分光光度法和总有机碳法对超滤膜截留性能测定的比较

'万方数据第31卷第5期2011年10月膜科学与技术MEⅣ田RANESCIENCEANDTECHN0L|mYV01．31No．5Oct．2011分光光度法和总有机碳法对超滤膜截留性能测定的比较周晨，陆晓峰’，侯铮迟，卞晓锴，施柳青，刘忠英(中国科学院上海应用物理研究所，上海201800)摘要：分别采用分光光度法和总有机碳(TOC)测定法测定超滤膜对6种标示物(牛血清蛋白，鸡蛋白，a一糜蛋白，PEG20000，PEGl0000，PEG6000)的截留率，以比较两种分析方法对膜表征的影响．结果表明：分光光度法和TOC法截留率测定结果较吻合．从数据稳定性来看，两种方法能较一致的测定出超滤膜的切割分子量；但是当截留率较低时，滤出液成分较复杂，两种方法所得结果则存在一定差异．指出分光光度法存在蛋白泡沫、试样液浓度选择、稀释以及PEG显色时间影响问题，并介绍了避免或减轻以上情况的措施．通过比较，发现TOC测定法具有快速、稳定、精确度高、环保等优点．关键词：超滤；截留率；分光光度法；TOC中图分类号：TQ028．8文献标识码：A文章编号：1007—8924(2011)05—0034—06随着超滤膜技术的迅猛发展[1]，准确的膜评价和测定方法，有助于了解膜在制备中的影响因素、变化规律和对膜的质量控制等，对膜的研究、开发、膜质量的监控以及选择性应用等起着十分重要的作用．其中，截留率是衡量膜性能的一个重要指标．其测定过程如下：首先选取已知相对分子质量的标准物质(标示物)配制成合适浓度的水溶液，然后用膜对其过滤，测定过滤前后标示物溶液的浓度，通过比较来确定膜的截留率．我国膜工业协会制定的行业标准推荐的标示物是蛋白质和聚乙二醇，标示物浓度的测定方法为分光光度法[2]，其原理主要建立在郎白一比尔定律的基础上．利用不同浓度溶液对光吸收能力的不同来确定溶液浓度的大小．用这种方法进行膜表征的研究很多[3“]．蛋白质是由多氨基酸通过肽键相连而成的高分子物质，被广泛应用于表征超滤膜的孔径．但在不同pH下，蛋白质的所带电荷会发生变化并影响截留率的测定结果[s]．在本文中，按行业的检测方法，未涉及pH的影响．聚乙二醇系列则常被用作表征超滤膜较小的孔径，但在分光光度法测定时需加入显色剂．然而许多单位和国内外实验室[6-10]已开始采用TOC分析测定仪测定标示物的浓度以计算截留率．该方法基于燃烧／非散射红外气体分析方法．通过测定C0。含量(由非有机碳酸化和有机碳燃烧所产生)来确定溶液中有机碳的浓度．本文拟按照行业标准推荐的方法配制标示物为蛋白质和聚乙二醇的水溶液，利用自制的PVDF和PES超滤膜对其进行截留实验，标示物溶液浓度的测定分别采用分光光度法和TOC法．通过比较两种检测方法各自的优缺点和规律，为膜评价中标准物的选择、检测方法的确定等作一些探索．1实验1．1实验材料和主要仪器1．1．1主要仪器杯式超滤器(中科院上海应用物理研究所研制)，分光光度计752C(上海分析仪器厂，中国)，TOC-5000A总有机碳测定仪(Shimadzucorpora-收稿日期：2011—03—29；修改稿收到日期：2011-05—24基金项目：上海市科技攻关项目(08231200300)作者简介：周晨(1984一)，男，福建漳州市人，硕士研究生，主要研究方向为膜的研制与应用，E-mail：nickey0809@gnmiLcom．*通讯联系人，E-mail：luxiaofeng@sinap．ac．en 万方数据第5期周晨等：分光光度法和总有机碳法对超滤膜截留性能测定的比较·35·tionKYOTO，Japan)．1．1．2主要试剂材料牛血清蛋白(BSA)，国药集团化学试剂有限公司，分析纯；鸡蛋白，上海生化试剂商店，分析纯；a一糜蛋白，国药集团化学试剂有限公司，分析纯；聚乙二醇(PEG)，相对分子质量6000，10000，20000，国药集团化学试剂有限公司，分析纯；次硝酸铋[4BiNOs(OH)2BiO(OH)3，国药集团化学试剂有限公司，分析纯；无水乙酸钠：国药集团化学试剂有限公司，分析纯；冰乙酸(CH。C()0H)，国药集团化学试剂有限公司，分析纯；碘化钾(KI)，国药集团化学试剂有限公司，分析纯；乙酸钠(CH。COONa·3HzO)，国药集团化学试剂有限公司，分析纯．1．1．3超滤膜的制备通过非溶剂法诱导相分离法制备聚偏氟乙烯(PVDF)和聚醚砜(PES)超滤膜．