CN109046046A - 一种纳米材料/群体感应淬灭酶水凝胶纳滤膜的制备方法 - Google Patents

一种纳米材料/群体感应淬灭酶水凝胶纳滤膜的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种纳米材料/群体感应淬灭酶水凝胶纳滤膜的制备方法，该方法将纳米材料分散在磷酸盐缓冲溶液中，得到纳米材料混合溶液；将淬灭酶分散在上述纳米材料混合溶液中，得到纳米材料/群体感应淬灭酶颗粒混合溶液，冷冻干燥，即得纳米材料/群体感应淬灭酶颗粒，然后将颗粒添加海藻酸钠溶液中，选择有机聚合物膜作为基膜。利用离子交联，制备出了纳米材料/群体感应淬灭酶水凝胶纳滤膜。该纳滤膜能利用淬灭酶降解细菌信号分子的功能，抑制膜面生物膜的生长，同时该水凝胶纳滤膜具有制备方法简单、较低成本，可以广泛应用在生物、水处理等各个领域。

Description

一种纳米材料/群体感应淬灭酶水凝胶纳滤膜的制备方法
技术领域
本发明属于膜分离技术应用领域，涉及一种纳米材料/群体感应淬灭酶水凝胶纳滤膜的制备方法。
背景技术
众所周知，在膜材料使用过程中，存在着易污染、易堵塞的等现象，影响膜材料的使用寿命。在控制膜污染的方法中，包括膜材料本身的改性，物理、化学清洗等各种方法，其中膜材料本身的改性包括改善膜材料的亲水性能，在膜材质中添加抑菌纳米银颗粒、溶菌酶等。
细菌的群体感应(quorum sensing,QS)可以调控细菌生物膜的形成，生物发光，色素产生，抗生素形成，质粒结合转移等。科学家们发现，群体感应抑制剂可以干扰信号分子系统的传导，抑制细菌某种特性和机理的表达。研究者们尝试将淬灭酶直接引入膜材料中，即可以通过酶和纳米材料的添加改变膜材料的结构，同时又能达到抑制生物膜生长的目的。前期研究，我们已经成功地将纳米材料/氨基酰化酶添加在有机铸膜液中，制备出具有抗生物污染的纳米材料/氨基酰化酶聚偏氟乙烯膜。但是，传统聚合物分离膜的制备过程较复杂，使用药剂也具有不同程度的环境毒性。因此，如何选择一种生产成本低，环境安全性且易于产业化的新型可再生膜材料成为了亟需解决的问题。
海藻酸是一种从褐藻中提取的天然多糖碳水化合物，含有大量的亲水性羧基，溶于水。同时，海藻酸盐作为来源极为丰富的可生物相容性及生物降解性能的天然高分子材料，具有较高的使用和研究价值。海藻酸钠本身具有良好的水溶性和丰富的官能团，这为海藻酸钠后期的结构改良及应用于复合材料提供了很好的前提。将水凝胶做成膜材料应用于水处理领域，即拓宽水凝胶的应用面，又开辟了传统膜材质的新方向。
发明内容
本发明的目的在于提供一种纳米材料/群体感应淬灭酶水凝胶纳滤膜的制备方法，该纳米材料/群体感应淬灭酶水凝胶纳滤膜能利用淬灭酶降解细菌信号分子的功能，抑制膜面生物膜的生长，同时该水凝胶纳滤膜广泛应用在生物、水处理等各个领域。
本发明的目的是通过下述技术方案来实现的。
一种纳米材料/群体感应淬灭酶水凝胶纳滤膜的制备方法，包括下述步骤:
1)纳米材料/群体感应淬灭酶颗粒的制备：
按照质量比将25～50mg包括氧化石墨烯、石墨烯和碳纳米管的纳米材料分散在100～200mL磷酸盐缓冲溶液中，室温超声，得到纳米材料混合溶液；
按照质量比将75～150mg淬灭酶分散在上述纳米材料混合溶液中，在0～10℃下超声搅拌30～60min，得到纳米材料/群体感应淬灭酶颗粒混合溶液，真空冷冻干燥，即得纳米材料/群体感应淬灭酶颗粒，冷冻保存备用；
2)水凝胶混合溶液的制备：
将适量海藻酸钠溶于20～100ml去离子水中，配制0.5～5g/L海藻酸钠溶液；将步骤1)得到的海藻酸钠质量分数为0.1～10wt％纳米材料/群体感应淬灭酶颗粒加入海藻酸钠溶液中，超声；加入占海藻酸钠质量分数为2～50wt％的致孔剂，搅拌溶解均匀，放置于4～10℃的密闭容器中备用；
