專利名稱：用于過濾水的膜的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種新型膜，其包含適于過濾純水和/或甘油的功
能性水通道蛋白(aquaporin)通道或四聚體，包含這種膜的過濾 裝置/純化系統(tǒng)，和利用其生產(chǎn)超純水以及從含水組合物中提取過量 水的方法。本發(fā)明還涉及新型疏水性聚合物膜。
背景技術(shù)：
已經(jīng)傳統(tǒng)地開發(fā)了用于純化天然水源和受污染水源的各種水 處理系統(tǒng)和方法，以獲得適于人和/或動物食用的純化水。而且，半 導體和制藥工業(yè)對超純水有很高的需求。超純水的生產(chǎn)要求更為專 業(yè)的過濾器和對水源的化學處理。使用了多種技術(shù)，例如膜過濾、 離子交換、亞微米粒子過濾器或納米過濾器、紫外光和臭氧處理等。 生產(chǎn)的水非常純并且只含有零到非常低濃度的鹽、有機成分、溶解 的氣體例如氧、懸浮固體和微生物例如病毒和細菌。但是，由于諸 如半導體工業(yè)中的持續(xù)微型化的因素，使得超純水的規(guī)格變得日益嚴格。
傳統(tǒng)上，水通過各種設計用于7>共和使用點(point-of-use ) 應用的可用水處理裝置來純化或處理，例如基于下列技術(shù)活性碳 除有機物；紫外光消毒；離子交換除硬度(軟化水)，和膜脫鹽例 如反滲透(RO)或納米過濾(NF)。但是，在水處理技術(shù)領域中， 納米過濾相對較新。NF膜通過截留在水中產(chǎn)生硬度的二價離子來 產(chǎn)生軟水。NF膜允許高百分率的一價離子例如鈉和氯通過，同時 其截留高百分率的二價離子。由于一價離子產(chǎn)生滲透壓，所以需要 中到高壓來將水泵送通過RO膜。因此，納米過濾膜將水泵送穿過 膜所需的壓力要小得多，這是因為水壓驅(qū)動力不必克服來自一價離 子的滲透壓。 一般而言，用于住宅和商業(yè)水處理應用的RO膜脫除 約98%的全部溶解固體，而納米過濾膜脫除約90%的二價離子(硬 度成分鈣和鎂)和約50%的一價離子(氯化鈉)。
使用膜元件(例如RO或NF)的脫鹽裝置總是在水離開該元 件時產(chǎn)生兩股水流脫鹽產(chǎn)品水(其已經(jīng)穿過膜)和廢鹽水(其已 經(jīng)流過膜表面)。該廢鹽水流必須沖走膜上的鹽和礦物質(zhì)，以防止
其在膜表面累積和結(jié)垢。如果在對膜的給水中連續(xù)發(fā)生鹽和礦物的 累積，則溶解的物質(zhì)會沉淀并形成固體膜，使得膜表面結(jié)垢。此外，
膠體和顆粒污染物也會粘到膜表面并導致結(jié)垢。由于存在許多水生 污染物，因此如果膜不可逆地結(jié)垢或積垢，則膜不能被清潔而必須
更換。膜法的這種特性尤其對于使用點(POU)水處理系統(tǒng)帶來在
減少廢物排放方面的嚴重問題，使用點水處理系統(tǒng)通常緊湊并建造 得盡可能經(jīng)濟。
離子交換裝置也用于軟化所謂的"硬水"。離子交換水軟化系 統(tǒng)的問題在于其通過與鈉離子交換而脫除水的硬度成分(鉤和鎂離 子)，從而生產(chǎn)所謂的"軟水"。當進行離子交換介質(zhì)再生時，高濃 度的鈉、氯、釣和鎂離子的水流進入下水道系統(tǒng)，產(chǎn)生環(huán)境廢棄物
處理問題。這種7JC純化系統(tǒng)的例子記載于題為"water purification system having plural pairs of filters and an ozone contact chamber"的美國專利No. 5，741，416中，其乂>開了 一種水純化系統(tǒng)， 其有效氧化有機污染物并且消滅該水流中的大多數(shù)細菌、病毒和其 它微生物。涉及對一價陽離子具有選擇性的透析膜系統(tǒng)也已在WO 2004/09卯88中公開。
因此，存在對用于一般家庭目的以及用于先進研究、工業(yè)和 制藥目的的處理被或可能被化學、生物和/或放射性污染物污染的水 的水純化系統(tǒng)的持續(xù)需求。
由于水污染或水污染威脅通常具有高度局部的特征，例如在 船舶上或偏遠山村或營地中，因此需要可以迅速而容易地部署在實 際或潛在污染場所的固定或便攜的水純化系統(tǒng)。尤其相關(guān)的是能夠 有效除去例如海水等實際或潛在污染的水源中的污染物，以生產(chǎn)適 合人飲用的處理水。
由于發(fā)現(xiàn)了以選擇性輸送水分子穿過生物膜的能力為特征的 水轉(zhuǎn)運蛋白aquaporin (水通道蛋白)，對設計引入這些蛋白的人工 水膜存在一定興趣，參見美國專利申請No.20040049230 "Biomimetic membranes",其涉及描述如何將水轉(zhuǎn)運蛋白嵌入膜 中以實現(xiàn)水的純化。所描述的優(yōu)選形式具有常規(guī)的濾盤形式。為了 制造這種盤，利用LB槽(Langmuir-Blodgett trough)將5nm厚 的合成三嵌段共聚物和蛋白質(zhì)的單分子層沉積在25 mm商用超濾盤上。隨后，利用紫外光照射該聚合物而使盤上的單分子層交聯(lián)以 提高其耐久性。該裝置可以通過將其安裝在使加壓水源穿過膜的室 中來測試。但是，沒有關(guān)于應該如何選擇合成三嵌段共聚物的指導， 也沒有嵌入的水通道蛋白實際功能的支持數(shù)據(jù)。
已經(jīng)提出可以通過將水通道蛋白表達成脂質(zhì)雙分子層嚢泡并
將這些膜澆鑄在多孔載體上而創(chuàng)新水純化技術(shù)，參見James R. Swartz， 主頁http:〃chemenq.stanford,edu/01 About the
Departmen滿3Facu〗tv/Swartz/swarte.html。
本發(fā)明主要目的在于開發(fā)一種包含引入膜中的水通道蛋白的 工業(yè)用水過濾膜和裝置，其能夠純化最高純度的水，例如100%。 目前沒有已知的技術(shù)或過濾器能夠完成這項任務。

發(fā)明內(nèi)容
一方面，本發(fā)明涉及一種用于過濾水的膜，該膜利用在脂水 嚢泡中重組并轉(zhuǎn)換成支承層的水轉(zhuǎn)運蛋白aquaporin (水通道蛋 白)，以利用例如Langmuir-Blodgett方法形成水過濾膜。
本發(fā)明的水膜的優(yōu)點包括海水(97-98%的地球水為海水) 的有效除鹽，而不需要除鹽化學品和提供便攜式除鹽過濾器(一種 類似于"咖啡過濾器，，的能夠分離水和鹽的裝置)，用于半導體工 業(yè)的高效水純化、耐用的家庭用水/飲用水純化和不用電的水純化， 例如用于第三世界國家。
因此， 一方面，本發(fā)明涉及一種水膜，其包含具有至少兩個 滲透性載體層和隔開所述滲透性載體層的至少一個包含功能性水 通道蛋白水通道的脂質(zhì)雙分子層的夾層結(jié)構(gòu)。這樣，該滲透性或多 孔載體將允許水分子透過載體到達沉積在載體層之間的至少一個
