山东大学王栋/王志宁团队 Advanced Functional Materials：应用 QSense QCM-D 揭示溶菌酶界面对PIP的富集机制，实现聚酰胺纳滤膜精准分子筛分

编者按：王栋/王志宁等在 Advanced Functional Materials 发表研究，提出溶菌酶调控界面聚合（LIP）策略。研究以 QSense QCM-D、分子动力学模拟和多尺度膜结构表征为证据链，说明溶菌酶层既是单体“储库"，也是可调控的界面反应器。

研究背景：界面聚合“快而随机"，精准筛分受制于孔径不均

       活性药物成分（API）的分离纯化往往同时涉及药物/盐、药物/溶剂分离。纳滤与有机溶剂纳滤具有能耗低、易连续化等优势，但传统聚酰胺薄膜通常由 PIP 与均苯三甲酰氯（TMC）快速界面聚合形成。PIP 在水/有机相界面的储存、分布和扩散稍有波动，就可能造成选择层厚度和交联程度不一致，进而形成宽孔径分布，使渗透性与选择性难以兼得。

        针对这一瓶颈，研究团队在疏水 PVDF 基膜表面构筑两亲性溶菌酶纳米层，通过调节溶菌酶溶液 pH 和沉积时间，控制其电荷、亲水性与层厚，再进行 PIP/TMC 界面聚合。核心问题不是简单“加一层蛋白"，而是厘清溶菌酶如何改变 PIP 在反应发生前的界面行为。

研究方法：从单体吸附到膜性能建立跨尺度证据链

       研究比较了常规乙醇润湿界面聚合与溶菌酶调控界面聚合。利用 SEM、AFM、TEM、XPS、接触角、正电子湮没寿命谱以及分子量截留曲线分析选择层形貌、厚度、交联度和孔径分布；通过分子动力学模拟计算 PIP 在水/溶菌酶/正己烷界面的分布密度及其与溶菌酶之间的范德华力和库仑作用；再以水相盐分离、抗生素脱盐、不同有机溶剂渗透和药物浓缩评价实际分离能力。

       其中，QSense QCM-D 被用于直接监测 PIP 在不同界面上的实时吸附。实验将金传感器按制膜流程进行溶菌酶修饰，经甲醇稳定、45 ℃干燥后装入流动模块，先用去离子水建立基线，再注入 1.0 w/v% PIP 溶液。仪器连续记录频率变化，并通过 Q-Tool 软件换算 PIP 沉积质量；未修饰传感器作为对照。

图1  溶菌酶调控界面聚合机制及 QCM-D 证据。e：有/无溶菌酶修饰传感器对 PIP 的吸附；f：不同 pH 溶菌酶层上的 PIP 吸附。溶菌酶层显著提高 PIP 界面富集，且吸附量随 pH 升高而增加。

实验结果与分析：溶菌酶把随机界面变成可调控单体储库

       分子模拟显示，带负电的溶菌酶残基通过库仑作用和范德华力吸引部分质子化、带正电的 PIP，使水/溶菌酶/正己烷界面的 PIP 密度明显高于无溶菌酶体系。QCM-D 给出了与模拟相互印证的实验结果：注入 PIP 后，溶菌酶修饰传感器的吸附质量快速上升并持续增加，而空白传感器仅出现较小响应。这说明溶菌酶层在聚合前确实富集了更多胺单体。

       进一步改变溶菌酶溶液 pH，QCM-D 测得的 PIP 吸附量呈 pH 8.5 > 7.5 > 6.5 的趋势。随着羧基去质子化，溶菌酶表面负电性增强，对 PIP 的静电结合能力随之提高。补充实验还表明，延长溶菌酶沉积时间同样增加 PIP 吸附。由此可见，pH 和沉积时间并非经验参数，而是可通过界面吸附量与最终膜结构关联的调控旋钮。

图2  不同溶菌酶沉积时间条件下，QCM-D 监测到的 PIP 吸附质量变化（溶菌酶溶液 pH 7.5，PIP 1.0 w/v%）。沉积时间增加后，溶菌酶界面对 PIP 的储存能力增强。

       界面调控最终反映在聚酰胺网络中：当溶菌酶溶液 pH 从 6.5 提高到 8.5，聚酰胺层厚度由 35 ± 3 nm 增至 66 ± 5 nm，交联度由 71.5% 提高到 78.1%，平均孔半径由 0.25 nm 缩小至 0.20 nm。综合条件为溶菌酶溶液 pH 7.5、沉积 5 min、PIP 1.0 w/v%、TMC 0.1 w/v%。所得 TFClyz 膜的纯水渗透率为 17.2 L m⁻² h⁻¹ bar⁻¹，Na₂SO₄/NaCl 选择系数约 176。

       在抗生素/NaCl 混合体系中，膜对五种代表性抗生素的截留率约 99%，NaCl 截留率约 16%，抗生素/NaCl 选择系数约 98。用于有机溶剂纳滤时，其甲醇渗透率达到 20.0 L m⁻² h⁻¹ bar⁻¹；连续运行 12 h，可在保持紫杉醇 100% 截留的同时，将其浓度从 100 ppm 提高至 580 ppm。团队还制备了 1.0 m × 0.3 m 膜片，随机取点测试显示较好的均一性，体现了放大潜力。

QSense QCM-D 在本文中的关键作用

       本研究中，QSense QCM-D 并非仅用于表面表征，而是连接“界面化学—单体分配—膜孔结构—分离性能"的关键实验环节。它以实时、无标记方式区分空白与溶菌酶界面对 PIP 的吸附差异，并量化 pH、沉积时间对单体储存能力的影响。若只有终态膜表征，很难判断性能提升究竟源于单体富集、扩散变化还是后续聚合差异；QCM-D 将聚合前的界面事件直接可视化，为分子模拟结论提供独立验证，也使制膜参数优化具有清晰的机制依据。

结论与展望

       研究证明，两亲性溶菌酶纳米层能够同时调控 PIP 的储存、均匀分布和跨界面扩散，使快速界面聚合由“随机反应"转向“可设计反应"，最终获得孔径更均一、交联度更高的聚酰胺选择层。该策略在盐/盐、抗生素/盐及药物/有机溶剂分离中均表现出较高选择性与渗透性。未来仍需在复杂制药料液、长期溶剂循环、蛋白层批次稳定性及卷对卷连续制备条件下进一步验证，同时可结合 QCM-D 对更多功能界面层与不同胺单体进行快速筛选。

基金支持

       国家重点研发计划（2023YFC3208003）、国家自然科学基金联合基金（U23A20116）、山东省自然科学基金（ZR2024QB118）、山东省自然科学基金创新发展联合基金（ZR2024LFG003）及山东省泰山学者工程（tsqn20240802）。

原文链接

DOI: 10.1002/adfm.77829

注：

(1)文中图片均来自论文原文，版权归杂志社/原作者所有。

(2) 文中使用的百欧林耗散型石英晶体微天平分析仪仪器型号为：QSense® Explorer（Biolin Scientific，Sweden）