将一定比例的PES(PVDF)粉体溶于NMP溶剂中，并加入一定比例的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)／PEG／丙酮作为添加剂，于70℃下搅拌至完全溶解．静置脱泡后用刮刀于室温下刮至无纺布上，迅速浸入恒温水中(凝胶裕)．将制备的超滤膜浸入在蒸馏水中，直至测试表征．可通过水通量和截留率的测定来选择及衡量制备膜的质量和稳定性．1．2基本实验方法1．2．1分光光度法1)蛋白测定配制成浓度为20、40、60、80、100mg／L的蛋白标准溶液．于波长280nm下，用1cm比色皿，在分光光度计上测定光密度，蒸馏水为参比液．以蛋白质浓度对光密度作图，绘制蛋白标准曲线．2)PEG测定配制浓度0，5，10，15，20，25，30mg／LPEG标准溶液．取标准溶液各5mL分别放入10mL容量瓶中．分别加入1mLDragendoff试剂及1mL乙酸一乙酸钠缓冲液，加蒸馏水稀释至刻度．放置15min后，于波长510nm下，用1cm比色皿，在光电分光光度计上测定光密度，蒸馏水为参比液．以聚乙二醇浓度对光密度作图，绘制PEG标准曲线．1．2．2TOC测定法在上述浓度范围，样品直接注入仪器样品池，用TOC测定仪直接测定蛋白和PEG溶液浓度．1．2．3膜性能测试约0．5g／mL的蛋白和PEG溶液在PVDF和PES杯式超滤杯里在0．1MPa下运行1h后，分别用分光光度法和TOC法测定标示溶液的原液浓度和过滤液浓度．按下式可计算截留率：Ri—Uir，--Uip一1一鲁(1)L／打式中，R￡表示i组分的截留率；G，和G。分别表示料液和截留液的浓度．2实验结果与讨论2．1制备膜纯水通量的测试所制备的PVDF膜和PES膜各选五张平行样品，测定其纯水通量整理如图1．二、每H。昌●一≤咖{昭图1PVDF和PES超滤膜的水通量测定Fig．1ThepurewaterfluxofPVDFandPESultrafiltrationmembrane图1中两种膜的通量相对误差分别为5．79％和4．68％，可见所选的两种膜运行都较为稳定，有利于进行进一步的研究．2．2两种测定方法对PVDF超滤膜截留性能的测定与比较分别用分光光度计和T()C测定仪测定PVDF超滤膜(超滤膜切割分子量较大)对三种蛋白溶液和PEG20000溶液的截留率．两种方法的结果见图2．由图2可知，两种仪器测得的牛血清蛋白(相对分子质量67000)和鸡蛋白(相对分子质量45000)的截留率较吻合；而a一糜蛋白(相对分子质量25000)截留率的差异则十分明显，TOC法所得值较分光光度法所得值小16．04％；PVDF膜对PEG20000的截留率很小，且截留液组分很不稳定，两种方法测定所得截留率测定结果都很小．由于两种仪器原理不同，对造成该差异的原因分析：TOC测定仪的原理是测定有机碳高温下转化的二氧化碳，所对应的是质量值，是和渗透液的浓度直接相关的；而分光光度法是通过分子的吸光度来间接测定溶液的浓度，前提是溶液分子或者聚集基 万方数据·36·膜科学与技术第31卷图2PVDF膜截留率测试结果的比较(标示物分别为PEG20000，a一糜蛋白，鸡蛋白和牛血清蛋白)Fig．2Comparisonofthesoluter白ectiongainedfromSpectrophotometryandTOCanalyze，withPVDFasthemembranematerialandPEG20000，a-chymotrypsin，eggwhitealbumin，BSAasfeed．solute团的吸光能力是不变的．由于超滤过程必然会导致溶液组分系统分子量分布的变化，从而改变溶液平均的吸光能力，这就有可能带人误差．这也许可以解释a一糜蛋白测试结果的差异．同理由于PEG20000的截留率较低，过滤液的浓度较大，成分较复杂，从而就放大了两种方法原理不同测定结果的产生的差异．相反，由于BSA和鸡蛋白溶液的截留率较大，渗透液浓度较小，故而两者测定结果基本相等，且误差较小．2．3分光光度法和TOC法对PES超滤膜截留性能的测定与比较分别用分光光度计和TOC测定仪测定PES超滤膜(膜切割分子量较小)，对3种PEG溶液及3种蛋白溶液的截留率结果见图3．由图3TOC和分光光度法测得的数据显示，PES膜对三种PEG和鸡蛋白、牛血清蛋白的截留率结果较为接近，两种方法得到的截留结果较为吻合；对相对分子质量为25000的糜蛋白截留结果不好，甚至小于超滤膜对PEG的截留率，且结果较不稳定，可见截留液的成分(相对分子质量分布)变化较大，还可能与糜蛋白的特性有关．