脂質(zhì)雙分子層。然后，包含分散的功能性水通道蛋白通道的脂質(zhì)雙 分子層只濾過水，或者在水通道蛋白為GLpF通道的情況下還濾過 甘油，使其到達對側(cè)的多孔載體層，產(chǎn)生由純水構(gòu)成的濾液。優(yōu)選 這種濾過的水為超純水(UPW)，其是離子、顆粒、有機物和膠體 含量低的高度純化水。本發(fā)明的水膜代表了利用已知最具選擇性的 7JC運輸通道的新一代反滲透膜。
在本文中，"水膜"是指一種允許水通過而同時不允許大多數(shù)
其它材料或物質(zhì)通過的結(jié)構(gòu)。優(yōu)選本發(fā)明的水膜基本只透過水(一 些情況下透過甘油)，而不許溶質(zhì)和其它溶劑通過。
本發(fā)明的第二方面涉及一種水膜，其包含具有至少兩個脂單 分子層的夾層結(jié)構(gòu)，當其組合成一個雙分子層時，所述夾層結(jié)構(gòu)包 含功能性水通道蛋白水通道，并且所述至少兩個脂單分子層被至少 一個滲透性載體層隔開。在這個實施方案中，當載體層包括穿孔時， 該滲透性載體層將能夠形成脂質(zhì)雙分子層的兩個脂單分子層隔開。
本發(fā)明的另一方面涉及一種水過濾裝置，其包含本發(fā)明的水 膜，任選密封在安裝于外殼中的穩(wěn)定化膜中，所述外殼具有用于待 純化含水液的入口和用于純化水的出口 。
本發(fā)明還涉及一種制備水膜的方法，其包括下列步驟
a) 獲得包含水通道蛋白水通道的脂質(zhì)微嚢泡，所述水通道蛋 白水通道占所述孩史嚢泡的至少0.1%mol/mol，
b) 將所述嚢泡融合到平面脂質(zhì)雙分子層中，所述脂質(zhì)雙分子 層位于具有親水性表面的基本為平面的滲透性載體上，其中水通道 蛋白的蛋白覆蓋至少1%的脂質(zhì)雙分子層區(qū)域，
c) 任選重復步驟b)以獲得多個融合的雙分子層，
d )將具有親水性表面的基本為平面的第二滲透性載體沉積到 步驟b)或c)中獲得的脂質(zhì)雙分子層上，以獲得夾層結(jié)構(gòu)，和
e)任選將所得的夾層結(jié)構(gòu)封閉在滲透性的穩(wěn)定化膜中。
本發(fā)明還涉及一種制備水膜的方法，其包括下列步驟
a) 獲得包含水通道蛋白水通道的脂微嚢泡，所述水通道蛋白 水通道占所述微嚢泡的至少0.1%mol/mol，
b) 將所述嚢泡融合到平面脂質(zhì)雙分子層中，所述脂質(zhì)雙分子 層組裝在具有疏水性表面的基本為平面的滲透性載體周圍，其中所 述水通道蛋白覆蓋至少1%的脂質(zhì)雙分子層區(qū)域，和
c) 任選將所得的夾層結(jié)構(gòu)封閉在滲透性的穩(wěn)定化膜中。
本發(fā)明還涉及一種包含作為反滲透過濾膜的水膜(例如本發(fā) 明的水膜)的反滲透水過濾裝置，所述水膜包含功能性水通道蛋白
水通道。
本發(fā)明還涉及一種用于從諸如尿液、奶和汗液的體液中提取 和回收水的水過濾裝置，其包括含有功能性水通道蛋白水通道的水 膜。
此外，本發(fā)明涉及一種制備純水的方法，所述純水通過用本 發(fā)明的水膜過濾天然或受污染的水源獲得。所述純水的特征在于沒 有例如溶解物質(zhì)或顆粒的污染物。本發(fā)明還涉及一種獲得純化水的 方法，其利用包含功能性水通道蛋白通道的反滲透膜來過濾水源。
另外，本發(fā)明的不同方面涉及一種疏水性聚合物膜，其將在 下文中詳細描述。
最后，本發(fā)明水膜的總體設計也被認為適用于其它用途的膜， 其中在以其它方式設計用作本發(fā)明水膜的膜中引入除水通道蛋白 以外的其它跨膜蛋白。這些膜也是本發(fā)明的一部分，并且除了跨膜 蛋白的選擇之外，這些膜在各方面都與本文所公開的膜相同，并且
所有涉及這些膜的公開內(nèi)容都將在經(jīng)過必要的修改后(mutatis mutatndis )應用于含有除水通道蛋白以外的其它跨膜蛋白的膜。
適用于本發(fā)明的膜內(nèi)含物的不同于水通道蛋白的跨膜蛋白例 如選自但不限于在轉(zhuǎn)運蛋白分類數(shù)據(jù)庫(TCDB)中的任意跨膜蛋 白。TCDB可從htttK〃www.tcdb.org進入。
包括在本發(fā)明中的TCDB跨膜蛋白的例子為
氣溶素通道形成毒素
土壤桿菌目標寄主細胞膜陰離子通道
a-溶血素通道形成毒素
丙甲菌素通道
海藻酸鹽出口孔蛋白
阿米巴溶素
兩親肽蜂毒肽
淀粉樣蛋白b-蛋白肽
動物內(nèi)向整流K+通道
膜聯(lián)蛋白
細胞凋亡調(diào)節(jié)劑
ArpQ穴蛋白 AS-48
ATP選通陽離子通道 自動轉(zhuǎn)運蛋白 枯草桿菌j29穴蛋白
細菌類in目標細胞氣孔 細菌通透性增加蛋白
細菌素AS-48環(huán)狀多肽
菌視紫紅質(zhì)
Beticolin通道
BlyA穴蛋白
肉毒菌和破傷風毒素
布魯氏菌-根瘤菌孔蛋白
甘油復合制劑的主要外膜孔蛋白
Cathilicidin
形成陽離子通道的熱激蛋白70 天蠶抗菌肽
形成通道的炭疽桿菌保護性抗原
形成通道的神經(jīng)酰胺
形成通道的大腸桿菌素
形成通道的大腸桿菌素V
形成通道的d-內(nèi)毒素殺蟲結(jié)晶蛋白
形成通道的e-內(nèi)毒素
形成通道的殺白細胞素細胞毒素
衣原體孔蛋白
氯化物通道
葉綠體膜的陽離子通道形成物
葉綠體的外膜溶質(zhì)通道
結(jié)合膽固醇的硫醇激活溶細胞素
梭菌細胞毒素
補體蛋白C9
復合聚羥基丁酸酯-Ca^通道 棒狀桿菌孔蛋白
Cphl穴蛋白
C型尿鈉排泄肽
藍細菌孔蛋白
環(huán)糊精孔蛋白
細胞溶血素
細胞毒素糊精
抵御素
皮抑菌肽
白喉毒素
Divergicin A
蟲丘蟲5j lysenin毒素
包膜病毒E1通道
上皮的氯化物通道
上皮的Na+通道
FadL外膜蛋白
Fusobacterial的夕卜^孑Lf白
形成縫隙連接的連接蛋白
形成縫隙連接的innexin
一般的細菌孔蛋白
葡萄糖選擇性OprB孔蛋白
谷氨酸鹽選通的神經(jīng)傳遞素受體離子通道
gp91Ph。x巨噬細胞NADPH-氧化酶相關(guān)的cyt b558 H+通道
短桿菌肽A通道
H+或Na+移位的細菌鞭毛電機
H+或Na+移位的細菌MotAB鞭毛電機/ ExbBD外膜運輸
哈比特屬外膜孔蛋白
HP1穴蛋白
流感病毒基質(zhì)國2通道
昆蟲抵御素
胞內(nèi)氯化物通道
Jll穴蛋白
jAdh穴蛋白
JU53穴蛋白Laetacin X Lacticin 481 Lactocin S 乳球菌素972 乳球菌素A 乳球菌素G
高電導機械感應離子通路 lholin S
配體選通的神經(jīng)傳遞素受體離子通道
LrgA穴蛋白
LydA穴蛋白
爪蟾抗菌肽
主要的內(nèi)在性蛋白
蜂毒溶血肽
金屬離子轉(zhuǎn)運蛋白(通道)
小菌素E492
線粒體和質(zhì)體孔蛋白
分枝桿菌孔蛋白
乳酸鏈球菌肽
非選擇性陽離子通道-1
非選擇性陽離子通道-2
形成核苷特異性通道的外膜孔蛋白
OmpA-OmpF孑L蛋白
OmpG孑L蛋白
細胞器的氯化物通道
細胞外膜的分泌素
外膜輔助蛋白
外膜因子
外膜傘毛接引孔蛋白
外膜孔蛋白
