1 前言

膜污染是膜分离过程中经常遇到的问题，被认为是引起微滤膜通量下降和使用寿命缩短的重要因素之一^[1-2]。根据污染物的不同，膜污染主要分为无机污染、有机污染以及生物污染^[3]。其中，生物污染是由膜表面的细菌所引起的，由于细菌的运动、分泌和繁殖，生物污染被认为是目前最具破坏性、最不易控制的一种膜污染方式^[4]。因此，研究者们致力于开发一种具有抑菌功能的微孔滤膜，防止生物污染^[5-8]。

将无机金属抗菌剂、有机抗菌剂(季铵盐类、卤胺、壳聚糖等)引入微孔滤膜是制备抑菌微滤膜的常见手段^[9-11]。与有机抗菌剂相比，无机金属抗菌剂(Ag⁺、Cu²⁺、Zn²⁺)具有更佳的抗菌持久性和热稳定性，被更广泛地应用于抑菌膜。膜表面的细菌与金属离子发生接触后，细胞壁发生破裂，金属离子进入细胞体内，细胞壁及体内蛋白发生变性，从而导致细菌失活。Ozay等^[12]将纳米铜超声分散在聚醚砜(PES)铸膜液中，通过非溶剂致相分离法(NIPS)制备了抑菌PES膜。采用普通共混方式引入金属离子虽能较简便地制备抑菌膜，但往往存在较严重的流失现象，不仅限制膜抑菌性，还会对水体造成二次污染。Saraswath等^[13]将纳米银固定在聚多巴胺包覆的改性醋酸纤维素超滤膜上，得到具有良好亲水性和截留污染物性能的抑菌膜，通过阻碍生物膜的形成来防止膜的有机污染和生物污染。Ki等^[14]通过氧化聚合和邻苯二酚基团与Fe³⁺离子间的络合作用，制备了乙二醇衍生3-(3, 4-二羟基苯基)-L-丙氨酸薄膜，该膜能有效抑制细菌的黏附，表现出良好的抗菌能力。通过接枝和涂覆的方式将金属离子固定在膜上可减缓流失，但过程复杂。因此，设计一种对金属离子具有强吸附作用的膜材料对简化制膜过程、制备长效抑菌膜具有重要意义^[15-17]。近期，本实验室发明了一种侧链含苯并咪唑结构的聚芳醚酮/磺化聚芳醚酮，悬挂的苯并咪唑结构使该聚合物具有配位交联能力。在之前的研究中，作者发现相比于其他金属离子，Cu²⁺与苯并咪唑基团间具有更好的配位能力。因此，利用苯并咪唑基团对Cu²⁺的强螯合功能，将Cu²⁺固载在侧链含苯并咪唑结构的聚芳醚酮多孔膜上制备出具有一定抑菌功能的微孔滤膜。

本研究利用苯并咪唑基团对Cu²⁺的螯合作用，制得具有不同孔结构的抑菌微孔滤膜。考察了抑菌膜的Cu²⁺固载量，通过对微孔膜进行抑菌率测试来评价固载Cu²⁺前后膜的抑菌性能变化。此外，对膜的纯水通量、截留性能、抗污性能、亲疏水性以及溶解性能等进行了表征，通过固载前后膜的性能变化说明Cu²⁺的成功固载。最后，对抑菌膜进行了抑菌圈实验和Cu²⁺流失速率测定实验，进一步说明所形成的配位交联结构对Cu²⁺的约束作用，并证实了微孔滤膜的抑菌效果是来自与苯并咪唑基团发生配位交联作用的Cu²⁺。

2 实验部分 2.1 原料与试剂

N, N-二甲基乙酰胺(DMAc，质量分数为98%)、硝酸(质量分数为65%~68%)购于上海凌峰化学试剂有限公司，4, 4’-二氟二苯酮购于金坛松胜医药化工有限公司，六氟双酚A购于上海宁成高分子材料有限公司，无水碳酸钾购于太仓美达试剂有限公司，胰蛋白陈(BR)、酵母浸粉(BR)和琼脂粉(BR)购于英国OXOID公司，纳米铜粉(质量分数为99.9%)和无水乙醇(AR，质量分数为99.7%)购于阿拉丁试剂(上海)有限公司，聚乙二醇200(PEG 200，质量分数99.5%)购于上海中石化三井化工有限公司，牛血清白蛋白(质量分数为98%)购于上海安耐吉化学有限公司，4, 4'-亚甲基联(2-苯并咪唑)苯酚(MBIP)和聚芳醚酮(PAEK)为实验室自制，PAEK的结构式如图 1所示。