从稳定性的角度来看，除了PEG20000误差值较小(由于截留率较大，渗滤液组分差异及膜的差异对结果影响较小)，PEGl0000和PEG6000的TOC和分光光度法测定结果较之蛋白质系列的结果不稳定，相对误差都较大，可能是因为聚乙二醇本身是线性的标示物，且其显色测定浓度的方法的影响因素较多，步骤较为繁琐，容易带人误差，如显色时间和图3PES膜截留测试结果(标示物分别为PEG6000，PEGl0000，PEG20000，a一糜蛋白，鸡蛋白和牛血清蛋白)Fig．3ComparisonofthesoluterejectiongainedfromSpectrophotometryandTOCanalyze，withPESasthemembranematerialandPEG6000，PEGl0000，PEG20000，tt-chymotrypsin，eggwhitealbumin，BSAasfeedsolute试验条件、流程等都可能导致结果的差异．2．4两种方法所得的切割相对分子质量2．4．1PⅥ)F超滤膜的切割相对分子质量结果比较用两种方法所得的截留率结果，得到PVDF的切割相对分子质量见图4．由切割曲线得到的分光光度法与TOC测定法所得的截留曲线基本重合，PVDF超滤膜的切割相对分子质量约为30000．由此可知两种方法在室温，0．1MPa情况下测定的PVDF膜切割相对分子质量结果基本一致．相对分子量／1000图4PVDF膜切割相对分子质量的确定Fig．4MWCOofPVDFultrafihrationmembrane2．4．2PES超滤膜的切割相对分子质量结果比较用两种方法所得的截留率结果，得到PES的切割相对分子质量见图5．由切割曲线得到的分光光度法测定PVDF的切割相对分子质量约为11000左右；T()C测定法测得PES膜预期切割相对分子质量约为12000． 万方数据第5期周晨等：分光光度法和总有机碳法对超滤膜截留性能测定的比较·37·相对分子量／1000图5PES膜切割相对分子质量的确定Fig．5M：、7l忙0ofPESuhrafihrationmembrane由此可知两种方法在室温，0．1MPa情况下测定的PES切割相对分子质量结果一致．综上所述，两种方法对膜预期切割相对分子质量的测定结果较吻合．2．5测试方法和标示物选择的影响方差分析可以用来检验多个均值之间差异的显著性，并可以了解某一因素起主效应，及其两因素之间的交互作用．某一因素在另一因素的不同水平上产生的效应不同即两因素的交互作用．为讨论测试方法和标示物选择对截留率的影响，用统计软件SPSS对表1进行可重复双因素方差分析，结果见(withoutcalculatingtherejectionofa-chymotrypsin)表2．表1PVDF膜、PES膜所得截留率Table1RejectionofPⅥ)FandPESmembrane(therejectionofeverysolutehadbeentestedforfivetimes)表2可重复双因素分析结果Table2ReduplicatedTwo-wayanalysisofvariance(factors：methodand．solute)四种标示物剔除d一糜蛋白，PEG20000六种标示物剔除a一糜蛋白差异源P—valueP-value差异源P—valueP-valuePVDF样寥n000o．019PES笥：．。。O。0：：．‘。9。0：列0．0000．001交互0．0010．800交互0．0000．922对PVDF膜的截留结果分析，得测试方法P值为0．00038，该值小于衡量值0．05，即测量方法对测得的截留率有显著影响；列因素P值为0．00，该远小于0．05的衡量值，即不同的标示物对截留率的测定有显著的影响；两因素的交互作用P值为0．001，该值小于0．05，说明不同的方法和不同标示物的相互作用对截留率测定有显著影响．分析其原因，数据差异主要在a一糜蛋白项；另外PEG20000截留率不稳定，也不应作为大分子膜的标示物．剔除a一糜蛋白，PEG20000后，可知两种蛋白质对测试方法的影响不大(P值0．800，大于0．05)．同理PES超滤膜也得到类似结果．剔除Ot一糜蛋白后发现测试方法对测定截留率无显著影响(P值0．901其值大于0．05)；标示物对截留率的测定有显著的影响P值为0．00，远小于0．05；两因素的交互作用P值为0．