氧化石墨烯基納濾膜對5種小分子生物堿的透過行為研究

張慧苗，吳倩蓮，崔嬌陽，黃銘聰，周 藝，李 博，唐志書，張 悅*，朱華旭, *

·藥劑與工藝·

氧化石墨烯基納濾膜對5種小分子生物堿的透過行為研究

張慧苗1，吳倩蓮1，崔嬌陽1，黃銘聰1，周 藝1，李 博1，唐志書2，張 悅1*，朱華旭1, 2*

1. 南京中醫(yī)藥大學(xué) 江蘇省植物藥深加工工程研究中心，江蘇 南京 210023 2. 陜西中醫(yī)藥大學(xué) 陜西省中藥資源產(chǎn)業(yè)化部省共建協(xié)同創(chuàng)新中心，陜西 咸陽 712046

研究水溶性、相對分子質(zhì)量小的生物堿透過氧化石墨烯基納濾膜的規(guī)律，為氧化石墨烯基納濾膜應(yīng)用于中藥水提液藥效成分分離提供依據(jù)。以鹽酸小檗堿為模板分子，研究膜材料中氧化石墨烯含量、碳納米管含量對分離性能的影響；進(jìn)而以5種生物堿小分子——硫酸長春堿、鹽酸巴馬汀、鹽酸小檗堿、苦參堿、槐果堿為考察對象，考察不同相對分子質(zhì)量對膜截留率和通量的影響，探究氧化石墨烯基納濾膜對小分子的選擇性透過規(guī)律。隨著氧化石墨烯用量增加，氧化石墨烯膜對鹽酸小檗堿的截留率增加，膜通量隨之降低；隨著碳納米管含量的增加，膜對鹽酸小檗堿的截留率降低，膜通量隨之升高。當(dāng)生物堿相對分子質(zhì)量由246.35增加至371.82時(shí)，對應(yīng)的膜截留率由64.75%增加至97.29%，但繼續(xù)增加相對分子質(zhì)量至909.05后，膜截留率不再有顯著變化。氧化石墨烯基納濾膜對相對分子質(zhì)量為300左右的生物堿分子具有理想的分離效果，有望實(shí)現(xiàn)該類小分子的高效分離。

納濾膜；生物堿；氧化石墨烯；碳納米管；相對分子質(zhì)量；硫酸長春堿；鹽酸巴馬汀；鹽酸小檗堿；苦參堿；槐果堿；中藥；截留率；膜通量

中藥水提液成分的分離純化是中藥制劑中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1]。傳統(tǒng)的藥效小分子分離純化常用水蒸氣蒸餾、高速逆流色譜、制備液相色譜、超臨界萃取、大孔樹脂吸附等方法，但因分離過程耗能大、純化效率低而難以達(dá)到理想的分離效果[2-4]。膜分離技術(shù)是新型高效分離技術(shù)，由于能耗低、可控性強(qiáng)、操作簡便等特點(diǎn)，近年來常被應(yīng)用于中藥藥效成分的分離純化[5]。氧化石墨烯（graphene oxide，GO）是一種新興的二維材料、具有豐富的羥基、羧基、環(huán)氧基等含氧官能團(tuán)，成膜時(shí)，GO分散液經(jīng)過脫水，片層之間的氫鍵和sp2區(qū)域的π-π相互作用實(shí)現(xiàn)了GO二維片層的層層緊密結(jié)合，層層堆疊的氧化石墨烯基納濾膜通過膜的表面官能團(tuán)和氧化石墨烯片層間距實(shí)現(xiàn)對不同分子的選擇性透過[6-8]，由于分離效率高而具有廣闊的應(yīng)用前景。

近幾年來，以GO為基礎(chǔ)的納濾膜在有機(jī)物分離方面取得了重大進(jìn)展。如通過浸沒沉淀工藝制備了聚偏氟乙烯/氧化石墨烯（polyvinylidene fluoride/ graphene oxide，PGO）復(fù)合膜，在復(fù)合膜上以還原氧化石墨烯（reduced graphene oxide，rGO）薄層為載體，改善了親水性［水通量900 L/(m2?h?MPa)16 900 L/(m2?h?MPa)］，所得膜對有機(jī)染料的截留率高達(dá)99%以上[9]；在GO膜中加入纖維素納米晶體（cellulose nanocrystals，CNC）制備氧化石墨烯纖維素納米晶體（graphene oxide cellulose nanocrystals，GO/CNC）雜化膜，改善了膜親水性，增加了膜褶皺結(jié)構(gòu)，對磺胺甲惡唑、左氧氟沙星和諾氟沙星的有效截留率分別達(dá)到了74.8%、90.9%和97.2%，對NO3?、H2PO4?等營養(yǎng)離子的回收率亦顯著提高[10]；通過壓力輔助自組裝過濾技術(shù)，在改性聚丙烯腈載體上制備了以超親水的金屬有機(jī)骨架（metal-organic framework，MOF）為分離填料的MOF@GO膜，顯著提高了醋酸乙酯/水混合物的滲透氣化通量和分離因子，滲透通量高達(dá)2423 g/(m2?h)[11]。

