功能化聚芳醚酮固载铜离子抑菌膜制备及表征.pdf

第 37 卷第 4 期 高 校 化 学 工 程 学 报 No.4 Vol.37 2023 年 8 月 Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities Aug.2023 文章编号：1003-9015(2023)04-0633-10 功能化聚芳醚酮固载铜离子抑菌膜制备及表征 胡淑倩,丁 辉,金 伟,黎姗姗,张 浩,王建黎(浙江工业大学 化学工程学院,浙江 杭州 310014)摘 要：为了使微孔滤膜具有抑菌功能，以自制的侧链含苯并咪唑结构聚芳醚酮为膜材料，利用苯并咪唑基团与 Cu2+间的配位作用，通过非溶剂致相分离法(NIPS)和金属离子配位改性法制备抑菌型微孔滤膜。对固载 Cu2+前后的微滤膜的微观结构、抗污性能、抑菌性能、耐溶剂性能以及膜的 Cu2+固载量等进行测试与表征。结果表明，Cu2+能够被固载至含有苯并咪唑结构的微孔滤膜上。所制备的 Cu2+螯合膜对大肠杆菌的抑制率可达 63%，且随着开孔率的增加，膜的抑菌性能有所提升。其中，抑菌圈实验和 Cu2+流失速率测试实验进一步说明了 Cu2+与聚合物分子链上的苯并咪唑基团间的相互作用能够将 Cu2+约束在膜内,有效缓解金属离子流失现象。关键词：抑菌膜；过渡金属离子；苯并咪唑基团；配位交联 中图分类号：TQ028.8 文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.1003-9015.2023.04.015 Preparation and characterization of copper ion loaded functional poly(arylene ether ketone)antibacterial membranes HU Shuqian,DING Hui,JIN Wei,LI Shanshan,ZHANG Hao,WANG Jianli(Department of Chemical Engineering,Zhejiang University of Technology,Hangzhou 310014,China)Abstract:In order to provide microporous membranes with antibacterial functions,self-made poly(arylene ether ketone)with benzimidazole side groups that can coordinate with Cu2+was chosen as membrane material.The antibacterial microporous membranes were prepared by non-solvent-inducing phase separation(NIPS)and metal ion coordination modification methods.Microstructure,fouling resistance,antibacterial effect,solvent resistance and immobilized Cu2+contents were characterized.The results indicate that Cu2+can be successfully immobilized into the microporous membrane containing benzimidazole groups.The antibacterial rate to Escherichia coli reached 63%,and the antibacterial performance was improved with the increase of aperture ratio.Inhibition zone experiments and Cu2+release rate tests further demonstrate that the interaction between Cu2+and benzimidazole groups restrained Cu2+in the membrane,which effectively alleviates the loss of metal ions.Key words:antibacterial film;transition metal ion;benzimidazole groups;coordination crosslinking 1 前 言 膜污染是膜分离过程中经常遇到的问题，被认为是引起微滤膜通量下降和使用寿命缩短的重要因素之一1-2。