向燕，謝銳，2，巨曉潔，2，汪偉，2，劉壯，2，褚良銀，2

（1 四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，四川成都610065；2 四川大學(xué)高分子材料工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610065）

高純度蛋白質(zhì)作為最重要的生物產(chǎn)品之一，在疾病診斷、治療和預(yù)防研究中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[1-2]。然而蛋白質(zhì)純化成本居高不下，迫切需要開發(fā)一種經(jīng)濟(jì)、高效的純化工藝[3-4]。近年來，蛋白質(zhì)吸附膜因其具有多孔結(jié)構(gòu)、吸附速度較快、壓降較小等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是一種前景廣闊的蛋白質(zhì)純化手段[5-6]。其中，鹽響應(yīng)型離子交換膜能夠響應(yīng)環(huán)境中的鹽濃度而實(shí)現(xiàn)蛋白質(zhì)在膜上的吸附和解吸，只需改變鹽濃度即可實(shí)現(xiàn)蛋白質(zhì)的純化[7-8]。制備具有優(yōu)異蛋白質(zhì)吸附性能和再生能力的鹽響應(yīng)型離子交換膜對(duì)高效蛋白質(zhì)純化具有重要的意義。

通常，獲得性能優(yōu)異的鹽響應(yīng)型離子交換膜需要具備三個(gè)要素，即化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)異的基膜材料、含量豐富的蛋白質(zhì)吸附官能團(tuán)及簡(jiǎn)單可控的制備方法。相比于聚弱電解質(zhì)，聚強(qiáng)電解質(zhì)具有強(qiáng)水合能力和顯著的鹽響應(yīng)性能[9-11]，并且能在較寬的pH范圍內(nèi)保持表面電荷不變，操作范圍較寬。因此，聚強(qiáng)電解質(zhì)是制備鹽響應(yīng)型離子交換膜常用的一類功能高分子[12]。目前將聚強(qiáng)電解質(zhì)引入基膜材料的常用方法有原子轉(zhuǎn)移自由基聚合（ATRP）接枝[7,13-14]等化學(xué)法以及共混相轉(zhuǎn)化[15-16]等物理法。Schwellenbach 等[14]采用ATRP 在聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯纖維表面接枝甲基丙烯酸甘油酯，再經(jīng)過一系列衍生化反應(yīng)生成磺酸基團(tuán)，得到陽離子交換膜。該膜對(duì)溶菌酶（Lys）和人類免疫球蛋白的飽和吸附容量分別為90mg/mL 和92mg/mL。Chenette 等[13]同樣采用ATRP 制備了接枝強(qiáng)電解質(zhì)聚甲基丙烯酸-3-磺酸丙酯鉀鹽（PSPM）的再生纖維素膜，在pH=8 時(shí)，該膜對(duì)Lys 飽和吸附容量為97mg/mL。Avramescu 等[16]將含磺酸基團(tuán)的離子交換樹脂Lewatit?與乙烯-乙烯醇共混，再通過液體誘導(dǎo)相分離法制備陽離子交換膜，該膜對(duì)初始濃度為1mg/mL的牛血清白蛋白（BSA）的飽和吸附容量為100mg/g。目前常用的方法中ATRP過程較為復(fù)雜，共混法過程雖簡(jiǎn)單但由于功能性的離子交換樹脂在相轉(zhuǎn)化過程中較難遷移到膜表面，尚未得到吸附性能較好的鹽響應(yīng)型離子交換膜，此外還存在纖維素類基材膜在水中溶脹導(dǎo)致強(qiáng)度下降、化學(xué)穩(wěn)定性較差等問題[17]。因此，能否從化學(xué)穩(wěn)定性良好的基材膜出發(fā)設(shè)計(jì)一種簡(jiǎn)單可控的路線來制備吸附性能優(yōu)異的鹽響應(yīng)型離子交換膜仍具有一定的挑戰(zhàn)。