2.2 侧链含苯并咪唑结构聚芳醚酮的制备

将MBIP单体(0.43 g，1 mmol)、六氟双酚A (3.03 g，9 mmol)、4, 4'-二氟二苯酮(2.18 g，10 mmol)和碳酸钾(1.59 g，11.5 mmol)置于装有Dean-Stark分水器、回流冷凝管和通氮管的三口烧瓶中，加入DMAc 50 mL和甲苯20 mL，通氮30 min后升温至150 ℃回流反应4 h，分离水和甲苯后升温至170 ℃继续反应21 h。反应液冷却至室温后倾入热水中沉淀、过滤，滤渣经热乙醇反复洗涤，真空干燥至恒重后得黄褐色块状固体，即侧链含苯并咪唑结构聚芳醚酮记为10% SCBI-PAEK，其中苯并咪唑基团量为0.48 mmol⋅g⁻¹，聚合物的相对分子质量为9.86×10⁶，具体的制备流程如图 2所示。

2.3 固载铜离子的微孔滤膜的制备

将自制的含苯并咪唑结构聚芳醚酮、聚乙二醇200、DMAc以质量比m(10%SCBI-PAEK): m(PEG 200): m(DMAc)=16:10:74混合，配制成澄清状铸膜液，真空脱泡后，将铸膜液刮涂在洁净玻璃板上，采用NIPS法制膜，所得微孔滤膜命名为M-1。将含苯并咪唑结构聚芳醚酮、DMAc以质量比m(10% SCBI-PAEK): m(DMAc)=16:84混合配制铸膜液并按照M-1相同的流程制得微孔滤膜，记为M-2。使用不含苯并咪唑基团的PAEK与DMAc以质量比m(PAEK): m(DMAc)=16:84混合并按M-1和M-2相同的流程制备M-3。M-1、M-2和M-3膜的铸膜液组成如表 1所示，表中w为质量分数，将M-1和M-2分别在质量浓度为60 g⋅L⁻¹的醋酸铜水溶液中于70 ℃下浸泡24 h，然后取出置于扰动的去离子水中洗涤1 h以上，所得膜浸泡于去离子水中待用。为设计对照试验，将M-3进行与M-1和M-2相同的处理流程。经处理后的M-1、M-2、M-3膜分别记为M-Cu1、M-Cu2和M-Cu3。具体的制备流程如图 3所示。

2.4 测试与表征 2.4.1 表征

采用核磁共振波谱仪(AVANCE Ⅲ 500 MHz，瑞士Bruker)和傅里叶变换红外光谱仪(Nicolet iS10，美国Nicolet)确定自制聚合物的结构。利用场发射扫描电子显微镜结合能量色散光谱(SU8010，日本Hitachi公司)表征膜的表、断面微观形态和表面元素组成；采用光学接触角测量仪(OCA-20，德国Dataphysics公司)测量膜表面的静态水接触角来表征膜的亲水性；使用孔径分析仪(3H-2000PB，北京贝士德仪器科技有限公司)测量膜的平均孔径；使用原子力显微镜(Dimension ICON，美国Bruker)测量膜的表面粗糙度。

2.4.2 膜的孔隙率测定

膜的孔隙率ε通过干湿重法^[18]由式(1)计算得到

$ \varepsilon = \frac{{{m_1} - {m_2}}}{{{A_{\text{1}}} \times \delta \times \rho }} $

(1)