根据污染物的不同，膜污染主要分为无机污染、有机污染以及生物污染3。其中，生物污染是由膜表面的细菌所引起的，由于细菌的运动、分泌和繁殖，生物污染被认为是目前最具破 收稿日期：2022-05-13；修订日期：2022-08-12。基金项目：国家自然科学基金(22178317，22109138)。作者简介：胡淑倩(1997-)，女，浙江台州人，浙江工业大学硕士生。通信联系人：王建黎，E-mail： 引用本文：胡淑倩,丁辉,金伟,黎姗姗,张浩,王建黎.功能化聚芳醚酮固载铜离子抑菌膜制备及表征 J.高校化学工程学报,2023,37(4):633-642.Citation：HU Shuqian,DING Hui,JIN Wei,LI Shanshan,ZHANG Hao,WANG Jianli.Preparation and characterization of copper ion loaded functional poly(arylene ether ketone)antibacterial membranes J.Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities,2023,37(4):633-642.634 高 校 化 学 工 程 学 报 2023年8月 坏性、最不易控制的一种膜污染方式4。因此，研究者们致力于开发一种具有抑菌功能的微孔滤膜，防止生物污染5-8。将无机金属抗菌剂、有机抗菌剂(季铵盐类、卤胺、壳聚糖等)引入微孔滤膜是制备抑菌微滤膜的常见手段9-11。与有机抗菌剂相比，无机金属抗菌剂(Ag+、Cu2+、Zn2+)具有更佳的抗菌持久性和热稳定性，被更广泛地应用于抑菌膜。膜表面的细菌与金属离子发生接触后，细胞壁发生破裂，金属离子进入细胞体内，细胞壁及体内蛋白发生变性，从而导致细菌失活。Ozay 等12将纳米铜超声分散在聚醚砜(PES)铸膜液中，通过非溶剂致相分离法(NIPS)制备了抑菌 PES 膜。采用普通共混方式引入金属离子虽能较简便地制备抑菌膜，但往往存在较严重的流失现象，不仅限制膜抑菌性，还会对水体造成二次污染。Saraswath等13将纳米银固定在聚多巴胺包覆的改性醋酸纤维素超滤膜上，得到具有良好亲水性和截留污染物性能的抑菌膜，通过阻碍生物膜的形成来防止膜的有机污染和生物污染。Ki 等14通过氧化聚合和邻苯二酚基团与 Fe3+离子间的络合作用，制备了乙二醇衍生 3-(3,4-二羟基苯基)-L-丙氨酸薄膜，该膜能有效抑制细菌的黏附，表现出良好的抗菌能力。通过接枝和涂覆的方式将金属离子固定在膜上可减缓流失，但过程复杂。因此，设计一种对金属离子具有强吸附作用的膜材料对简化制膜过程、制备长效抑菌膜具有重要意义15-17。近期，本实验室发明了一种侧链含苯并咪唑结构的聚芳醚酮/磺化聚芳醚酮，悬挂的苯并咪唑结构使该聚合物具有配位交联能力。在之前的研究中，作者发现相比于其他金属离子，Cu2+与苯并咪唑基团间具有更好的配位能力。因此，利用苯并咪唑基团对 Cu2+的强螯合功能，将 Cu2+固载在侧链含苯并咪唑结构的聚芳醚酮多孔膜上制备出具有一定抑菌功能的微孔滤膜。本研究利用苯并咪唑基团对 Cu2+的螯合作用，制得具有不同孔结构的抑菌微孔滤膜。考察了抑菌膜的 Cu2+固载量，通过对微孔膜进行抑菌率测试来评价固载 Cu2+前后膜的抑菌性能变化。此外，对膜的纯水通量、截留性能、抗污性能、亲疏水性以及溶解性能等进行了表征，通过固载前后膜的性能变化说明Cu2+的成功固载。最后，对抑菌膜进行了抑菌圈实验和 Cu2+流失速率测定实验，进一步说明所形成的配位交联结构对 Cu2+的约束作用，并证实了微孔滤膜的抑菌效果是来自与苯并咪唑基团发生配位交联作用的 Cu2+。