外膜受體
P2穴蛋白TM
P21穴蛋白S
足球菌素
Phospholemman Pilosulin
植物抵御素 植物的胞間連絲 植物硫堇 乳桿菌素EF 乳桿菌素JK
16 kDa的質(zhì)體外包膜孔蛋白
21 kDa的質(zhì)體外包膜孔蛋白
24 kDa的質(zhì)體外包膜孔蛋白
聚胱氨酸陽離子通道
聚谷氨酸鹽離子通道
成孔?？舅?br> 成孔溶血素E
成孑L RTX毒素
PRD1穴蛋白M
蛋白感染素的肽片段
Pseudomanas 丁香HrpZ目標寄主的細胞膜 假單胞菌OprP孔蛋白 棉子糖孔蛋白 絲核PorCa孔蛋白
蘭尼堿-肌醇-l，4,5-磷酸三鹽受體的Ca"通道
皂角普通道
Shiga毒素B國鏈
短鏈酰胺和尿孔蛋白
小電導機械感應離子通路
糖孔蛋白
丁香霉素通道
Syringopeptin channel
T4穴蛋白
T4免疫穴蛋白
T7穴蛋白
鱟抗肽菌
Tolaasin通道
用于外膜受體(OMR)-介導-活化劑的 TonB-ExbB-ExbD/TolA-TolQ-TolR
瞬時型受體電勢C^+通道
三深裂溶血素BL
Two-partner分泌孑L蛋白
B型流感病毒NB通道 尿轉(zhuǎn)運蛋白(通道) 尿/酰胺通道 空泡細胞毒素
《瓜菌chitoporin/Neisseria孑L蛋白 電壓選通的離子通道總科 鞭蟲桿狀突孔蛋白 酵母菌殺菌毒素Kl
酵母伸展激活的陽離子選擇性Ca^通道
本發(fā)明的其他方面包括使用水膜從含水物質(zhì)或溶液中提取過 量水，例如獲得增加的期望溶質(zhì)濃度。


圖1是顯示根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的7jc膜的各種組成部分 的示意圖，該水膜在具有根據(jù)本發(fā)明水膜的夾層結(jié)構(gòu)示例中引入水 通道蛋白分子的支撐脂質(zhì)雙分子層。
圖2是顯示根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的7jC膜的各種組成部分 的示意圖，該水膜具有在根據(jù)本發(fā)明水膜的夾層結(jié)構(gòu)示例中引入水 通道蛋白分子的支撐脂質(zhì)雙分子層，其中包含水通道蛋白通道的脂 質(zhì)雙分子層位于滲透性或多孔載體材料的孔內(nèi)。
圖3是描述包含水通道蛋白的仿生膜設計的示意圖。該圖顯 示根據(jù)本發(fā)明另一個實施方案的膜的各種組成部分，該膜具有引入 水通道蛋白的支撐脂質(zhì)雙分子層，所述水通道蛋白夾在多孔聚四氟 乙烯膜周圍。
圖4是描述包含水通道蛋白的仿生膜設計的示意圖。該圖顯示根據(jù)本發(fā)明另 一個實施方案的膜的各種組成部分，該膜具有引入 水通道蛋白的支撐脂質(zhì)雙分子層，所述水通道蛋白夾在多孔聚四氟 乙烯膜周圍并進一步包封在夾層結(jié)構(gòu)中。
圖5是顯示一種水膜的各種組成部分的示意圖，所述水膜包 含引入水通道蛋白的包封夾層結(jié)構(gòu)脂質(zhì)雙分子層。
圖6是本發(fā)明的包封水膜的示意圖，此時所述水膜安裝在根 據(jù)本發(fā)明另一個實施方案的具有入口和出口的過濾器外殼內(nèi)。
圖7是顯示根據(jù)本發(fā)明又一個實施方案的水純化系統(tǒng)的各組 件的示意圖。該系統(tǒng)包括下列組件粗水入口、雙介質(zhì)過濾室、水 軟化劑室，其中任選加入亞硫酸氫鹽和苛性劑、反滲透過濾器l和 2 (ROl， R02)，其連接至具有用于附加純化的通過ROl和R02 過濾器的回路的泵、排放出口和具有UV消毒室的儲槽。
圖8示出蛋白質(zhì)的水通道蛋白和水-甘油通道蛋白組的各成員。
圖9是在云母上形成的膜的原子力顯微鏡照片。該膜根據(jù)實 施例1中描述的程序制備。
圖IO顯示一種包含本發(fā)明的螺旋纏繞水膜的過濾裝置。
圖ii是沿圖io的線ii-n截取的橫斷面視圖。
圖12是示出通過從空氣-水界面LB沉積脂質(zhì)制備支撐雙分子 層的示意圖。左邊顯示第一單分子層的沉積，右邊顯示第二層的沉 積。
圖13是示出嚢泡融合程序的示意圖。嚢泡吸附到基片上并破裂 以形成支撐雙分子層。
圖14是示出通過旋涂法制備支撐脂質(zhì)雙分子層的示意圖。
具體實施例方式
活細胞被脂質(zhì)雙分子層膜所封閉，而與其它細胞及其胞外基 質(zhì)隔開。脂質(zhì)雙分子層膜基本上不可透過水、離子和其它極性分子； 然而，在許多情況下，這些實體通常由于響應胞外或胞內(nèi)信號而需 要被快速和選擇性地跨膜轉(zhuǎn)運。水轉(zhuǎn)運任務通過水通道蛋白 (Preston et al., 1992 )完成。水通道蛋白對任何形式的生命都至關(guān)
重要，并且在從細菌經(jīng)植物到人的所有有機體中都被發(fā)現(xiàn)。水通道 蛋白促進快速和高選擇性的7jC運輸，從而允許細胞根據(jù)細胞膜兩側(cè) 的靜壓差和/或滲透壓差來調(diào)節(jié)其體積和內(nèi)部的滲透壓。人體內(nèi)水通 道蛋白的生理重要性也許在腎臟中最為顯著，腎臟中每天需要從原
尿中重新吸收~150-200升水，即當水必須迅速從體液中回收時激活 水通道蛋白促進的水運輸。在腎臟內(nèi)，這可能主要通過兩種稱為 AQP1和AQP2的水通道蛋白(已知人體內(nèi)有11種不同的水通道 蛋白)實現(xiàn)。在植物中，水通道蛋白對于根部的水吸收和維持植物 體內(nèi)的7JC平衡也至關(guān)重要(Agre et al.， 1998, Borgnia et al., 1999 )。 各種有機體和組織內(nèi)的水運輸研究表明，水通道蛋白具有狹孔，其
防止任何大分子、離子(鹽)甚至質(zhì)子(H30+)和氫氧根離子(OH—) 的流過，同時維持極高的水滲透速率； 109分子1120每通道每秒 (Agre et al" 1998, Borgnia et al.， 1999 )。直到2000和2001年報導 了 AQP1的第一個高精度3D結(jié)構(gòu)和相關(guān)的傳輸甘油的細菌通道蛋 白水-甘油通道蛋白GIpF時(Fu et al" 2000; Murata et al., 2000; Ren et al., 2001; Sui et al.， 2001 )，關(guān)于水選擇性的原因還知之甚少。