000，小于0．05，说明不同的方法和不同标示物的相互作用对截留率测定有显著影响；剔除a一糜蛋白，可知1、0C法和分光光度法对测定PES膜截留率无显著影响．2．6分光光度法测定中存在的问题2．6．1蛋白溶液泡沫问题分光光度法测定蛋白质溶液浓度需要制作标准 万方数据·38·膜科学与技术第31卷溶液(1g／L)，可蛋白溶液会产生大量蛋白泡沫，且产生絮状物，即使长时间放置也很难消除，且蛋白质溶液放置时间过长容易变质，这对标液定容有较大的影响；一个较好的解决方法是配制较稀的标准液如0．5g／I。或更稀(后续操作相应增大移液量)，这样泡沫会大大减少，但仍不易消除，且较稀的浓度容易带进误差．2．6．2样液的浓度选择问题按照2006年行业标准HJ／T271—2006样液的配制成浓度为1000～3000mg／L，而实验中发现：在1g／L牛血清蛋白用PVDF超滤渗透液的浓度低于10mg／L，超出了标准曲线准确范围(20～100mg／L)，选择2．5---4g／L较合适；鸡蛋白则不存在这个问题，1000～3000mg／L样液的渗透液都较好落在测试范围内；Ⅸ一糜蛋白样的渗透液则是浓度较高，超过了100mg／L，需要稀释十倍，这样容易带进人为误差．且由显色原理可知：当溶液浓度改变时，有色化合物会发生离解、缔合或形成新的配合物等化学变化，从而引起有色溶液中能吸收光的质点的浓度改变，使溶液的吸光度不与被测物的总浓度成正比．由于分光光度法有效测定范围较小，如果渗透液过浓，不免碰到稀释问题；相比之下TOC测定仪不存在这个问题，它存在0～20mg／L，20～100mg／L，100～500mg／L三条标准曲线，测试范围大大加大，且不存在标液泡沫问题．2．6．3聚乙二醇(PEG)加Dragendoff试剂显色时间影响试验中发现PEG显色时间对分光光度法测定结果有很大的影响．PEG加入Dragendoff试剂以及缓冲液后定容静置，其显色时间对读得的透光度值是有影响的，实验现象如图6．显色时间t／min图6显色时间与透光率的关系Fig．6Therelationshipbetweencolorationtimeandsolutetransmittance从加入显色剂和缓冲剂定容静置后测得的透光率随时间的变化情况：(1)显色时间越长，透光率越小，即吸光度越大，且在前14rain内透光率有大幅度的下降；(2)在15～23rain时间段内，透光率变化较缓和，故而在该时间段内测得的透光率值较稳定；(3)随着时间的不断增加，变化较为和缓但仍有上下震荡，可见PEG显色法的精确度不够，受显色剂质量、实验环境条件和显色时间影响较大．另外显色剂加入的方法，以及用量(配10mL的显色PEG溶液和20mL的显色PEG溶液测定结果并不相同)，是否震荡都会影响PEG法的测定精度．直接影响就是零点的平移，这也是PEG法测得的标准曲线线性、精度都没有蛋白质法理想的原因之一．2．7分光光度法和TOC法在其他方面的比较(1)从操作流程考虑，分光光度法操作繁琐，影响因素较多(特别是PEG测定法表征切割相对分子质量较小的膜)，泡沫问题、浓度问题等，给测定结果带来许多隐性的误差；相比之下TOC法具快速，自动化，稳定精确度高，且影响因素较少等优点．(2)从成本来说，分光光度计具有启动资金少、易推广的优点．分光光度仪价格在一万元左右，测定截留率的对TOC测定仪的要求并不是很高，十万元左右的普及经济型的就能满足测定要求；测定成本，TOC略高，但把药剂费用，以及耗费的人力、时间考虑进去，分光光度法和TOC相差就不大了．(3)分光光度法通常对待测液进行稀释、加显色剂等预处理，会产生大量的废液，易污染环境；TOC每次进样只需1---2mL，不产生废液，绿色环保．3结论本实验比较分光光度法和总有机碳测定法对膜截留性能测定结果，所得数据表明：1)分光光度法和TOC法截留率测定结果较吻合；且两种方法对膜切割相对分子质量的测定结果较一致．从十组超滤过程膜截留性能测定结果的稳定性来看(主要是通过平行系列的标准差)，两种方法稳定度相差不大．只有当截留率较小时，两种方法的测定结果才存在一定的差异，而这对整体表征膜的截留性能影响不大．2)实验中a一糜蛋白样，无论是PVDF膜还是PES膜对其截留效果都不是很理想，且两种方法测定结果具有较大的差异，但是各自的稳定性却很好． 万方数据第5期周晨等：分光光度法和总有机碳法对超滤膜截留性能测定的比较这可能与该蛋白质自身组分复杂程度，与膜的作用，以及渗透液中组分分布的改变有关，有待以后进一步的探究．