本實(shí)驗(yàn)首次將GO制備成的膜材料應(yīng)用于中藥成分的分離純化，研究中首先采用真空抽濾法將GO沉積在聚四氟乙烯（polytetrafluoroethylene，PTFE）襯底表面，制備純GO膜；為進(jìn)一步提高GO膜的滲透性，采用碳納米管（carbon nanotubes，CNT）為插層劑制備碳納米管改性的氧化石墨烯（graphene oxide/carbon nanotube，GC）膜；進(jìn)而以5種小分子生物堿——硫酸長春堿（vinblastine sulfate，VS）、鹽酸小檗堿（berberine hydrochloride，BH）、鹽酸巴馬汀（palmatine hydrochloride，PH）、苦參堿、槐果堿為實(shí)驗(yàn)研究對象，考察其透過規(guī)律，以期為GO基納濾膜應(yīng)用于中藥成分的分離純化提供依據(jù)。

1 儀器與材料

1.1 儀器

1000 mL溶劑過濾器，飛達(dá)公司；SHZ-D（III）型循環(huán)水泵，鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司；KH-100型超聲波清洗器，昆山禾創(chuàng)超聲儀器有限公司；JY92-IIN型超聲波細(xì)胞破碎儀，上海滬析實(shí)業(yè)有限公司；Quanta 250 FEG型場發(fā)射掃描電子顯微鏡（FE-SEM），賽默飛世爾科技有限公司；D8 Advance X型射線衍射（XRD）儀，布魯克科技有限公司；Waters e2695型高效液相色譜系統(tǒng)含四元泵溶劑系統(tǒng)、在線脫氣機(jī)和自動進(jìn)樣器、Waters 2998型紫外檢測器，美國Waters公司；OCA20型接觸角/表面張力測量儀，德國Dataphysics公司；Zorbax SB-C18色譜柱（250 mm×4.6 mm，5 μm），美國安捷倫有限公司；Thermo Heraeus Multifuge X1R型臺式高速離心機(jī)（＝6.75 cm），賽默飛世爾科技公司。

1.2 試劑

GO分散液（1～6層，5 mg/mL）、羧基化碳納米管（外徑8～15 nm），先豐納米材料科技有限公司；聚四氟乙烯膜，海鹽新東方塑化科技有限公司；5種生物堿購于南通飛宇生物科技有限公司，苦參堿（批號FY139S1019，質(zhì)量分?jǐn)?shù)98%）、槐果堿（質(zhì)量分?jǐn)?shù)98%，批號FY36412S0512）、BH（批號FY1705S0306，質(zhì)量分?jǐn)?shù)98%）、PH（質(zhì)量分?jǐn)?shù)95%，批號FY22110702）、VS（質(zhì)量分?jǐn)?shù)97%，批號FY00S060401）；4種生物堿對照品購于南通飛宇生物科技有限公司，苦參堿（批號FY138B7111，質(zhì)量分?jǐn)?shù)98%）、槐果堿（批號FY138B7113，質(zhì)量分?jǐn)?shù)98%）、PH（批號FY1077B326，質(zhì)量分?jǐn)?shù)98%）、VS（批號FY00B0401，質(zhì)量分?jǐn)?shù)98%）；BH對照品（批號Y31J9H67024，質(zhì)量分?jǐn)?shù)98%），上海源葉生物科技有限公司。

2 方法與結(jié)果

2.1 GO基納濾膜的制備

2.1.1 GO分散液的制備 取1 mL 5 mg/mL GO分散液分散在去離子水中，稀釋至0.5 mg/mL，備用。

2.1.2 羧基化碳納米管分散液的制備 將10 mg羧基化碳納米管分散于20 mL去離子水中，超聲破碎30 min，稀釋至0.1 mg/mL，隨后使用離心機(jī)以6000 r/min的轉(zhuǎn)速離心20 min，離心取上清液備用。

