基於水通道蛋白的薄膜複合膜的製作方法

2023-08-02 08:15:26 1

基於水通道蛋白的薄膜複合膜的製作方法【專利摘要】本發明是關於一種薄膜複合膜，其中並有兩親媒性囊泡的薄選擇性層由微孔基板支載。也揭示製備薄膜複合膜的方法及其用途。【專利說明】基於水通道蛋白的薄膜複合膜【
技術領域：
】[0001]本發明是關於薄膜複合膜，其中水通道蛋白(aquaporin)水通道已併入活性層中。此外，本發明是關於一種製造該薄膜複合膜的方法及其在過濾製程(諸如奈米過濾及滲透過濾製程)中的用途。【
背景技術：
】[0002]隨著世界範圍內淡水及能源日益短缺，愈來愈多地關注海水及半鹹水的淡化。使用諸多技術，諸如多效蒸懼(mult1-effectdistillat1n,MED)、多級閃蒸(multistageflash,MSF)及蒸汽壓縮以及膜淡化(如逆滲透(reverseosmosis,R0)或奈米過濾(nanofiltrat1n,NF))[I]。[0003]生物膜展示經由水通道蛋白(AQP)蛋白質跨滲透壓梯度的水輸送特性的最有效方式[2]，其中水信道蛋白結合於磷脂細胞膜中，水可自由通過生物膜而離子卻不能。據估計由2000:1莫耳比的脂質/AQP組成的仿生膜將具有960L/m2-h的水滲透率，其遠高於文獻[3]中所提及的R0/F0膜的值。因此，基於AQP的仿生膜在水淡化、水回收及廢水處理等領域中具有極大應用潛力。[0004]可開發人工膜來模擬天然細胞膜，此通過將AQP併入超薄兩親媒性脂質膜/兩親媒性嵌段共聚物膜中，及/或將AQP併入兩親媒性脂質/兩親媒性嵌段共聚物囊泡中，隨後將含有AQP的囊泡併入作為載體的微孔基板(substrate)上的選擇性層中來達成。美國專利7，208，089[4]ΓB1mimeticmembranes」描述如何將膜蛋白併入膜中以實現水純化。該發明的較佳形式描述利用朗繆耳-布羅基特槽(Langmuir-Blodgetttrough)在25mm商用超濾盤的表面上沈積5nm厚的合成三嵌段共聚物及蛋白質單層，隨後利用254nmUV光使聚合物交聯。最後，用多孔PVDF膜覆蓋單層表面以確保安全操作及防止邊緣處滲漏。通過將裝置安裝在迫使加壓水穿過膜的腔室中來對其進行分析。然而，尚無任何資料支持該膜在嵌有膜蛋白後良好地用於水淡化。美國專利7，857，978[5]ΓMembraneforfilteringofwaterJ描述如何使脂質雙層並有AQP且配置成夾層結構以用於水純化。然而，仍也無數據支持水淡化可用呈夾層結構的基於AQP的脂質雙層膜進行。[0005]基於可獲得的已發布的報告及研究，仍無任何公開專利或文獻提及已成功地製造水信道分子(諸如AQP)併入選擇性層中的水淡化膜。另一方面，已提示水純化技術可通過將AQP蛋白質表現至脂質層囊泡中且將此等膜澆鑄在多孔載體上來形成[5]。用此概念製造仿生膜的一些嘗試已發表於文獻[3，6，7]中。Nielsen等人提出用於水純化或分離目的的仿生膜的設計，其中水通道蛋白質跨過隔板嵌入脂質或其他兩親媒性基質中，使用囊封及緩衝材料來支載膜[6]。基於該想法，製造仿生膜的一些嘗試已實現且可見於公開文獻中，其中跨過疏水性膜(諸如鐵氟龍膜(Teflonfilm))的一或多個孔形成雙層脂膜(BLM)的平面脂膜且利用水凝囊封高度交聯以使最終膜穩定[11-13]。此外，Wong等人[7]提出雙層脂膜(BLM)的獨立平面脂膜可通過將脂質原位囊封於跨過鐵氟龍隔板中的孔形成的(PM0XA-a-PDMS-b-PM0XA-a)型三嵌段共聚物膜中來獲得。Wang等人[3]提出經由在錨定至塗有金的多孔氧化鋁的羧化聚乙二醇聚合物層表面上展布水通道蛋白Z(AqpZ)-1,2-二肉豆蘧醯基-sn-甘油-3-磷酸膽鹼(DMPC)(DMPC-AqpZ)囊泡的孔隙懸浮仿生膜，且其主張根據停流量測法，基於DMPC-AqpZ囊泡的仿生膜的水滲透率為膜中僅育有DMPC脂質囊泡者的3，OOO倍。以上設計的主要顧慮為缺乏足夠機械強度用於膜過濾、保證水通道蛋白的穩定性、避免膜缺陷及製造較大面積膜的製造技術的可縮放性。此外，以上文獻均未展示膜對於淡化目的的適用性。最後，現有設計通常僅適用於製造較小膜面積(cm2級)。[0006]基於逆滲透(RO)的淡化在最近幾十年內已經歷迅速發展。當前海水RO膜通常為薄膜複合(TFC)型，其中通過二胺及均苯三甲醯氯單體的界面聚合形成約200nm的聚醯胺阻擋層。儘管相較於過去30年膜分離性質已得以顯著改良，然而現代海水RO膜典型地具有約0.8Lm-2h-lbar-l的相對較低的水滲透率(Tang,C.Y.，Y.-N.Kwon及J.0.Leckie,Effectofmembranechemistryandcoatinglayeronphys1chemicalpropertiesofthinfilmcompositepolyamideROandNFmembranesI1.Membranephys1chemicalpropertiesandtheirdependenceonpolyamideandcoatinglayers.Desalinat1n,2009.242(1-3):第168頁至第182頁)。同時，若干近期研究已集中於合成較高滲透率的RO膜，諸如基於沸石的薄膜奈米複合膜[Wang，H.，B.A.Holmberg及Y.Yan,Homogeneouspolymer-zeolitenanocompositemembranesbyincorporatingdispersibletemplate-removedzeolitenanocrystalsJournalofMaterialsChemistry2002.12:第4頁]。[0007]然而，歸因於受限水力滲透性的高能量消耗仍為TFC膜用於包括淡化在內的水過濾目的的障礙，參見Elimelech等人，TheFutureofSeawaterDesalinat1n:Energy,Technology,andtheEnvironment;Science333,712(2011)。[0008]因此，本發明的一目的為提供水滲透率、機械強度及規模擴大潛力得以改良的薄膜複合膜。本發明的另一目標為提供能量需求降低因此適用於水淡化目的的薄膜複合膜。此外，本發明的一目的為提供過濾膜，其中功能性水信道蛋白水信道併入利用界面聚合反應在多孔膜基板表面上形成的薄膜複合層中。【
