 型掺杂时指其主 链得到电子的同时伴随对阳离子的嵌入，对离子的嵌入使p p y 整体呈现电中性。 p p y 具有两种掺杂机理一氧化还原掺杂和质子酸掺杂。氧化还原掺杂是指聚 合物膜与金属电极之间发生电荷的传递，聚合物失去电子变成氧化态；同时，电 解液中的聚电解质掺杂到聚合物膜中，只起保持电中性的作用，而不影响聚合物 1 9 第一章绪论 的氧化还原状态。聚电解质可随外界电场的变化通过掺杂和脱掺杂过程方便地扩 散出入聚合膜表面，这是导电聚合物最引人注目的电化学性能。质子酸掺杂则向 绝缘的共轭聚合物链上引入一个质子，使聚合物链上的电荷分布状态发生改变。 质子本来携带的正电荷转移和分散到分子链上，相当于聚合物链失去一个电子而 发生氧化掺杂。 导电聚合物的共轭链上每单体单元对应的对离子数称为掺杂浓度。一般说 来，只要有电荷注入导电聚合物主链，都可以称为掺杂。p p y 的掺杂可通过给体 或受体的电荷转移、电化学氧化还原、界面电荷注入等手段来实现。p p y 的反应 可简单用下式表示： h 1 2 2p l y 的电化学性质 氧化剂 + h 导电p p y 的许多可能的应用领域，包括电极材料、修饰电极和酶电极、电致 变色显示等，都与其电化学性质密切相关，因此科学家从一开始就把研究导电 p p y 的电化学性质作为研究重点。p p y 室温下的稳定状态是其p 。掺杂导电态，所 以p p y 的电化学性质主要是指其p 掺杂态的还原( 脱掺杂) 和再氧化( 掺杂) 特性。 一般地，这一反应可表示为： p p y + ( a 一) + e 一案p p y 。+ a 一 ( 1 1 ) 其中p p y + ( a ) 代表对阴离子a 。掺杂的氧化态( p 型) 聚吡咯，p p yo ( 代表中性 态( 本征态) 聚吡咯。李永舫【嘲通过电化学循环伏安法、原位光谱电化学方法、 电化学石英晶体微天平( e q c m ) 和电化学交流阻抗等方法，系统地研究了导电 p p y 的这一还原和再氧化过程与p p y 膜制备条件、阴离子的类型、电解液的种类 等的关系。 2 0 第一章绪论 1 3 本文工作 虽然亲和膜色谱具有高通量、低压降、可大量生产等优点，但是困扰膜科学 研究工作者们的一个最大的问题是：亲和分离时对被分离物质的吸附容量和吸附 速率较低，难以满足增强的传质速率。目前主要的改进方法是通过增加活性官能 团的数量，进而提高膜上所固载配基含量的方法以达到提高吸附容量和速率的目 的。但事实上，较高的配基含量未必能带来较高的吸附容量和速率，这可能是由 于固载在膜上的配基有许多是惰性的，它们没有足够的表面吸附能以致不能与吸 附质有效的结合。本文从如何将膜上的惰性配基转变为具有有效吸附位点的活性 配基入手，针对如何从根本上提高亲和膜的吸附容量和速率这一亲和膜技术领域 的关键课题，开展以下相关研究工作： ( 1 ) 在亲和膜的制备方面，建立一种新的简单易行的亲和配基的固载方法。 期望能利用p p y 易于氧化沉积以及掺杂的特性，借助模板法的操作方式，通过化 学氧化将p p y 沉积到聚碳酸酯膜中，将a t p 同时作为掺杂剂和亲和配基在p p y 聚合沉积的过程中固载到膜上，控制适当的反应条件最终能制备得到具有理想形 貌的固载a t p 的导电亲和膜。并希望所制备的导电亲和膜具有适当的配基含量， 良好的亲水性和导电性能；同时避免常规的亲和配基需要活化等繁琐的操作步 骤，减少与毒性活化试剂的接触，能够为亲和膜领域的配基固载技术提供新的思 路。 ( 2 ) 亲和膜的吸附性能方面，从吸附操作过程入手，提出在蛋白的吸附过 程中给以电刺激这种新型吸附方式，尝试寻求新的提高吸附容量和速率的方法。 选用血红蛋白( h b ) 作为吸附质，系统地研究所制备的固载a t p 的导电亲和膜 在电刺激与非电刺激两种情况下吸附性能，分别考察在两种情况下各种因素( 时 间、电压、蛋白的初始浓度、离子强度、温度、p h 值) 对吸附容量的影响；通 过考察所制备导电亲和膜对于h b 的吸附特异性、吸附h b 后的洗脱、膜的重建、 a t p 的脱掺杂与重新掺杂，综合评价所制备导电亲和膜的在通电与不通电条件下 2 l 第一章绪论 的吸附性能。 ( 3 ) 亲和吸附机理方面，通过对比通电与不通电两种条件下亲和吸附机理的 变化，期望能从理论上进一步解释电刺激对吸附性能产生影响的原因，为利用电 刺激增强吸附容量和速率提供理论依据。 