2.1.3 GO膜的制備 取適量的GO分散液于去離子水中，冰水浴超聲分散30 min；將PTFE膜在水中浸泡1 h，取出。將超聲好的GO分散液真空抽濾到PTFE膜上，室溫下干燥過夜，得到GO膜。命名為GO-X（X＝0.5、1.0、1.5、2.0，X為使用GO分散液的體積）、GO-Y（Y＝VS、PH、BH、苦參堿、槐果堿，Y為生物堿成分的縮寫）。

2.1.4 GO/CNT復(fù)合膜的制備 取適量的GO及CNT分散液分散于去離子水中，冰水浴超聲分散30 min；將PTFE膜在水中浸泡1 h，取出。將超聲好的GO、CNT混合液真空抽濾到PTFE膜上，室溫下干燥過夜，得到GO/CNT復(fù)合膜。命名為GC-X（X＝1.0、2.0、3.0、5.0，X為使用CNT分散液的體積）和GC-Y（Y＝VS、PH、BH、苦參堿、槐果堿，Y為生物堿成分的縮寫）。

2.2 膜的表征

2.2.1 FE-SEM觀察 取制備好的GO-2.0和GC-2.0膜剪成1 cm×1 cm大小，使用Quanta 250 FEG場發(fā)射掃描電子顯微鏡對膜的表面和斷面進(jìn)行掃描。圖1分別為GO-2.0和GC-2.0膜的表面和斷面的SEM圖。由圖1可以看出，GO表面有明顯褶皺結(jié)構(gòu)（圖1-aI），這是由于GO片層自發(fā)降低表面能導(dǎo)致的收縮卷曲。斷面圖1-aII表現(xiàn)了GO膜層層堆疊的空間結(jié)構(gòu)，正是這些堆疊的GO片層產(chǎn)生的層間距為物質(zhì)分離提供了遷移通道。從圖1-bI可以看出，插層劑CNT均勻分布在GO片層中，這些插層劑可以調(diào)整GO片層間距，調(diào)節(jié)分離通道的界面性質(zhì)，為物質(zhì)分離提供所需的理化環(huán)境。圖1-bII為GC的斷面圖，與GO斷面圖類似，也可看出明顯層層堆疊結(jié)構(gòu)，說明插層劑的加入沒有破壞氧化石墨烯膜特有的層間分離通道。

圖1 GO-2.0(a)和GC-2.0 (b)膜的表面(I)和斷面(II)的SEM圖

2.2.2 XRD分析 取制備好的GO-2.0和GC-2.0膜剪成1 cm×2 cm大小，使用D8 Advance X射線衍射儀進(jìn)行檢測。X射線衍射儀檢測結(jié)果見圖2。通過X射線衍射儀檢測GO-2.0和GC-2.0膜的XRD圖譜，結(jié)合布拉格方程（式1）[12]計(jì)算GO基納濾膜的層間距。根據(jù)XRD圖譜計(jì)算得出GO-2.0膜的層間距為0.813 nm，加入CNT之后GC-2.0膜的層間距為0.818 nm，說明CNT的加入增大了氧化石墨烯的片層間距。

2sin＝（1）

為晶面距離（此處對應(yīng)層間距），為入射線（反射線）與反射晶面之間的夾角，為衍射級數(shù)，為X射線波長

2.2.3 接觸角測定 GO-2.0和GC-2.0膜的動態(tài)接觸角變化如圖3所示，GO-2.0膜的初始接觸角為80.35°，說明GO-2.0膜表面相對親水，這是因?yàn)镚O表面含有大量親水性的含氧官能團(tuán)。

圖2 GO-2.0和GC-2.0膜的XRD圖

圖3 GO-2.0和GC-2.0膜的動態(tài)接觸角

研究中同時(shí)發(fā)現(xiàn)，加入插層劑CNT后，GC-2.0膜的初始接觸角降低為60.85°，說明CNT的加入明顯改善了GO-2.0膜的親水性。0～100 s內(nèi)，GO-2.0和GC-2.0膜的接觸角下降速率均為0.31°/s，200 s后的下降速率分別為0.05°/s和0.08°/s，說明GC-2.0膜的滲水性能優(yōu)于GO-2.0膜，可能是因?yàn)榧尤媵然疌NT后，親水基團(tuán)-COOH增加，膜的親水性增加，且羧基化碳納米管插入GO膜的層內(nèi)，提供了1個疏松的支撐層，減小了水分子的透膜阻力，使膜的滲水性能增加。