式中：ε为膜的孔隙率，%；m₁、m₂分别为湿膜和干膜的质量，kg；A₁为样品的面积，m²；δ为湿膜的厚度，m；ρ为25 ℃时水的密度，kg⋅m⁻³。

2.4.3 膜的过滤性能测试

使用自制的错流式过滤装置测试膜的纯水通量、分离性能和抗污性能，牛血清白蛋白(BSA，相对分子质量为66 446)为模型污染物。先将膜样品在0.15 MPa压力下预压30 min，再将压力调至0.10 MPa，待稳定后测试膜的纯水通量J_w。将进料液换为质量浓度为1 g⋅L⁻¹的BSA溶液，重复上述操作，通过测试进料溶液和滤液中BSA的质量浓度变化来表征膜样品对污染物的截留性能R。膜的抗污性能测试包含2个纯水过滤阶段和2个BSA溶液过滤阶段。先后进行1 h的纯水过滤和BSA溶液过滤，每隔5 min记录溶液通量，结束后将膜用去离子水冲洗2 h，重复上述操作。通过紫外可见分光光度计测量溶液在280 nm处的吸光度，经计算得到BSA质量浓度。纯水通量J_w、BSA截留率R和膜的通量恢复率FRR分别由式(2)、(3)和(4)计算得出

$ {J_\mathrm{W}} = \frac{V}{{{A_2} \times t}} $

(2)

$ R = \left( {1 - \frac{{{\rho _\mathrm{p}}}}{{{\rho _\mathrm{f}}}}} \right) \times 100\% $

(3)

$ {\text{FRR}} = \frac{{{J_\mathrm{R}}}}{{{J_\mathrm{W}}}} \times 100\% $

(4)

式中：J_w为膜初始的纯水通量，L⋅m⁻²⋅h⁻¹；V为透过膜的纯水体积，L；A₂为样品的有效过滤面积，m²；t为收集时间，h；R为截留率，%；ρ_f为进料溶液中牛血清蛋白的质量浓度，g⋅L⁻¹；ρ_p为滤液中牛血清蛋白的质量浓度，g⋅L⁻¹；FRR为膜的通量恢复率，%；J_R为被BSA污染并经过反洗后的膜的纯水通量，L⋅m⁻²⋅h⁻¹。

2.4.4 抑菌膜的铜离子流失速率测试

将一定尺寸的膜样品浸泡于37 ℃的去离子水中，每隔24 h取出，借助原子吸收光谱仪得到溶液中的Cu²⁺的质量浓度，并通过考察浸泡液中Cu²⁺质量浓度的变化来表征膜表面固载的铜离子的流失速率。

2.4.5 膜的抑菌性能测试

以大肠杆菌为指示菌，通过抑菌圈实验和抑菌率测试^[19-20]表征膜的抑菌性能。

抑菌圈实验：将接种了大肠杆菌的LB液体营养培养基于37 ℃下培养12 h，然后将原菌液的浓度稀释至10⁶ CFU⋅mL⁻¹均匀涂布至LB固体培养基上，经灭菌处理的膜样品放置于培养基中央，最后将培养皿倒置于37 ℃恒温培养室中培养24 h。

抑菌率实验：将原菌液的浓度稀释至10⁷ CFU⋅mL⁻¹，然后将经灭菌处理的膜样品放入10 mL的稀释菌液，于37 ℃震荡培养24 h，取出后放入9 mL灭菌生理盐水中进行超声处理，测试放入样品前后菌液、超声清洗液在600 nm波长处的吸光值OD₆₀₀。将清洗液稀释至菌液浓度为100~1 000 CFU⋅mL⁻¹再均匀涂布于溶菌肉汤(LB)固体培养基上，培养皿倒置于37 ℃恒温培养室中24~36 h，并对单菌落数目进行计数。固载Cu²⁺的抑菌膜的抑菌率通过式(5)计算得到

$ {E_{\text{b}}} = \left( {\frac{{{N_{\text{b}}} - {N_{\text{m}}}}}{{{N_{\text{b}}}}}} \right) \times 100\% $

(5)