發明內容】[0009]本發明是關於基於水通道蛋白的薄膜複合膜及其製備。超薄選擇性層並有兩親媒性脂質-AQP/兩親媒性共聚物-AQP囊泡且由微孔基板支載。所得薄膜複合膜顯示較高水通量，該水通量在脂質-AQP/共聚物-AQP囊泡併入薄膜複合活性層時甚至更高。兩種膜類型對溶質離子保持類似且較高的阻擋率。當今無其他已知技術可達成此目的。在本發明的另一具體實例中，超薄選擇性層並有不具有水通道蛋白的兩親媒性脂質/兩親媒性共聚物囊泡。[0010]此外，本發明是關於一種製備過濾膜的方法，其中在多孔基板表面上通過添加有兩親媒性脂質/共聚物囊泡懸浮液的(芳族)胺的水溶液與隨後添加的醯氯於有機溶劑中的溶液的界面聚合以允許胺及醯氯在其中形成聚醯胺活性TFC層來產生薄膜。在薄聚醯胺膜形成期間，可能呈並有或未並有水通道蛋白的脂質體或聚合物體(polymersome)(蛋白脂質體或蛋白聚合物體)形式的囊泡成為活性層的一部分。該包含具有或不具有水信道蛋白水信道的脂質體或聚合物體懸浮液的胺水溶液為適用於形成本發明的薄膜複合膜的新穎中間產物。【專利附圖】【附圖說明】[0011]圖1顯示基於AQP的薄膜複合膜所用微孔基板的橫截面的掃描電子顯微照片(SEM):(a)商用UF膜(MWC0,50，000道爾頓)及(b)自製UF膜。[0012]圖2顯示PM0XA15-PDMS67-PM0XA15囊泡的穿透式電子顯微照片(TEM)。[0013]圖3顯示具有或不具有AqpZ的DOPC脂質囊泡的停流量測。相同數據提供於圖9中。[0014]圖4顯示來自具有或不具有AqpZ的PM0XA15_PDMS67_PM0XA15(PM0XA_b_PDMS-b-PΜ0ΧΑ)聚合物囊泡的停流量測的標準化光散射數據。實心點及線為具有AqpZ的聚合物體，k值為505s-l，且空心點及虛線為不具有AqpZ的聚合物體，k值為14s_l。[0015]圖5顯示交叉流RO裝置，其中測試所製備基板及複合膜的固有分離性質。膜固定於測試單元的頂板與底板之間。進料溶液自進料槽泵出，流過膜的活性層且返回至槽中。收集滲透物且量測溶質的重量及濃度以測定通量及阻擋率。交叉流RO裝置用於量測膜的固有分離性能。(I)進料槽。(2)泵。(3)、(4)及(5)分別為進料、保留物及滲透物的壓力轉換器。(6)膜單元。(7)天平。[0016]圖6顯示形成基於AQP的薄膜淡化膜的界面聚合製程的示意圖。[0017]圖7顯示並有具有/不具有AQP的脂質囊泡的TFC膜的水通量及溶質阻擋率的比較。DOPC:含0.08mg/mlDOPC囊泡的胺溶液(1.5wt%MPD,98.5wt%H20)；AQP:含0.08mg/ml並有AqpZ的D0PC(D0PC:AcipZ，200:1，莫耳比)囊泡的胺溶液(1.5wt%MPD,98.5wt%H20)。測試條件:500ppmNaCl，在收集之前壓實3小時。[0018]圖8顯示並有具有/不具有AQP的聚合囊泡的TFC膜的水通量及溶質阻擋率的比較。P-囊泡:含0.08mg/ml聚合物體(PM0XA15-PDMS67-PM0XA15)囊泡之胺溶液(1.5wt%MPD，98.5wt%H20)；AQP:含0.08mg/ml並有AqpZ的D0PC(D0PC:AcipZ，50:1，莫耳比)囊泡的胺溶液(1.5wt%MPD,98.5wt%H20)。測試條件:500ppmNaCl，在收集之前壓實3小時。[0019]圖9顯示不同囊泡的標準化光散射。圖中顯示以下三種不同種類囊泡的速率常數k值及水滲透率:並有野生型Aqpz的DOPC蛋白脂質體、並有AqpzR189A的DOPC蛋白脂質體(脂質與蛋白質比率為200:1)及DOPC脂質體。速率常數(k)自5至10次量測的平均動力學通過將圖曲線擬合成一階指數來測定。水滲透率根據本文中方程式I計算。[0020]圖10為顯示不同膜的RO測試性能的直方圖，其中試驗條件為5巴、1mMNaCl。[0021]圖11為顯示隨壓力自2.5巴增加至10巴而變的水通量及NaCl阻擋率的圖式。PSUF200+D0PC+野生型Aqpz為具有包含並有活性Aqpz的DOPC蛋白脂質體的聚醯胺層的膜。PSUF200為具有正常聚醯胺層的膜。PSUF200+D0PC+AqpzR189A為具有包含並有失活Aqpz的DOPC蛋白脂質體的聚醯胺層的膜(實驗描述為圖10及圖11所必需，參見圖6)。[0022]圖12為顯示各種脂質體及相應蛋白脂質體的水滲透率的直方圖。[0023]圖13為顯示與水信道蛋白Z在一系列蛋白質與脂質比率(O、1:800、1:400、1:200、1:100及1:50)下重組的大腸桿菌提取脂質、DOPC脂質及DOPC膽固醇(7:3)混合物蛋白脂質體的水滲透率測試結果的圖式。【具體實施方式】[0024]縮寫AQP在本文中用於表示水信道蛋白水信道。AqpZ例如在實施例中特定用於大腸桿菌(E.coli)水通道蛋白Z。然而，AqpZ在本文中也用作水信道蛋白水信道的一般實例。包括水甘油通道蛋白(aquaglyceroporin)在內的天然存在或合成製造的所有已知蛋白質水通道分子均適用於本發明。[0025]如本文所用，術語「微孔(microporous)」描述製備水通道蛋白薄膜複合膜所用的載體材料的特徵，涵蓋奈米級至微米級的孔隙度範圍。較佳孔隙度典型地呈微米級。[0026]本文中所用兩親媒性脂質的實例為大腸桿菌提取脂質(也稱為大腸桿菌混合脂質)、大豆磷脂(asolectin)、DOPC及DPhPC,所有該等脂質均可自AvantiPolarLipids,Alabaster,Alabama,USA購買。[0027]本文中所用兩親媒性共聚物的實例為A-B-A類型，其中較佳三嵌段共聚物實例PM0XA-a-PDMS-b-PM0XA-a、更特定言之諸如PM0XA15-PDMS67-PM0XA15、PMOXA15-PDMS110-ΡΜ0ΧΑ15,PMOXA15-PDMS119-PM0XA15及PM0XA6-PDMS35-PM0XA6可自PolymerSource,Canada購買；或者三嵌段共聚物可為非離子清潔劑,諸如SynperonicPE/L64(由FLUKA出售的E010P030E010)及PluronicPE10300(由BASF出售的E012P056E012)。此外，A-B-C類型的三嵌段共聚物可適用於本發明，諸如RoxanaStoenescu等人(2004)「AsymmetricABC-TriblockCopolymerMembranesInduceaDirectedInsert1nofMembraneProteins」MacromolecularB1science,第930頁至第936頁所描述。在本文的三嵌段共聚物中，A及C為親水性部分，且B為疏水性部分。A-B類型的二嵌段共聚物也適用於本發明的某些具體實例，例如E061P095、E010Bdl2、E014Bd35、E023Bd46、E048DMS70及E015B016。兩親媒性共聚物的選擇準則可視待併入的水信道蛋白水信道蛋白質的特定類型而定。