2.3 膜性能測試

為評價(jià)GO基濾膜對中藥小分子的分離性能，采用死端過濾裝置對GO膜及GC膜進(jìn)行膜性能測試，測試時(shí)間為7 h，透過液及截留液體積隨膜通量的不同而不同。在室溫和0.2 MPa的壓力下，選擇5種不同相對分子質(zhì)量的生物堿小分子作為研究對象，考察其通量、截留率及分離效果。

2.3.1 對照品溶液的制備 精密稱取苦參堿、槐果堿、BH、PH、VS適量，加甲醇溶解配制成質(zhì)量濃度為5、10、20、30、40、50、60、70、80、90、120 mg/L的溶液。

2.3.2 供試品溶液的制備 精密量取透過GO膜的透過液，稀釋適當(dāng)倍數(shù)，經(jīng)0.22 μm的微孔濾膜濾過，取續(xù)濾液，即得。

2.3.3 生物堿液相色譜條件 生物堿溶液包括：苦參堿溶液、槐果堿溶液、BH溶液、PH溶液、VS溶液，使用Waters（e2695）高效液相色譜儀測定生物堿成分的含量。色譜條件與系統(tǒng)適應(yīng)性條件：Zorbax SB-C18（250 mm×4.6 mm，5 μm）色譜柱；以乙腈為流動相A，0.1%磷酸-0.05%三乙胺水為流動相B；柱溫30 ℃；體積流量0.8 mg/mL。

（1）苦參堿：流動相A、B比例為10∶90，等度洗脫，檢測波長為220 nm，線性回歸方程為＝ 6 223 762.550 4＋2 212.834 1，2＝0.999 8，線性范圍5～70 mg/L。

（2）槐果堿：流動相A、B比例為10∶90，等度洗脫，檢測波長為220 nm，線性回歸方程為＝ 14 384 927.996 1－3 544.511 3，2＝0.999 7，線性范圍5～70 mg/L。

（3）BH：流動相A、B比例為30∶70，等度洗脫，檢測波長為255 nm，線性回歸方程為＝ 39 806 550.800 4－39 892.431 2，2＝0.999 5，線性范圍5～50 mg/L。

（4）PH：流動相A、B比例為30∶70，等度洗脫，檢測波長為347 nm，線性回歸方程為＝ 47 442 206.214 7－11 146.533 9，2＝0.999 8，線性范圍5～80 mg/L。

（5）VS：梯度洗脫：0～2 min，10% A；2～5 min，10%～20% A；5～7 min，20% A；7～9 min，20%～30% A；9～11 min，30% A；11～16 min，30%～35% A；16～18 min，35% A；18～20 min，30%～10% A；20～25 min，10% A；檢測波長215 nm，線性回歸方程為＝37 456 748.965 5－ 51 172.089 7，2＝0.999 5，線性范圍5～70 mg/L。

2.3.4 膜分離性能參數(shù)計(jì)算 生物堿質(zhì)量濃度依據(jù)上述回歸方程計(jì)算得出。

根據(jù)式（2）計(jì)算得出膜滲透通量（），根據(jù)式（3）計(jì)算得出膜對生物堿成分的截留率（），根據(jù)式（4）計(jì)算得出生物堿成分的分離因子（）。

＝/Δ（2）

＝1－p/f（3）

＝(a/b)/(a/b) （4）

為膜滲透通量，為透過液體積，為有效膜面積，Δ為過濾時(shí)間，p為滲透液質(zhì)量濃度，f為進(jìn)料液質(zhì)量濃度，a和b分別為組分a和b在滲透液中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，a和b分別為組分a和b在原料液中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