3)分光光度法存在泡沫，样液浓度选择、稀释以及PEG显色时间影响问题，影响因素较多，步骤较繁琐；TOC法具有快速，自动化，稳定精确度高，不产生废液、且影响因素较少等优点，但成本较分光光度法高．致谢：本论文完成中得到赵一先教授、梁国明、顾建敏、丁雷老师的指导和帮助，在此表示感谢!参考文献[1]华耀祖．超滤技术与应用[M]．北京：化学工业出版社，2003：1—43；51—76；80—103；180一190；210--460．[2]超滤装置标准[s]．1_U／T271，2006．Es]ChakrabartyB，GhoshalAK，PurkaitMKEffectofmolecularweightofPEGonmembranemorphologyandtransportpropertiesEJ]．JMembrSci，2008，309：209—221．E4-]XuZherdiang。AlsalhyQusayF．Effectofpolyethyleneglyeolmolecularweightsandconcentrationsonpoly—ethersulfonehollowfiberultrafiltrationmembranes[J-I．ComparisonofthemethodsforultrafiItrationmembranebetweenJApplPolymSci，2004，1：3398—3407．[5]卞晓锴，陆晓峰，施柳青．白质超滤过程及超滤膜的改性研究现状EJ]．膜科学与技术，2001，21：46—51．[6]Mosqueda-JimenezDB，NarbaitzRM，MatsuuraT．Effectsofpreparationconditionsonthesurfacemodifi—cationandperformanceofpolyethersulfoneultrafiltra—tionmembranes[J]．JApplPolymSci，2006，99：2978—2988．[7]Mosqueda-JimenezDB，NarbaitzRM，MatsuuraT，eta1．Influenceof，processingconditionsonthepropertiesofuhrafiltrationmembranesEJ]．JMembrSci，2004，231：209—224．[8]HwangJR，KooSH，KimJH，etal．EffectsofCast-ingsolutioncompositiononperformanceofpoly(ethersulfone)membrane[-J]．JApplPolymSci，1996，60：1343—1348．[97BarzinJ，FeIlgC，KhulbeKC，eta1．Characterizationofpolyethersulfonehemodialysismembranebyuhrafil—trationandatomicforcemicroscopyFJJ．JMembrSci，2004，237：77—85．[10]MiyanoT，MatsuuraT，Sourirajans．Effectofpoly-vinylpyrrolidoneadditiveontheporesizeandtheporesizedistributionofPolyethersulfone[J]．ChemEnaCommunications，1993，119：23--39．evaluatingrejectionperformanceofspectrophotometryandTOCanalyzerZHOUChen，LUXiaofeng。，HOUZhengchi，BIANXiaokaiSHILiuqing。LjUZhongying(ShanghaiInstituteofAppliedPhysics，ChineseAcademyofSciences，Shanghai201800，China)Abstract：ThecomparisonbetweenthemethodsofultravioletspectrophotometryandtotalorganiccarbonanalysistodeterminetherejectionoftheultrafihrationmembranewasmadebasedonstudiesoftheuhrafihrationperformanceofPVDFmembraneandPESmembrane．