式中：E_b为抑菌率，%；N_b、N_m分别为未固载Cu²⁺的膜和固载Cu²⁺的抑菌膜的超声清洗液平板数所得的菌落数目。

3 结果和讨论 3.1 侧链含苯并咪唑结构聚芳醚酮的制备

图 4为侧链含苯并咪唑结构聚芳醚酮的¹H-NMR图谱，其中，苯环上的氢的化学位移集中在6.50~8.50，4.00、13.00处对应的分别为亚甲基(图中e点)和苯并咪唑环上的N─H(图中c点)质子峰，这2个特征峰虽因苯并咪唑含量低而较弱，但证实了含有苯并咪唑基团的单体单元成功掺入。为进一步确定自制聚合物的结构，对其红外光谱图进行分析。如图 5所示，3 060和1 660 cm⁻¹处的谱带分别对应芳烃和羰基的伸缩振动，醚和羰基的芳香核特征带在1 167和923 cm⁻¹处出现，并且在2 922和801 cm⁻¹处分别观察到─CH₂─和苯并咪唑基团的特征带，该结果进一步证实了聚合物中苯并咪唑基团的存在。

3.2 膜的表征和测量 3.2.1 膜的微观结构

图 6为M-1、M-Cu1、M-2、M-Cu2膜的微观形貌图，从图中可以看出4种膜均有致密的上表面(图(a))和多孔的下表面(图(b))，其中M-1、M-Cu1膜的断面具有海绵状结构，M-2、M-Cu2膜的断面呈现海绵状表层(图(c))，底层为指状大孔结构，这是由于铸膜液中PEG 200的添加会改变体系的热力学和成膜过程的动力学，宏观表现为铸膜液黏度的增加，这使得NIPS过程中溶剂与非溶剂间的相对扩散速率发生变化，溶剂的外扩散速率远小于非溶剂的内扩散速率，出现延迟分相的情况，从而更易于形成海绵状结构和大孔表面^[21-22]。此外，发现固载Cu²⁺后膜的上表面变得更为致密，可能的原因是M-1、M-2膜中的聚合物分子链没有被完全固化，在较高的温度和配位交联作用下形成更紧凑的链结构。

膜的平均孔径和孔隙率测试结果如图 7所示，从图中可以发现M-1膜和M-2膜的孔隙率接近，但M-1膜具有更大的孔径，这归因于PEG 200的添加增加了相分离时非溶剂在铸膜液中的传质速率，更易形成大孔表面。从测试结果可以看出固载Cu²⁺前后膜的孔径和孔隙率无明显变化，且由SEM图可知固载Cu²⁺前后膜的下表面和断面结构并未发生明显变化，说明固载Cu²⁺不会对膜的微观结构产生较大影响。

3.2.2 膜的亲水性

通过测试膜表面的静态水接触角，考察了微孔滤膜在固载Cu²⁺前后的亲水性变化，实验结果如图 8所示。结果表明，固载Cu²⁺的微孔膜表面的疏水性略有增加，这一现象也在其他研究中被发现^[23]，这可能是由于Cu²⁺与苯并咪唑基团间的配位交联使得膜表面损失了部分亲水基团，固载Cu²⁺后膜表面亲水性的变化说明了Cu²⁺成功固载在膜上。

此外，膜的亲疏水性与膜的表面粗糙度有关。本研究利用原子力显微镜(AFM)考察了固载Cu²⁺前后膜表面形貌的变化，结果如图 9所示，图中R_q为膜的表面粗糙度。根据测试结果发现，固载Cu²⁺的膜表面粗糙度有轻微减小，表面形貌无明显变化，该结果与膜的微观结构分析一致。

3.2.3 抑菌膜的铜离子流失速率

由原子吸收分光光度计表征的结果可知，在去离子水中浸泡24 h后，10.5 cm²的M-Cu1膜可释放出质量浓度为0.105 mg⋅L⁻¹的Cu²⁺，10.5 cm²的M-Cu2膜可释放出0.066 mg⋅L⁻¹的Cu²⁺。M-Cu1膜可释放出比M-Cu2膜更多的Cu²⁺，这可能是由于PEG 200的添加改变了体系的分相热力学和传质动力学，从而改变膜结构，使膜具有更高的开孔率^[24]，提高了膜的Cu²⁺固载量。因此，M-Cu1膜具有更高的Cu²⁺释放速率，由此可推测M-Cu1膜拥有更大的抑菌潜力。