2 实验部分 2.1 原料与试剂 N,N-二甲基乙酰胺(DMAc，质量分数为 98%)、硝酸(质量分数为 65%68%)购于上海凌峰化学试剂有限公司，4,4-二氟二苯酮购于金坛松胜医药化工有限公司，六氟双酚 A 购于上海宁成高分子材料有限公司，无水碳酸钾购于太仓美达试剂有限公司，胰蛋白陈(BR)、酵母浸粉(BR)和琼脂粉(BR)购于英国 OXOID公司，纳米铜粉(质量分数为 99.9%)和无水乙醇(AR，质量分数为 99.7%)购于阿拉丁试剂(上海)有限公司，聚乙二醇 200(PEG 200，质量分数 99.5%)购于上海中石化三井化工有限公司，牛血清白蛋白(质量分数为 98%)购于上海安耐吉化学有限公司，4,4-亚甲基联(2-苯并咪唑)苯酚(MBIP)和聚芳醚酮(PAEK)为实验室自制，PAEK 的结构式如图 1 所示。2.2 侧链含苯并咪唑结构聚芳醚酮的制备 将 MBIP 单体(0.43 g，1 mmol)、六氟双酚 A(3.03 g，9 mmol)、4,4-二氟二苯酮(2.18 g，10 mmol)和碳酸钾(1.59 g，11.5 mmol)置于装有 Dean-Stark 分水器、回流冷凝管和通氮管的三口烧瓶中，加入 DMAc 50 mL 和甲苯 20 mL，通氮 30 min 后升温至 150 回流反应 4 h，分离水和甲苯后升温至 170 继续反应21 h。反应液冷却至室温后倾入热水中沉淀、过滤，滤渣经热乙醇反复洗涤，真空干燥至恒重后得黄褐色块状固体，即侧链含苯并咪唑结构聚芳醚酮记为 10%SCBI-PAEK，其中苯并咪唑基团量为 0.48 mmolg1，聚合物的相对分子质量为 9.86106，具体的制备流程如图 2 所示。图 1 聚芳醚酮结构图 Fig.1 Chemical structure of PAEK 第 37 卷第 4 期 胡淑倩等：功能化聚芳醚酮固载铜离子抑菌膜制备及表征 635 图 3 抑菌型微孔滤膜的制备流程图 Fig.3 Preparation process of antibacterial microporous membranes Phase inversion70 /24 h Coordination crosslinking Immersion in aqueous solution of copper acetate 2.3 固载铜离子的微孔滤膜的制备 将自制的含苯并咪唑结构聚芳醚酮、聚乙二醇 200、DMAc 以质量比 m(10%SCBI-PAEK):m(PEG 200):m(DMAc)=16:10:74 混合，配制成澄清状铸膜液，真空脱泡后，将铸膜液刮涂在洁净玻璃板上，采用NIPS 法制膜，所得微孔滤膜命名为 M-1。将含苯并咪唑结构聚芳醚酮、DMAc 以质量比 m(10%SCBI-PAEK):m(DMAc)=16:84 混合配制铸膜液并按照 M-1 相同的流程制得微孔滤膜，记为 M-2。使用不含苯并咪唑基团的PAEK 与DMAc以质量比m(PAEK):m(DMAc)=16:84 混合并按M-1 和M-2 相同的流程制备M-3。M-1、M-2 和 M-3 膜的铸膜液组成如表 1 所示，表中 w 为质量分数，将 M-1 和 M-2 分别在质量浓度为60 gL1的醋酸铜水溶液中于70 下浸泡24 h，然后取出置于扰动的去离子水中洗涤 1 h 以上，所得膜浸泡于去离子水中待用。为设计对照试验，将 M-3 进行与 M-1 和 M-2 相同的处理流程。经处理后的 M-1、M-2、M-3 膜分别记为 M-Cu1、M-Cu2和 M-Cu3。具体的制备流程如图 3 所示。2.4 测试与表征 2.4.1 表征 采用核磁共振波谱仪(AVANCE III 500 MHz，瑞士 Bruker)和傅里叶变换红外光谱仪(Nicolet iS10，美国 Nicolet)确定自制聚合物的结构。利用场发射扫描电子显微镜结合能量色散光谱(SU8010，日本Hitachi 公司)表征膜的表、断面微观形态和表面元素组成；采用光学接触角测量仪(OCA-20，德国Dataphysics 公司)测量膜表面的静态水接触角来表征膜的亲水性；使用孔径分析仪(3H-2000PB，北京贝士德仪器科技有限公司)测量膜的平均孔径；使用原子力显微镜(Dimension ICON，美国 Bruker)测量膜的表面粗糙度。