張俊偉，鄒凱倫

(杭州安諾過濾器材有限公司，浙江 杭州 311404)

微孔濾膜分離技術(shù)是一種壓力驅(qū)動(dòng)型膜分離技術(shù)，其核心組件是采用高分子有機(jī)材料(如聚醚砜，聚四氟乙烯，聚偏二氟乙烯等)或無機(jī)材料(陶瓷，玻璃纖維，金屬等)制備的微孔濾膜。流體(液體和氣體)，在過濾上下游壓差力的作用下，經(jīng)過微孔濾膜的過濾，流體中粒徑大于膜孔徑(通常為0.03-100 μm)的微粒會(huì)被微孔濾膜截留或吸附，下游則得到了較純凈的流體，從而達(dá)到了固液分離和固氣分離的效果[1]。從世界范圍來看，普通如家庭生活、大型如工業(yè)生產(chǎn)、高端如科學(xué)研究，都在不同程度上應(yīng)用微孔濾濾膜分離技術(shù)。微孔濾膜和以其為核心材料制成的濾器在應(yīng)用端主要性能表現(xiàn)在以下方面：①截留率；②納污量；③化學(xué)性兼容性；④表面濕潤程度；⑤使用溫度范圍；⑥機(jī)械強(qiáng)度；⑦可清洗性；⑧吸附性等。早在二戰(zhàn)期間，德國就開始嘗試用孔徑約0.5μm的微孔濾膜檢測城市給水系統(tǒng)中的大腸桿菌。戰(zhàn)后，美、英等國深入開展了濾膜技術(shù)的研究，并于1947年起各自相繼成立了濾膜的工業(yè)生產(chǎn)和研究機(jī)構(gòu)，其中包括了一些世界著名的微孔膜和濾器生產(chǎn)型企業(yè)，如Merk Millipore，Pall，3M等。近十幾年來，隨著各類型微孔濾膜和以其為核心材料制成的濾器的研制成功和應(yīng)用開發(fā)，該項(xiàng)類型產(chǎn)品及相關(guān)技術(shù)不僅在世界各國科研，各工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域和民用領(lǐng)域中得到較廣泛的應(yīng)用，而且也已經(jīng)應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)室研究和分析檢測領(lǐng)域中，具體應(yīng)用點(diǎn)包括了：色譜分析、液體澄清/除菌/除病毒過濾、無菌通氣、微生物檢測和計(jì)數(shù)、蛋白和核酸檢測、環(huán)境空氣細(xì)顆粒物(PM2.5)監(jiān)測和醫(yī)療診斷試紙等。接下來，本文就微孔濾膜在國內(nèi)外實(shí)驗(yàn)室研究和分析檢測領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行較為詳細(xì)的綜述。

1 微孔濾膜在色譜分析中的應(yīng)用

微孔濾膜及濾器在化學(xué)分析研究中具有十分廣泛的應(yīng)用。分析儀器諸如高效液相色譜(HPLC)、氣相色譜(GC)、凝膠色譜(GPC)、離子色譜(IC)以及電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)等在制樣時(shí)均需使用相關(guān)微濾產(chǎn)品去除樣品中的顆粒雜質(zhì)，防止管路、泵或分離柱等關(guān)鍵零部件的堵塞或損傷，延長整機(jī)的使用壽命的同時(shí)并保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

以HPLC為例，其進(jìn)樣前需要使用0.22 μm或0.45 μm的針式過濾器，配合針筒手工推注過濾樣品，去除不溶性的顆粒物。HPLC的流動(dòng)相在使用前也需要用0.22 μm或0.45 μm微孔濾膜配合玻璃抽濾瓶進(jìn)行真空抽濾去除顆粒，或者也可在HPLC上安裝在線過濾/脫氣裝置，微孔濾膜對流動(dòng)相過濾去除顆粒的同時(shí)還可以脫除分散其中的微小氣泡，減少基線波動(dòng)[2]。