但是，基于實驗結(jié)構(gòu)，提出了詳細的計算機模型，其不僅解 釋了高滲透速率和嚴格的水選擇性，而且解釋了水通道蛋白防止質(zhì) 子滲漏的能力(de Groot and Grubmtiller， 2001; Tajkhorshid et al" 2002, Jensen et al" 2003, Zhu et al. 2003, de Groot et al" 2003, Burykin and Warshel 2003， Ilan et al" 2004, Chakrabarti at al" 2004 )。實質(zhì)上，水通道蛋白的結(jié)構(gòu)允許水分子僅以單行通過，而 通道內(nèi)部的靜電調(diào)節(jié)控制水通道蛋白對任何帶電物質(zhì)的選擇性，即 取消任何鹽(離子)以及質(zhì)子和氫氧根離子的運輸(de Groot and Grub-mtiller， 2001; Tajkhorshid et al" 2002, Jensen et al" 2003, Zhu et al. 2003, de Groot et al" 2003, Burykin and Warshel 2003， Ilan et al" 2004， Chakrabarti at al., 2004 )。簡言之，這意味著只有 水分子通過水通道蛋白的水孔，其它的都不能通過。
水通道蛋白的通道中的每個單元運輸~1091120分子/秒，即~4 x 109分子/通道/秒。因此，1 g水通道蛋白在極高壓下能夠運輸 720 升水/秒。通過功能性水通道蛋白的通道過濾獲得的水為~100%純
水，不含離子、顆粒、有機物和膠體，例如由~100%的H;jO組成。
如本文所用的膜蛋白的水通道蛋白族也包括GLpF蛋白，除 水分子之外其也是甘油通道。優(yōu)選的水通道蛋白具有植物來源，例 如TIP、 PIP或NIP水通道蛋白，參見圖8。
下文公開的本發(fā)明的膜將只通過水，從而通過反滲透促進水 的純化、脫鹽和分子濃縮。已知水通道蛋白拒絕通過所有的污染物， 包括細菌、病毒、礦物、蛋白、DNA、鹽、洗滌劑、溶解的氣體和 甚至水溶液中的質(zhì)子，但是由于其結(jié)構(gòu)，水通道蛋白能夠運輸水。 此外，相關(guān)的水-甘油通道蛋白(GLpF)家族能夠運輸甘油。每個 水通道蛋白包含將蛋白質(zhì)錨定在膜內(nèi)的跨膜a螺旋區(qū)和兩個高度保 守的NPA (天冬酰胺-脯氨酸-丙氨酸)環(huán)，所述環(huán)在蛋白質(zhì)的中心 頂點對頂點連接，形成一種沙漏形狀。已經(jīng)證明，水的運動是對稱 的，并且能夠沿任意方向前進；這個事實很重要，因為該過程不消 耗能量。由于水壓或滲透壓，水沿特定方向穿過膜。
因此，可以從不可飲用的水源獲得純水，或者如果源水含有 感興趣的化學物質(zhì)，則可以選擇性地除水，在輸入室中留下高濃度 的期望化學物質(zhì)。但重要的是，對于除其對水的排他選擇性之外的 其它原因，水通道蛋白也適用于本發(fā)明。這種蛋白質(zhì)家族的許多成 員能夠承受污染源水的苛刻條件而不喪失功能。水通道蛋白能夠抵 抗由于暴露于酸、電壓、洗滌劑和熱引起的變性或解折疊。因此， 本發(fā)明的膜可用于純化被可能堵塞或毀壞其它膜的化學物質(zhì)污染 的源水，并且其能夠用于持續(xù)經(jīng)歷高溫的區(qū)域。
水通道蛋白也是可突變的。由于蛋白質(zhì)可以根據(jù)影響其最終 形狀和功能的基因序列在寄主細菌中特異性表達，所以技術(shù)人員可 以輕易改變其遺傳代碼，以改變蛋白質(zhì)的性狀。因此，蛋白質(zhì)可以 被設計為執(zhí)行不同于蛋白質(zhì)初始功能的期望應用。例如，僅僅通過 將水通道中央附近的特定氨基酸殘基改變?yōu)榘腚装彼幔a(chǎn)生的水 通道蛋白就會結(jié)合溶液中任何游離的汞，并由于阻塞而終止水的運 輸。因此，膜裝置中所用的這些突變蛋白質(zhì)能夠通過有毒物質(zhì)濃度 過高時的簡單停止流動來檢測水樣品中的汞污染。
最后，生產(chǎn)基于蛋白質(zhì)的新型膜也非常便宜。包含具有源自 牛紅血細胞的AQP1的細胞膜碎片的脂質(zhì)微嚢泡是廉價的水通道蛋 白源。
作為選擇，水通道蛋白可以從工程埃希氏大腸桿菌(E.coli) 菌林中以亳克級的量獲得。據(jù)估計，可從生產(chǎn)它的每升培養(yǎng)物中獲 得約2.5mg的純蛋白，參見美國專利申請No. 20040049230。
因此，我們在此公開利用生物學組件從結(jié)垢的、含鹽的或其 它方式污染的水中實現(xiàn)高效生產(chǎn)完全純水的方法和設備。本發(fā)明證 明水運輸生物蛋白和外部裝置的集成，并指出能夠大規(guī)模生產(chǎn)水純 化裝置的生產(chǎn)途徑。
本發(fā)明的第一方面
在本發(fā)明的上述第一方面中，水膜具有夾層結(jié)構(gòu)，所述夾層 結(jié)構(gòu)具有至少兩個滲透性載體層和隔開所述至少兩個滲透性載體 層的包含功能性水通道蛋白的水通道的至少一個脂質(zhì)雙分子層。
因此，本發(fā)明第一方面的水膜由兩親脂質(zhì)膜構(gòu)成，例如包含 表l所描述的脂質(zhì)的膜。因此，脂質(zhì)雙分子層基本由選自磷脂、磷 酸甘油酯、鞘脂和心磷脂及其混合物的兩親脂質(zhì)構(gòu)成，例如l,2-二 棕櫚?；?sn-磷脂酰膽堿(DPPC)等磷脂，或磷脂的混合物。
作為選擇，脂質(zhì)雙分子層可基本由可聚合脂質(zhì)構(gòu)成或含有可 聚合脂質(zhì)，參見表l。
因此，本發(fā)明的水膜包含多孔載體上的重組水通道蛋白的水 通道。用于制備根據(jù)本發(fā)明水膜的具有親水表面的有用載體材料優(yōu) 選選自云母如白云母、云母帶、聚砜、A102和例如具有親水表面 的聚合物材料如纖維素。載體材料基本上是平面的，這意味著該載 體優(yōu)選是平坦的，但是允許載體具有曲率，例如制造螺旋纏繞過濾 器時所需的曲率。這種情況下，載體材料優(yōu)選是柔性材料，例如纖 維素膜。
該多孔載體優(yōu)選包含例如云母等材料，其具有包括親水表面 的基本平面的結(jié)構(gòu)，并且其中已經(jīng)例如通過蝕刻形成微孔或納米 孔。因此，在第一方面的實施方案中，滲透性載體層包括層厚為毫 米到微米級的含有云母或云母帶的基本平面的親水層，并且其中形 成有直徑小于約50納米(通常在10~40納米的范圍)的納米孔(例 如通過蝕刻如徑跡蝕刻:技術(shù)形成)。云母優(yōu)選為白云母。
該滲透性載體層也可以包含親水的膜表面，例如選自硅氧烷膜、聚砜、A102和例如纖維素等具有親水表面的聚合物的膜，其中 形成有直徑小于約50納米(通常在10 ~ 40納米的范圍)的納米孔。
含有水通道蛋白的脂質(zhì)膜可以是類似于生物細胞膜天然結(jié)構(gòu) 的雙分子層，或該脂質(zhì)膜可由多個融合沉積的脂質(zhì)嚢泡的雙分子層 構(gòu)成。所述脂質(zhì)優(yōu)選具有兩親，例如鱗脂(或磷酸甘油酯)、鞘脂 和心磷脂。當將脂質(zhì)層沉積到多孔基片上時，水通道蛋白的通道可 以優(yōu)選沉積到栽體材料中預先存在的孔附近或孔內(nèi)。
本發(fā)明的優(yōu)選實施方案中所用的滲透性或多孔載體優(yōu)選根據(jù) R.M. Webber, J. L Anderson, M.S. John, Macromolecules 23 (1990) 1026-1034制備，其中記載