表 1 不同膜的铸膜液组成 Table 1 Composition of casting solutions for different membranes Membrane w/%10%SCBI-PAEK PAEK PEG 200 DMAcM-1 16-10 74 M-2 16-84 M-3-16-84 图 2 侧链含苯并咪唑结构聚芳醚酮的合成路线 Fig.2 Synthetic route of 10%SCBI-PAEK 170 636 高 校 化 学 工 程 学 报 2023年8月 2.4.2 膜的孔隙率测定 膜的孔隙率 通过干湿重法18由式(1)计算得到 121mmA (1)式中：为膜的孔隙率，%；m1、m2分别为湿膜和干膜的质量，kg；A1为样品的面积，m2；为湿膜的厚度，m；为 25 时水的密度，kgm3。2.4.3 膜的过滤性能测试 使用自制的错流式过滤装置测试膜的纯水通量、分离性能和抗污性能，牛血清白蛋白(BSA，相对分子质量为 66 446)为模型污染物。先将膜样品在 0.15 MPa 压力下预压 30 min，再将压力调至 0.10 MPa，待稳定后测试膜的纯水通量 Jw。将进料液换为质量浓度为 1 gL1的 BSA 溶液，重复上述操作，通过测试进料溶液和滤液中 BSA 的质量浓度变化来表征膜样品对污染物的截留性能 R。膜的抗污性能测试包含2 个纯水过滤阶段和 2 个 BSA 溶液过滤阶段。先后进行 1 h 的纯水过滤和 BSA 溶液过滤，每隔 5 min 记录溶液通量，结束后将膜用去离子水冲洗 2 h，重复上述操作。通过紫外可见分光光度计测量溶液在 280 nm处的吸光度，经计算得到 BSA 质量浓度。纯水通量 Jw、BSA 截留率 R 和膜的通量恢复率 FRR 分别由式(2)、(3)和(4)计算得出 W2VJAt (2)pf1100%-R (3)RWFRR100%JJ (4)式中：Jw为膜初始的纯水通量，Lm2h1；V 为透过膜的纯水体积，L；A2为样品的有效过滤面积，m2；t 为收集时间，h；R 为截留率，%；f为进料溶液中牛血清蛋白的质量浓度，gL1；p为滤液中牛血清蛋白的质量浓度，gL1；FRR 为膜的通量恢复率，%；JR为被 BSA 污染并经过反洗后的膜的纯水通量，Lm2h1。2.4.4 抑菌膜的铜离子流失速率测试 将一定尺寸的膜样品浸泡于 37 的去离子水中，每隔 24 h 取出，借助原子吸收光谱仪得到溶液中的 Cu2+的质量浓度，并通过考察浸泡液中 Cu2+质量浓度的变化来表征膜表面固载的铜离子的流失速率。2.4.5 膜的抑菌性能测试 以大肠杆菌为指示菌，通过抑菌圈实验和抑菌率测试19-20表征膜的抑菌性能。抑菌圈实验：将接种了大肠杆菌的 LB 液体营养培养基于 37 下培养 12 h，然后将原菌液的浓度稀释至 106 CFUmL1均匀涂布至 LB 固体培养基上，经灭菌处理的膜样品放置于培养基中央，最后将培养皿倒置于 37 恒温培养室中培养 24 h。抑菌率实验：将原菌液的浓度稀释至 107 CFUmL1，然后将经灭菌处理的膜样品放入 10 mL 的稀释菌液，于 37 震荡培养 24 h，取出后放入 9 mL 灭菌生理盐水中进行超声处理，测试放入样品前后菌液、超声清洗液在 600 nm 波长处的吸光值 OD600。将清洗液稀释至菌液浓度为 1001 000 CFUmL1再均匀涂布于溶菌肉汤(LB)固体培养基上，培养皿倒置于 37 恒温培养室中 2436 h，并对单菌落数目进行计数。固载 Cu2+的抑菌膜的抑菌率通过式(5)计算得到 bmbb100%NNEN (5)式中：Eb为抑菌率，%；Nb、Nm分别为未固载 Cu2+的膜和固载 Cu2+的抑菌膜的超声清洗液平板数所得的菌落数目。第 37 卷第 4 期 胡淑倩等：功能化聚芳醚酮固载铜离子抑菌膜制备及表征 637 3 结果和讨论 3.1 侧链含苯并咪唑结构聚芳醚酮的制备 图4为侧链含苯并咪唑结构聚芳醚酮的1H-NMR图谱，其中，苯环上的氢的化学位移集中在6.508.50，4.00、13.00 处对应的分别为亚甲基(图中 e 点)和苯并咪唑环上的 NH(图中 c 点)质子峰，这 2 个特征峰虽因苯并咪唑含量低而较弱，但证实了含有苯并咪唑基团的单体单元成功掺入。为进一步确定自制聚合物的结构，对其红外光谱图进行分析。如图 5 所示，3 060 和 1 660 cm1处的谱带分别对应芳烃和羰基的伸缩振动，醚和羰基的芳香核特征带在 1 167 和 923 cm1处出现，并且在 2 922 和 801 cm1处分别观察到CH2和苯并咪唑基团的特征带，该结果进一步证实了聚合物中苯并咪唑基团的存在。