2 微孔濾膜在液體澄清/除菌/除支原體過濾中的應(yīng)用

在生化實(shí)驗(yàn)操作中，經(jīng)常需要對各種溶液進(jìn)行澄清處理。最常用的處理方式就是微孔膜過濾法。對于高顆粒物含量或者高粘度的溶液，為了減少濾材因堵塞而頻繁更換，可以選擇具有高納污量、低阻力的超細(xì)玻璃纖維濾紙進(jìn)行過濾，但需要注意的是下游可能會(huì)有纖維脫落。對于尺寸較小的細(xì)微顆粒(0.1～1.0 μm)，則需要采用精度更高的微濾膜來實(shí)現(xiàn)去除。使用的過程中，應(yīng)依據(jù)溶液的特性(pH、極性、溶度參數(shù)、溫度等)，選擇合適材質(zhì)的進(jìn)行過濾。在經(jīng)高壓蒸汽滅菌、γ輻照或EO熏蒸等方式滅菌后，微孔濾膜及濾器可被用于溶液的除菌過濾，特別是一些含有溫敏性物質(zhì)而無法采用高溫蒸汽滅菌的溶液。因而這種除菌方式又被成為“冷除菌”。生化實(shí)驗(yàn)中常見的培養(yǎng)基、緩沖液、血清、蛋白溶液等都可以采用微孔濾器進(jìn)行除菌。能夠通過107CFU/cm2缺陷短波單胞菌(Brevundimonasdiminuta,ATCC 19146)挑戰(zhàn)水平測試的微孔過濾器被認(rèn)為是“除菌級”，其孔徑等級被定義為0.22 μm或0.2 μm[3-4]。此外，0.1 μm孔徑等級的微孔濾膜被認(rèn)為是可以在一定程度上除支原體。美國Merck millipore公司和美國Pall公司均先后推出了商品化的0.1 μm除支原體過濾器[5]，但這些產(chǎn)品都是基于自己的公司的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。目前國際上除支原體過濾器的測試標(biāo)準(zhǔn)尚屬空白。上述的應(yīng)用信息匯總見表1。

表1 液體澄清/除菌/除支原體過濾應(yīng)用性能匯總Table 1 Application performance summary of liquidclarification / sterilization / mycoplasma removal filters

3 微孔濾膜在無菌通氣(氣體無菌過濾)過程中的應(yīng)用

0.22 μm孔徑等級的疏水聚四氟乙烯(PTFE)和疏水聚偏二氟乙烯(PVDF)微孔濾膜因其自身天然的強(qiáng)疏水性和良好的阻菌性能，被廣泛用于無菌通氣，如實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的微生物發(fā)酵、細(xì)胞培養(yǎng)、植物無土培養(yǎng)。

微生物好氧發(fā)酵過程中需使用Φ 50 mm 0.22 μm 疏水PTFE微孔濾膜制成的蝶式過濾器進(jìn)行無菌通氣。PTFE蝶式過濾器讓發(fā)酵時(shí)產(chǎn)生代謝氣體從內(nèi)部經(jīng)膜孔排出發(fā)酵罐，同時(shí)外部空氣經(jīng)膜孔進(jìn)入發(fā)酵罐內(nèi)，而環(huán)境中的雜菌和灰塵則被濾膜阻擋在外，避免發(fā)酵罐內(nèi)感染雜菌。

PTFE膜也可以應(yīng)用在細(xì)胞培養(yǎng)(懸浮培養(yǎng)和貼壁培養(yǎng))。0.22 μm PTFE微孔濾膜被焊接在細(xì)胞培養(yǎng)瓶的瓶蓋上，起到阻菌和換氣的作用。

4 微孔濾膜在微生物檢測和計(jì)數(shù)中的應(yīng)用

在二十世紀(jì)六十年代，世界各國已經(jīng)開始推廣基于微孔濾膜的微生物檢測分析技術(shù)[6]。目前，微孔濾膜法是一種國際公認(rèn)的微生物標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)方法。該方法已經(jīng)寫入到美國USP、歐洲EP、日本JP和中國藥典2015版中，并得到FDA和EPA等組織的承認(rèn)，廣泛應(yīng)用于藥品、食品飲料、化妝品的微生物指標(biāo)控制和潔凈環(huán)境檢測等領(lǐng)域。微孔濾膜過濾法(又稱薄膜過濾法)是指采用一定孔徑等級的無菌微孔濾膜截留流體里的微生物，然后轉(zhuǎn)移至合適的培養(yǎng)基上進(jìn)行培養(yǎng)及菌落計(jì)數(shù)。該過程常被應(yīng)用于微生物限度檢測和無菌檢測。與傳統(tǒng)平皿涂布法相比，薄膜過濾法具有不受樣品體積限制、可洗去抑制物、高靈敏度等優(yōu)點(diǎn)。