本研究以具有優(yōu)異化學(xué)穩(wěn)定性和富含叔胺基的聚醚砜酮為基膜材料[18]、甲基丙烯酸縮水甘油酯（GMA）作為橋梁物質(zhì)，通過“一鍋法”將聚強(qiáng)電解質(zhì)功能高分子聚甲基丙烯酸-3-磺酸丙酯鉀鹽（PSPM）接枝到多孔基膜上制備鹽響應(yīng)型陽離子交換膜PTA-GS，探究了該膜對(duì)具有不同等電點(diǎn)蛋白質(zhì)的吸附情況，系統(tǒng)研究了蛋白質(zhì)初始濃度、吸附時(shí)間和環(huán)境鹽濃度對(duì)PTA-GS膜蛋白質(zhì)吸附量的影響，并分析吸附過程的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)規(guī)律，揭示了蛋白質(zhì)吸附機(jī)理。該研究結(jié)果可為制備吸附性能優(yōu)異的鹽響應(yīng)型蛋白質(zhì)吸附膜提供新思路，并為陽離子交換膜上蛋白質(zhì)的吸附行為研究提供指導(dǎo)。

1 材料和方法

1.1 材料

含叔胺基聚醚砜酮（PTA），由中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)化所提供；N,N′-二甲基甲酰胺（DMF）、乙二醇單甲醚（EGM）、過硫酸銨（APS）、氯化鈉（NaCl）均分析純，來自成都市科隆化學(xué)品有限公司；甲基丙烯酸-3-磺酸丙酯鉀鹽（SPM）、GMA均分析純，來自中國(guó)阿拉丁試劑有限公司；BSA（分子量68000g/mol）、Lys（分子量14000g/mol）、磷酸緩沖鹽溶液（PBS）均分析純，來自美國(guó)索萊寶公司。實(shí)驗(yàn)用水來自Milli-Q 純水系統(tǒng)，電阻率為18.2MΩ·cm。

1.2 主要儀器

攪拌脫泡機(jī)，ARE310型，日本THINKY公司；平板刮膜機(jī)，F(xiàn)M-2 型，寧波江北新成金機(jī)械廠；恒溫恒濕箱，TE-PE-100型，韓國(guó)JEIO公司；pH/電導(dǎo)率/離子綜合測(cè)試儀，SevenMulti 型，梅特勒-托利多儀器上海有限公司；水浴恒溫振蕩器，SHZ-B 型，上海博迅醫(yī)療生物儀器有限公司；膜孔徑儀，POROLUX 1000 型，德國(guó)Porometer 公司；臺(tái)式掃描電鏡（SEM），Phenom Pro 型，荷蘭Phenom 公司；界面張力儀，DSA25 型，德國(guó)KURSS 公 司； X 射 線 光 電 子 能 譜（XPS），XSAM800型，英國(guó)Kratos公司；固體表面zeta電位分析儀，SurPASS2型，奧地利Anton Paar公司；超微量紫外分光光度計(jì)，NanoDrop One 型，美國(guó)Thermo Fisher 公司；紫外-可見光分光光度計(jì)，UV1800型，日本SHIMADZU公司。

1.3 PSPM修飾的鹽響應(yīng)型陽離子交換膜的制備

制備PTA膜：稱量1.2g充分干燥的PTA粉末并量取1.2mL 致孔劑EGM 加入到6.5mL DMF 溶劑中（PTA和EGM與體系的總質(zhì)量之比均恒定為14%），密封，轉(zhuǎn)移至攪拌脫泡機(jī)中溶解脫泡4h，得到的鑄膜液在25℃下靜置12h。將平板刮膜機(jī)的刮刀間隙設(shè)定為180μm，刮膜。將得到的濕膜迅速轉(zhuǎn)移到蒸氣溫度為50℃、相對(duì)濕度為70%的恒溫恒濕箱中停留1min，再浸入25℃純水中，靜置10min。所制得的PTA膜在純水中浸泡48h，每天換水3次，之后用濾紙吸干膜表面的水，置于溫度為25℃、相對(duì)濕度24%的干燥柜中保存。

制備PTA-GS 膜：稱量2.5g SPM 單體溶解于80mL 純水中，加入直徑4cm 的PTA 膜片后密封，攪拌20min并持續(xù)通入氮?dú)庖猿パ鯕?。同時(shí)量取129μL GMA 加入到20mL 純水中，攪拌20min，并以每秒1滴的速度加入單體溶液中，在65℃、氮?dú)夥諊虚_環(huán)反應(yīng)1h。接著，將反應(yīng)溶液的溫度升高至75℃，加入0.01g 引發(fā)劑APS 引發(fā)自由基聚合反應(yīng)，反應(yīng)9h。反應(yīng)結(jié)束后，得到的接枝膜置于純水中浸泡72h，每天換水3 次。其中，GMA 與SPM的物質(zhì)的量比恒定為1∶10。