然而，存在幾個一般準則，諸如嵌段的穩定化學性質、疏水段的長度能夠通過「直接(direct)」匹配或通過能夠折迭至匹配中來匹配水通道蛋白蛋白質的疏水段，意即在A-B-A嵌段共聚物的B嵌段中具有最多約140個重複單元而對於A-B嵌段共聚物具有最多約100個重複單元。此外，疏水區較佳具有相對較強的疏水性，且親水性/疏水性比率應促進囊泡形成。EO=環氧乙燒,PMOXA=(聚)2-甲基惡唑啉,PO=環氧丙燒,BO=環氧丁燒,PDMS=(聚)二甲基矽氧烷且Bd=丁二烯。[0028]本文中所用載體膜較佳為多孔聚碸或聚醚碸片，其可如本文中所揭示製備或自供貨商獲得。可使用其他類型的多孔載體材料，且熟習此項技術者應了解如何選擇適合的載體膜。[0029]如本文所用的術語「囊泡(vesicle)」表示脂質體及蛋白脂質體以及聚合物體(聚合囊泡)及蛋白聚合物體。[0030]術語「雙價(bivalent)」及「二價(divalent)」在本文中可互換使用。[0031]「滲透過濾製程(osmoticfiltrat1nprocess)」在本文中意謂如此項技術中一般認可的逆滲透、正滲透及壓力延滯滲透製程的任何類型。更特定言之，本文中相關的滲透製程皆關於涉及水性介質的分離製程。滲透分離製程的目的可為自水性介質提取水以便獲得更濃縮的介質，或其可自諸如廢水、半鹹水或海水的來源獲得純化水。最後，在壓力延滯滲透中，目的為通過經由水選擇性及鹽不透性膜自含鹽相對較少的水源提取純水至含鹽較多的接受者中來產生能量。[0032]使用兩種類型的囊泡來形成基於AQP的薄膜複合膜:(I)兩親媒性脂質-AQP囊泡及(2)兩親媒性聚合物體-AqpZ囊泡。也製備未並有AQP的囊泡用於比較目的。此外，也製備並有失活AqpZ變體(AqpZR189A)的囊泡用於比較目的。[0033]第一囊泡類型為可根據以下方式形成的兩親媒性脂質-AQP囊泡。首先，利用各種類型的兩親媒性脂質將純化的AqpZ重組至蛋白脂質體中，該等兩親媒性脂質包括大腸桿菌脂質提取物、DPhPc(1，2-二-3，7，11，15-四甲基十六醯基)-sn_甘油_3_磷酸膽鹼)、DOPCd,2-二油醯基-sn-甘油-3-磷酸膽鹼)及POPC(軟酯醯基油醯基磷脂醯膽鹼)等。隨後，通過經0.4μm孔徑聚碳酸酯過濾器擠出將脂質製備成單層且均質的預成形脂質體。添加純化的AqpZ至脂質體懸浮液中且在室溫下培育I小時，隨後裝載至透析管中(分子質量截止點為12，000至14，000)且在室溫下相對於100體積的pH7.5的20mM磷酸鹽緩衝液透析24小時至72小時。最後，脂質體再次經0.2μπι孔徑擠出。利用動態光散射量測所獲得的蛋白脂質體的直徑，且結果顯示於表I中。[0034]通過英國應用光物理公司(appliedphotophysics)停流光譜儀量測具有或不具有AqpZ的脂質/聚合囊泡的水滲透率，且水滲透率可利用以下方程式來計算:kU一ΛAf=..............................................[0035]±Va*r'ΛOSm^(I)[0036]其中S為囊泡的初始表面積，VO為囊泡的初始體積，Vw為水的莫耳體積(18cm3/mol),且Aosm為囊泡上容積滲透濃度的差值,也即囊泡內水溶液與囊泡外水溶液之間的容積滲透濃度差值。[0037]並有或未並有AqpZ的脂質的水滲透率的一些實例闡明於表I中。結果顯示AqpZ可良好地重組於DOPC中。[0038]表1.不同脂質中重組的AqpZ之水滲透率(Pf)特性化[0039]k值，s-1囊泡直徑，nmPf,cm/s僅DOPC脂質19.3+0.21570.00737+0.000076DOPC脂質-AqpZ(200:1)188+20~116.70.057+0.006[0040]速率常數(k)自5至10次量測的平均動力學通過將圖曲線擬合成二階指數來測定，也參見圖3及圖9中的類似數據，圖9提供由如下DOPC囊泡得到的另一曲線:並有水通道蛋白Z變體AqpZ町894，具有可忽略的水輸送，產生218-讓值及884!11/8Pf值。圖9中的圖式顯示不同囊泡(脂質體及蛋白脂質體)隨時間而變的標準化光散射。圖中顯示以下三種不同種類的囊泡的速率常數k值及水滲透率:並有野生型AqpZ的DOPC蛋白脂質體、並有AqpZR189A的DOPC蛋白脂質體(兩種類型蛋白脂質體的脂質與蛋白質比率均為200:1)及DOPC脂質體。速率常數(k)自5至10次量測的平均動力學通過將圖曲線擬合成一階指數來測定。水滲透率根據方程式(I)計算。此外，圖4顯示聚合物體的停流實驗之結果。來自具有及不具有AcipZ的PM0XA15-PDMS67-PM0XA15(PMOXA-b-PDMS-b-PMOXA)聚合物囊泡的標準化光散射曲線，其中實心點為具有AqpZ的聚合物體的數據點，k值為505s-l，且空心點為無AqpZ的聚合物體的數據點，k值為14s_l。該圖清楚顯示AqpZ併入聚合物體中使得否則將相對水密的囊泡的水滲透率得以較大改良。[0041]另一囊泡類型為聚合物體-AqpZ囊泡，其可根據以下方式形成。(I)製備兩親媒性共聚物PMOXA-a-PDMS-b-PMOXA-a的聚合囊泡，其中a可在約10至約20範圍內，且b可在約100至約120範圍內(較佳為PM0XA15-PDMS67-PM0XA15)，在劇烈攪拌下將共聚物溶解於氯仿中且在室溫下靜置以便均勻混合在一起，該共聚物於溶液中的濃度為1.0?/ν%至20.0w/v%(8?八％至12w/v%)。隨後，在旋轉蒸氣蒸發儀中在氮氣衝洗下蒸發氯仿。共聚物在真空烘箱中在0.3毫巴下在室溫下進一步乾燥隔夜以移除痕量剩餘溶劑。隨後，向乾燥的嵌段共聚物中添加ImlPBS溶液且再將混合物劇烈攪拌持續預定的持續時間。所獲得的聚合物體囊泡的直徑由TEM影像顯示(圖2)，且聚合物體囊泡直徑在200nm至350nm範圍內(左側部分顯示聚合物體的染色且右側部分顯示聚合物體的聚集)。(2)製備聚合物體-AqpZ囊泡，製備聚合物體-AqpZ囊泡的製程與脂質囊泡相同，但將脂質與AqpZ比率由200:1(莫耳比)變為20:1至500:1(較佳50:1至200:1，莫耳比)。[0042]圖6中描述製備基於AQP的薄膜複合膜所用的製程及化學反應。此處，首先將用作載體的商用微孔UF膜在60°C至90°C(70°C至80°C)Mill1-Q水中加熱I分鐘至5分鐘(I分鐘至2分鐘)且在室溫Mill1-Q水中冷卻以達成穩定細孔結構。隨後移除基板，用壓縮空氣移除表面上的水，且用含有具有或不具有AqpZ的囊泡的胺水溶液覆蓋表面側持續2分鐘至20分鐘(5分鐘至10分鐘)，其中，胺溶液中囊泡的濃度在0.02mg/ml至0.5mg/ml(較佳0.05mg/ml至0.2mg/ml)範圍內。隨後，自表面移除溶液。