二氧化硅均孔膜的大面积制备、分子筛分和微流控芯片样品纯化

发布时间：2020-06-12 22:24

【摘要】：随着工业分离应用领域的高速发展,人们对高效节能分离技术的需求日益增大,激发了科研工作者对高性能分离膜的研究兴趣。纳米多孔分子筛分膜因其易操作、低能耗的特点,在海水淡化、样品纯化、药物控释、微/纳流控和生物传感等领域有着广泛的应用前景。然而,传统人造薄膜如聚合物材料膜,在选择性和渗透性上无法同时兼顾,即在获取高渗透通量时要牺牲一定的选择性,反之亦然。受到自然生物膜的启发,人们尝试开发新的制备技术并使用多种不同类型的材料制备新型高性能薄膜,但许多方法往往需要苛刻的制备环境和昂贵的加工仪器。本文采用基底生长法制备介孔二氧化硅均孔膜(Silica Isoporous Membrane,SIM),并结合聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)辅助转移到径迹刻蚀聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)基底膜上制备得到大面积SIM/PET复合膜。该薄膜可以基于尺寸、电荷效应实现高通量的分子选择性分离,也可以集成到微流控芯片中进行复杂样品的分离和纯化。本论文分为五个章节,主要包括以下内容:第一章首先介绍了纳米通道中的传质机理,包括不同驱动力下的溶剂和溶质传输及各自的影响因素,包括尺寸效应、电荷效应和疏水效应等。接着分别介绍了不同种类材质的纳米多孔膜,包括金属氧化物膜、碳基材料膜、聚合物膜、硅基材料膜等,并着重介绍了这些膜的制备方法、分离应用以及优缺点。最后,列举了薄膜微流控芯片在化学检测、细胞研究、电动流体研究以及样品去盐和纯化这四个方向的应用。第二章通过理论模型分析,分别探索准稳态条件下、纳米多孔复合膜内基于浓度梯度的扩散传输过程中,筛分膜的孔径、厚度和孔隙率,多孔基底膜的厚度和有效面积以及样品体积对分子传输速率以及达到平衡时间的影响,讨论了制备高渗透性-高选择性薄膜的关键因素。第三章采用Stober溶液生长法在氧化铟锡(ITO)导电玻璃表面生长一层介孔二氧化硅均孔膜(SIM),并采用电镜对SIM的通道结构、孔径大小和薄膜厚度进行了表征。借助改良后的PMMA辅助转移法,将SIM从ITO玻璃基底上剥离并转移到PET基底膜上,制备得到大面积SIM/PET复合膜(2.5 cm × 2.5 cm)。因为SIM具有超小均一的孔径(2.3 nm)、超薄的厚度(90 nm)和极高的孔密度(4.0×1012pores cm-2),可以基于尺寸和电荷效应进行高通量的分子精确筛分,实现了高渗透性和高选择性的结合。通过实验结果与理论公式的拟合,验证了筛分膜对分子传输的空间位阻效应。此外,SIM/PET的分子通量也要优于普通的商品化薄膜。第四章将SIM/PET组装到三层微流控芯片中,基于透析原理实现了样品的分离和纯化。该装置不仅装配简易操作简单,而且重现性极佳。探索了供样相和接收相流速同步增大时分离效率的变化规律,以及固定供样相流速时样品纯化率随着接收相流速增大的变化。基于SIM超小均一孔径带来的尺寸效应,该装置可以完整保留蛋白质样品且纯化率高达95%。最后验证了微通道分离体系内,电荷效应依然显著。第五章对以上三个工作进行了总结,并展望SIM/PET膜的应用前景。
【图文】：

１０邋ｎｍ的介孔材料可以用来分离有机小分子，孔径１０－４０邋ｎｍ的介孔材料则可用逡逑于分离蛋白质、ＤＮＡ等生物大分子。逡逑细胞膜是一种被大家所熟知的分子分离膜（图１．１），它由磷脂双分子层构逡逑成，厚度为７－８邋ｎｍ。细胞进行新陈代谢必须不断地与周围环境进行物质交换，逡逑而细胞膜上的生物离子通道就是维持这种物质交换的重要途径。生物离子通道由逡逑细胞生成的特殊蛋白质构成。当细胞受到外部环境的刺激时，离子通道通过“打逡逑开”或“关闭”，选择性地传输某一特定离子。生物离子通道具有极高的选择性，，逡逑比如在Ｎａ＋通道“打开”时，Ｋ＋几乎无法通过，只有Ｎａ＋可以通过且具有极高的通逡逑量。逡逑Ｅｘｔｒａｃｅｌｌｕｌａｒ邋ｆｌｕｉｄ逡逑Ｔｒａｎｓｍｅｍｂｒａｎｅ逦Ｃａｒｂｏｈｙｄｒａｔｅｓ逡逑ｇｌｙｃｏｐｒｏｔｅｉｎ逦ｐ0ｆｅ逡逑—邋Ａ邋丈邋＇邋＼逡逑）Ｊ邋＾逡逑Ｃｈｏｌｅｓｔｅｒｏｌ逦Ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ邋Ｔｒａｎｓｍｅｍｂｒａｎｅ邋Ｃｈａｎｎｅｌ邋ｐｒｏｔｅｉｎ逡逑ｐｒｏｔｅｉｎ逦ｐｒｏｔｅｉｎ逡逑Ｃｙｔｏｐｌａｓｍ逡逑图１．１细胞膜结构图逡逑１逡逑

因为纳米通道的孔径很小，所以压力驱动的水动泵所产生的体枳流量就很逡逑小。逡逑但对于非圆柱形管道的纳米通道，泊肃叶定律并不完全适用。如图１．２所示，逡逑水可以通过氧化石墨烯纳米片之间的纳米通道，而大部分染料分子则受到排阻截逡逑留。压力驱动分离是流体在外界压力驱动下，利用溶液中溶质分子的尺寸与膜的逡逑孔径差异，实现分子分离的一种技术。使用压力驱动进行分子分离的薄膜也叫滤逡逑膜（ｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ邋ｍｅｍｂｒａｎｅ），性质良好的滤膜不仅有着较大的通量和极高的截留率，逡逑还能在恶劣条件下具有良好的稳定性，并满足一些环境或能源问题上的需求。现逡逑阶段，压力驱动分离薄膜在污水纯化［１２＿１４］、食品生产［１５］等领域有着重要的应用逡逑价值。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ051.893

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本文编号：2710196