3.2 膜的表征和测量 3.2.1 膜的微观结构 图 6 为 M-1、M-Cu1、M-2、M-Cu2 膜的微观形貌图，从图中可以看出 4 种膜均有致密的上表面(图(a)和多孔的下表面(图(b)，其中 M-1、M-Cu1 膜的断面具有海绵状结构，M-2、M-Cu2 膜的断面呈现海绵 Wave number/cm1 图 5 10%SCBI-PAEK 的红外光谱图 Fig.5 FTIR spectrum of 10%SCBI-PAEK 14 13 12 11 10 9 8 7 4 c d b+i k h+j+f g e Chemical shift 图 4 10%SCBI-PAEK 在 DMSO 中的1H-NMR 图谱 Fig.4 1H-NMR spectrum of 10%SCBI-PAEK in DMSO 350030001600140012001000800801 cm-1923 cm-11 167 cm-11 237 cm-11 660 cm-12 922 cm-13 060 cm-1图 6 10%SCBI-PAEK 微孔滤膜的 SEM 图 Fig.6 SEM images of 10%SCBI-PAEK microporous membranes(a)top surfaceM-1 500 nm M-Cu1 M-2 500 nm 500 nm 500 nm M-Cu2(b)bottom surface 5 m M-1 M-Cu1 M-Cu2 5 m 5 m 5 m M-2(c)cross-section M-1 M-Cu1 M-2 M-Cu2 50 m 50 m 50 m 50 m 638 高 校 化 学 工 程 学 报 2023年8月 状表层(图(c)，底层为指状大孔结构，这是由于铸膜液中 PEG 200 的添加会改变体系的热力学和成膜过程的动力学，宏观表现为铸膜液黏度的增加，这使得NIPS 过程中溶剂与非溶剂间的相对扩散速率发生变化，溶剂的外扩散速率远小于非溶剂的内扩散速率，出现延迟分相的情况，从而更易于形成海绵状结构和大孔表面21-22。此外，发现固载 Cu2+后膜的上表面变得更为致密，可能的原因是 M-1、M-2 膜中的聚合物分子链没有被完全固化，在较高的温度和配位交联作用下形成更紧凑的链结构。膜的平均孔径和孔隙率测试结果如图 7 所示，从图中可以发现 M-1 膜和 M-2 膜的孔隙率接近，但 M-1膜具有更大的孔径，这归因于 PEG 200 的添加增加了相分离时非溶剂在铸膜液中的传质速率，更易形成大孔表面。从测试结果可以看出固载 Cu2+前后膜的孔径和孔隙率无明显变化，且由 SEM 图可知固载 Cu2+前后膜的下表面和断面结构并未发生明显变化，说明固载 Cu2+不会对膜的微观结构产生较大影响。3.2.2 膜的亲水性 通过测试膜表面的静态水接触角，考察了微孔滤膜在固载 Cu2+前后的亲水性变化，实验结果如图 8 所示。结果表明，固载 Cu2+的微孔膜表面的疏水性略有增加，这一现象也在其他研究中被发现23，这可能是由于 Cu2+与苯并咪唑基团间的配位交联使得膜表面损失了部分亲水基团，固载 Cu2+后膜表面亲水性的变化说明了 Cu2+成功固载在膜上。此外，膜的亲疏水性与膜的表面粗糙度有关。本研究利用原子力显微镜(AFM)考察了固载 Cu2+前后膜表面形貌的变化，结果如图 9 所示，图中 Rq为膜的表面粗糙度。根据测试结果发现，固载 Cu2+的膜表面粗糙度有轻微减小，表面形貌无明显变化，该结果与膜的微观结构分析一致。图 9 10%SCBI-PAEK 微孔滤膜的 AFM 三维轮廓图 Fig.9 AFM morphologies of 10%SCBI-PAEK microporous membranes(a)M-1;Rq:10.6 41.4 nm 1 23 4 5 5 m1 2 3 4(b)M-Cu1;Rq:7.4 31.7 nm 5 m4 3 2 1 1 2 3 4 5(d)M-Cu2;Rq:4.6 17.5 nm 5432115 m 234(c)M-2;Rq:6.8 25.5 nm 5 m4 3 2 1 3 12 4 5 m m m m M-1M-Cu1M-2M-Cu2020406080100120140160图 7 10%SCBI-PAEK 微孔滤膜的平均孔径和孔隙率 Fig.7 Mean pore size and porosity of 10%SCBI-PAEK microporous membranes Mean pore size/m Porosity/%M-1M-Cu1M-2M-Cu20.00.10.20.30.4 mean pore size