3)水凝胶纳滤膜的制备：
配制金属离子质量百分比为0.1～15wt％的金属盐水溶液，作为离子交联剂；选取厚度在5～200μm的基膜，置于光滑清洁的玻璃板上；将步骤2)制备的水凝胶混合溶液倒在基膜上，并用刮刀刮出均匀的液膜；用另外一块玻璃板挤压，迅速把玻璃板水平浸没在离子交联剂中交联1～24h；用去离子水清洗水凝胶混合溶液中的致孔剂，得到纳米材料/群体感应淬灭酶水凝胶纳滤膜，保存在4～10℃的密闭容器中备用。
进一步，所述石墨烯的制备方法为机械剥离法、气相沉积法CVD、热解SiC法、氧化石墨烯还原法、碳管切割法和液相直接超声剥离法制备的三层以下石墨烯。
进一步，所述碳纳米管包括单壁，双壁和多壁碳纳米管，管径为1～100nm，管长为0.5～100μm。
进一步，所述磷酸盐缓冲溶液为按质量比0.68：0.12:1配制的磷酸二氢钾、氯化钠和超纯水配制的混合溶液。
进一步，所述步骤1)中，在0～10℃下超声搅拌30～60min。
进一步，所述步骤2)-①中，超声15～30min。
进一步，所述淬灭酶为包括氨基酰化酶、内酯酶或脱羧酶在内的所有对细菌信号分子具有降解作用的淬灭酶。
进一步，所述致孔剂选自聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚乙二醇、丙烯酸、β-环糊精、聚丙烯酰胺、尿素、聚维酮或水溶性淀粉中的一种或多种。
进一步，所述基膜的材质包括聚丙烯腈、聚丙烯、聚氯乙烯、聚偏氟乙烯、聚砜、聚醚砜、聚氨酯、聚酰胺或醋酸纤维素中的一种。
进一步，所述金属盐水溶液为硫酸铜、氯化锌、氯化钡、氯化铁、氯化铝、氯化钙、磷酸二氢钙、硫酸钙、硝酸钙、磷酸氢钙或乳酸钙水溶液中的任意一种或两种以上混合物。
本发明的有益效果在于：
(1)该水凝胶纳滤膜可以通过降解细菌信号分子，抑制膜面生物膜的生长，达到膜片抗污染的目的。
(2)用生物相容性好的水凝胶替代传统有机聚合物，改善了酶活性受到限制而影响酶活等问题。
(3)海藻酸钠材料易制备、易取材、成本低，对酶活不会造成大的破坏。
(4)纳米材料/群体感应淬灭酶水凝胶纳滤膜的制备方法简单易行，可在生物、环境等多个领域进行应用。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细说明，但并不作为对发明做任何限制的依据。
一种纳米材料/群体感应淬灭酶水凝胶纳滤膜的制备方法，包括下述步骤:
1)纳米材料/群体感应淬灭酶颗粒的制备：按照质量比将25～50mg包括氧化石墨烯、石墨烯或碳纳米管的纳米材料分散在100～200mL磷酸盐缓冲溶液中，室温超声30～60min，得到纳米材料混合溶液；按照质量比将75～150mg淬灭酶分散在纳米材料混合溶液中，在0～10℃下超声搅拌30～60min，得到纳米材料/群体感应淬灭酶颗粒混合溶液，真空冷冻干燥，即得纳米材料/群体感应淬灭酶颗粒，冷冻保存备用。
上述石墨烯的制备方法为机械剥离法、气相沉积法(CVD)、热解SiC法、氧化石墨烯还原法、碳管切割法和液相直接超声剥离法制备的三层以下石墨烯。碳纳米管包括单壁，双壁和多壁碳纳米管，管径为1～100nm，管长为0.5～100μm。
上述磷酸盐缓冲溶液为按质量比0.68：0.12:1配制的磷酸二氢钾、氯化钠和超纯水配制的混合溶液。淬灭酶为包括氨基酰化酶、内酯酶或脱羧酶在内的所有对细菌信号分子具有降解作用的淬灭酶。