第一章绪论 参考文献 【l 】k l e i ne a f f m i t ym e m b r a n e s m n e wy o r k ：w i l e y , 1 9 9 1 【2 】张顺财内毒素基础与临床【m 】北京：科学出版社，2 0 0 3 【3 】k r a u s es ，k r o n e rk k ，d e e k w e rw d c o m p a r i s o no fa f f m i t ym e m b r a n e sa n dc o n v e l l t i o n a la f f i n i t ym a t r i c e s 谢t hr e g a r dt op r o t e i np u r i f i c a t i o n j b i o t c c h n o l o g yt e c h n i q u e s , 1 9 9 1 ，5 ( 3 ) ：1 9 9 4 甘宏宇，商振化，王俊德亲和膜色谱技术研究进展f j 】分析化学，1 9 9 9 ，2 7 ：1 1 【5 】s c o t tr 。w ，d u f f ys a ，m o e l l e r i n gb j ，p r i o rc p u r i f i c a t i o no f m o n o c l o n a la n t i b o d i e sf r o m l a r g e - s c a l em a m m a l i a nc e l lc u l t u r ep c r f u s i o ns y s t e m s j b i o t e c h n a l p r o g ，19 8 7 ，3 ：4 9 【6 】g r e g o rh p ，r a u fp w ：e n z y m e - c o u p l e du l t r a f i l t r a t i o nm e m b r a n e j b i o t e c h n a lb i o e n g ， 1 9 7 5 ，1 7 ：4 4 5 【7 】j o s i cd ，b e e k e ra ，r u e t t e rw h i g h - p e r f o r m a n c em e m b r a n ec h r o m a t o g r a p h yo fs e r u ma n d p l a s m am e m b r a n ep r o t e i n s j j c h r o m a t o g r ，19 9 2 ，5 9 0 ：5 9 【8 】g u ow ：，s h a n gz h ，y uy n ，g u a ny e ，z h o ul m m e m b r a n ea f f m i t yc h r o m at o g r a p h y u s e df o rt h es e p a r a t i o no f t r y p s i ni n h i b i t o r j b i o m e d i c a lc h r o m a t o g r a p h y , 1 9 9 2 ，6 ( 2 ) ：9 5 【9 】s m u d ee ，j o r i s e hw ，a n s o r g ew r e a c t i o n sw i t he n z y m e sc o v a l e n t l yb o n d e dt oh e t e r o g c n e o u su l t r a f i l t r a t i o nm e m b r a n e s j j m e m b r s c i ，19 8 2 ，1 1 ：2 8 9 【10 】m a r i a n im ，b o n e l l ie ，t a r d i t il p u r i f i c a t i o no fm o n o c l o n a la n t i b o d i e sf o ri n v i v ou s e j j b i o c h r o m a t o g r ，19 8 9 ，4 ：1 4 9 【1 l 】b r a n d ts ，g o f f er a ，k e s s l e rs b ，o e o n n e rj l ，z a l es em e m b r a n e b a s e da f f i n i t y t e c h n o l o g yf o rc o m m e r c i a ls c a l en i r i f i c a t i o n s j b i o t c c h ，1 9 8 8 ，6 ：7 7 9 【12 】g o n z a l oc s g e o r g e sb ，j o s e p hp p r o t e i nf r a c t i o n a t i o nu s i n gf a s tf l o wi m m o b i l i z e dm e t a l c h e l a t ea f f m i t ym e m b r a n e s j b i o t e c l m o l & b i o e n g ，1 9 9 4 ，4 3 ：2 1 【1 3 】时钧，高从堵，顾觉生膜技术手册 m 】北京，科学出版社，2 0