一种复合分离薄膜及其制备方法和用途
阅读说明：本技术 一种复合分离薄膜及其制备方法和用途 (Composite separation film and preparation method and application thereof ) 是由 苏力宏 王锡桐 郝羽翀 杨凤霞 李越飞 葛岩 锁永永 王波 于 2021-08-30 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种复合分离薄膜及其制备方法和用途,解决现有物理薄膜过滤加离心分离方式,薄膜厚度较大,过滤阻力大,导致过滤时间长、过滤效率低的问题。该复合分离薄膜包括自下而上设置的沉积衬底层、分离层以及固定保护层；沉积衬底层和固定保护层均采用具有微米孔洞的多孔载体材料；分离层采用具有纳米孔洞的多孔二维材料,厚度为0.3～50nm；多孔二维材料由利用氧化物半导体纳米粉体剥离层状材料制备获得,且多孔二维材料的面积大于多孔载体材料中微米孔洞的面积。(The invention provides a composite separation membrane and a preparation method and application thereof, and solves the problems of long filtration time and low filtration efficiency caused by large membrane thickness and large filtration resistance in the existing physical membrane filtration and centrifugal separation mode. The composite separation film comprises a deposition substrate layer, a separation layer and a fixed protective layer which are arranged from bottom to top; the deposition substrate layer and the fixed protective layer both adopt porous carrier materials with micron holes; the separating layer is made of a porous two-dimensional material with nano holes, and the thickness of the separating layer is 0.3-50 nm; the porous two-dimensional material is prepared by stripping the layered material by using oxide semiconductor nano powder, and the area of the porous two-dimensional material is larger than that of the micron hole in the porous carrier material.)
技术领域
本发明属于蛋白或者病毒等分离薄膜技术领域，具体涉及一种复合分离薄膜及其制备方法和用途。
背景技术
蛋白质作为生物体生命周期中一个重要的成分，对蛋白质本身的研究是对生命科学研究探索的一个重要环节。随着生物科学的技术发展，分离制备天然高分子化合物的
技术领域
已趋向成熟，在不破坏分子活性的前提下分离纯化这些活性物质也形成了生物制药的一个领域。蛋白质分离主要根据五种原理：溶解度、分子大小、电荷、吸附性质、对配体分子的生物学亲和力等。基本原理包括两方面：一是利用各组分在物相中分配率差别达到分离目的，如盐析，有机溶剂提取，层析和结晶等；二是通过物理力场作用达到分离目的，如电泳，超滤，超速离心等。其他如很多病毒等，包括冠状病毒等也具有几十纳米尺度。如何在不对其破坏情况下，将快速分离鉴别在实际医药和卫生保护中，也有很大应用价值。目前，根据蛋白质分子大小的差别的分离方法包括：1、透析与超滤；透析(dialysis)是利用蛋白质分子不能通过半透膜的性质，使蛋白质和其它小分子物质分开，常用的半透膜是玻璃纸或称赛璐玢纸(cellophane paper)、火棉纸(celloidin paper)和其它改型纤维素材料；2、超速离心；3、多孔凝胶过滤法，也称分子排阻层析或分子筛层析等。