2)水凝胶混合溶液的制备：将适量海藻酸钠溶于20～100ml去离子水中，配制0.5～5g/L海藻酸钠溶液，将步骤1)得到的海藻酸钠质量分数为0.1～10wt％纳米材料/群体感应淬灭酶颗粒加入海藻酸钠溶液中，超声15～30min；加入海藻酸钠质量分数为2～50wt％的致孔剂(聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚乙二醇、丙烯酸、β-环糊精、聚丙烯酰胺、尿素、聚维酮或水溶性淀粉中的一种或多种)，搅拌溶解均匀，放置于4～10℃的密闭容器中备用；
3)水凝胶纳滤膜的制备：配制金属离子质量百分比为0.1～15wt％的金属盐水溶液(硫酸铜、氯化锌、氯化钡、氯化铁、氯化铝、氯化钙、磷酸二氢钙、硫酸钙、硝酸钙、磷酸氢钙或乳酸钙水溶液中的任意一种或两种以上混合物)，作为离子交联剂；选取厚度在5～200μm的基膜(聚丙烯腈、聚丙烯、聚氯乙烯、聚偏氟乙烯、聚砜、聚醚砜、聚氨酯、聚酰胺或醋酸纤维素类中的一种)，置于光滑清洁的玻璃板上。将步骤2)制备的水凝胶混合溶液倒在基膜上，并用刮刀刮出均匀的液膜。用另外一块玻璃板挤压，迅速把玻璃板水平浸没在离子交联剂中交联1～24h；用去离子水清洗致孔剂，得到纳米材料/群体感应淬灭酶水凝胶纳滤膜，保存在4～10℃的密闭容器中备用。
下面通过具体实施例对本发明做具体说明。
实施例1：
氧化石墨烯的制备采用的是Hummer改进方法。所用的天然鳞片石墨粉为100目的粉末，纯度为99.999&。
1)纳米材料/群体感应淬灭酶颗粒的制备：将50mg氧化石墨烯分散在150mL0.02MpH(6.9)的磷酸盐缓冲溶液中，室温超声30min，加入150mg氨基酰化酶，在0℃下超声搅拌30min，真空冷冻干燥，即得氧化石墨烯/氨基酰化酶杂化颗粒，冷冻保存备用。
2)水凝胶混合溶液的制备：将适量海藻酸钠溶于20ml去离子水中，配制5g/L海藻酸钠溶液，将步骤1)得到的1wt％纳米材料/群体感应淬灭酶颗粒加入海藻酸钠溶液中，超声15min；加入海藻酸钠质量分数为2wt％的聚乙烯吡咯烷酮，搅拌溶解均匀，放置于10℃的密闭容器中备用；
3)水凝胶纳滤膜的制备：配制0.1wt％的硫酸铜水溶液，作为离子交联剂；选取厚度在5μm的聚丙烯腈基膜，置于光滑清洁的玻璃板上。将步骤2)制备的水凝胶混合溶液倒在基膜上，并用刮刀刮出均匀的液膜。用另外一块玻璃板挤压，迅速把玻璃板水平浸没在去离子交联剂中交联2h；用去离子水清洗聚乙烯吡咯烷酮，得到纳米材料/群体感应淬灭酶水凝胶纳滤膜，保存在4℃的密闭容器中备用。
实施例2：
石墨烯的制备采用水合肼还原氧化石墨烯法：将实施例1中的氧化石墨烯100mg分散到水溶液100ml中，超声分散50min，然后加入水合肼(2ml,50％w/v)，混合均匀后回流条件下反应24h。反应结束后，样品过滤分离洗涤，并在60℃的真空烘箱中烘干。
1)纳米材料/群体感应淬灭酶颗粒的制备：将25mg石墨烯分散在100mL0.2M pH(7.0)的磷酸盐缓冲溶液中，室温超声40min，加入100mg内酯酶，在4℃下超声搅拌40min，真空冷冻干燥，即得石墨烯/内酯酶杂化颗粒，冷冻保存备用。
2)水凝胶混合溶液的制备：将适量海藻酸钠溶于50ml去离子水中，配制2g/L海藻酸钠溶液，将步骤1)得到的海藻酸钠质量分数为10wt％纳米材料/群体感应淬灭酶颗粒加入海藻酸钠溶液中，超声20min；加入海藻酸钠质量分数为50wt％的聚乙烯醇，搅拌溶解均匀，放置于10℃的密闭容器中备用；
3)水凝胶纳滤膜的制备：配制5wt％的氯化锌水溶液，作为离子交联剂；选取厚度在100μm的聚丙烯基膜，置于光滑清洁的玻璃板上。将步骤2)制备的水凝胶混合溶液倒在基膜上，并用刮刀刮出均匀的液膜。用另外一块玻璃板挤压，迅速把玻璃板水平浸没在去离子交联剂中交联20h；用去离子水清洗聚乙烯醇，得到纳米材料/群体感应淬灭酶水凝胶纳滤膜，保存在10℃的密闭容器中备用。
实施例3：