2.4 膜材料組成對膜性能的影響研究

2.4.1 GO含量對膜透過性能的研究 為初步考察GO膜對生物堿小分子的選擇透過性，首先以相對分子質(zhì)量371.82的BH為研究對象，通過截留率和膜通量考察GO膜厚度對膜分離性能的影響。結(jié)果如表1所示，在膜運(yùn)行的初始階段（1 h以內(nèi)），GO膜對BH的截留率（按GO含量由高到低，GO-2.0、GO-1.5、GO-1.0、GO-0.5）分別為（97.03±0.13）%、（97.76±0.16）%、（95.95±2.83）%、（95.93±1.44）%，截留率均95.00%以上，但隨著膜運(yùn)行時(shí)間的延長，膜對BH的截留率隨著GO含量的降低而降低，這可能是GO膜在水溶液中溶脹導(dǎo)致的不穩(wěn)定性；膜運(yùn)行7 h以后，GO-2.0、GO-1.5、GO-1.0、GO-0.5膜對BH的截留率下降了8.67%、24.00%、36.68%、60.92%，其中GO-2.0膜對BH的截留率變化最小，膜運(yùn)行7 h后對BH的截留率仍保持在88.00%以上，說明GO-2.0膜的穩(wěn)定性相對較好。

表1 BH透過不同GO含量GO膜的截留率

表2為不同GO膜的平均通量，從表中可以看出，GO膜的通量隨著GO含量的增加而降低；GO-2.0、GO-1.5、GO-1.0、GO-0.5膜對BH的通量分別為（0.38±0.03）、（0.46±0.06）、（0.66±0.44）、 （0.90±0.06）L/(m2·h)。當(dāng)GO含量增加至2.0 mL時(shí)，其通量與GO-0.5膜相比降低了57.78%。在膜運(yùn)行1 h的時(shí)間內(nèi)，4種膜對BH的截留率均為95%以上，說明在1 h內(nèi)4種不同GO含量的膜對于BH的截留效果一致，透過液的體積對截留率影響不明顯。例如GO-2.0膜在前3 h的透過液總體積為1.35 mL，GO-0.5膜在前2 h的透過液總體積為1.38 mL，2種膜的透過液體積相近，但是GO-2.0膜在前3 h的截留率均在95%以上，GO-0.5膜在前2 h的截留率從95%下降到88%，說明透過液體積不是影響截留率的主要因素。隨著膜運(yùn)行時(shí)間的延長，GO含量大的膜對BH的截留效果更好、更穩(wěn)定，原因可能是：（1）GO含量越多，膜制備過程中抽膜時(shí)間增加，與GO含量少的膜相比膜層更為致密；（2）GO含量增加使GO膜層數(shù)增加，BH透過GO膜所需的路徑變長，阻力變大，因此，GO-2.0膜對BH的截留率大于GO-0.5膜對BH的截留率。

這就是我在北大的第一次演講，也是激勵我更加奮發(fā)向上的一次演講，好在我沒有辜負(fù)大家的期望，我只愿以后做得更好。我深深地感恩我的那些可敬的老師和可愛的同學(xué)們。

表2 BH透過不同GO含量GO膜的平均通量

結(jié)合不同GO膜的截留率及其穩(wěn)定性，在保證一定通量的前提下，選用GO-2.0膜，即GO用量為2 mL的膜繼續(xù)研究。

2.4.2 CNT用量對膜性能的研究 研究中發(fā)現(xiàn)，GO含量的增加，顯著提高了膜的穩(wěn)定性以及對BH的截留率，但膜通量明顯降低，影響過膜效率，因此，選擇CNT作為插層劑改善GO膜的通量。為考察插層劑CNT對GO膜的生物堿小分子選擇透過性的影響，同樣以BH為研究對象，通過截留率和通量考察CNT含量對膜分離性能的影響。結(jié)果如表3所示，在膜運(yùn)行的初始階段（1 h以內(nèi)），GC-1.0、GC-2.0、GC-3.0、GC-5.0膜對BH的截留率分別為（97.73±0.05）%、（97.68±0.05）%、（96.44±1.32）%、（95.04±0.28）%，截留率均在95%以上，與GO-2.0膜1 h的截留效果近似。但隨著膜運(yùn)行時(shí)間的延長，膜對BH的截留率隨著CNT含量的升高而降低，膜運(yùn)行7 h后，GC-1.0、GC-2.0、GC-3.0、GC-5.0膜的截留率為（89.73±11.40）%、（60.57±12.52）%、（26.09±12.71）%、（22.51±1.12）%，與1 h截留效果相比下降了8.18%、38.00%、72.95%、75.5%，其中GC-1.0膜的截留率變化較小，膜運(yùn)行7 h后對BH的截留率仍保持在89%以上；與運(yùn)行7 h的GO-2.0膜相比截留效果分別下降了1.24%、31.2%、69.68%、73.67%。GC-2.0膜在膜運(yùn)行3 h以內(nèi)，對BH的截留率仍在90%以上，膜運(yùn)行7 h后對BH的截留率達(dá)到60%。