此外，与其他研究相比^[9]，本研究制备的抑菌膜具有更低的Cu²⁺释放速率，这归因于聚合物侧链上苯并咪唑环的NH基团与Cu²⁺间的螯合作用，多个苯并咪唑基团的N_τ作为配体提供孤对电子，与具有空轨道的Cu²⁺形成配位键，从而形成含有金属离子的杂环结构^[25-27]，两者间可能的螯合机理如图 10所示。稳定的金属有机配位结构使Cu²⁺被牢牢固定在膜中，能够有效缓解金属离子流失现象。

3.2.4 抑菌膜的铜离子固载量

图 11为固载Cu²⁺后膜的EDS能谱图，在M-Cu1、M-Cu2膜的能谱图中均能观察到C、O、F、Pt以及Cu元素的特征峰，而在M-Cu3膜的能谱图中仅出现C、O、F、Pt元素的特征峰，说明M-Cu1膜和M-Cu2膜已被成功固载Cu²⁺，而M-3膜由于不含苯并咪唑基团无法与Cu²⁺发生配位交联作用，不能成功固载Cu²⁺。其中，Pt特征峰的出现归因于对膜表面的喷金处理，而M-Cu1膜和M-Cu2膜中的C元素来自苯环以及聚合物主链上的亚甲基，O元素主要来源于聚合物主链上的醚基和羰基，而F元素则来自缩聚反应时参与反应的六氟双酚A。Cu²⁺固载效率是膜的抑菌性能的重要评价指标，因此对抑菌膜的铜质量分数进行分析，结果如表 2所示。M-Cu1膜的Cu元素质量分数大于M-Cu2膜，这是由于M-1具有更大的开孔率，能够固载更多的Cu²⁺，该结果证实了上述猜测，说明膜的孔结构会影响其固载效率。

3.3 膜的过滤性能和抗污性能

抑菌膜与原膜的纯水通量和BSA截留率如图 12所示，测试结果显示M-1膜的纯水通量明显高于M-2膜，M-2膜比M-1膜有更好的截留性能，这是由于在孔隙率接近的情况下，致孔剂的添加使得M-1膜具有比M-2膜更大的孔径，因此M-1具有更大的纯水通量和更低的截留率。此外，观察到固载了Cu²⁺的M-Cu1、M-Cu2膜具有比原膜略高的纯水通量，这可能是由于固载Cu²⁺时较高的浸泡温度使得聚合物受热膨胀，膜孔略有增大，从而导致膜的纯水通量略微上升。

图 13显示了固载Cu²⁺前后微孔滤膜抗污染性能的变化情况，经计算得M-1膜的通量恢复率在85%以上，M-2膜的通量恢复率在95%以上，而固载Cu²⁺后的M-Cu1膜和M-Cu2膜的通量恢复率分别约为60% 和67%。与原膜相比，固载Cu²⁺的膜的抗污染性能有所下降，这是由于Cu²⁺的存在使抑菌膜更易与溶液中的牛血清蛋白发生相互作用，膜表面能够吸附更多的牛血清蛋白从而堵塞膜孔，降低膜的抗污能力。这一现象证明了通过溶液浸渍法能够将Cu²⁺成功负载至微孔滤膜上。然而，经BSA过滤后抑菌膜的纯水通量和BSA溶液通量仍分别维持在520和360 L⋅m⁻²⋅h⁻¹左右，该值与其他种类的微孔滤膜相当^[28]，说明本研究所制备的抑菌膜具有潜在的应用价值。

3.4 膜的抑菌性能 3.4.1 抑菌圈实验

M-Cu1膜和M-Cu2膜的抑菌圈实验结果如图 14所示，从图中可以看出细菌几乎布满了整个培养基，膜周围均未出现明显的抑菌圈，这一现象说明抑菌膜上的Cu²⁺并没有大量扩散至培养基上，与膜周围细菌发生相互作用，这归因于聚合物侧链上的苯并咪唑基团与Cu²⁺间的螯合作用，使得Cu²⁺被约束在膜上。

此外，通过比较固载Cu²⁺前后微孔滤膜在有机溶剂中的稳定性，发现固载了Cu²⁺的抑菌膜更不易在溶剂中完全溶解，这是由于配位交联作用所形成的交联网状结构使溶剂更难进入聚合物中，该现象证实了抑菌膜内苯并咪唑基团与Cu²⁺间的配位交联作用的形成。