用于檢測和計(jì)數(shù)的微孔濾膜材質(zhì)主要有混合纖維素酯(MCE)膜和硝酸纖維素酯(NC)膜。后者較脆，而前者在后者基礎(chǔ)上加入了醋酸纖維素酯(CA)材料，使其具有更好的韌性。膜面上一般會(huì)用非抑菌性的油墨印上網(wǎng)格，方便菌落形成后計(jì)數(shù)。濾膜孔徑等級包括0.22 μm、0.45 μm、0.65 μm、0.8 μm和1.2 μm幾種。其中0.45 μm應(yīng)用的最為廣泛，兼顧了對微生物的高截留效率和對液體的快速過濾要求，可用作細(xì)菌總數(shù)計(jì)數(shù)，微生物復(fù)活率可達(dá)到90%以上(相比平板涂布法)。0.22 μm相比0.45 μm對微生物的截留濾更高，但流速慢。0.65 μm、0.8 μm和1.2 μm實(shí)際孔徑較大，流速快，但截留性能低，不適合細(xì)菌總數(shù)計(jì)數(shù)，主要用于酵母和霉菌的培養(yǎng)、計(jì)數(shù)。關(guān)于上述的應(yīng)用要求，由美國材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)(ASTM)研究制定了一系列標(biāo)準(zhǔn)測試方法，來評判產(chǎn)品是否符合要求，列于表2。

表2 ASTM關(guān)于微孔濾膜在微生物檢測和計(jì)數(shù)的系列標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Series of ASTM standards for microporous filters in microbial detection and counting application

5 微孔濾膜在蛋白和核酸檢測中的應(yīng)用

20世紀(jì)70年代，學(xué)者們發(fā)現(xiàn)微孔濾膜可以吸附生物分子(DNA、RNA和蛋白質(zhì))，進(jìn)而逐漸開發(fā)出了Southern Blotting、Northern Blotting、Western Blotting和Eastern Blotting幾種檢測方法。生物分子主要通過疏水作用結(jié)合到濾膜上，而微孔濾膜所帶電荷也對生物分子的結(jié)合起到一定的作用。常用的轉(zhuǎn)印膜有硝酸纖維素酯(NC)膜、聚偏二氟乙烯(PVDF)膜和尼龍濾(Nylon)膜。三種濾膜各有其優(yōu)缺點(diǎn)，進(jìn)行轉(zhuǎn)印操作時(shí)需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇。

Western Blotting，又稱蛋白質(zhì)印跡，是指利用十二烷基磺酸鈉―聚丙烯酰胺凝膠(SDS-PAGE)電泳將不同分子量的蛋白質(zhì)進(jìn)行分離，并將蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)印到微孔濾膜上，然后用特定的一抗和二抗與目標(biāo)蛋白進(jìn)行特異性結(jié)合、顯色，檢測目標(biāo)蛋白的一種方法。適用于Western Bloting的濾膜主要有NC和PVDF濾膜。NC膜是最早用于Western Blotting的微孔濾膜，其操作簡便，價(jià)格便宜，背景低，但是膜本身較脆且容易卷，蛋白結(jié)合力略差，且不能重復(fù)使用。PVDF轉(zhuǎn)印膜于1985年推出應(yīng)用于蛋白質(zhì)印跡。與NC膜相比，其價(jià)格更昂貴，但蛋白結(jié)合能力更高，膜的韌性更好，可重復(fù)使用[13]。

6 微孔濾膜在環(huán)境空氣細(xì)顆粒物(PM2.5)監(jiān)測中的應(yīng)用

近年來我國環(huán)境污染問題日趨突出，特別秋冬季節(jié)全國范圍內(nèi)長時(shí)間的霧霾污染，對人們的健康、生活和工作造成了嚴(yán)重的影響。政府對空氣污染問題空前重視，不斷加大對環(huán)境空氣監(jiān)測活動(dòng)的投入。