porosity020406080100 Contact angle/()图 8 10%SCBI-PAEK 微孔滤膜的静态水接触角(室温 25，空气湿度 65%)Fig.8 Static water contact angles of 10%SCBI-PAEK microporous membranes at 25 and 65%humidity 第 37 卷第 4 期 胡淑倩等：功能化聚芳醚酮固载铜离子抑菌膜制备及表征 639 图 11 固载 Cu2+处理的抑菌膜的 EDS 图谱 Fig.11 EDS spectra of Cu2+immobilized antibacterial membranes Energy/keV(a)EDS spectra of M-Cu1 0510PtPtCuFOCEnergy/keV(b)EDS spectra of M-Cu2 0510PtPtCuFOCEnergy/keV(c)EDS spectra of M-Cu3 0510PtPtFOC3.2.3 抑菌膜的铜离子流失速率 由原子吸收分光光度计表征的结果可知，在去离子水中浸泡24 h 后，10.5 cm2的 M-Cu1 膜可释放出质量浓度为 0.105 mgL1的Cu2+，10.5 cm2的M-Cu2膜可释放出0.066 mgL1的Cu2+。M-Cu1膜可释放出比 M-Cu2 膜更多的 Cu2+，这可能是由于 PEG 200 的添加改变了体系的分相热力学和传质动力学，从而改变膜结构，使膜具有更高的开孔率24，提高了膜的 Cu2+固载量。因此，M-Cu1膜具有更高的 Cu2+释放速率，由此可推测 M-Cu1 膜拥有更大的抑菌潜力。此外，与其他研究相比9，本研究制备的抑菌膜具有更低的Cu2+释放速率，这归因于聚合物侧链上苯并咪唑环的 NH 基团与Cu2+间的螯合作用，多个苯并咪唑基团的 N作为配体提供孤对电子，与具有空轨道的 Cu2+形成配位键，从而形成含有金属离子的杂环结构25-27，两者间可能的螯合机理如图10 所示。稳定的金属有机配位结构使 Cu2+被牢牢固定在膜中，能够有效缓解金属离子流失现象。3.2.4 抑菌膜的铜离子固载量 图 11 为固载 Cu2+后膜的 EDS 能谱图，在 M-Cu1、M-Cu2 膜的能谱图中均能观察到 C、O、F、Pt以及 Cu 元素的特征峰，而在 M-Cu3 膜的能谱图中仅出现 C、O、F、Pt 元素的特征峰，说明 M-Cu1 膜和 M-Cu2 膜已被成功固载 Cu2+，而 M-3 膜由于不含苯并咪唑基团无法与 Cu2+发生配位交联作用，不能成功固载 Cu2+。其中，Pt 特征峰的出现归因于对膜表面的喷金处理，而 M-Cu1 膜和 M-Cu2 膜中的 C 元素来自苯环以及聚合物主链上的亚甲基，O 元素主要来源于聚合物主链上的醚基和羰基，而 F 元素则来自缩聚反应时参与反应的六氟双酚 A。Cu2+固载效率是膜的抑菌性能的重要评价指标，因此对抑菌膜的铜质量分数进行分析，结果如表 2 所示。M-Cu1 膜的 Cu 元素质量分数大于 M-Cu2 膜，这是由于 M-1 具有更大的开孔率，能够固载更多的 Cu2+，该结果证实了上述猜测，说明膜的孔结构会影响其固载效率。3.3 膜的过滤性能和抗污性能 抑菌膜与原膜的纯水通量和 BSA 截留率如图 12 所示，测试结果显示 M-1 膜的纯水通量明显高于 M-2 膜，M-2 膜比 M-1膜有更好的截留性能，这是由于在孔隙率接近的情况下，致孔剂的添加使得 M-1 膜具有比 M-2 膜更大的孔径，因此 M-1 具有更大的纯水通量和更低的截留率。此外，观察到固载了 Cu2+的M-Cu1、M-Cu2 膜具有比原膜略高的纯水通量，这可能是由于固载 Cu2+时较高的浸泡温度使得聚合物受热膨胀，膜孔略有增大，从而导致膜的纯水通量略微上升。表 2 固载 Cu2+处理的抑菌膜的元素分析 Table 2 EDS results of Cu2+immobilized antibacterial membranes%Membrane tapeC O F Cu M-Cu1 77.97 6.59 14.950.49 M-Cu2 72.67 6.85 20.080.40 M-Cu3 71.15 6.62 22.230 图 10 苯并咪唑基团与 Cu2+螯合的 可能的机理图 Fig.10 Possible mechanism of benzimidazole groups chelating with Cu2+640 高 校 化 学 工 程 学 报 2023年8月 图 14 抑菌圈实验所得结果 Fig.14 Results of inhibition zone experiments (a)M-Cu1(b)M-Cu2 图13显示了固载Cu2+前后微孔滤膜抗污染性能的变化情况，经计算得 M-1 膜的通量恢复率在 85%以上，M-2 膜的通量恢复率在 95%以上，而固载 Cu2+后的 M-Cu1 膜和 M-Cu2 膜的通量恢复率分别约为60%和 67%。