完成此操作的一種方法為使基板於空氣中垂直豎立5分鐘至30分鐘(較佳5分鐘至15分鐘)，隨後用壓縮氮氣且在0.5巴至3巴(較佳I巴至2巴)下吹拂表面I分鐘至2分鐘以移除表面上任何可能的聚集的囊泡，隨後使基板繼續再垂直豎立乾燥10分鐘至40分鐘(較佳15分鐘至25分鐘)，以使任何可能的過量溶液澈底地離開表面。隨後，將醯氯有機溶液傾於飽和基板的表面上且使之反應0.5分鐘至10分鐘(I分鐘至2分鐘)，隨後在基板表面上形成並有具有/不具有AqpZ的囊泡的超薄聚醯胺選擇性層。衝洗新生複合膜以澈底移除殘餘反應物且儲存於Mill1-Q水中，且儲存於Mill1-Q水中直至使用。具有兩個胺官能基的芳族胺(諸如間苯二胺(MPD))在該製程中適用或較佳。然而，熟習製備界面聚合的薄膜活性層的技術者應能夠選擇其他適用的胺化合物。同樣地，本文中所用的醯氯較佳為具有三個醯氯基團的均苯三甲醯氯(TMC)，由此提供與MH)的極佳交聯，產生芳族聚醯胺層(AP層)。因此，本發明的一態樣是關於含有具有或不具有AqpZ或其他水信道蛋白水信道的囊泡的胺水溶液，其中該胺較佳為具有兩個或兩個以上胺官能基的芳族胺，諸如間苯二胺，且該等囊泡可為視情況具有另一膽固醇摻合物(諸如在脂質囊泡另外含有水通道蛋白的情況下，約20莫耳％至40莫耳％)的兩親媒性嵌段共聚物或兩親媒性脂質囊泡。該含有囊泡的胺溶液為適用於製備本發明的薄膜複合膜的新穎中間產物。[0043]通過在Mill1-Q水中溶解間苯二胺(MPD)單體及具有/不具有AqpZ的囊泡(懸浮)來製備胺溶液。單體及視情況選用的添加劑的濃度為0.5?1:%至4.0wt%(1.(^1:%至2.0wt%)o通過在具有或不具有視情況選用的添加劑的有機溶劑(諸如己烷、(正已烷)或環己烷)中溶解均苯三甲醯氯(TMC)單體來製備醯氯溶液。添加劑是選自ε-己內醯胺、N，N-二丁基甲醯胺、雙(伸戊基)脲、辛酸乙酯、十二烷基磺酸鈉及其組合。所用醯氯單體的濃度為0.05wt/v%至2wt/v%(0.lwt/v%至0.5wt/v%)。反應闡明於如圖6所示的流程中。[0044]在吾人的RO實驗中，並有不具有AqpZ的兩親媒性脂質/聚合囊泡的薄膜複合膜的水通量相對較高且隨施加壓力的增加而增加。對於含有兩親媒性脂質/聚合-AqpZ囊泡的TFC膜可見相同模式，其中與僅並有不具有AqpZ的兩親媒性脂質/聚合囊泡的膜相比獲得甚至更高的水通量，但兩種類型的膜對溶質(諸如氯化鈉)保持類似的阻擋率，參見圖7及圖8。圖10及圖11中提供其他數據，顯示根據本發明製備但並有具有失活水通道蛋白Z的DOPC囊泡的TFC膜並未顯示改良的水通量，但維持鹽阻擋率。圖10為顯示根據本文實施例製備的不同膜與兩種商用膜(BW30及SW30HR)相比的RO測試性能的直方圖，其中測試條件為5巴，1mMNaCl。在圖中，A表示PSUF200+D0PC+野生型Αφζ，Β表示PSUF200，C表示PSUF200+D0PC+AqpzR189A，D表示BW30且E表示SW30HR.。PSUF200+D0PC+野生型Αφζ為具有包含並有活性Aqpz的DOPC蛋白脂質體的聚醯胺層的膜。PSUF200為具有正常聚醯胺層的手工澆鑄聚碸膜(200μm)。PSUF200+D0PC+AqpzR189A為具有包含並有失活Aqpz的DOPC蛋白脂質體的聚醯胺層的膜。該圖清楚顯示並有或未並有水信道蛋白水信道的本發明TFC膜與商用RO海水淡化膜(SW30HR)相比顯示出較高水通量(LMH/bar)及NaCl阻擋率。此外，該圖顯示具有野生型水信道蛋白Z的本發明TFC膜與商用RO半鹹水淡化膜(BW30)相比具有顯著較高的水通量(LMH/bar)。[0045]圖11為顯示隨壓力自2.5巴增加至10巴而變的水通量及NaCl阻擋率的圖式。PSUF200+D0PC+野生型Aqpz為具有包含並有活性Aqpz的DOPC蛋白脂質體的聚醯胺層的膜。PSUF200為具有正常聚醯胺層的膜。PSUF200+D0PC+AqpzR189A為具有包含並有失活Aqpz的DOPC蛋白脂質體的聚醯胺層的膜。[0046]此外，並有聚合物體-AqpZ囊泡(50:1莫耳比)的複合膜之通量為僅聚合物體併入複合膜中的膜通量的2倍。且基於AqpZ的淡化膜可維持高於200磅/平方寸的壓力。基於此等性能數據，吾人可推斷本發明所揭示的基於水通道蛋白的薄膜複合膜在水淡化、水回收及廢水處理等方面具有前景。[0047]本發明所涵蓋的修改[0048]未來將研究以下方法以進一步改良膜性能:[0049]1.旋塗法，諸如在膜基板已用胺溶液浸泡之後利用旋塗法在膜基板表面上沈積脂質/聚合囊泡(具有或不具有AqpZ)。[0050]2.膜表面塗布。在面對汙水源時可在界面聚合之後使用交聯水凝膠(如PVA、PVP等及其衍生物)塗覆塗層以保護具有AqpZ的脂質/聚合囊泡。[0051]3.基於AQP的薄膜複合膜也可應用於使用薄且較多孔的微孔基板作為基板的正滲透及壓力延滯滲透應用中。[0052]4.本發明可研究及涵蓋其他類型的水通道蛋白、脂質及聚合囊泡組合。[0053]5.可並有其他類型的天然或合成水信道或離子信道。[0054]新穎特徵[0055]如吾人所知，生物膜展示經由水通道蛋白蛋白質跨滲透壓梯度的水輸送特性的最有效方式[2]。已針對人工膜作出若干努力來模擬天然細胞膜，即通過將AQP併入超薄兩親媒性脂質膜/兩親媒性嵌段共聚物膜(film)及膜(membrane)中。舉例而言，美國專利7,208,089[4]ΓB1mimeticMembranes」已描述如何將膜蛋白併入膜中來實現水純化。然而，無數據顯示此等膜有用於淡化。膜的機械強度為主要問題。美國專利7，857，987[5]「MembraneforFilteringofWater」描述如何使並有AQP的脂質雙層配置成夾層結構以用於水純化。然而，也無數據支持水淡化可以呈夾層結構的基於AQP的脂質雙層膜進行。[0056]直至目前，仍無任何公開專利或文獻提及成功地製造水信道分子(諸如AQP)併入功能層中的水淡化膜。本發明研製包含並有由微孔膜基板支載的AQP-脂質/AQP-聚合物囊泡的超薄選擇性層的基於水通道蛋白的薄膜複合淡化膜。[0057]—個具體實例使用薄膜阻擋層中並有/未並有AQPZ的脂質囊泡，且另一具體實例使用薄膜阻擋層中並有/未並有AQPZ的聚合囊泡。所有基於AqpZ的薄膜複合膜與僅並有脂質/聚合囊泡的膜相比顯示較高水通量。此外，本發明研製的膜能夠經受住高壓(\200磅/平方寸)。製造技術可易於規模放大。由此將使本發明所揭示的基於AQP的薄膜複合膜能夠用於水淡化、水回收及廢水處理等的極有前景的具體實例中。[0058]效用[0059]在本發明中，研製基於水通道蛋白的薄膜複合膜，其中超薄選擇性層並有由微孔基板支載的兩親媒性脂質-AQP/兩親媒性共聚物-AQP囊泡。