表3 BH透過不同GNT含量GC膜的截留率

表4為不同GC膜的平均通量，從表中可以看出，隨著CNT含量的增加，GC膜通量隨之升高：當(dāng)CNT用量為1.0、2.0、3.0、5.0 mL時(shí)，GC膜的通量分別為（0.54±0.05）、（1.07±0.19）、（1.72±0.59）、（1.91±0.02）L/(m2h)，與GO-2.0膜相比，GC膜通量分別增加了29.8%、183.36%、354.45%、404.98%。基于膜分離中的“效益悖反（Trade-off）”效應(yīng)[13]（即膜的滲透性越高，選擇性越低），結(jié)合不同GC膜的通量，在保證一定截留效果的前提下選用GC-2.0膜，插層劑含量為2.0 mL的膜繼續(xù)研究。

表4 BH透過不同CNT含量GC膜的平均通量

2.5 5種生物堿透過GO基納濾膜的分離行為研究

2.5.1 5種不同相對分子質(zhì)量生物堿透過GO膜和GO/CNT復(fù)合膜的透過規(guī)律研究 為考察GO和GC膜對不同生物堿小分子的選擇透過性，選擇了黃連[14]、苦參[15]、長春花[16]等中藥中常見的5種不同相對分子質(zhì)量的水溶性生物堿作為研究對象：VS（相對分子質(zhì)量909.05）、PH（相對分子質(zhì)量387.86）、BH（相對分子質(zhì)量371.82）、苦參堿（相對分子質(zhì)量248.37）、槐果堿（相對分子質(zhì)量246.35），通過截留率和通量考察GO和GC膜對生物堿小分子的選擇透過性。

圖4為5種生物堿分子的球棍模型圖，表5為5種生物堿小分子的理化性質(zhì)，其中pH值為實(shí)測值，對應(yīng)pH值下的電荷為ChemAxon（http://www. chemicalize.com）網(wǎng)站所得，斯托克斯半徑（Stokes radius）是依據(jù)基于球形溶質(zhì)假設(shè)Stokes-Einstein方程計(jì)算得出，可以看出所選生物堿小分子的空間尺寸隨著相對分子質(zhì)量的增加而增大。

表6～8為生物堿分子單獨(dú)透過GO-2.0和GC-2.0膜的截留率和通量表。如表6所示，在膜運(yùn)行1 h內(nèi)，GO-2.0膜對VS、PH、BH的截留率均在 （97.26±0.06）%、（92.62±6.16）%、（97.29±0.46）%，對苦參堿和槐果堿的截留率為（65.95±13.86）%和（64.75±21.95）%；但隨著膜運(yùn)行時(shí)間的延長，GO-2.0膜對生物堿的截留率均有所下降，這可能是因?yàn)镚O膜含有豐富的含氧官能團(tuán)，導(dǎo)致GO膜在水溶液中容易膨脹并變得不穩(wěn)定，因此膜對生物堿的截留率存在一定的下降趨勢。膜運(yùn)行7 h后，VS、PH、BH、苦參堿和槐果堿的截留率分別為（84.79±21.79）%、（66.85±25.57）%、（77.97±19.01）%、（5.83±4.75）%、（19.66±0.97）%，分別下降了12.82%、27.82%、19.85%、91.16%、69.64%。

圖4 5種生物堿的球棍模型

表5 5種生物堿小分子的理化性質(zhì)

表6 5種生物堿分子透過GO-2.0膜的截留率

表7 5種生物堿分子透過GC-2.0膜的截留率

表8 5種生物堿分子透過GO-2.0、GC-2.0膜的平均通量

對于同一相對分子質(zhì)量水平的苦參堿與槐果堿，苦參堿比槐果堿大2個相對分子質(zhì)量，但膜對苦參堿的截留率略小于槐果堿的截留率，可能是由于GO膜具有豐富的羥基、羧基等帶負(fù)電性的含氧官能團(tuán)，槐果堿分子所帶正電荷0.963 3大于苦參堿分子所帶的正電荷0.817 8，槐果堿與GO層負(fù)電性官能團(tuán)的靜電吸附作用較強(qiáng)，在一定程度上促進(jìn)截留率的增加[17]；5種生物堿分子所帶電荷大小（表5）為VS＞BH、PH＞槐果堿＞苦參堿，隨著生物堿分子所帶電荷增加，膜對分子的截留率相應(yīng)增加；BH與PH所帶電荷相同，BH的相對分子質(zhì)量小于PH，但其截留率大于PH，可能與分子的空間結(jié)構(gòu)、親疏水性或膜與分子間的相互作用有關(guān)，需要進(jìn)一步的探討研究。