与原膜相比，固载 Cu2+的膜的抗污染性能有所下降，这是由于 Cu2+的存在使抑菌膜更易与溶液中的牛血清蛋白发生相互作用，膜表面能够吸附更多的牛血清蛋白从而堵塞膜孔，降低膜的抗污能力。这一现象证明了通过溶液浸渍法能够将Cu2+成功负载至微孔滤膜上。然而，经 BSA 过滤后抑菌膜的纯水通量和 BSA 溶液通量仍分别维持在520 和 360 Lm2h1左右，该值与其他种类的微孔滤膜相当28，说明本研究所制备的抑菌膜具有潜在的应用价值。3.4 膜的抑菌性能 3.4.1 抑菌圈实验 M-Cu1 膜和 M-Cu2 膜的抑菌圈实验结果如图14 所示，从图中可以看出细菌几乎布满了整个培养基，膜周围均未出现明显的抑菌圈，这一现象说明抑菌膜上的 Cu2+并没有大量扩散至培养基上，与膜周围细菌发生相互作用，这归因于聚合物侧链上的苯并咪唑基团与 Cu2+间的螯合作用，使得 Cu2+被约束在膜上。此外，通过比较固载 Cu2+前后微孔滤膜在有机溶剂中的稳定性，发现固载了 Cu2+的抑菌膜更不易在溶剂中完全溶解，这是由于配位交联作用所形成的交联网状结构使溶剂更难进入聚合物中，该现象证实了抑菌膜内苯并咪唑基团与 Cu2+间的配位交联作用的形成。3.4.2 抑菌率测试 在 M-Cu1 膜和 M-Cu2 膜的抑菌率测试实验中，未浸泡和浸泡膜 24 h 后的大肠杆菌菌液的 OD600值如表 3 所示。从 OD600值结果可以看出，相较于浸泡原膜的菌液，浸泡抑菌膜的菌液的 OD600值更低，说明抑菌膜对菌液中细菌的生长起到一定的抑制作用。但是经抑菌膜浸泡 24 h 后的菌液相较于浸泡前的BSA rejection/%Pure water flux/(Lm2h1)图 12 膜的纯水通量(25)和 BSA(1 gL1)截留率 Fig.12 Pure water flux(25)and BSA(1 gL1 aqueous solution)rejection rates of membranes M-1M-Cu1M-2M-Cu2020040060080010001200 pure water flux020406080100 rejection ratePure water flux/(Lm2h1)Time/min 图 13 10%SCBI-PAEK 微孔滤膜的纯水通量和 BSA 溶液通量的变化 Fig.13 Pure water flux and BSA solution flux of 10%SCBI-PAEK microporous membranes 0306090120 150 180 210 240 270020040060080010001200 M-1 M-Cu1 M-2 M-Cu2表 3 大肠杆菌菌液的 OD600值及超声清洗液的 OD600值 Table3 OD600 results of E.coli suspension and ultrasonic cleaning fluid of membranes Membrane tapeOD600 value of initial bacterial solution OD600 value of bacterial solution after 24 h OD600 value of ultrasonic cleaning fluidM-1 0.079 0.306 0.340 M-Cu1 0.079 0.174 0.021 M-2 0.098 0.399 0.642 M-Cu2 0.098 0.157 0.123 第37卷第4期 胡淑倩等：功能化聚芳醚酮固载铜离子抑菌膜制备及表征 641 菌液仍有更高的 OD600值，这说明固载了 Cu2+的抑菌膜对细菌生长的抑制效果有限，并不能完全抑制细菌的生长，该结果与抑菌圈实验结论相符。