"膜由約7納米厚的白云母薄片通過徑跡蝕刻技術(shù)制成。對于 徑跡蝕刻膜，通過用氫氟酸溶液蝕刻由锎252源的準直裂變碎片產(chǎn) 生的軌跡形成孔?？椎臄?shù)量由膜暴露于裂變源的時間所控制，而孔 的半徑由蝕刻時間、溫度和氫氟酸水浴的濃度決定。這些孔的尺寸 均勻，并垂直于膜的表面?？讖降木鶆蛐允沁@些膜的一個重要特征， 因為顯著的孔徑分布將由于通過大孔的偏流導致聚合物層水力學 厚度不明確的后果。膜被照射部分的孔的橫斷面積分數(shù)為約1%; 因此，通過二項式孔徑分布模擬的單孔總數(shù)大于96%。由于孔垂直 于膜的表面，所以孔的長度(1)等于膜厚；該厚度從已知的膜尺 寸和重量確定。"
優(yōu)選獲得與脂質(zhì)層中水通道蛋白的數(shù)量和分布大致相等的孔 的最終數(shù)量和分布。
本發(fā)明的第二方面
也可以在平面脂質(zhì)雙分子層內(nèi)重組水通道蛋白的水通道，所 述脂質(zhì)雙分子層組裝在例如聚四氟乙烯膜的具有疏水表面的多孔 載體膜周圍，其中脂質(zhì)單分子層組裝在多孔載體膜的兩側(cè)。在多孔 載體膜的孔內(nèi)，脂質(zhì)雙分子層將組裝在可以重組水通道蛋白的水通 道的地方。
因此，本發(fā)明的第二方面由包含具有至少兩個脂質(zhì)單分子層 的夾層結(jié)構(gòu)的水膜構(gòu)成，當所述脂質(zhì)單分子層組裝成一個雙分子層 時，所述水膜包含功能性水通道蛋白的水通道，所述至少兩個脂質(zhì)
單分子層被至少一個滲透性載體層隔開。通常地，載體層包含與脂 質(zhì)單分子層形成接觸表面的疏水性多孔材料，并且其中脂質(zhì)雙分子 層形成在疏水性多孔材料的孔內(nèi)。
優(yōu)選疏水材料具有相當于去離子水液滴和疏水材料之間至少
100。接觸角的疏水性，其中接觸角的測量在2(TC和大氣壓力下進 行，但是優(yōu)選更高程度的疏水性，例如相當于至少105°、 110°、 120° 和120。接觸角的疏水度。優(yōu)選的疏水材料為parafilm或聚四氟乙 烯。
疏水材料通常為平面的(但可以是柔性的并因此可彎曲的)， 而穿孔通常在疏水材料的2個平面之間的中平面內(nèi)均勻分布并且基 本上所有穿孔具有基本相同的幾何形狀；關(guān)于疏水材料的穿孔的詳 細情況將在下文中提供。
"中平面(intermediate plane)"定義為由到平面疏7JC材料2 個表面中任一表面的垂直距離相等的點構(gòu)成的平面。
疏水材料中穿孔的尺寸應該只確?？梢栽诖┛變?nèi)形成穩(wěn)定的 兩親脂質(zhì)雙分子層，使它們可以具有納米、微米或毫米級的尺寸。
疏水材料優(yōu)選被穿孔成材料的穿孔和非穿孔面積之間的比例最 大，因為這為具有水通道蛋白的脂質(zhì)雙分子層提供了最大面積來實現(xiàn) 水的運輸。由穿孔構(gòu)成的圖案的重要性在于每個穿孔之間的距離。最 優(yōu)圖案為六邊形的穿孔排列，在該圖案中每個穿孑L之間具有最小的"壁 厚"。但是，證明四方形圖案也可以是足夠的。
因此，本發(fā)明第二方面的水膜也由兩親脂質(zhì)膜組成，例如包 含表l中描述的脂質(zhì)的膜。因此，脂質(zhì)雙分子層基本上由選自磷脂、 磷酸甘油脂、鞘脂和心磷脂及其混合物的兩親脂質(zhì)組成，例如1，2-二棕櫚?；?sn-磷脂酰膽堿(DPPC )等磷脂或磷脂的混合物。與第 一方面的差別主要在于該膜只在疏水載體穿孔的區(qū)域處構(gòu)成雙分 子層，而脂質(zhì)被組織為其疏水端面對疏水載體且其親水端面對水相 環(huán)境。
雙分子層的制備
必須確保膜材料的內(nèi)滲透性。具有低滲透性的材料將被優(yōu)選， 但是同時其必須堅固并能夠引入水通道蛋白以構(gòu)成整體穩(wěn)定和致200680017301.9
說明書第17/36頁
密的2D過濾陣列。通常使用各種程序來制備支撐脂質(zhì)雙分子層。 簡單的技術(shù)是LB法。將合適有機溶劑中的脂質(zhì)溶液鋪展在 Langmuir槽內(nèi)的水亞相上并蒸發(fā)有機溶劑。使用一對可移動的阻 擋片從側(cè)面將脂質(zhì)膜壓縮至期望的表面壓力。然后將基片垂直穿過 膜，由此將一個分子厚的脂質(zhì)層(單層)轉(zhuǎn)移到基片上(見圖12 )。 可以通過使基片再次穿過膜而轉(zhuǎn)移第二單分子層。通過垂直 (Langmuir-Blodgett)沉積方法轉(zhuǎn)移總共三個單分子層，但是，第 四層可以利用所謂Langmuir-Schaeffer (LS)的水平沉積法轉(zhuǎn)移為 最后一層。這些方法可與各種脂質(zhì)一起使用。原生的生物膜通常是 不對稱的。LB和LS都提供了制備不對稱雙分子層的可能性。這通 過沉積之間交換亞相上的脂質(zhì)膜實現(xiàn)。
制備支撐雙分子層的另一種方式是嚢泡融合法(Brian and McConnell 1984)。將小的單分子層嚢泡(SUV)的溶液涂布到親 水化硅片或新劈開云母片的表面上。當該樣品置于低溫(4。C)下 時，嚢泡和表面融合形成連續(xù)的雙分子層(圖13)。不限于任何理 論，已經(jīng)假定嚢泡首先吸附到基片表面，然后融合形成平坦的薄餅 狀結(jié)構(gòu)，最終破裂并展開，在表面上形成單個雙分子層(Reviakine and Brisson 2000 )。也提出在與基片融合之后，只有直接接觸基片 的嚢泡部分變成支撐雙分子層(Leonenko et al. 2000 )。通過這種機 理，嚢泡在具有最高曲率的邊緣處破裂，并且雙分子層的頂部可以 隨后遷移到基片的表面，以增加所形成的支撐雙分子層的尺寸。已 經(jīng)報道了在溶液涂布到基片上的幾分鐘內(nèi)形成雙分子層 (Tokumasu et al. 2003)，但是這種短溫育時間可能產(chǎn)生不完整的 雙分子層。數(shù)小時或過夜溫育也已有報道(Reimhult et al. 2003, Rinia et al. 2000 )。
可用于制備支撐雙分子層的第三種技術(shù)是旋涂法(Reimhult et al. 2003, Simonsen and Bagatolli 2004 )。在旋涂法中，脂質(zhì)溶解 在合適的溶劑中，并將液滴置于基片上，然后旋轉(zhuǎn)基片，同時溶劑 蒸發(fā)并產(chǎn)生脂質(zhì)涂層。根據(jù)脂質(zhì)溶液的濃度，旋涂膜由一個或多個 脂質(zhì)雙分子層構(gòu)成。但是， 一旦水合，所述多層被證明是不穩(wěn)定的， 并且通常只有一個支撐雙分子層保留在表面上(圖14)。該程序筒 單快捷，并且已經(jīng)利用低熔點脂質(zhì)(POPC)以及具有中間轉(zhuǎn)變溫 度的脂質(zhì)(DPPC)和具有非常高的轉(zhuǎn)變溫度(神經(jīng)酰胺)的脂質(zhì)
完成。例如，可用的脂質(zhì)包括磷脂和兩親脂質(zhì)。