1)纳米材料/群体感应淬灭酶颗粒的制备：将30mg管径为1nm，管长为8μm双壁碳纳米管分散在200mL 0.2M pH(7.0)的磷酸盐缓冲溶液中，室温超声60min，加入75mg脱羧酶，在10℃下超声搅拌60min，真空冷冻干燥，即得碳纳米管/脱羧酶杂化颗粒，冷冻保存备用。
2)水凝胶混合溶液的制备：将适量海藻酸钠溶于100ml去离子水中，配制0.5g/L海藻酸钠溶液，将步骤1)得到的海藻酸钠质量分数为10wt％纳米材料/群体感应淬灭酶颗粒加入海藻酸钠溶液中，超声30min；加入海藻酸钠质量分数为30wt％的聚乙二醇，搅拌溶解均匀，放置于5℃的密闭容器中备用；
3)水凝胶纳滤膜的制备：配制15wt％的氯化钙水溶液，作为离子交联剂；选取厚度在80μm的聚偏氟乙烯基膜，置于光滑清洁的玻璃板上。将步骤2)制备的水凝胶混合溶液倒在基膜上，并用刮刀刮出均匀的液膜。用另外一块玻璃板挤压，迅速把玻璃板水平浸没在氯化钙水溶液中交联24h；用去离子水清洗氯化钙，得到纳米材料/群体感应淬灭酶水凝胶纳滤膜，保存在10℃的密闭容器中备用。
实施例4：
1)纳米材料/群体感应淬灭酶颗粒的制备：将40mg管径为100nm，管长为80μm多壁碳纳米管分散在200mL0.2M pH(7.0)的磷酸盐缓冲溶液中，室温超声60min，加入150mg内酯酶，在5℃下超声搅拌40min，真空冷冻干燥，即得石墨烯/内酯酶杂化颗粒，冷冻保存备用。
2)水凝胶混合溶液的制备：将适量海藻酸钠溶于90ml去离子水中，配制3g/L海藻酸钠溶液，将步骤1)得到的海藻酸钠质量分数为8wt％纳米材料/群体感应淬灭酶颗粒加入海藻酸钠溶液中，超声20min；加入海藻酸钠质量分数为45wt％的丙烯酸、聚丙烯酰胺、尿素混合溶液中，搅拌溶解均匀，放置于5℃的密闭容器中备用；
3)水凝胶纳滤膜的制备：配制15wt％的氯化钙、磷酸二氢钙、硫酸钙、硝酸钙、磷酸氢钙或乳酸钙混合水溶液，作为离子交联剂；选取厚度在200μm的聚醚砜基膜，置于光滑清洁的玻璃板上。将步骤2)制备的水凝胶混合溶液倒在基膜上，并用刮刀刮出均匀的液膜。用另外一块玻璃板挤压，迅速把玻璃板水平浸没在去离子交联剂中交联20h；用去离子水清洗聚乙烯醇，得到纳米材料/群体感应淬灭酶水凝胶纳滤膜，保存在10℃的密闭容器中备用。
实施例5：
1)纳米材料/群体感应淬灭酶颗粒的制备：将45mg管径为1nm，管长为100μm单壁碳纳米管分散在140mL 0.2M pH(7.0)的磷酸盐缓冲溶液中，室温超声60min，加入100mg脱羧酶，在4℃下超声搅拌60min，真空冷冻干燥，即得碳纳米管/脱羧酶杂化颗粒，冷冻保存备用。
2)水凝胶混合溶液的制备：将适量海藻酸钠溶于100ml去离子水中，配制4g/L海藻酸钠溶液，将步骤1)得到的海藻酸钠质量分数为0.1wt％纳米材料/群体感应淬灭酶颗粒加入海藻酸钠溶液中，超声25min；加入海藻酸钠质量分数为8wt％的β-环糊精、聚维酮、水溶性淀粉混合溶液，搅拌溶解均匀，放置于10℃的密闭容器中备用。
3)水凝胶纳滤膜的制备：配制15wt％的氯化钡、氯化铁、氯化铝水溶液，作为离子交联剂；选取厚度在150μm的聚氨酯基膜，置于光滑清洁的玻璃板上。将步骤2)制备的水凝胶混合溶液倒在基膜上，并用刮刀刮出均匀的液膜。用另外一块玻璃板挤压，迅速把玻璃板水平浸没在氯化钙水溶液中交联12h；用去离子水清洗氯化钙，得到纳米材料/群体感应淬灭酶水凝胶纳滤膜，保存在10℃的密闭容器中备用。
本发明方法制备一种纳米材料/群体感应淬灭酶水凝胶纳滤膜，能通过降解细菌信号分子，抑制膜面生物膜的生长，进而达到膜片抗污染的效果。
以上所述，仅是本发明针对一种纳米材料/群体感应淬灭酶水凝胶纳滤膜及其制备方法的实施例，并非对本发明做任何限制，凡是根据本发明技术对以上实施例所做的任何简单修改，变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (10)