超濾膜用作載體基板，且含有該等兩親媒性囊泡的薄選擇性層經由界面聚合在基板上形成。本發明中的基於AQP的薄膜複合膜通過將含水通道(諸如AqpZ)的囊泡併入薄選擇性層中來製備。在此方法中，囊泡被完全固定至選擇性層中，其使得在使用其他方法(如在公開文獻中多次提及的囊泡融合[14]或朗繆耳-布羅基特槽法[4])時在長期操作期間囊泡/水通道蛋白的不穩定性的風險降低。採用薄膜複合層作為容納含有AQP的囊泡的基質也確保所得膜的機械穩定性。在結構方面，併入薄選擇性層中的囊泡中具有或不具有AqpZ的脂質/聚合囊泡及本發明的基於AQP的膜與選擇性層中僅具有脂質/聚合囊泡者相比可達到甚至更高的水通量及相當的鹽阻擋率。此方法開創了經由界面聚合將各種含有天然及/或合成水信道以及離子信道的囊泡併入選擇性層中的新局面，且產生較高水滲透率的膜。[0060]本發明中所提及的膜可應用於許多應用中且具有前景，該等應用包括用於海水及半鹹水淡化、水回收、超純水製造、水軟化、飲用水生產、水純化、廢水處理[15]、海水及鹽水淡化[16，17]、食品加工[18，29]等的逆滲透(RO)或正滲透(FO)，且其有用於逆滲透、奈米過濾、正滲透及壓力延滯滲透應用。[0061]實施例1.製備脂質體及蛋白脂質體[0062]製備所用的材料及方法[0063]除非另外提及，否則使用來自Mill1-Q超純水系統(Mill1-poreSingaporePte有限公司)的電阻率為18.2ΜΩcm的超純水來製備本研究中的試劑。純度大於99%的分析級NaCl>KCl、KH2PO4、MgCl2、MgSO4及Na2SO4購自Merck(Germany)。鹿糖(超純級)獲自USB公司(Cleveland，USA)。水通道蛋白Z表現及純化中所用的化學物(包括胺苄青黴素(Ampicilin)、氯黴素(Chloramphenicol)、IPTG、Tris、β-巰基乙醇、甘油及溶菌酶)獲自Sigma-Aldrich且為ACS(美國化學學會)級或SigmaUltra級。Benzonase購自Merck。N1-NTA樹脂購自B1-Rad。正辛基_b_D-葡萄哌喃糖苷(0G,超純級,Merck,Germany)在蛋白脂質體製備期間用作清潔劑。當前研究中所用脂質包括1，2-二油醯基-sn-甘油-3-磷酸膽鹼(DOPC)、大腸桿菌提取脂質、1，2-二植烷醯基-sn-甘油-3-磷酸膽鹼(DPHPC)、1，2-二油醯基-Sn-甘油-3-磷酸-(Γ-外消旋-甘油)(鈉鹽)(DOPG)及1，2-二油醯基-3-三甲銨-丙燒(氯鹽)(DOTAP)。此等脂質由AvantiPolarLipids(Alabama,USA)以氯仿溶液(20毫克脂質/毫升)的形式提供。脂質保持於_20°C冰箱中直至使用。所有化學物均未作進一步純化即使用。在一些實驗中，膽固醇(AvantiPolarLipids)用作蛋白脂質體製備的添加劑。[0064]水通道蛋白Z(AqpZ)表現及純化[0065]在本研究中選擇AqpZ(—種見於大腸桿菌細胞膜中的水通道蛋白)是歸因於其可用性及其經充分描繪的性質[25]。AqpZ的表現及純化根據先前報導的方案[25，27]進行。將含有AqpZ基因的pET3a質體轉型至大腸桿菌勝任細胞株C41_pLysS中以達成蛋白質過表現。挑選來自單個群落的細胞接種於具有100μg/ml胺節青黴素及34μg/ml氯黴素的極品肉汁(TerrificBroth,TB)培養基中，且在37°C下生長隔夜。將隔夜培養物100倍稀釋至新鮮TB肉汁中且繁殖至約1.2至1.5的密度(在600nm下的0D)。用ImM異丙基-β-硫半乳糖苷(IPTG)誘導細胞且在37°C下生長3小時，隨後離心。通過使用離子交換層析繼的以N1-NTA親和層析來純化AqpZ。使收穫的細胞在0.4mg/ml溶菌酶、50單位Bensonase(Merck)及3%正辛基-β-D-葡萄哌喃糖苷存在下再懸浮於陰離子交換結合緩衝液(20mMTris(pH8.0)、50mMNaCl、2mMβ-巰基乙醇、10%甘油)中。使樣品在微射流均質機(mic1fluidizer)中進行五次溶解循環，隨後離心以移除不溶性物質。使上清液通過Q-瓊脂糖凝膠快流管柱(AmershamPharmacia),且收集流過物。流過部份用250mMNaCl加滿，隨後裝載至預平衡的N1-NTA管柱(B1-Rad)上。使蛋白質在4°C下在輕微震蕩下與樹脂結合隔夜。用20倍管柱體積的含有20mMTris(pH8.0)、300mMNaCl、25mM咪唑、2πιΜβ-巰基乙醇、10%甘油的緩衝液洗滌結合有融合蛋白質的鎳樹脂。用含有(20mMTris(pH8.0),300mMNaCl、300mM咪唑、2πιΜβ-巰基乙醇、10%甘油、含有30mM正辛基-β-D-葡萄哌喃糖苷)的洗提緩衝液來洗提結合的蛋白質。通過凝膠電泳檢查含有融合蛋白質的部分且以Amicon濃縮器(膜截止點為10，OOODa)(Miliporeii)濃縮至5mg/ml至10mg/ml的濃度。通過量測在280nm下的UV吸光率來測定AqpZ的蛋白質濃度(AqpZ消光係數=35090M-lcm-l，分子量=24524g/mol)。將濃縮的AqpZ在_80°C下保持冷凍直至使用。[0066]AqpZ表現構築體[0067]來自大腸桿菌DH5a的基因組DNA用作擴增AqpZ基因的來源。使用在N-末端處添加6-His標記序列的基因特異性引子來擴增AqpZ基因。經擴增的AqpZ用酶NdeI及BamHI消化，隨後接合至經類似消化的pEt3a載體DNA上。利用PCR篩選驗證陽性純系。隨後，通過DNA測序(第一鹼基)來證實構築體的可靠性。[0068]為獲得AqpZ突變體R189A，通過使用QuikchangeTM定點變突誘發(SDM)套組(Stratagene,LaJolla,CA)將位置189上的精胺酸殘基用丙胺酸替換至pET3a/AqpZ中。通過DNA測序(第一鹼基)來證實突變誘發的構築體的可靠性。[0069]AqpZ的過表現[0070]將含有AqpZ基因(野生型及R189A)的pET3a質體轉型至大腸桿菌勝任細胞株C41-pLysS中以達成蛋白質過表現。挑選來自單個群落的細胞接種於具有100yg/ml胺節青黴素及34μg/ml氯黴素的極品肉汁(TB)培養基中，且在37°C下生長隔夜。將隔夜培養物100倍稀釋至新鮮TB肉汁中且繁殖至約1.2至1.5的密度(在600nm下的0D)。用ImM異丙基-β-硫半乳糖苷(IPTG)誘導細胞且在37°C下生長3小時，隨後離心。[0071]通過使用離子交換層析繼的以N1-NTA親和層析來純化AqpZ。使收穫的細胞在0.4mg/ml溶菌酶、50單位Bensonase(Merck)及3%正辛基-β-D-葡萄哌喃糖苷存在下再懸浮於陰離子交換結合緩衝液(20mMTris(pH8.0)、50mMNaCl、2mMP-巰基乙醇、10%甘油)中。