當還想在支撐雙分子層中引入肽和蛋白質(zhì)時，嚢泡融合技術(shù) 最為適用，因為所提及的其它程序涉及蛋白質(zhì)或肽在有機溶劑中的 增溶。許多膜蛋白可能在有機溶劑中變性，尤其是如果它們包含的 大功能區(qū)暴露在膜兩側(cè)的水溶液中時。因此，優(yōu)選將肽或蛋白質(zhì)插 入嚢泡中。在形成嚢泡之前，許多肽和蛋白質(zhì)例如水通道蛋白可與 脂質(zhì)一起在有機溶劑中共溶，然后將包含肽的嚢泡涂布到基片上。
這已經(jīng)用多種肽完成，例如WALP (Rinia et al. 2000)、短桿菌肽 (Mou et al. 1996 )、抗菌肽A ( van Kan et al. 2003 )和淀粉樣肽(3 蛋白(Lin et al. 2001 )。優(yōu)選通過其它方式將膜蛋白例如水通道蛋 白插入嚢泡中。這可以利用膜蛋白重組進入嚢泡的策略完成，如本 文引入的Danielle Keller的論文"Supported bilayers as models of biological membranes", 2005年2月,MEMPHYS-center for biomembrane physics, Physics Department, University of Southern Denmark and Dansih Polymer Centre, Ris0 National Laboratory, Denmark的第四章41 ~ 45頁的引言中對作為模型蛋白的細胞色備 c氧化酶的描述。
單個2D陣列的多層堆疊是可能的并且可能值得期待。堆疊陣 列的最終尺寸將取決于選定的膜材料/膜組成的整體堅固性和內(nèi)在 滲透性。堆疊可能脫離蛋白質(zhì)輕^t嵌入單個雙分子層且可能是支撐 雙分子層處的系統(tǒng)。然后，在支撐雙分子層上的后續(xù)一系列嚢泡坍 塌事件可提供多層過濾單元裝置，假定嚢泡的先決條件是由合適的 水通道蛋白重組。將堆疊的單元裝置引入穩(wěn)定化膜或穩(wěn)定化聚合物 基質(zhì)以及隨后縫合這些單個單元將最終通過自組裝過程產(chǎn)生整體 過濾網(wǎng)。
本發(fā)明各方面的共同特征
許多特征是本發(fā)明各方面共有的
用于制備根據(jù)本發(fā)明的水膜的有用水通道蛋白為AQP1、 TIP、 PIP、 NIP (參見圖8)及其混合物和雜合體。尤其期望植物 來源的水通道蛋白，因為其包含例如病原性病毒和蛋白感染素等對 人有害的污染物的風險大幅降低。此外，植物的水通道蛋白是天然 的植物基因產(chǎn)物，并且能夠在植物中過度表達和生產(chǎn)。
因此，水通道蛋白的水通道優(yōu)選選自水-甘油通道蛋白
(GLpF)，例如GLPA通道、GLPB1通道、GLPB2通道、GLPB3 通道和GLPY2通道及其混合物和雜合體。
本發(fā)明的水膜優(yōu)選封閉在穩(wěn)定化的滲透膜或多孔膜中，所述 膜可以是剛性或柔性的，并且可以充當水膜的保護以及從待純化的 含水液中去除粗顆粒物質(zhì)的預過濾器。作為選擇或額外地，本發(fā)明 的水膜可以沉積在濾盤上形成水過濾器。
對任選用于封閉本發(fā)明水膜的穩(wěn)定化膜的有用材料為微孔硅 氧烷膜，其具有相對較小的孔徑并在約室溫或低于約50。C的溫度下 固化。
用于水通道蛋白重組和脂質(zhì)雙分子層形成的有用脂質(zhì)為 POPC、 DPPC、神經(jīng)酰胺(參見表l)及其混合物。
表1是用于形成本發(fā)明水膜所采用的脂質(zhì)雙分子層的有用脂 質(zhì)的列表
卵磷脂
1,2-二肉豆蔻酰磷脂酰膽堿(DMPC)
1,2-二棕櫚酰磷脂酰膽堿(DPPC)
1,2-二硬脂酰基磷脂酯膽堿(DSPC)
1，2-二油酰基磷脂酰膽堿(DOPC )
1，2-二肉豆蔻酰油?；?myristoleoyl)卵鱗脂
1，2-二棕櫚油酰基卵磷脂
1,2-二巖芽?；?petroselinoyl)卵褲脂
1，2-二反油?；?elaidoyl)卵磷脂
1，2-二亞油?；蚜字?br> 1，2-二亞麻?；?linolenoyl)卵磷脂
1,2-二二十碳烯酰基(eicosenoyl)卵磷脂
1,2-二花生四烯酸?；蚜字?br> 1,2-二芥?；?erucoyl)卵磷脂
1，2-二二十四碳烯?；?nervonoyl)卵磷脂
1-棕櫚酰基-2-油?；蚜字?POPC)
1-棕櫚?；?2-亞油酰基卵磷脂
1 -棕櫚?；?2-花生四烯酸酰基卵磷脂
l-棕櫚?；?2-二十二碳六烯酰基卵磷脂
l-硬脂?；?2-油?；蚜字?SOPC)
1-硬脂?；?2-亞油?；蚜字?br> 1-硬脂酰基-2-花生四烯酸?；蚜字?br> 1 -硬脂?；?2-二十二碳六烯?；蚜字?br> l-油?；?2-棕櫚?；蚜字?br> l-油酰基-2-硬脂?；蚜字?br> 1,2-二二十二碳六烯?；蚜字?br> 磷脂酰乙醇胺
1,2-二肉豆蔻酰基磷脂酰乙醇胺(DMPE)
1,2-二棕櫚?；字Ｒ掖及?DPPE)
1,2-二硬脂?；字Ｒ掖及?DSPE)
1,2-二油?；字Ｒ掖及?DOPE)
1-棕櫚?；?2-油酰基磷脂酰乙醇胺(POPE)
1棕櫚?；?2-亞油?；字Ｒ掖及?br> 1-棕櫚?；?2-花生四烯酸?；字Ｒ掖及?br> l-棕櫚?；?2-二十二碳六烯?；字Ｒ掖及?br> 1-硬脂酰基-2_油?；字Ｒ掖及?SOPE)
1-硬脂酰基-2-亞油?；字Ｒ掖及?br> 1-硬脂?；?2-花生四烯酸?；字Ｒ掖及?br> l-硬脂?；?2-二十二碳六烯酰基磷脂酰乙醇胺
1，2-二反油?；字Ｒ掖及?br> 1，2-二亞油?；字Ｒ掖及?br> 1,2-二亞麻?；字Ｒ掖及?br> 1,2-二花生四烯酸?；字Ｒ掖及?br> 1，2-二二十二碳六烯?；字Ｒ掖及?br> 1，2-二棕櫚油酰基磷脂酰乙醇胺
磷脂酰甘油
1，2-二肉豆蔻酰基磷脂酰甘油 (DMPG)
1,2-二棕櫚?；字８视?(DPPG)
1,2-二硬脂?；字８视?(DSPG)
1,2-二油?；字８视?(DOPG)
1-棕櫚酰基-2-油?；字８视?(POPG)
1-棕櫚?；?2-亞油酰基磷脂酰甘油
l-棕櫚?；?2-花生四烯酸?；字８视?br> l-棕櫚?；?2-二十二碳六烯?；字８视?br> 1-硬脂?；?2-油?；字８视?(SOPG)
1-硬脂?；?2-亞油酰基磷脂酰甘油
1-硬脂酰基-2-花生四烯酸?；字８视?br> l-硬脂?；?2-二十二碳六烯?；字８视?br> 磷脂酰絲氨酸
l-棕櫚?；?2-油酰基磷脂酰絲氨酸(POPS)
1-棕櫚?；?2-亞油?；字＝z氨酸
1-棕櫚?；?2-花生四烯酸?；字＝z氨酸
l-棕櫚?；?2-二十二碳六烯?；字＝z氨酸
l-硬脂?；?2-油?；字＝z氨酸(SOPS)
1-硬脂?；?2-亞油?；字＝z氨酸
1-硬脂?；?2-花生四烯酸?；字＝z氨酸
l-硬脂?；?2-二十二碳六烯?；字＝z氨酸
1,2-二肉豆蔻?；字＝z氨酸(DMPS)
1,2-二棕櫚酰基磷脂酰絲氨酸(DPPS)
1,2-二硬脂?；字＝z氨酸(DSPS)
1,2-二油?；字＝z氨酸(DOPS)
1,2-二二十二碳六烯?；字＝z氨酸
1，2-二芥?；字＝z氨酸
特殊脂質(zhì)
心磷脂
雙極性脂質(zhì)
天然脂質(zhì)提取物