1.4 PSPM修飾的鹽響應(yīng)型陽離子交換膜的表征

利用SEM 對(duì)膜的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，測(cè)試前將自然干燥的膜樣品固定在樣品臺(tái)上噴金處理60s，用氮?dú)獯祾咭员３謽悠窛崈?，然后置于樣品杯進(jìn)行觀察。膜斷面樣品需先在液氮中深冷30s并脆斷，晾干后再固定于樣品臺(tái)上。

利用界面張力儀的Sessile Drop 模式來測(cè)試膜表面的水接觸角，測(cè)試過程在室溫下進(jìn)行，懸掛的水滴體積設(shè)定為4μL，并利用Circle 模型計(jì)算接觸角大小，測(cè)試3 次取平均值。利用固體膜表面zeta電位分析儀并基于流動(dòng)電位法來測(cè)試膜表面的電位，使用1mmol/L氯化鉀作為電解質(zhì)溶液，兩個(gè)樣品的間隙為0.1mm，測(cè)試壓力為300mbar（1bar=105Pa）。

利用膜孔徑儀在室溫下測(cè)量膜的平均孔徑及其分布，測(cè)試前用測(cè)厚規(guī)測(cè)量膜厚，然后將膜置于全氟醚溶液中浸泡20min使其完全浸潤(rùn)，并設(shè)定最大許用壓力進(jìn)行測(cè)量。利用稱重法測(cè)試膜的孔隙率，首先將膜剪成1cm×2cm 的矩形，并于80℃下干燥6h，稱重得干膜的質(zhì)量。然后，將干膜先后用70%的乙醇水溶液和純水分別浸泡2h 和12h（換水3次），用濾紙快速吸干膜表面的水并稱量膜的濕重。膜的孔隙率可通過文獻(xiàn)[19]中的公式計(jì)算得到。

利用XPS來測(cè)定膜表面的化學(xué)組成，將干態(tài)膜剪成2cm×2cm 的正方形作為測(cè)試樣品，測(cè)試碳、氧、氮和硫的全譜，使用激發(fā)源為鋁（Al），能量范圍為X 1，在低的分辨率和放大倍數(shù)下進(jìn)行測(cè)試。

1.5 PSPM修飾的鹽響應(yīng)型陽離子交換膜的性能

1.5.1 PSPM 修飾的鹽響應(yīng)型陽離子交換膜的鹽響應(yīng)性能

通過比較純水和不同濃度NaCl 溶液的跨膜通量來表征膜的鹽響應(yīng)性能，并采用式(1)定量計(jì)算鹽響應(yīng)開關(guān)系數(shù)（RNaCl/w）。

式中，JNaCl,x、Jw分別表示物質(zhì)的量濃度為x的NaCl溶液的跨膜通量、純水跨膜通量，kg/(m2·h·MPa)?？缒ね渴窃谑覝?、跨膜壓差600Pa下測(cè)定的，膜的有效過濾面積恒為12.56cm2。

1.5.2 PSPM 修飾的鹽響應(yīng)型陽離子交換膜的蛋白質(zhì)吸附性能

以Lys 為例，PTA-GS 膜對(duì)蛋白質(zhì)的靜態(tài)吸附性能測(cè)試過程如下。將不同質(zhì)量的Lys粉末溶解在50mL PBS 緩沖液中（pH 約為7.2）配制不同初始濃度的Lys 溶液，作為吸附溶液。各量取兩組20mL蛋白質(zhì)溶液，其中一組加入一定大小的PTAGS膜（直徑4cm膜片的四分之一大?。芊獠⒅糜谒≌袷幤髦校ㄕ袷幩俣葹?20r/min、溫度為25℃）培養(yǎng)24h。利用超微量紫外分光光度計(jì)在波長(zhǎng)280nm處測(cè)試剩余吸附溶液和原液中Lys的濃度，再代入式(2)計(jì)算PTA-GS膜的蛋白質(zhì)平衡吸附量（qe，mg/g）。BSA溶液的吸光度使用紫外-可見光分光光度計(jì)測(cè)得，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線換算成濃度再代入式(2)計(jì)算qe。