使樣品在微射流均質機中進行五次溶解循環，隨後離心以移除不溶性物質。使上清液通過Q-瓊脂糖凝膠快流管柱(AmershamPharmacia),且收集流過物。流過部份用250mMNaCl加滿，隨後裝載至預平衡的N1-NTA管柱(B1-Rad)上。使蛋白質在4°C下在輕微震蕩下與樹脂結合隔夜。用20倍管柱體積的含有20mMTris(pH8.0)、300mMNaCl、25mM咪唑、2πιΜβ-巰基乙醇、10%甘油的緩衝液洗滌結合有融合蛋白質的鎳樹脂。用含有(20mMTris(pH8.0),300mMNaCl、300mM咪唑、2πιΜβ-巰基乙醇、10%甘油、含有30mM正辛基-β-D-葡萄哌喃糖苷)的洗提緩衝液來洗提結合的蛋白質。通過凝膠電泳檢查含有融合蛋白質的部分且以Amicon濃縮器(膜截止點為10，OOODa)(ΜΠ丨pore?)濃縮至5mg/ml至10mg/ml的濃度。通過量測在280nm下的UV吸光率來測定AqpZ(野生型及R189A)的蛋白質濃度(AqpZ消光係數=35090M-lcm_l，分子量=24524g/mol)。將濃縮的AqpZ在_80°C下保持冷凍直至使用。[0072]脂質體及蛋白脂質體製備[0073]通過膜再水合法[26，27]製備脂質囊泡。溶解於0.5ml氯仿中的1mg脂質在氮氣下乾燥，形成薄脂質膜。在一些實驗中，將預定量的膽固醇與指定脂質(本研究中的D0PC)混合，形成含有膽固醇的脂質膜。在各情況下，將所得膜保持在真空乾燥器中至少2小時。使用Iml磷酸鹽緩衝鹽水(PBS)緩衝溶液(pH7.4)再水合脂質膜，隨後進行3個凍融循環處理。所得溶液含有尺寸分布較寬的單層脂質囊泡。通過使用Avestin擠出機(Canada)將溶液經由200nm孔徑聚碳酸酯過濾器擠出21次來獲得具有均一尺寸的脂質體。通過利用透析法將AqpZ併入脂質體中來製備蛋白脂質體[20]。簡言之，將AqpZ溶液與含有1mg/ml脂質囊泡及1%清潔劑OG的第二溶液以所需蛋白質脂質比率混合，隨後在室溫下培育I小時。使用透析管(Spectrumlaboratories,USA,MWCO為12KDa至14KDa)通過將蛋白脂質體溶液相對於PBS緩衝溶液在pH7.4下透析3天以自蛋白脂質體溶液中移除0G。在此期間，透析PBS緩衝溶液每日更換一次。在3天透析之後，AqpZ(野生型或R189A)成功地重組至脂質囊泡中。[0074]脂質體及蛋白脂質體特性化[0075]尺寸及ξ電位特性化[0076]使用ZetasizerNanoZS(MalvernInstruments有限公司，UK)來測定脂質體及蛋白脂質體的尺寸。所量測的直徑用於計算脂質體或蛋白脂質體的水滲透率。此外，尺寸測定也用於監測囊泡溶液質量。在本研究中，溶液多分散指數(roi)始終小於0.2，指示囊泡的尺寸分布較窄[29]。均一尺寸分布有助於使囊泡水滲透率測定中的誤差最小。脂質體及蛋白脂質體的I電位值也利用ZetasizerNanoZS來量測。[0077]水滲透率及溶質反射係數評估[0078]使用SX20停流光譜儀(AppliedPhotophysics,UnitedKingdom)來特性化囊泡水滲透率。停流測試中所用所有溶液的容積滲透濃度均由蒸氣滲壓計5520(Wescor公司，USA)特性化。針對所有停流測試選擇螢光動力學模式，且光源波長為500nm。用8個大氣壓的加壓氮氣促進樣品溶液與吸引溶液(drawsolut1n)的快速混合，且空滯時間為500μS0在所有停流量測中，溫度均維持在23°C±1°C下。基於螢光信號與囊泡體積之間的關係，隨時間變化記錄囊泡體積變化速率。囊泡體積因水向外輸送而減少，其將受囊泡上的容積滲透濃度差值以及囊泡的水滲透率影響。在典型停流實驗中，吸引溶液及樣品溶液具有相同的PBS緩衝液濃度，使得水滲透由吸引溶質(例如蔗糖或NaCl)濃度誘發。水滲透率可利用以上方程式I計算。[0079]指定溶質的反射係數σ可通過比較在相同容積滲透濃度條件下使用特定吸引溶質量測的水滲透率(Pf，溶質)與使用參考溶質量測的水滲透率(Pf，參考)來測定。蔗糖在當前研究中用作參考溶質，因為其分子相對較大且幾乎完全為脂質囊泡保留。因此，較小吸引溶質(諸如NaCl)的表觀反射係數可利用以下方程式來計算[30]:P*f,宕ff[0080]σ=方程式2[0081]除蔗糖及NaCl之外，其他物質也有用於作為吸引溶質。使用溶解於PBS緩衝溶液中的MgCl2來評估雙價離子在影響脂質體及蛋白脂質體性質中的效應。囊泡處於PBS緩衝溶液中。容積滲透濃度為914moSm/l的吸引溶液為溶解不同濃度MgCl2的PBS緩衝溶液。施用其他蔗糖以維持所有吸引溶液的容積滲透濃度為914moSm/l。[0082]使用蔗糖作為吸引溶質(Λosm=356mosm/L)，DOPC脂質體的動力學速率常數為約20L/s。比較而言，對於重組的DOPCAqpZ蛋白脂質體(蛋白質與脂質比率為1:200，參見上表I)觀察到較大改良的速率常數(188L/S)。蛋白脂質體的相應水滲透率為690μm/s。假設所有AqpZ均成功地併入脂質體中，則所得蛋白脂質體的蛋白質與脂質比率為1:200。可通過參考每AqpZ及每脂質的面積來估算AqpZ單體的量[31,32]。因此，各AqpZ的滲透性可估算為3.2X10-14cm3/s。此值與先前由NormanT.Hovijitra報導的結果(約4X10-14cm3/s)[33]相符。因此，蛋白脂質體滲透性比相應DOPC脂質體高一個數量級。當NaCl用作吸引溶液時亦觀察到類似趨勢，證實AqpZ的水滲透率極佳。[0083]基於DOPC的脂質體及蛋白脂質體對NaCl的反射係數(使用蔗糖作為參考溶質，根據方程式2測定)接近於一致。在當前研究中，儘管在AqpZ併入之後水滲透率顯著增強，然而對NaCl的保留率仍然極佳。由此提示脂質雙層及AqpZ對於溶質均具有良好保留率，因此其成為併入本發明的TFC膜的較佳候選者。[0084]多種脂質效應[0085]使用多種脂質在PBS緩衝溶液中製備單層囊泡。根據相同程序以固定的蛋白質與脂質莫耳比(1:200)進行AqpZ蛋白脂質體重組。發現圖13中所示的不同蛋白脂質體的水滲透性不同。大腸桿菌提取脂質、DOPC及DPHPC脂質對Aqpz有偏向性，且大腸桿菌提取脂質具較高偏向性。由於蛋白脂質體的滲透性受AqpZ四聚體的活性及數量支配，故其中在不同蛋白脂質體中AqpZ的滲透性活性保持相同[33]。因此，吾人認為不同脂質性質(諸如結構及頭端基團)通過影響脂質與AqpZ之間的相互作用可影響重組製程且產生不同蛋白脂質體性能。已發現脂質的厚度及電荷性質會影響蛋白質脂質相互作用[34，35]。