根据蛋白质溶解度不同进行分离的方法包括蛋白质的盐析、等电点沉淀法、低温有机溶剂沉淀法或结晶法等。根据蛋白质带电性质进行分离的方法包括电泳法或离子交换层析法等。利用选择性吸附进行分离蛋白质的方法包括羟磷灰石层析或疏水作用层析等。根据配体特异性进行分离的方法包括亲和色谱法。此外，还有快速蛋白质液相层析、高效液相层析等多种蛋白纯化方法。
但由于蛋白质在组织或细胞中是以复杂的混合物形式存在，每种类型的细胞都含有上千种不同的蛋白质，因此蛋白质的分离，提纯和鉴定是生物化学中的重要的一部分，至今还没的单独或一套现成的方法能移把任何一种蛋白质从复杂的混合蛋白质中提取出来，因此往往采取几种方法联合使用。例如：徐鹏伟等学者以脱脂火麻仁粉为原料，采用两种方法进行火麻仁蛋白的提取分离，碱提/酸沉法制备得到碱提蛋白，盐溶/盐析法制备得到盐提蛋白。盐提蛋白含量高于碱提蛋白含量，且外观色泽更加亮白。还有采用正电荷分子筛过滤等方法，获得的滤液经尺寸排阻色谱层析对蛋白进行纯化，或者将获得的滤液经阴离子交换层析对蛋白进行纯化，获得纯化溶液；其中，采用物理薄膜过滤加离心分离方式，也是一种常用分离方式，但是一般过滤多孔薄膜厚度在100nm-100μm，过滤阻力大，过滤时间长因而过滤效率低。
因此，为了提升过滤效率，有必要设计一种更薄的分离薄膜。
发明内容
本发明的目的在于解决现有物理薄膜过滤加离心分离方式，薄膜厚度较大，过滤阻力大，导致过滤时间长、过滤效率低的问题，而提供了一种复合分离薄膜及其制备方法和用途。
为实现上述目的，本发明所提供的技术解决方案是：
一种复合分离薄膜，其特殊之处在于：包括自下而上设置的沉积衬底层、分离层以及固定保护层；
所述沉积衬底层和固定保护层均采用具有微米孔洞的多孔载体材料；
所述分离层采用具有纳米孔洞的多孔二维材料，厚度为0.3～50nm；
所述多孔二维材料由利用氧化物半导体纳米粉体剥离层状材料制备获得，且多孔二维材料的面积大于多孔载体材料中微米孔洞的面积。
进一步地，所述多孔二维材料为二维单层二硫化钼、二维单层石墨烯、二维单层MXene、二维单层二硫化钨、二维单层金属有机框架材料、二维单层云母片或者二维单层黑磷。
进一步地，所述多孔载体材料为金属合金多孔网、铜网、塑料网、或高分子薄膜网，当然也可采用其他不破坏带分离物质的载体材料；
进一步地，所述多孔载体材料的孔洞孔径为1-200μm，优选1-10μm。
进一步地，所述多孔二维材料的孔洞孔径低于150nm，具体孔洞尺寸范围可以在5-150nm之间调整。
进一步地，所述分离层包括单层或多层具有纳米孔洞的多孔二维材料，单层时厚度为0.3-2nm，多层时厚度一般不超过50nm，由多孔二维材料悬浮溶液沉积获得，优选不超过10nm。
上述复合分离薄膜的制备方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
1)利用氧化物半导体纳米粉体剥离层状材料制备具有纳米孔洞的多孔二维材料，即中国专利申请ZL2020109766223中公开记载的方法；
2)将步骤1)制备的多孔二维材料分散在溶剂中，搅拌均匀，得到悬浮溶液；所述悬浮溶液中多孔二维材料的含量为0.5％～30％；
3)将步骤2)得到的悬浮溶液悬浮沉积在沉积衬底层上，形成分离层，在沉积形成分离层时，有可能是单层材料，也有可能是多层材料，但为了获得厚度较为均一的分离层，步骤2)中必须搅拌均匀，以便获得分离效果均衡的薄膜；
4)在步骤3)形成的分离层上覆盖一层固定保护层，待溶剂挥发后，干燥得到复合分离薄膜。
进一步地，步骤2)中，所述溶剂为水或乙醇。
本发明还提供了上述复合分离薄膜在分离纯化不同粒径纳米颗粒、高分子、蛋白质或病毒中的应用。
本发明的优点是：
1.根据二维材料剥离制备特性，将采用中国专利申请ZL2020109766223技术方案剥离制备的微米级尺寸二维单层多孔材料作为过滤薄膜，与具有微米级孔洞的多孔载体材料复合制成微米级厚度的复合分离薄膜，利用二维单层材料上随机形成的纳米级孔洞(一般在100nm以下，也有100～150nm之间的孔洞，由于是利用热敏半导体纳米粉体吸附辅助剥离制备二维材料，然后将吸附饱和的纳米颗粒和二维材料复合体，进行采用加热或者超声分离两者进一步得到二维材料，纳米颗粒在与二维材料分离过程会在表面形成随机分布的孔洞，所以在二维材料表面自然形成的多孔二维材料)对于蛋白或者病毒等生物大分子溶液，亦或纳米颗粒、高分子可以实现进行高效物理分离，而不会破坏其性状。