式中，C0和Ce分別為原液和剩余吸附溶液中的蛋白質(zhì)濃度，mg/mL；m為膜的質(zhì)量，g；V為用于吸附測(cè)試的蛋白質(zhì)溶液的體積（恒定為20mL），mL。采用多元非線性曲線擬合軟件，分別用Langmuir[20]、Freundlich[21]和Redlich-Peterson[22]三種等溫吸附模型[式(3)～式(5)]對(duì)PTA-GS 膜的蛋白質(zhì)靜態(tài)吸附數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性擬合。

式中，KL為L(zhǎng)angmuir吸附平衡常數(shù)；qm為膜的最大吸附量，mg/g；KF為Freundlich吸附平衡常數(shù)，n為與吸附強(qiáng)度有關(guān)的常數(shù)；A、B和α為Redlich-Peterson 等溫吸附模型的常數(shù)，當(dāng)α為1 時(shí)即為L(zhǎng)angmuir等溫吸附模型。

PTA-GS膜對(duì)蛋白質(zhì)的動(dòng)態(tài)吸附性能測(cè)試過程如下。首先配制兩組20mL、Lys初始濃度為1.0mg/mL的PBS溶液，其中一組加入一定大小的（直徑4cm膜片的四分之一）PTA-GS 膜，并將吸附溶液置于上述條件下，每隔3h 取一次樣，將某個(gè)時(shí)刻的濃度代替Ce代入式(2)可計(jì)算得到各個(gè)時(shí)刻膜的蛋白質(zhì)吸附量。由于PTA-GS膜對(duì)BSA吸附量較小，實(shí)驗(yàn)中使用較大面積膜片，即直徑4cm圓形膜片。在PBS溶液中加入不同質(zhì)量的NaCl，再按照上述步驟測(cè)試PTA-GS膜在不同濃度NaCl環(huán)境中的蛋白質(zhì)吸附量。采用擬一級(jí)和擬二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程線性表達(dá)式[式(6)、式(7)][23-24]來分析PTA-GS膜的蛋白質(zhì)動(dòng)態(tài)吸附行為。

式中，t為吸附的某一時(shí)刻，h；qt為時(shí)刻t時(shí)PTA-GS 膜的蛋白質(zhì)吸附量，mg/g；k1為擬一級(jí)速率常數(shù)，h-1；k2為擬二級(jí)速率常數(shù)，g/(mg·h)。

1.5.3 PSPM 修飾的鹽響應(yīng)型陽離子交換膜的蛋白質(zhì)脫附性能

配制1.5mg/mL的Lys的PBS溶液，按上述吸附步驟進(jìn)行PTA-GS膜的吸附后，將其置于5mL濃度為1mol/L 的NaCl 溶液中，水浴振蕩24h 后測(cè)試脫附液中Lys的濃度，按式(8)、式(9)計(jì)算脫附量和脫附率。

式中，qd為PTA-GS膜的蛋白質(zhì)脫附量，mg/g；Rd為蛋白質(zhì)脫附率；Cd為脫附液中蛋白質(zhì)的質(zhì)量濃度，mg/mL；Vd為用于脫附測(cè)試的蛋白質(zhì)溶液的體積，mL。

2 結(jié)果與討論

2.1 PSPM 修飾的鹽響應(yīng)型陽離子交換膜的形貌與孔徑分布

PTA 膜接枝PSPM 功能高分子前后的掃描電鏡照片如圖1所示。接枝前后膜的表面均呈現(xiàn)出均勻的多孔結(jié)構(gòu)，但相較于PTA膜，PTA-GS 膜表面的孔徑略有減小。PTA膜和PTA-GS 膜的平均孔徑和變異系數(shù)（即膜孔孔徑的標(biāo)準(zhǔn)偏差與平均孔徑的比值）[25]分別為1.470μm 和9.3%、1.423μm 和8.4%。且PTA-GS 膜的斷面保留了PTA 膜的交錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，該多孔結(jié)構(gòu)可為蛋白質(zhì)吸附提供大量的吸附位點(diǎn)。此外，接枝前后膜的孔隙率分別為(51.5±5.1)%和(57.0±6.0)%。可見，接枝PSPM 后膜的平均孔徑略有減小，孔隙率略有提升，并保持均勻的孔徑分布。接枝PSPM 后，PTA-GS 膜表面的水接觸角從PTA 膜的89.3°減小到27.4°，說明具有強(qiáng)水合能力的PSPM 聚電解質(zhì)鏈的引入大大提高了膜的親水性。