Basedon10seriesofparalleltestsusing6probesolutes(eggwhitealbuminandbovineserumalbumin，a—chymotrypsinandPEG2000，PEGl0000，PEG6000)．TheresultsgotfromultravioletspectrophotometrycoincidewiththatfromTOCanalysis．Factoranalysiswasusetofurtherdiscusstheinfluenceofmethodchoice．TheproblemsofultravioletspectrophotometrysuchasPEGcolorationtimewerediscussed．Andtheadvantagesincludingspeed，accuracyandenvironmentalfriendlywillwidentheapplicationofthemethodofTOCanalysisintheareaofmembraneappraisement．Keywords：ultrafiltration；rejectionratio；ultravioletspectrophotometry；totalorganiccarbonanalysis 分光光度法和总有机碳法对超滤膜截留性能测定的比较作者：周晨，陆晓峰，侯铮迟，卞晓锴，施柳青，刘忠英，ZHOUChen，LUXiaofeng，HOUZhengchi，BIANXiaokai，SHILiuqing，LIUZhongying作者单位：中国科学院上海应用物理研究所,上海,201800刊名：膜科学与技术英文刊名：MembraneScienceandTechnology年，卷(期)：2011,31(5)参考文献(10条)1.Mosqueda-JimenezDB;NarbaitzRM;MatsuuraTEffectsofpreparationconditionsonthesurfacemodificationandperformanceofpolyethersulfoneultrafiltrationmembranes20062.卞晓锴;陆晓峰;施柳青白质超滤过程及超滤膜的改性研究现状20013.XuZhenliang;AlsalhyQusayFEffectofpolyethyleneglycolmolecularweightsandconcentrationsonpolyethersulfonehollowfiberultrafiltrationmembranes20044.ChakrabartyB;GhoshalAK;PurkaitMKEffectofmolecularweightofPEGonmembranemorphologyandtransportproperties[外文期刊]2008(1/2)5.超滤装置标准.HJ/T271,20066.MiyanoT;MatsuuraT;SourirajanSEffectofpolyvinylpyrrolidoneadditiveontheporesizeandtheporesizedistributionofPolyethersulfone19937.华耀祖超滤技术与应用20038.BarzinJ;FengC;KhulbeKCCharacterizationofpolyethersulfonehemodialysismembranebyultrafiltrationandatomicforcemicroscopy20049.HwangJR;KooSH;KimJHEffectsofcastingsolutioncompositiononperformanceofpoly(ethersulfone)membrane199610.Mosqueda-JimenezDB;NarbaitzRM;MatsuuraTInfluenceofprocessingconditionsonthepropertiesofultrafiltrationmembranes[外文期刊]2004(1/2)本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_mkxyjs201105007.aspx'