如表7所示，在膜運(yùn)行1 h內(nèi)，GC-2.0膜對VS、PH、BH、苦參堿和槐果堿的截留率分別為（96.98±0.08）%、（98.10±0.52）%、（95.65±3.54）%、 （52.92±10.85）%、（59.43±11.90）%，膜運(yùn)行7 h后，VS、PH、BH、苦參堿、槐果堿的截留率分別為（24.60±13.67）%、（25.26±2.32）%、（49.02±21.88）%、（1.45±0.37）%、（7.06±8.52）%，分別下降了74.63%、74.25%、48.75%、97.26%、88.12%。GC膜與GO膜對生物堿分子的截留趨勢一致：相對分子質(zhì)量大的生物堿分子截留率高，相對分子質(zhì)量小的生物堿分子截留率低，但與GO膜相比，GC膜的運(yùn)行不穩(wěn)定性更高，可能是由于CNT在GC膜內(nèi)無序分散，使膜缺陷增加，膜的通量升高，使得截留性能降低。同時(shí)CNT的加入可以顯著提升膜通量（表8），這可能是因?yàn)镃NT插入后導(dǎo)致分離層間距增大且親水性提高。

高分子膜的選擇性和滲透性之間存在“Trade-off”效應(yīng)[13]——膜的滲透性越高，選擇性越低，膜對PH、BH、苦參堿和槐果堿的選擇性（表6、7）和通量（表8）變化符合“Trade-off”效應(yīng)。相對其他幾種生物堿，VS的相對分子質(zhì)量最大，但通量卻高于PH和BH，這可能是因?yàn)閂S空間結(jié)構(gòu)較大，隨著膜過程的延長，GO片層間距被撐開的幅度大，水分子更容易透過，導(dǎo)致膜通量增大。

2.5.2 5種生物堿透過GO和GC膜的分離因子研究 為了更準(zhǔn)確、直觀地描述GO-2.0和GC-2.0膜對生物堿的分離效果，采用分離因子來評價(jià)5種生物堿的分離效果，結(jié)果如表9、10所示。

表9 5種生物堿分子透過GO-2.0膜時(shí)2分子間的分離因子

表10 5種生物堿分子透過GC-2.0膜時(shí)2分子間的分離因子

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，1 h內(nèi)（表9），PH與槐果堿和苦參堿的分離因子為4.77和4.61，而VS、BH與苦參堿、槐果堿的分離因子則達(dá)到了12.41以上，說明GO-2.0膜對相對分子質(zhì)量在300左右的成分存在著良好的分離效果。隨著膜運(yùn)行時(shí)間的延長，VS、PH、BH與苦參堿、槐果堿之間的分離因子均呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢，2 h時(shí)呈現(xiàn)出最大分離度。加入CNT后（表10），膜的親水性增加，膜的層間距增大，對生物堿溶液的截留率下降，使各成分之間的分離因子減小，但VS、PH和BH對苦參堿和槐果堿在1 h內(nèi)的分離因子仍然可以達(dá)到9以上。說明在短時(shí)間（1 h）內(nèi)GO-2.0和GC-2.0膜對相對分子質(zhì)量在300以上和相對分子質(zhì)量在300以下的生物堿均具有良好的分離效果。

4 討論

生物堿是中藥水提液中常見的一類重要藥效成分。課題組前期采用膜技術(shù)對中藥提取液的分離純化進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示，膜過程中分子的截留效果與分子本身的性質(zhì)和膜材料的性質(zhì)密切相關(guān)[18-20]。本實(shí)驗(yàn)選擇了代表性中藥黃連、苦參等常見的生物堿類成分，該類成分相對分子質(zhì)量在200～1000、水溶性較好，可作為膜透過機(jī)制研究的理想化合物。在膜濾過實(shí)驗(yàn)中，采用GO和GC膜分別進(jìn)行膜過程各類參數(shù)考察，以生物堿的動態(tài)截留率、通量和分離因子評價(jià)其膜透過效率，探索該類生物堿成分與GO基納濾膜之間的膜分離規(guī)律。