2.由于分离层采用纳米厚度多孔薄膜，所以过滤阻力比厚度更厚的其他薄膜阻力要小，加上离心机辅助效率会更高。而且物理分离过程，不会破坏过滤高分子、纳米颗粒、蛋白质或病毒的组成或结构；在薄膜过滤一段时间堵塞后，可以采用水或者溶剂反向冲洗恢复，由于薄膜厚度一般在10nm以下，所以反向洗剂恢复薄膜阻力也会很小，可以循环使用，再生方法简便，起到节能和高效的效果。
3.由于二维材料普遍的憎水性或憎油性，超薄二维材料可以导致过滤阻力减小的优势，具有对于水或者有机溶剂蛋白、病毒等大分子溶液，实现高效物理分离，二维单层材料石墨烯和TMDs等二维材料本身具有憎水性，同时具有较大剥离尺寸，具有孔洞的二维材料，厚度超薄所以过滤蛋白质水溶液阻力极小。而二维MXene材料具有亲水性，过滤蛋白质有机溶剂溶液(乙醇，丙酮或者油脂等)过滤具有更好的优势。
4.本发明本质上也是利用分子大小不同的纯化分离方法，但是相对于传统的分离方法在粗制分离生产中的应用，本发明采用的复合分离薄膜在分离过程中，操作简便且能更有效保护分子活性，在今后的发展中有明确的发展方向，并且本发明中几十微米级尺寸的二维材料上的纳米级孔洞，可以更高效的对蛋白或者病毒等生物大分子溶液进行物理分离，未来具有良好的应用前景。
5.本发明采用二维材料溶液悬浮沉积方式，沉积到1-200μm级孔洞的载体材料上(载体材料材质不限，只要不破坏过滤蛋白质就行)，蛋白质一般大小在200nm以下，所以载体材料不会对蛋白形成分离作用，但是ZL2020109766223剥离的二维材料上的孔洞大小只有几十纳米，可以有效阻隔数十纳米以上尺度的蛋白，让其作为蛋白质分离薄膜。
附图说明
图1为二维材料表面纳米孔洞原子力显微镜图
图2为新的蛋白过滤薄膜示意图
图2中的附图标号为：
1-具有微米级孔洞的多孔载体材料；2-具有纳米孔洞的多孔二维材料；
图3为二维薄膜蛋白分离结果色谱柱分布结果示例图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步的详细描述：
如图1和图2所示，图1为二维材料表面纳米孔洞原子力显微镜图，图2为新的蛋白过滤薄膜示意图，图中薄膜自下而上设置的沉积衬底层、分离层以及固定保护层；沉积衬底层和固定保护层均采用具有微米孔洞的多孔载体材料1，分离层采用具有纳米孔洞的多孔二维材料2，多孔二维材料由利用氧化物半导体纳米粉体剥离层状材料制备获得，即中国专利申请ZL2020109766223中公开记载的方法；多孔二维材料的面积大于多孔载体材料中微米孔洞的面积。
实施例1
专利ZL2020109766223方法剥离的二维单层二硫化钼材料薄膜，薄膜尺寸一般为2-15μm，上面有30-50nm大小的纳米孔洞，将单层二硫化钼固含量15％的水悬浮溶液，让其沉降于1-5μm孔洞的塑料网上，上层覆盖一层1-5μm孔洞网格的高分子薄膜。这一三层复合分离薄膜可以用于过滤蛋白质水溶液，尺寸小于30nm的蛋白会过滤进入滤液，而大于这一尺寸的蛋白会被阻挡沉积于薄膜上面。二硫化钼本身憎水性的性质，所以蛋白水溶液过滤阻力会更小，分离过程会更快速。同时过滤使用一段时间，可以采用蒸馏水反向冲洗，沉积于薄膜表面的蛋白堵塞过滤薄膜膜孔，但是过滤纳米厚度薄膜厚度很薄，二硫化钼本身憎水性的性质，蒸馏水更容易清洗去除沉积堵塞层。
实施例2
专利ZL2020109766223方法剥离的单层石墨烯，石墨烯尺寸一般为10-200μm，上面有30-50nm大小的纳米孔洞，将单层石墨烯固含量20％的水悬浮溶液，让其沉降于1-3μm孔洞的铜网上，上层覆盖一层1-3μm孔洞网格的高分子薄膜。这一三层复合分离薄膜可以用于过滤蛋白质水溶液，尺寸小于30nm的蛋白会过滤进入滤液，而大于这一尺寸的蛋白会被阻挡沉积于薄膜上面。石墨烯本身憎水性的性质，所以蛋白水溶液过滤阻力会更小，分离过程会更快速。
实施例3
专利ZL2020109766223方法剥离的单层MXene尺寸一般为10-50μm，上面有10-30nm大小的纳米孔洞，将单层MXene固含量10％的乙醇悬浮溶液，让其沉降于3-5μm孔洞的铜网上，上层覆盖一层2-5μm孔洞网格的铜网。这一三层复合分离薄膜可以用于过滤蛋白质乙醚溶液，尺寸小于30nm的蛋白会过滤进入滤液，而大于这一尺寸的蛋白会被阻挡沉积于薄膜上面。MXene本身憎油性的性质，所以蛋白乙醚溶液过滤阻力会更小，分离过程会更快速。