ξ電位測試顯示DOPG及DOTAP脂質體分別因磷酸基團、三甲基銨基團而具有較強電荷性質(分別約_30mV及約+30mV)，其可使得AqpZ併入困難。[0086]AqpZ與脂質比率及膽固醇效應[0087]類似於針對聚合物體所發現的最佳條件[21]，也觀察到圖13中所示的大腸桿菌提取脂質及DOPC脂質系統的最佳AqpZ與脂質莫耳比。對於兩種脂質系統，當蛋白質與脂質比率為1:200時，蛋白脂質體達到最高水滲透率。[0088]一旦超過特定比率，所得蛋白脂質體即顯示較低滲透性。此可能因為當併入較多蛋白質時出現較多缺陷。已發現在使30%膽固醇與DOPC脂質混合的後，脂質體的滲透性減小約40%(自76μm/s減小至45μm/s),其與先前報導[36]相符。然而,吾人發現蛋白脂質體的水滲透率保持隨AqpZ與脂質比率增加而增加。已知膽固醇摻合可增加脂質雙層的剛性，改變撓曲彈性及脂質雙層裝填[23，24，25，28，37]，且可增強脂質雙層與AqpZ之間的相互作用或吸引力[28]。吾人假設在此混合物系統中膽固醇有效促進減少可能由較高蛋白質與脂質比率所引起的缺陷，且令人驚訝地甚至增加總體滲透性。因此，當製備AqpZ蛋白脂質體以用於併入本發明的TFC膜中時向兩親媒性脂質中添加約30%膽固醇在需要極高水通量時可成為優勢。[0089]濃度極化機制[0090]通過停流，使用一系列不同容積滲透濃度的NaCl及蔗糖溶液作為吸引溶液來特性化DOPC脂質體及蛋白脂質體的滲透性。對於脂質體，速率常數k與容積滲透濃度梯度Aosm線性相關，其由方程式I充分描述。此也提示SD機制充分描述脂質體的水滲透率[34]。然而，對於蛋白脂質體，僅在較低容積滲透濃度梯度蔗糖溶液條件(〈0.2oSmol/L)下，以上方程序可適用。在蔗糖濃度高於0.3oSmol/L時，k值將出現顯著偏差。可能因稀釋的蔗糖吸引溶液接近雙層表面而出現較低k值。在最初水自囊泡中出來時，表面邊界蔗糖被稀釋且因逆擴散能力較差而保持在較低濃度下。600mM蔗糖吸引溶液的黏度與NaCl吸引溶液有細微差別，兩者的黏度均在1.015PaS至1.30PaS之間(數據由OLIAnalyzer3.1，OLISystems公司，USA提供)。然而，PBS緩衝溶液中蔗糖的質量擴散係數低至4.11X10-1lm2/s，遠小於NaCl擴散係數。此可能為蔗糖吸引溶液濃度極化較嚴重的原因。因此，吾人鹹信適合的測試條件應低於0.3oSmol/l，尤其在物質具有較低擴散係數時。[0091]吸引溶質物質效應[0092]考慮到潛在海水淡化應用，研究海水中存在的4種主要物質(NaCl、MgSO4,Na2SO4及MgCl2)的效應。對於脂質體，所有物質中的大多數對DOPC脂質體水滲透率的效應可忽略。然而，與DOPC脂質體相比，大腸桿菌提取脂質脂質體對Mg2+及S042_較為敏感，其可能歸因於大腸桿菌提取脂質的較強負電荷性質(在PH7.4下在PBS緩衝溶液中ξ電位為約-20mv)。在脂質體與較高濃度Mg2+溶液混合時此值甚至可達到正值(約Imv)。對於蛋白脂質體，雙價離子(包括Mg2+及SO42O甚至在極低濃度1mM下也可顯著影響大腸桿菌提取脂質蛋白脂質體特性。NaCl也能夠使停流特性化結果出現較大偏差。與大腸桿菌提取脂質相比，DOPC系統可經受住較高濃度的Mg2+及S042_，不過存在Mg2+及S042_也使得DOPC蛋白脂質體的停流量測較為困難。此等離子可通過影響雙層與AqpZ之間的相互作用或形成錯合物、組合雙層及AqpZ來影響AqpZ[38]。[0093]針對DOPC及大腸桿菌提取脂質系統進一步研究Mg2+濃度效應。容積滲透濃度為914mosm/l的吸引溶液為溶解不同濃度MgCl2的PBS緩衝溶液。施用其他蔗糖以維持所有吸引溶液的容積滲透濃度為914moSm/l。已發現對於DOPC蛋白脂質體，Mg2+在測試條件內(Mg2+濃度至多50mM)對水滲透率的效應可忽略。然而，對於大腸桿菌提取脂質蛋白脂質體，在Mg2+濃度大於5mM時，Mg2+在測試時間(Is)內能夠引起嚴重的囊泡聚集。已報導Mg2+及Ca2+均可以極低濃度(低於5mM)通過與脂質形成多種錯合物來引起脂質體融合[40]。基於先前報導[41]，Ca2+最有可能會引起更嚴重的問題，但本研究中未包括Ca2+。存在Mg2+可使Ca2+甚至更有效地誘導脂質體融合。其他金屬離子也可顯著影響脂質雙層的相或結構[39]。儘管據報導一些膜蛋白在一定程度上在重組至脂質體中之後可增強脂質雙層的穩定性[40]，但AqpZ似乎不能夠允許大腸桿菌提取脂質蛋白脂質體經受住較高濃度的雙價離子，諸如50mMMg2+溶液。[0094]對於涉及具有相對較高二價離子濃度的海水或其他水源的水過濾製程，可能宜在製備本發明的薄膜複合膜中選擇中性兩親媒性脂質(諸如D0PC)以避免不需要的相互作用。在吾人當前膜設計中，蛋白脂質體嵌埋於界面聚合的聚醯胺(PA)膜中。在吾人當前發明中，PA膜充當對蛋白脂質體的保護，PA膜不僅提供足夠機械支載，而且其也因PA層固有的較高阻擋率而排斥二價離子以免其與蛋白脂質體直接接觸，且因此提供另一優勢。[0095]結論[0096]本研究系統地研究脂質類型、吸引溶質濃度、蛋白質與脂質比率、膽固醇混合物、溶解離子的存在對水通道蛋白-脂質雙層性質的效應。顯示例如大腸桿菌提取脂質及DOPC脂質均可適用於在併入AqpZ之後形成功能性雙層，提供極佳水滲透率。濃度極化現象(膜過濾主題中的重要問題之一)可能在高濃度蔗糖溶液用作吸引溶液的蛋白脂質體停流量測中變得顯而易見。為了提升水輸送性能，可優化AqpZ與脂質比率。對於純脂質系統，最佳AqpZ與脂質比率可為1:200。隨著AqpZ量增加，可能出現缺陷。在此情況下，膽固醇添加可有益於維持較高水通量。當前脂質體結構藉由自組裝形成，其本身可能並不足夠強以致於能經受住RO淡化條件(諸如較高水壓)。因此，如以下實施例中所述在薄膜複合層中併入脂質體提供必需的機械強度。[0097]實施例2.製備並有脂質-AqpZ囊泡的薄膜複合膜且在RO裝置中測試[0098]商用UF膜(MWC0，50，000道爾頓(Dalton))用作基板，將含有0.08mg/gD0PC-AqpZ囊泡的50ml胺水溶液1.5wt%MPD展布於UF膜基板表面上，且用水溶液保持基板溼潤15分鐘。隨後，自表面移除胺水溶液，且使基板於空氣中垂直豎立10分鐘，隨後用壓縮氮氣且在2巴下吹拂表面I分鐘以移除表面上任何可能的聚集的囊泡，隨後使基板繼續再垂直豎立乾燥20分鐘。隨後，將0.lw/v%TMC溶液傾注於飽和基板的表層上且使之反應I分鐘。將所得膜儲存於Mill1-Q水中直至使用。tfc膜的面積為200cm2，將其切割以安裝至測試模塊中(42cm2)。