圖1 PTA膜和PTA-GS膜的SEM照片和表面水接觸角

2.2 PSPM 修飾的鹽響應(yīng)型陽離子交換膜的化學(xué)組成

PTA 和PTA-GS 膜的XPS 全譜圖如圖2 所示。接枝PSPM 前后，膜的XPS 全譜中均可以觀察到C 1s、N 1s 和O 1s 的峰，對(duì)應(yīng)的結(jié)合能分別為288.2eV、403.9eV 和535.2eV，主要來源是含叔胺基的聚醚砜酮基材。對(duì)于PTA 膜而言，對(duì)應(yīng)結(jié)合能為233.6eV 和171.2eV 的S 2s 和S 2p 的峰較為微弱，S 元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為2.38%。這是因?yàn)镻TA膜的S元素僅來源于基材上的砜基（O==S==O），含量較低，理論值約為4.81%，高于XPS實(shí)測(cè)值。相較于PTA 膜，PTA-GS 膜譜圖中S 2s 和S 2p 的峰顯著增強(qiáng)，S 元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到5.84%。元素S 含量的增加源于含磺酸基團(tuán)的PSPM，證明PSPM 功能高分子成功接枝到PTA膜上。利用S元素含量的測(cè)試結(jié)果計(jì)算得到膜的接枝率約為14.4%，而稱重法計(jì)算得到接枝率約為23.9%?？梢?，由于PTA膜表面富含活性叔胺基，采用1.3 節(jié)中的方法成功接枝PSPM 聚強(qiáng)電解質(zhì)高分子鏈，并且其接枝率較高，可為蛋白質(zhì)提供充足的吸附位點(diǎn)。

圖2 PTA膜和PTA-GS膜的XPS全譜圖

2.3 PSPM 修飾的鹽響應(yīng)型陽離子交換膜的蛋白質(zhì)吸附性能

2.3.1 蛋白質(zhì)初始濃度和吸附時(shí)間對(duì)PTA-GS膜蛋白質(zhì)吸附量的影響

蛋白質(zhì)初始濃度和吸附時(shí)間對(duì)PTA-GS膜的蛋白質(zhì)吸附量的影響如圖3。無論是靜態(tài)吸附還是動(dòng)態(tài)吸附過程，PTA-GS 膜對(duì)BSA 和Lys 的吸附量呈現(xiàn)相似的變化規(guī)律。在25℃條件下，PTA-GS 膜對(duì)兩種蛋白質(zhì)的平衡吸附量qe隨蛋白質(zhì)初始濃度的增加先增大，達(dá)到0.8mg/mL 后趨于平衡，見圖3(a)。但PTA-GS 膜對(duì)兩種蛋白質(zhì)的飽和吸附量相差較大，其對(duì)Lys和BSA的飽和吸附量分別為189.7mg/g和6.8mg/g。由表面zeta 電位分析可知，在pH 為7的低濃度氯化鉀電解質(zhì)溶液中，PTA和PTA-GS 膜表面的zeta電位分別為-7.95mV和-59.35mV，說明中性條件下，PTA-GS 膜表面具有較強(qiáng)的負(fù)電性。因此，在pH 為7.2 的PBS 緩沖溶液中，PTA-GS 膜呈電負(fù)性，而由于此時(shí)的pH 小于Lys 的等電點(diǎn)11而大于BSA 的等電點(diǎn)4.7，Lys 帶正電而BSA 帶負(fù)電?？梢姡琍TA-GS 膜對(duì)Lys 具有較高的吸附量是因?yàn)镻TA-GS 膜與Lys 間的靜電吸引作用，而由于帶負(fù)電的BSA 與膜表面負(fù)電荷存在靜電排斥作用，故PTA-GS膜對(duì)BSA的吸附量較低。此外，隨著溶液中蛋白質(zhì)濃度的增加，Lys 分子與PTA-GS 膜接觸的概率增大，所以PTA-GS膜的平衡吸附量也隨之增加；但PTA-GS膜的吸附位點(diǎn)有限，故可吸附的蛋白質(zhì)量有限，因此當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)占據(jù)了PTA-GS膜上所有吸附位點(diǎn)后，繼續(xù)增加蛋白質(zhì)濃度無法使PTA-GS膜的吸附量增加。