实施例4
专利ZL2020109766223方法剥离的单层MXene尺寸一般为3-60μm，上面有10nm大小的纳米孔洞，将单层MXene固含量3％的乙醇悬浮溶液，让其沉降于3-5μm孔洞的铜网上，上层覆盖一层2-5μm孔洞网格的铜网。这一三层复合分离薄膜可以用于过滤病毒的乙醚溶液，尺寸大于10nm的病毒会过滤薄膜阻挡而不进入滤液，而大于这一尺寸的病毒会被阻挡沉积于薄膜上面，实现对于病毒而分离阻隔。MXene本身憎油性的性质，所以病毒乙醚溶液中的乙醚溶剂过滤阻力会更小，分离过程会更快速。
实施例5
专利ZL2020109766223方法剥离的单层MXene尺寸一般为10-50μm，上面有50nm大小的纳米孔洞，将单层MXene固含量1％的乙醇悬浮溶液，让其沉降于3-5μm孔洞的铜网上，上层覆盖一层2-5μm孔洞网格的铜网。这一三层复合分离薄膜可以用于过滤纳米颗粒悬浮的丙酮溶液，尺寸小于50nm的纳米颗粒会过滤进入滤液，而大于这一尺寸的纳米颗粒会被阻挡沉积于薄膜上面。MXene本身憎油性的性质，所以丙酮溶液过滤阻力会更小，分离过程会更快速。同时过滤使用一段时间，可以采用丙酮溶剂反向冲洗，沉积于薄膜表面的纳米颗粒堵塞过滤薄膜膜孔，但是过滤纳米厚度薄膜厚度很薄，MXene本身憎油性的性质，丙酮更容易清洗去除沉积堵塞层。
实施例6
专利ZL2020109766223方法剥离的黑磷(隔绝空气防止氧化)，尺寸一般为5-10μm，上面有50-80nm大小的纳米孔洞，将剥离单层或者少层黑磷固含量25％的乙醇悬浮溶液，让其沉降于1-3μm孔洞的铜网上，上层覆盖一层1-3μm孔洞网格的塑料网。这一三层复合分离薄膜可以用于过滤蛋白质水溶液，尺寸小于50nm的蛋白会过滤进入滤液，而大于这一尺寸的蛋白会被阻挡沉积于薄膜上面。黑磷本身憎水性的性质，所以蛋白水溶液过滤阻力会更小，分离过程会更快速。
实施例7
专利ZL2020109766223方法剥离的单层二硫化钨，尺寸一般为5-50μm，上面有40-50nm大小的纳米孔洞，将单层二硫化钨固含量10％的乙醇悬浮溶液，让其沉降于3-5μm孔洞的塑料网上，上层覆盖一层2-5μm孔洞网格的铜网。这一三层复合分离薄膜可以用于过滤蛋白质水溶液，尺寸小于30nm的蛋白会过滤进入滤液，而大于这一尺寸的蛋白会被阻挡沉积于薄膜上面。二硫化钨本身憎油性的性质，所以蛋白质水溶液过滤阻力会更小，分离过程会更快速。
实施例8
专利ZL2020109766223方法剥离的单层金属有机框架材料(MOF)，尺寸一般为50-100μm，上面有50-150nm大小的纳米孔洞，将单层或者少层MOF固含量10％的乙醇悬浮溶液，让其沉降于3-5μm孔洞的铜网上，上层覆盖一层1-6μm孔洞网格的铜网。这一三层复合分离薄膜可以用于过滤蛋白质乙醚溶液，尺寸小于30nm的蛋白会过滤进入滤液，而大于这一尺寸的蛋白会被阻挡沉积于薄膜上面。单层金属有机框架材料厚度很薄，所以蛋白乙醚溶液过滤阻力小，分离过程快速。
实施例9
专利ZL2020109766223方法剥离的单层数纳米厚度云母片，尺寸一般为50-300μm，上面有30-100nm大小的纳米孔洞，将单层纳米厚度云母片固含量10％的水悬浮溶液，让其沉降于3-5μm孔洞的铜网上，上层覆盖一层1-10μm孔洞网格的塑料网。这一三层复合分离薄膜可以用于过滤蛋白质水和乙醚混合溶液，尺寸小于30nm的蛋白会过滤进入滤液，而大于这一尺寸的蛋白会被阻挡沉积于薄膜上面。单层云母片很薄，所以蛋白质水和乙醚溶液过滤阻力小，分离过程快速。
图3为该实施例二维薄膜蛋白分离结果色谱柱分布结果示例图；其中，sizemarker是不同大小蛋白分子的色谱柱位置标记，只有两层微米级孔洞的多孔载体材料，中间无纳米厚度单层或多层多孔纳米尺度孔洞的薄膜，蛋白分子溶液过滤后的色谱分布效果。Before filtration为过滤前母液中的蛋白质色谱柱分布图；after filtration为微米级孔洞的多孔载体材料中间，夹有0.5-10nm厚度单层或多层多孔纳米尺度孔洞的薄膜，过滤蛋白分子的色谱分布测试效果，可以看出，经过纳米厚度薄膜过滤分离后的蛋白溶液中，25nm以上的含量明显减少，说明蛋白分子尺度大于25nm的蛋白被分离阻挡保留在过滤母液中，小于25nm的蛋白分子穿过了过滤薄膜。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。