將所得TFC膜固定於測試單元(6)中，參見圖5。以200磅/平方寸自進料槽(I)泵出進料溶液(500ppmNaCl)，流過膜的活性層且返回至槽中。收集滲透物，且在天平(7)上量測重量，且通過電導率量測來測定溶質的濃度以便計算通量及阻擋率(參見方程式I及2)。並有DOPC-AqpZ囊泡的薄膜複合膜對於500ppmNaCl(200磅/平方寸)的水通量及鹽阻擋率分別為25.2L/m2.h及96.3%。[0099]實施例3.製備並有脂質囊泡的薄膜複合膜且在RO裝置中測試[0100]界面聚合的兩個階段及製程中反應性單體溶液的組成與實施例2類似，例外為僅0.08mg/g不具有AqpZ的DOPC囊泡溶解於胺水溶液中。如實施例2進行RO測試。並有DOPC-AqpZ囊泡的薄膜複合膜對於500ppmNaCl(200磅/平方寸)的通量及阻擋率分別為16.9L/m2.h及98.5%。來自涉及在漸增至200磅/平方寸的壓力下僅並有脂質囊泡或並有脂質-AqpZ囊泡的薄膜複合膜的水通量及溶質阻擋率的比較的實驗結果顯示於圖7中，其清楚顯示在併入DOPC囊泡的情況下可獲得相對較高的水通量。然而，DOPC-AqpZ囊泡的併入顯著改良所得膜的水通量。兩種類型的TFC膜均顯示初始較高且漸增的鹽阻擋率，其穩定在較高水平(>98%)。[0101]實施例4.製備並有脂質-AqpZ囊泡的薄膜複合膜且在RO裝置中測試[0102]界面聚合的兩個階段及製程中反應性單體溶液的組成與實施例2類似，例外為將0.16mg/gDOPC-AqpZ囊泡溶解於胺水溶液中。如實施例2進行RO測試。並有DOPC-AqpZ囊泡的薄膜複合膜對於500ppmNaCl(36磅/平方寸)的通量及阻擋率分別為17.2L/m2.h及76.5%0[0103]實施例5.製備並有共聚物-AqpZ囊泡的薄膜複合膜且在RO裝置中測試[0104]界面聚合的兩個階段及製程中反應性單體溶液的組成與實施例2類似，例外為在胺水溶液中，將0.08mg/g(PM0XA15-PDMS67-PM0XA15)聚合物體-AqpZ囊泡溶解於胺水溶液中。如實施例2進行RO測試。並有聚合物體-AqpZ囊泡的薄膜複合膜對於500ppmNaCl(200磅/平方寸)的通量及阻擋率分別為36.5L/m2.h及95.2%。[0105]實施例6.製備並有共聚物囊泡的薄膜複合膜且在RO裝置中測試[0106]界面聚合的兩個階段及製程中反應性單體溶液的組成與實施例5類似，例外為在胺水溶液中，僅0.08mg/g不具有AqpZ的(PM0XA15-PDMS67-PM0XA15)共聚物囊泡溶解於胺水溶液中。如實施例2進行RO測試。並有聚合囊泡的薄膜複合膜對於500ppmNaCl(200磅/平方寸)的通量及阻擋率分別為17.2L/m2.h及93.3%。來自涉及在漸增至200磅/平方寸的壓力下僅並有共聚物囊泡或並有聚合物體-AqpZ囊泡的薄膜複合膜的水通量及溶質阻擋率的比較的實驗結果顯示於圖8中。在此實驗中，對於並有聚合物囊泡的TFC膜，吾人獲得與實施例3中並有脂質囊泡的TFC膜相同的較高水通量。然而，聚合物體-AqpZ併入薄膜複合膜中顯著增強膜的水通量且不損害鹽阻擋率。[0107]實施例7.澆鑄聚碸UF膜且將其用於製備並有脂質囊泡或脂質-AqpZ囊泡的薄膜複合膜[0108]聚碸超濾膜用聚合物摻雜劑(16wt%聚碸、5wt%聚乙二醇(分子量=600Da)、2wt%LiCl及77wt%N-甲基-2-吡咯啶酮)內部澆鑄。此超濾膜用作後續膜製備的基板。將含有0.08mg/gDOPC或DOPC-AqpZ囊泡的50ml胺水溶液Iwt%MPD展布於UF膜基板表面上，且用水溶液保持基板溼潤10分鐘。隨後，自表面移除胺水溶液且使基板在空氣中保持水平30分鐘，隨後在2巴下用壓縮氮氣吹拂表面I分鐘以移除過量液體。其餘程序與實施例2相同。在5巴(74磅/平方寸)下測試所得膜。空白膜(無DOPC或DOPC-AqpZ)、含有DOPC的膜及含有DOPC-AqpZ的膜的膜水滲透性分別為3.16±0.07L/m2.h、3.34±0.29L/m2,h及3.92±0.34L/m2.h。包括AqpZ具有顯著增強的水滲透率。圖1顯示基於AQP的薄膜複合膜所用微孔基板的橫截面的掃描電子顯微照片(SEM):(a)由Dow(Dowffater&ProcessSolut1ns)製造的商用UF膜(聚碸)及(b)自製UF膜(聚碸)。[0109]參考文獻(其主題以引用的方式併入本文中)[0110][I]1.C.Karagiannis,Soldatos,P.G.,Waterdesalinat1ncostIiterature:reviewandassessment,Desalinat1n,223(2008)448-456.[0111][2]M.Kumar,Grzelakowski,M.1ZiIles,J.,Clark,M.,Meier,ff.,Highlypermeablepolymericmembranesbasedontheincorporat1nofthefunct1nalwaterchannelproteinAquaporinZ，PANS，104(2007)20719-20727.[0112][3]H.Wang,Chung,T.S.，Tong,Y.W.，Meier,W.，Chen,Z.，Hong,M.，JeyaseelanjK.，ArmugamjA.，Preparat1nandcharacterizat1nofpore-suspendingb1mimeticmembranesembeddedwithaquaporinZoncarboxylatedpolyethyleneglycolpolymercush1n,SoftMatter,Inpress(2011).[0113][4]C.D.MontemagnojSchmidt,J.J.,TozzijS.P.,B1mimeticmembranes,U.S.Patent,7，208，089B2(2007).[0114][5]P.H.Jensen,Keller,D.,Nielsen,C.H.,Membraneforfilteringofwater,U.S.Patent,7857978(2010).[0115][6]C.H.Nielsen,B1mimeticmembranesforsensorandseparat1napplicat1nsAnal.B1anal.Chem.，395(2009)697-718.[0116][7]T.J.J.D.Wong,J.Schmidt,Singlemoleculemeasurementsofchannelprotein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