蛋黃卵磷脂
牛心卵磷脂
大腦卵磷脂
牛肝卵磷脂
大豆卵磷脂埃希氏大腸桿菌(E. Coli)磷脂酰乙醇胺
牛心磷脂酰乙醇胺
大腦磷脂酰乙醇胺
牛肝磷脂酰乙醇胺
蛋的磷脂酰乙醇胺
牛肝磷脂酰環(huán)己六醇
大豆磷脂酰環(huán)己六醇
大腦磷脂酰絲氨酸
大豆磷脂酰絲氨酸
可聚合脂質(zhì)
1,2誦二-10,12-tricosadiynoyl-sn-丙三氧基-3-膽堿磷酸(DTPC ) 1，2國二 -10,12-tricosadiynoyl-sn-丙三氧基-3-磷酸乙醇胺 (DTPE)
l誦棕櫚酰-2，10，12-&1(:083&丫11(^1-811-丙三氧基-3-磷酸乙醇胺 (PTPE )
(DC8，9PC [1，2國雙(10，12-tricosadiynoyl)-sn畫丙三氧基-3-膽堿
磷酸J
二 PhyPC [1，2-二植烷?；?phytanoyl)-sn-丙三氧基-3-膽堿磷
酸
水處理系統(tǒng)和水過濾裝置
在一個實施方案中，本發(fā)明具有常規(guī)濾盤的形式，因為其易 于檢測功能性。為了制造這種盤，將包含功能性水通道蛋白的蛋白 質(zhì)的磷脂膜雙分子層通過LB槽沉積到25 mm商用超濾盤表面上。 在本發(fā)明的優(yōu)選實施方案中，水膜任選與常規(guī)膜一起螺旋纏繞形成 螺旋纏繞的RO模塊，參見圖10和11。
濾盤安裝在具有入口和出口的密閉室中，例如經(jīng)管連接至具 有泵的水源的濾盤室，所述泵使加壓的源水穿過膜并從出口流出。 當只有純水穿過膜的另一側(cè)，并且污染溶質(zhì)在始發(fā)室中保持高濃度 時，則認為該裝置具備功能。必須對受污染溶液加壓，以克服純水 流入具有更多溶解顆粒的室的隔室中的自然趨勢，從而克服水的滲 透壓，對于飲用水約為10 psi。本發(fā)明水膜的目的是反滲透并使純 水與污染溶質(zhì)分離。系統(tǒng)的這種趨勢或滲透壓可用磅每平方英寸
(psi)表示。例如，海7K的'滲透壓為360~400 psi。
有幾種方法可用于允許該裝置承受這些類型的壓力。 一種方 法是添加高濃度的無毒且易除去的溶質(zhì)到新制水室中，以在由于室 的加壓也出現(xiàn)反滲透時促進跨膜的正常滲透壓。而且，反滲透所需 壓力也可以通過在包含濃度連續(xù)降低的污染物的密封連接室的級 聯(lián)中使用多層水通道蛋白膜來降低。每對室中純化水所需的合成壓 力是反滲透所必需的總壓力的一部分。因此，每個膜只需承受小壓 力，從而具有較大的機會保持完好。因此，如果每對室之間的濃度 差只有10%,而不是100%，那么在每個連接處純化源水只需10%
的上述高壓。純水將在壓力和流動恒定的末級室中連續(xù)生產(chǎn)。
水通道蛋白反滲透膜可只在一個步驟中純化含有幾種不同類 型污染物的水。傳統(tǒng)的高純系統(tǒng)需要能包含水軟化劑、碳過濾器、
離子交換器、uv或化學消毒的幾個部分，并且設置聯(lián)合使用的雙
通道反滲透過濾器，然后才能生產(chǎn)純化水。這種復雜裝置不能如水
通道蛋白膜一樣除去溶解的氣體或小于150道爾頓的物質(zhì)。此外， 所有這些部分需要維護。UV燈泡需要更換和能量。離子交換器在 飽和時需要化學再生。軟化劑需要鹽。碳和反滲透筒在結(jié)垢時必須 更換。最后，單步裝置將要求遠低于典型純化系統(tǒng)的空間和重量， 并且這種優(yōu)勢可通過包含本發(fā)明水通道蛋白的水膜的便攜裝置實 現(xiàn)。
水通道蛋白膜也比常規(guī)系統(tǒng)更快。常規(guī)的高速反滲透單元每 分鐘能夠生產(chǎn)約28.4升(7.5加侖)的清潔水。目前的研究表明水 分子以54nmol/秒的速率運動穿過水通道蛋白飽和的脂質(zhì)膜(0.0177 mm2 )。 ( Pohl, P., Saparov, S. M., Borgnia， M. J., and Agre， P" (2001), Proceedings of the National Academy of Sciences 98， p. 9624- 9629)。因此，表面積為1.0 m2的理論水通道蛋白反滲透膜i 分鐘能夠過濾最高達3295升的純水。這個速率是正常純化裝置的 116倍。
本發(fā)明的再一方面涉及一種水處理系統(tǒng)，其用以從中去除化 學、放射性、生物學和/或顆粒污染物，該系統(tǒng)包括入口被布置為連 接外部水源的整體式外殼，其中該整體式外殼內(nèi)布置有一個或多個 包含本發(fā)明水膜的水過濾單元，所述水膜布置用于處理來自外部水
源的水以生產(chǎn)超純水流，并且其中該整體式外殼包括用于從中排放 所述超純水的出口。這種處理系統(tǒng)的例子為反滲透過濾裝置。
但是，本發(fā)明的水膜也可以用包含功能性水通道蛋白的其它
膜替換，例如US 2004/049230中教導的包含水通道蛋白的膜。無論 包含水通道蛋白的膜的確切性質(zhì)如何，相信本文描述的這種水處理 系統(tǒng)和過濾器裝置憑其自身的能力而具有創(chuàng)造性。
因此，本發(fā)明還包括用于從鹽水源生產(chǎn)脫鹽水的反滲透水過 濾裝置，所述脫鹽水可用于農(nóng)業(yè)灌溉和/或飲用水，其中至少一個末 級反滲透過濾膜已經(jīng)替換為包含功能性水通道蛋白水通道的水膜， 例如本發(fā)明的膜。同樣地，本發(fā)明還包括從粗水源生產(chǎn)超純水的反 滲透水過濾裝置，所述超純水可用于半導體工業(yè)和/或制藥工業(yè)，其 中至少一個末級反滲透濾膜已經(jīng)替換為包含功能性水通道蛋白水 通道的水膜的這種水膜。本發(fā)明還涉及一種用于從用于城市用水工 業(yè)、化學工業(yè)、飲用水工業(yè)、食品工業(yè)、電子工業(yè)、油氣工業(yè)、精 煉工業(yè)、紙漿和造紙工業(yè)、金屬工業(yè)、礦業(yè)和電力工業(yè)所用的粗水 源生產(chǎn)純水的反滲透水過濾裝置，其中至少一個末級反滲透濾膜已 經(jīng)替換為這種包含功能性水通道蛋白水通道的水膜。通常，滲透壓 被施加到所述水膜的下游側(cè)以驅(qū)動水流動。該滲透壓通常來自滲透 壓大于待純化水源的濃溶液。
本發(fā)明還涉及一種用于從體液例如尿液、奶和汗液中提取和 回收水的水過濾裝置，其包括含有功能性水通道蛋白的水通道的水 膜，例如本發(fā)明的水膜。
本發(fā)明的水純化系統(tǒng)/過濾裝置還可包括水膜裝置上游的顆粒 過濾模塊，其用于預處理水流并從中除去至少部分顆粒污染物。
這種顆粒過濾模塊的功能是減輕下游水過濾裝置的負擔，使 得水流充分流動所需的壓力較低，從而優(yōu)化整個系統(tǒng)的能耗并提高 其運行效率。
顆粒過濾模塊優(yōu)選包括一個或多個選自(a)中空纖維膜分離 器和(b)超濾元件的過濾元件。多個中空纖維膜分離器和超濾元 件可采用交替方式使用，以使這種顆粒過濾模塊的顆粒去除能力最 大化。
過濾元件優(yōu)選包括本領域熟知的切向流或交叉流過濾裝置， 以防止過濾表面的堵塞。