3.4.2 抑菌率测试

在M-Cu1膜和M-Cu2膜的抑菌率测试实验中，未浸泡和浸泡膜24 h后的大肠杆菌菌液的OD₆₀₀值如表 3所示。从OD₆₀₀值结果可以看出，相较于浸泡原膜的菌液，浸泡抑菌膜的菌液的OD₆₀₀值更低，说明抑菌膜对菌液中细菌的生长起到一定的抑制作用。但是经抑菌膜浸泡24 h后的菌液相较于浸泡前的菌液仍有更高的OD₆₀₀值，这说明固载了Cu²⁺的抑菌膜对细菌生长的抑制效果有限，并不能完全抑制细菌的生长，该结果与抑菌圈实验结论相符。这是由于只有少量的Cu²⁺从抑菌膜中释放到菌液中，抑制细菌生长，该现象进一步证实了侧链含苯并咪唑结构聚芳醚酮与Cu²⁺间的强螯合作用所形成的交联网络能够将Cu²⁺牢牢固定在膜上。此外，从超声清洗液的OD₆₀₀值可以看出，在菌液中浸泡24 h后，固载Cu²⁺的抑菌膜上的活细菌数量明显少于未固载Cu²⁺的膜上的活细菌数量，进一步说明了固载Cu²⁺的抑菌膜能有效抑制大肠杆菌的生长。

通过对在大肠杆菌菌液中浸泡后的M-1、M-Cu1、M-2和M-Cu2膜的超声清洗液进行平板菌落计数，进一步表征了固载Cu²⁺的抑菌膜的抑菌率。发现M-Cu1膜相对于M-1膜有63%的抑菌率，而M-Cu2膜相对于M-2膜仅有33%的抑菌率，说明M-Cu1膜和M-Cu2膜均具有一定的抑菌效果，且M-Cu1膜具有更强的抑菌性能。这归因于具有更大的开孔率的M-Cu1膜固载了更多的Cu²⁺，从而使得M-Cu1膜具有更好的抑菌性能。

为了进一步说明M-Cu1膜和M-Cu2膜的抑菌效果是来自聚合物分子链上苯并咪唑基团固载的Cu²⁺而不是经醋酸铜水溶液浸泡后残留的Cu²⁺，对M-3、M-Cu3膜进行同样的抑菌实验。实验结果显示浸泡有M-Cu3膜的菌液在24 h后的OD₆₀₀值(0.209)高于浸泡有M-3膜的OD₆₀₀值(0.173)，在菌液中浸泡后M-Cu3膜的超声清洗液的OD₆₀₀值(0.138)同样也高于M-3膜的超声清洗液的OD₆₀₀值(0.098)。这一实验结果说明与M-3膜相比，M-Cu3膜并不具备明显的抑菌功能，进而说明了不含苯并咪唑基团的M-3膜无法成功固载Cu²⁺，仅靠来自醋酸铜水溶液的残留Cu²⁺无法使膜具备抑菌功能，该结论与抑菌膜的元素分析结果一致。

4 结论

本研究使用亲核缩聚法制备了一种侧链含苯并咪唑结构聚芳醚酮，利用聚合物分子链上的苯并咪唑基团对Cu²⁺的螯合功能，通过非溶剂致相分离法和溶液浸渍法制备了具有抑菌功能的微孔滤膜，并初步探讨了膜孔结构与性能之间的关系。最终得到如下结论：

(1) 固载Cu²⁺后膜的微观结构未发生明显变化，膜的亲水性、过滤性能、抗污染性能以及在有机溶剂中稳定性的变化证明了Cu²⁺的成功固载。

(2) 所制备的不同孔结构的抑菌膜对大肠杆菌的抑菌率可达63%，苯并咪唑基团与Cu²⁺间的螯合作用赋予抑菌膜更小的铜离子流失速率。

(3) 与共混、接枝等方法相比，本研究采用自身对金属离子有强吸附作用的膜材料，能够更方便、快捷地制备出具有长效抑菌功能的抑菌膜，可有效缓解膜表面的生物污染，延长膜的使用寿命，在膜分离领域具有广阔的应用前景。