PM2.5指環(huán)境空氣中空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑小于等于2.5 μm的顆粒物，也稱細(xì)顆粒物。其監(jiān)測方法主要有重量法、β射線法和微量震蕩天平法。這些方法通常需要采用微孔濾膜作為空氣采樣的載體。2013年，中華人民共和國環(huán)境保護(hù)部發(fā)布了《HJ 656-2013環(huán)境空氣顆粒物(PM2.5)手工監(jiān)測方法(重量法)技術(shù)規(guī)范》，該規(guī)范推薦微孔濾膜材質(zhì)可選用玻璃纖維濾(GF)膜、石英(Quartz)濾膜等無機(jī)濾膜和聚四氟乙烯(PTFE)、聚氯乙烯(PVC)、聚丙烯(PP)、混合纖維素酯(MCE)等有機(jī)濾膜，要求對0.3 μm標(biāo)準(zhǔn)粒子的截留效率不低于99.7%[14]、采樣后微孔濾膜還可以用于環(huán)境空氣污染顆粒物來源解析工作。該種濾膜的本底值應(yīng)滿足化學(xué)分析要求，化學(xué)穩(wěn)定要強(qiáng)，不與沉積物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。在進(jìn)行解析工作的時(shí)候，還需要根據(jù)濾膜本身的特性和采樣后用于化學(xué)分析的需求來選擇分析方法[15]。

7 微孔濾膜在醫(yī)療診斷試紙中的應(yīng)用

微孔濾膜在體外診斷試紙領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，目前應(yīng)用形式主要為垂直流和側(cè)向流兩種，具體應(yīng)用點(diǎn)包括糖尿病檢測、心臟標(biāo)志物檢測、腫瘤標(biāo)志物檢測、妊娠檢測等。我國人口基數(shù)大，農(nóng)村人口比例多，然而具備高端設(shè)備的大型醫(yī)院數(shù)量有限，難以滿足目前的醫(yī)療需求。體外診斷試紙因其快速、高效、廉價(jià)等優(yōu)點(diǎn)，非常適合于基層醫(yī)療的檢測要求。

微孔濾膜作為載體膜用于垂直流測試，主要起到固定抗體、抗原、酶等物質(zhì)的作用，待測樣品由膜的上端流至下端，故稱垂直流。常用膜材為聚醚砜和玻璃纖維材質(zhì)，厚度一般在100～140 μm，膜標(biāo)稱孔徑在0.05～0.45 μm之間。

微孔濾膜作為載體膜用于側(cè)向流測試，待測樣品由膜的左側(cè)經(jīng)毛細(xì)效應(yīng)流向右側(cè)，故稱側(cè)向流。常用膜材為硝酸纖維素膜，標(biāo)稱孔徑為4～10 μm，膜厚度在150～240 μm，NC膜帶正電，對帶負(fù)電的蛋白質(zhì)具有很強(qiáng)的吸附作用，在其上負(fù)載抗體或抗原，可以對相應(yīng)物質(zhì)進(jìn)行檢測[16]。

8 微孔濾膜在實(shí)驗(yàn)室研究與分析檢測方面的應(yīng)用發(fā)展趨勢

微孔濾膜自20世紀(jì)初誕生至今經(jīng)歷了近100年的發(fā)展，膜的品種和規(guī)格不斷豐富和完善，以適應(yīng)日益細(xì)分的行業(yè)應(yīng)用。未來，由于實(shí)驗(yàn)室分析檢測工作對研究測試高效性和數(shù)據(jù)結(jié)果精準(zhǔn)性的要求，微孔濾膜產(chǎn)品在該方向的應(yīng)用發(fā)展趨勢將主要朝著“集成化和自動(dòng)化”的方向發(fā)展。原本需多環(huán)節(jié)操作實(shí)現(xiàn)的功能，將可由一個(gè)高度集成的單元一步實(shí)現(xiàn)，從而在減少繁瑣的操作流程的同時(shí)，還能提高結(jié)果的精準(zhǔn)性和重復(fù)性。微濾產(chǎn)品的設(shè)計(jì)將更多的符合自動(dòng)化操作的要求，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)大量、快速的操作。

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