圖3 初始濃度和吸附時(shí)間對(duì)PTA-GS膜蛋白質(zhì)吸附量的影響（pH=7.2，T=25℃）

PTA-GS膜吸附兩種蛋白質(zhì)的動(dòng)力學(xué)行為如圖3(b)所示。隨著吸附時(shí)間的延長(zhǎng)，PTA-GS膜對(duì)Lys和BSA 的吸附量均呈現(xiàn)出先快速增大后逐漸平穩(wěn)的趨勢(shì)，先后在12h 和18h 后達(dá)到平衡，平衡吸附量分別為151.9mg/g 和8.1mg/g。與BSA 相比，PTA-GS 膜吸附Lys 時(shí)達(dá)到吸附平衡所需的時(shí)間更短，且平衡吸附量更高。這種現(xiàn)象可能的原因是，PTA-GS 膜與BSA分子存在靜電排斥作用，主要依靠范德華力和氫鍵力吸附BSA，屬于分子間的弱相互作用力；而PTA-GS 膜吸附Lys 則是借助膜表面大量負(fù)電荷與該環(huán)境下帶正電的Lys 的靜電引力，即庫(kù)侖引力，庫(kù)侖引力的作用比范德華力和氫鍵力的作用強(qiáng)得多，因此PTA-GS 膜吸附Lys 時(shí)具有更快的吸附速度和更高的平衡吸附量。

2.3.2 PTA-GS膜吸附蛋白質(zhì)的等溫吸附模型

采用Langmuir、Freundlich 和Redlich-Peterson三種等溫吸附模型對(duì)PTA-GS膜的蛋白質(zhì)靜態(tài)吸附數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖4所示，相應(yīng)的模型參數(shù)見表1。對(duì)于Lys 在PTA-GS 膜上的吸附，Redlich-Peterson 模型的相關(guān)系數(shù)R2和卡方系數(shù)χ2分別為0.9962 和0.3674，Langmuir 模 型 的R2和χ2分 別 為0.9938 和0.4975，F(xiàn)reundlich 模型的R2和χ2分別為0.9764和2.1665。根據(jù)卡方檢驗(yàn)的基本原理，選擇95%作為置信度，查詢卡方表可知當(dāng)模型擬合得到的卡方系數(shù)χ2小于1.635時(shí)，可有95%的把握認(rèn)為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合該模型。 Redlich-Peterson 和Langmuir 模型的R2均高于0.99，χ2較為接近且均小于1.635，因此可認(rèn)為這兩種模型對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合效果更好，由該結(jié)果可知PTA-GS 膜對(duì)Lys 的吸附同時(shí)存在單分子層吸附和多分子層吸附，但主要吸附形式是單分子層吸附，原理是帶正電的蛋白質(zhì)Lys 與帶負(fù)電的PTA-GS 膜間的庫(kù)侖引力。對(duì)于BSA在PTA-GS 膜上的吸附，非線性擬合的結(jié)果與Lys 吸附結(jié)果相似，Redlich-Peterson 模型的R2和χ2分別為0.9978和0.0072，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合效果最好，Langmuir 模型次之，結(jié)果表明PTA-GS 膜對(duì)BSA的吸附也同時(shí)存在單分子層吸附和多分子層吸附，區(qū)別在于PTA-GS膜吸附BSA主要依據(jù)的是范德華力和氫鍵力，均是屬于分子間的弱作用力。通過Langmuir模型參數(shù)得到25℃環(huán)境下PTA-GS膜吸附BSA 的最大吸附量qm和平衡常數(shù)KL為8.2mg/g 和3.75，而吸附Lys 的最大吸附量qm為232.1mg/g，平衡常數(shù)KL為4.30，均大于前者。結(jié)果表明PTA-GS膜對(duì)帶正電的蛋白質(zhì)Lys具有更好的吸附性能，能夠選擇性地吸附等電點(diǎn)差異較大的蛋白質(zhì)。