研究中發(fā)現(xiàn)：（1）GO基納濾基膜依據(jù)尺寸篩分作用及靜電作用對生物堿表現(xiàn)出不同的分離性能：所選擇的生物堿相對分子質(zhì)量越大，分子的空間尺寸越大，截留率越高，截留效果的穩(wěn)定性越高；同一相對分子質(zhì)量水平的生物堿，與膜之間的靜電作用力越強(qiáng)，截留率越高；（2）加入CNT在提高GO膜滲透性的同時(shí)，伴隨著膜對分子選擇性的降低，體現(xiàn)了高分子膜滲透性與選擇性之間的“Trade-off”效應(yīng)；（3）GO膜對相對分子質(zhì)量在300以上和相對分子質(zhì)量在300以下的生物堿具有良好的分離效果。上述研究結(jié)果為GO膜在中藥水提液成分分離中的應(yīng)用提供了指導(dǎo)。近年來，對于GO膜應(yīng)用于有機(jī)物分離的研究表明，該類膜在水溶液中易膨脹而具有不穩(wěn)定的缺陷[21]，本研究中該類膜的不穩(wěn)定性表現(xiàn)為膜對生物堿的截留率隨著膜運(yùn)行時(shí)間延長而下降，這正是GO膜應(yīng)用于中藥領(lǐng)域迫切需要解決的瓶頸問題，本研究結(jié)果預(yù)期可為GO基納濾膜引入中藥成分分離提供借鑒。

利益沖突 所有作者均聲明不存在利益沖突

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Study on permeability behavior of five small molecule alkaloids in graphene oxide based nanofiltration membranes

ZHANG Hui-miao1, WU Qian-lian1, CUI Jiao-yang1, HUANG Ming-cong1, ZHOU Yi1, LI Bo1, TANG Zhi-shu2, ZHANG Yue1, ZHU Hua-xu1, 2

1. Jiangsu Botanical Medicine Refinement Engineering Research Center, Nanjing University of Chinese Medicine, Nanjing 210023, China 2. Shaanxi Provincial Collaborative Innovation Center of Traditional Chinese Medicine Resources Industrialization, Shaanxi University of Traditional Chinese Medicine, Xianyang 712046, China

To study the law of water soluble and small relative molecular weight alkaloids permeating graphene oxide (graphene oxide, GO) based nanofiltration membrane, and to provide a basis for the separation of the active components of the aqueous extracts of traditional Chinese medicine.The effect of graphene oxide and carbon nanotube (CNT) content of the membrane separation performance was studied by berberine hydrochloride. Then, five kinds of small molecules alkaloids ? vinblastine sulfate, palmatine hydrochloride, berberine hydrochloride, matrine, sophocarpine were selected to investigate the effects of relative molecular weight on membrane rejection rate and flux, and to explore the selective permeability of graphene oxide based nanofiltration membranes.With the increases of GO content, the rejection rate of berberine hydrochloride through GO membrane increased and the flux decreased. As the increases of CNT content, the rejection rate of berberine hydrochloride through GO membranes decreased and the flux increased accordingly. When the relative molecular weight of the alkaloids increased from 246.35 to 371.82, the corresponding rejection rate increased from 64.75% to 97.29%, but the rejection rate no longer changed significantly after continuing to increase the molecular weight to 909.05.Graphene oxide based nanofiltration membranes has a good separation effect on alkaloid molecules with relative molecule weight about 300, which is expected to achieve efficient separation of such small molecules.

nanofiltration membranes; alkaloids; graphene oxide; carbon nanotubes; relative molecular weight; vinblastine sulfate; palmatine hydrochloride; berberine hydrochloride; matrine; sophocarpine; traditional Chinese medicine; retention rate; membrane flux

R283.6

A

0253 - 2670(2023)06 - 1757 - 09

10.7501/j.issn.0253-2670.2023.06.007

2022-09-24

國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目（82004072）；國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（81873015）；國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（82274222）；國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（82274107）

張慧苗，女，碩士研究生，研究方向?yàn)橹兴幩巹W(xué)。E-mail: zhanghm0323@163.com

張 悅，博士，講師，研究方向?yàn)橹兴幠し蛛x技術(shù)。E-mail: zhyue@njucm.edu.cn

朱華旭，博士生導(dǎo)師，研究員，研究方向?yàn)橹兴幩巹W(xué)。E-mail: Huaxu72@126.com

[責(zé)任編輯 鄭禮勝]