1.一种纳米材料/群体感应淬灭酶水凝胶纳滤膜的制备方法，其特征在于，包括下述步骤:
1)纳米材料/群体感应淬灭酶颗粒的制备：
按照质量比将25～50mg包括氧化石墨烯、石墨烯和碳纳米管的纳米材料分散在100～200mL磷酸盐缓冲溶液中，室温超声，得到纳米材料混合溶液；
按照质量比将75～150mg淬灭酶分散在上述纳米材料混合溶液中，超声搅拌，得到纳米材料/群体感应淬灭酶颗粒混合溶液，真空冷冻干燥，即得纳米材料/群体感应淬灭酶颗粒，冷冻保存备用；
2)水凝胶混合溶液的制备：
将适量海藻酸钠溶于20～100ml去离子水中，配制0.5～5g/L海藻酸钠溶液；将步骤1)得到的海藻酸钠质量分数为0.1～10wt％纳米材料/群体感应淬灭酶颗粒加入海藻酸钠溶液中，超声；加入占海藻酸钠质量分数为2～50wt％的致孔剂，搅拌溶解均匀，放置于4～10℃的密闭容器中备用；
3)水凝胶纳滤膜的制备：
配制金属离子质量百分比为0.1～15wt％的金属盐水溶液，作为离子交联剂；选取厚度在5～200μm的基膜，置于光滑清洁的玻璃板上；将步骤2)制备的水凝胶混合溶液倒在基膜上，并用刮刀刮出均匀的液膜；用另外一块玻璃板挤压，迅速把玻璃板水平浸没在离子交联剂中交联1～24h；用去离子水清洗水凝胶混合溶液中的致孔剂，得到纳米材料/群体感应淬灭酶水凝胶纳滤膜，保存在4～10℃的密闭容器中备用。
2.根据权利要求1所述的纳米材料/群体感应淬灭酶水凝胶纳滤膜的制备方法，其特征在于，所述石墨烯的制备方法为机械剥离法、气相沉积法CVD、热解SiC法、氧化石墨烯还原法、碳管切割法和液相直接超声剥离法制备的三层以下石墨烯。
3.根据权利要求1所述的纳米材料/群体感应淬灭酶水凝胶纳滤膜的制备方法，其特征在于，所述碳纳米管包括单壁，双壁和多壁碳纳米管，管径为1～100nm，管长为0.5～100μm。
4.根据权利要求1所述的纳米材料/群体感应淬灭酶水凝胶纳滤膜的制备方法，其特征在于，所述磷酸盐缓冲溶液为按质量比0.68：0.12:1配制的磷酸二氢钾、氯化钠和超纯水配制的混合溶液。
5.根据权利要求1所述的纳米材料/群体感应淬灭酶水凝胶纳滤膜的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中，在0～10℃下超声搅拌30～60min。
6.根据权利要求1所述的纳米材料/群体感应淬灭酶水凝胶纳滤膜的制备方法，其特征在于，所述步骤2)-①中，超声15～30min。
7.根据权利要求1所述的纳米材料/群体感应淬灭酶水凝胶纳滤膜的制备方法，其特征在于，所述淬灭酶为包括氨基酰化酶、内酯酶或脱羧酶在内的所有对细菌信号分子具有降解作用的淬灭酶。
8.根据权利要求1所述的纳米材料/群体感应淬灭酶水凝胶纳滤膜的制备方法，其特征在于，所述致孔剂选自聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚乙二醇、丙烯酸、β-环糊精、聚丙烯酰胺、尿素、聚维酮或水溶性淀粉中的一种或多种。
9.根据权利要求1所述的纳米材料/群体感应淬灭酶水凝胶纳滤膜的制备方法，其特征在于，所述基膜的材质包括聚丙烯腈、聚丙烯、聚氯乙烯、聚偏氟乙烯、聚砜、聚醚砜、聚氨酯、聚酰胺或醋酸纤维素中的一种。
10.根据权利要求1所述的纳米材料/群体感应淬灭酶水凝胶纳滤膜的制备方法，其特征在于，所述金属盐水溶液为硫酸铜、氯化锌、氯化钡、氯化铁、氯化铝、氯化钙、磷酸二氢钙、硫酸钙、硝酸钙、磷酸氢钙或乳酸钙水溶液中的任意一种或两种以上混合物。
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