圖4 PTA-GS膜吸附蛋白質(zhì)的等溫吸附模型

2.3.3 PTA-GS膜吸附蛋白質(zhì)的動(dòng)力學(xué)模型

表1 三種等溫吸附模型的模型參數(shù)

采用擬一級(jí)動(dòng)力學(xué)和擬二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程來擬合PTA-GS 膜對(duì)蛋白質(zhì)的動(dòng)態(tài)吸附行為，結(jié)果如圖5所示，相應(yīng)的模型參數(shù)見表2。通常，采用相關(guān)系數(shù)的平方R2的大小來判斷擬合效果。對(duì)于PTA-GS膜吸附Lys的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用擬二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行擬合時(shí)，相關(guān)系數(shù)R2為0.9966，高于擬一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程的相關(guān)系數(shù)0.9727。根據(jù)擬二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程計(jì)算出的平衡吸附量qe為196.1mg/g，比擬一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程計(jì)算結(jié)果（233.8mg/g）相比更接近實(shí)驗(yàn)值，表明PTA-GS 膜吸附Lys 的吸附行為更符合擬二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程，即吸附速率由吸附位點(diǎn)和Lys的濃度共同決定。而BSA 的擬合結(jié)果則剛好相反，采用擬一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程擬合的R2為0.9934，而采用擬二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程擬合的R2為0.9866，擬一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程擬合的R2更高且高于0.99。同時(shí)，根據(jù)兩種動(dòng)力學(xué)方程計(jì)算出的平衡吸附量qe分別為7.7mg/g和11.4mg/g，可知擬一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值（8.1mg/g）更為接近，由此可知，PTA-GS膜吸附BSA 的吸附行為更符合擬一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程。由于PTA-GS膜與BSA分子存在靜電排斥作用，膜上BSA的吸附量很低，故吸附液中BSA的濃度變化非常小，可近似認(rèn)為BSA濃度不變，而PTA-GS膜上可吸附BSA 的吸附位點(diǎn)有限，故吸附速率由膜上吸附位點(diǎn)決定。

表2 兩種動(dòng)力學(xué)模型的模型參數(shù)表

圖5 PTA-GS膜吸附蛋白質(zhì)的動(dòng)力學(xué)模型

2.3.4 NaCl濃度對(duì)PTA-GS膜滲透通量和蛋白質(zhì)吸附量的影響

PTA-GS膜對(duì)不同濃度NaCl溶液的跨膜通量和鹽響應(yīng)開關(guān)系數(shù)RNaCl/w如圖6(a)所示。隨著NaCl 溶液濃度的增加，PTA-GS膜的通量和RNaCl/w值均呈增加的趨勢(shì)。其中，PTA-GS 膜的純水通量為12740kg/(m2·h·MPa)，而1mol/L 的NaCl 溶液的跨膜通量高達(dá)404720kg/(m2·h·MPa)，鹽響應(yīng)開關(guān)系數(shù)RNaCl/w達(dá)到31.8，表現(xiàn)出顯著的鹽響應(yīng)性能。在低鹽濃度環(huán)境中，含有大量負(fù)電磺酸基團(tuán)的PSPM高分子鏈之間存在較強(qiáng)的靜電排斥作用，同時(shí)由于PSPM 高分子鏈上磺酸基團(tuán)與水分子之間的強(qiáng)水合作用，使得PSPM 鏈很大程度地溶脹，膜孔“關(guān)閉”，通量減??；而在高鹽濃度環(huán)境中，Na+與帶負(fù)電荷的磺酸基團(tuán)結(jié)合，減弱了高分子鏈間的靜電排斥相互作用，使PSPM 鏈?zhǔn)湛s，膜孔“打開”，通量顯著增加。