这是由于只有少量的 Cu2+从抑菌膜中释放到菌液中，抑制细菌生长，该现象进一步证实了侧链含苯并咪唑结构聚芳醚酮与 Cu2+间的强螯合作用所形成的交联网络能够将 Cu2+牢牢固定在膜上。此外，从超声清洗液的 OD600值可以看出，在菌液中浸泡 24 h 后，固载 Cu2+的抑菌膜上的活细菌数量明显少于未固载 Cu2+的膜上的活细菌数量，进一步说明了固载 Cu2+的抑菌膜能有效抑制大肠杆菌的生长。通过对在大肠杆菌菌液中浸泡后的 M-1、M-Cu1、M-2 和 M-Cu2 膜的超声清洗液进行平板菌落计数，进一步表征了固载 Cu2+的抑菌膜的抑菌率。发现 M-Cu1 膜相对于 M-1 膜有 63%的抑菌率，而 M-Cu2 膜相对于 M-2 膜仅有 33%的抑菌率，说明 M-Cu1 膜和 M-Cu2 膜均具有一定的抑菌效果，且 M-Cu1 膜具有更强的抑菌性能。这归因于具有更大的开孔率的 M-Cu1 膜固载了更多的 Cu2+，从而使得 M-Cu1 膜具有更好的抑菌性能。为了进一步说明 M-Cu1 膜和 M-Cu2 膜的抑菌效果是来自聚合物分子链上苯并咪唑基团固载的 Cu2+而不是经醋酸铜水溶液浸泡后残留的 Cu2+，对 M-3、M-Cu3 膜进行同样的抑菌实验。实验结果显示浸泡有 M-Cu3 膜的菌液在 24 h 后的 OD600值(0.209)高于浸泡有 M-3 膜的 OD600值(0.173)，在菌液中浸泡后M-Cu3 膜的超声清洗液的 OD600值(0.138)同样也高于 M-3 膜的超声清洗液的 OD600值(0.098)。这一实验结果说明与 M-3 膜相比，M-Cu3 膜并不具备明显的抑菌功能，进而说明了不含苯并咪唑基团的 M-3 膜无法成功固载 Cu2+，仅靠来自醋酸铜水溶液的残留 Cu2+无法使膜具备抑菌功能，该结论与抑菌膜的元素分析结果一致。4 结 论 本研究使用亲核缩聚法制备了一种侧链含苯并咪唑结构聚芳醚酮，利用聚合物分子链上的苯并咪唑基团对 Cu2+的螯合功能，通过非溶剂致相分离法和溶液浸渍法制备了具有抑菌功能的微孔滤膜，并初步探讨了膜孔结构与性能之间的关系。最终得到如下结论：(1)固载 Cu2+后膜的微观结构未发生明显变化，膜的亲水性、过滤性能、抗污染性能以及在有机溶剂中稳定性的变化证明了 Cu2+的成功固载。(2)所制备的不同孔结构的抑菌膜对大肠杆菌的抑菌率可达 63%，苯并咪唑基团与 Cu2+间的螯合作用赋予抑菌膜更小的铜离子流失速率。(3)与共混、接枝等方法相比，本研究采用自身对金属离子有强吸附作用的膜材料，能够更方便、快捷地制备出具有长效抑菌功能的抑菌膜，可有效缓解膜表面的生物污染，延长膜的使用寿命，在膜分离领域具有广阔的应用前景。参考文献：1 SUTRISNA P D,KURNIA K A,SIAGIAN U W R,et al.Membrane fouling and fouling mitigation in oilwater separation:A review J.Journal of Environmental Chemical Engineering,2022,10(3):107532.2 AKTIJ S A,TAGHIPOUR A,RAHIMPOUR A,et al.A critical review on ultrasonic-assisted fouling control and cleaning of fouled membranes J.Ultrasonics,2020,108:106228.3 AZIZIGHANNAD S,INTRCHOM W,MITRA S.Raman imaging of membrane fouling J.Separation and Purification Technology,2020,242:116763.4 LI C,YANG Y,DING S Y,et al.Dynamics of biofouling development on the conditioned membrane and its relationship with membrane performance J.Journal of Membrane Science,2016,514:264-273.5 STODOLAK-ZYCH E,DZIERZKOWSKA E,MATWALLY S,et al.Multifunctional porous membranes with antibacterial propertie