圖6 NaCl濃度對(duì)PTA-GS膜滲透通量和蛋白質(zhì)吸附量的影響（T=25℃）

在中性PBS 緩沖溶液中，不同NaCl 濃度對(duì)PTA-GS 膜的蛋白質(zhì)平衡吸附量的影響如圖6(b)所示。PTA-GS 膜在不同NaCl 濃度的PBS 溶液中的BSA平衡吸附量均較?。ㄐ∮?.1mg/g），而PTA膜在相同條件下的BSA吸附量較高，達(dá)到(37.3±3.6)mg/g。這是由于PTA-GS膜與BSA分子之間存在較強(qiáng)的靜電排斥作用，而PTA膜相對(duì)較為疏水（圖1），BSA可通過疏水作用吸附在膜表面，故PTA 膜的BSA吸附量較高。類似地，在不同NaCl 濃度的緩沖溶液中，PTA 膜對(duì)Lys 也具有較高的吸附量，即(39.7±3.9)mg/g。而PTA-GS 膜對(duì)Lys 的平衡吸附量則與NaCl 濃度密切相關(guān)。當(dāng)NaCl 濃度為0、0.01mol/L、0.1mol/L和1mol/L時(shí)，PTA-GS膜上Lys吸附量qe分別為(174.2±22.8)mg/g、(15.0±6.4)mg/g、(5.4±3.2)mg/g 和(6.4±6.4)mg/g，可見，平衡吸附量隨NaCl 濃度的升高而降低。當(dāng)環(huán)境NaCl 濃度較低時(shí)，PSPM 鏈上因靜電排斥作用而伸展，吸附位點(diǎn)（即帶負(fù)電的磺酸基團(tuán)）充分暴露在膜表面，借助靜電吸引力將大量帶正電的Lys 吸附在PTA-GS 膜上[圖7(a)]。隨著NaCl 濃度的增加，Na+與PTA-GS膜上磺酸基團(tuán)結(jié)合減弱了PSPM鏈間的靜電排斥作用，PSPM 鏈?zhǔn)湛s，導(dǎo)致各吸附位點(diǎn)距離縮短，增大Lys 與吸附位點(diǎn)結(jié)合的空間位阻；同時(shí)Na+與PTA-GS膜上PSPM鏈的負(fù)電荷形成離子對(duì)，屏蔽了鏈上的負(fù)電荷，導(dǎo)致PTA-GS 膜與Lys 的靜電吸引作用減弱，因此Lys的平衡吸附量顯著減小[圖7(b)]。因此，PTA-GS膜在無NaCl的PBS溶液中具有最好的吸附效果，而較高濃度NaCl 的PBS 溶液可以大大降低Lys 在膜上吸附。當(dāng)Lys 初始濃度為1.5mg/mL時(shí)，PTA-GS膜在無NaCl的PBS緩沖液中對(duì)Lys 的平衡吸附量為208.7mg/g；使用含1mol/L NaCl 的PBS 緩沖液振蕩洗滌后Lys 的脫附量為165.5mg/g，脫附率達(dá)到79.3%。表明PTA-GS 膜具有較好的再生能力。

圖7 PTA-GS膜吸附和脫附蛋白質(zhì)的示意圖

3 結(jié)論

（1）通過簡(jiǎn)單可控的“一鍋法”將聚強(qiáng)電解質(zhì)PSPM 接枝到化學(xué)穩(wěn)定性良好的PTA 微孔膜上，成功制備了鹽響應(yīng)型離子交換膜PTA-GS。

（2）Redlich-Peterson 和Langmuir 等溫吸附模型能較好地?cái)M合Lys 和BSA 在PTA-GS 膜上的吸附行為。此外，PTA-GS 膜對(duì)Lys 的吸附過程符合擬二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程，而BSA在PTA-GS膜上的吸附過程與擬一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程更相符。

（3）在無NaCl 的中性緩沖溶液中，呈強(qiáng)電負(fù)性的PTA-GS 膜對(duì)帶正電荷的Lys 表現(xiàn)出較高平衡吸附量，高達(dá)(174.2±22.8)mg/g，而BSA 的平衡吸附量?jī)H為(8.1±2.5)mg/g。此外，PTA-GS 膜的平衡吸附量隨NaCl 濃度的升高而降低。其在含1mol/L NaCl的緩沖溶液中再生后的Lys脫附率可達(dá)79.3%。

（4）PTA-GS 膜的蛋白質(zhì)脫附率和吸附量仍有提升空間，今后可選擇對(duì)蛋白質(zhì)吸附量更低的基材以降低不可逆吸附、提高蛋白質(zhì)吸附或改善膜的制備方法（如采用靜電紡絲等）以提升膜的孔隙率，獲得更高的蛋白質(zhì)吸附性能。