為了將這種顆粒過濾模塊的易損性降低至單個過濾器的失 效，并且為了降低單個過濾器清潔和維護期間的系統(tǒng)停工時間，這 種顆粒過濾模塊優(yōu)選包括多個平行布置的過濾元件，其中每個元件 為水流提供獨立的過濾路徑。
在初步過濾器上游優(yōu)選采用這種顆粒過濾模塊，例如其可以
具有約10 nm到約20 jim的孔隙率，以便濾出水流中的大顆粒(例 如固體顆粒、孢子和細菌)，并延長下游顆粒過濾模塊中所用過濾 器的壽命。
這種污染物去除單元可以包含用于除去水流中的離子的納米 過濾(NF )模塊或反滲透(RO )模塊。RO模塊已經(jīng)常規(guī)用于這 個目的并被證明有效。此外，與RO模塊相比，納米過濾需要較低 的壓力和較少的能量和水消耗。
本發(fā)明的水處理系統(tǒng)還可以包括所處理的水流入其中的液壓 蓄槽，以維持系統(tǒng)內(nèi)均勻的壓力并為下游的水消耗工廠提供基本恒 定的供水。
本發(fā)明的水處理系統(tǒng)還可以包括水質(zhì)監(jiān)測模塊，其連續(xù)監(jiān)測 一種或多種指示待處理水流質(zhì)量的變量(例如包括但不限于氯濃 度、pH值、電導率、總有機碳、溶解氧、化學耗氧量、濁度和放 射性)，將這些變量和通過這些變量的預先觀測值測定的基線值相 比較，識別與這些基線值的顯著偏差，并產(chǎn)生指示所述偏差的輸出 信號。自動傳感器可用于精確測量這些變量，并且取樣器可用于常 規(guī)采集離散的水樣品，這允許在出現(xiàn)偏差時將樣品和時間框架分 離。然后可以對該樣品實施各種分析程序，以識別水中導致這種偏 差的污染物。該水質(zhì)監(jiān)測模塊還可以根據(jù)需要運行以接通或斷開水 處理系統(tǒng)，和/或警告當局水質(zhì)不符合預定的飲用水質(zhì)標準。
本發(fā)明的水處理系統(tǒng)可以是固定的或便攜的。其優(yōu)選被建造 和布置用于車輛運輸和部署，以使其可以用于向遠方供水。
本發(fā)明的系統(tǒng)可以采用并行和/或串聯(lián)冗余的方式配置各種組 件，以提高系統(tǒng)可靠性和整個系統(tǒng)的性能。還將認識到，本文描述
的系統(tǒng)和實施方案可以釆用功能冗余以實現(xiàn)水中污染物的完全去 除。
系統(tǒng)/水過濾裝置可用于純化水，并且如上所述，本發(fā)明還確 實涉及制備純化水的方法，其中所述方法包括使水通過本發(fā)明的系 統(tǒng)/裝置。這樣獲得的水例如將基本不含離子、顆粒、有機物和膠體， 因為這些部分已經(jīng)截留在裝置內(nèi)。
本發(fā)明的疏水膜
如本發(fā)明第二方面的上述7>開內(nèi)容所述，即水膜可以在脂質(zhì) 單分子層包圍的中間支撐層中包含疏水材料，可以制備疏水膜形式 的材料，該疏水膜包含具有均勻的形狀和尺寸的均勻分布的穿孔。 相信這種疏水膜本身具有創(chuàng)造性。
因此，本發(fā)明還涉及包含多個穿孔的疏水聚合物膜，其中所
述穿孔均勻分布在膜中，并且在疏水材料的2個平面之間的中平面 內(nèi)基本上所有穿孔具有基本相同的幾何形狀。當這些穿孔均具有大 得足以允許水蒸氣通過但又小得足以防止液態(tài)水通過的開口面積 時，例如100nm2~ lmm2的面積時，該膜將產(chǎn)生與例如Goretex 的材料等效的作用，即該膜可以透氣但又防水。相信本發(fā)明的膜優(yōu) 于諸如Goretex⑧的材料，因為穿孔的尺寸和幾何形狀受到良好的 控制。
本文中的術(shù)語"疏水膜"是指基本平面的疏水材料。該膜通 常是柔性的，使得平面材料可獲得曲面的形式(即，如果材料繞軸 纏繞)，從而使該疏水膜適合用作衣物和其它柔性結(jié)構(gòu)中的織物的 一部分。
該穿孔通常具有納米到亳米范圍的最大橫斷面長度，例如微 米范圍，并且該膜通常具有亳米到微米的厚度。
通常，穿孔的幾何形狀選自圓形和橢圓形。當使用激光設備 在膜中引入穿孔時，兩種形狀都容易獲得一例如，圓孔可以利用靜 止的激光束獲得，而在暴露期間膜相對于激光束的運動(通過移動 膜或激光束)將提供橢圓形或甚至棒狀的孔。在優(yōu)選的實施方案中， 穿孔均具有基本相同的尺寸。膜材料通常選自與本發(fā)明第二方面的 公開內(nèi)容相關(guān)的上述疏水材料。
當參照本發(fā)明特定實施方案來描述本發(fā)明時，將會理解許多 變更、修改和實施方案是可能的，因此所有這些變更、修改和實施 方案將被理解為在本發(fā)明的精神和范圍之內(nèi)。本文引用的所有參考 文件通過引用全部并入本文。
由以下公開內(nèi)容和所附權(quán)利要求，本發(fā)明的其它方面、特征 和實施方案將更加充分的明顯。
實施例1
DPPC脂質(zhì)嚢泡中AQP-1 (脂蛋白體)的重組 使用下列程序制備根據(jù)本發(fā)明的水膜
1. 小單分子層嚢泡的制備(SUV)
a. 將干的DPPC脂質(zhì)懸浮在milli-Q水中以得到1.3 ~ 1.5 mM 的濃度。
b. 將懸浮液在55。C下溫育1小時水合得到多分子層嚢泡 (MLV)
c. 通過將MLV溶液擠壓穿過兩個100納米的聚碳酸酯過濾 器12次來制備SUV
d. 在55。C下保存SUV溶液。
2. BioBeadsTM (聚苯乙烯珠)的制備
a. 用milli-Q水洗滌約4 g BioBeadsTM 5次
b. 將經(jīng)洗滌的BioBeadsTM在水抽吸下聲處理1小時
3. 重組
a. 將適當體積的SUV溶液用移液管移入eppendorf管中
b. 加入50nl 20%的Triton X-100
c. 將磷酸緩沖液中變性形式的lOfilAQP-1 (濃度0.5mg/ml) 加入其中，所述AQP-1根據(jù)Zeidel et al. (1992)描述的方法純化
d. 加入milli-Q水至終體積200 jil
e. 在室溫下溫育溶液，并振搖15分鐘
f. 將約75mg經(jīng)洗滌的BioBeads加入溶液中，然后溫育并振 搖30 ~ 45分鐘
g. 將該溶液用移液管移入干凈的Eppendorf管中
h. 重復步驟f ~ g 3次(共四倍的BioBeads )
i.該脂質(zhì)蛋白體溶液備用
圖9顯示白云母上DPPC膜的原子力顯微鏡(AFM)照片， 并顯示DPPC膜中重組的AQP-1，其表明已經(jīng)完成重組工作和所得 嚢泡的支撐雙分子層。如測量圖像所得，圖像中的小環(huán)形結(jié)構(gòu)面積 約為36nm2。這與脂質(zhì)雙分子層中的蛋白質(zhì)表面面積非常符合。平 均起來(來自三個不同區(qū)域的6張不同尺寸的圖像)，蛋白質(zhì)覆蓋 48%的表面，而脂質(zhì)覆蓋52%的表面。假定脂質(zhì)面積為0.5nm2，則 計算的脂質(zhì)-蛋白質(zhì)比例(LPR)為77。支撐雙分子層通過LPR為 50的脂蛋白體嚢泡融合制得。
實施例2
在多孔白云母上形成脂質(zhì)雙分子層和可能其它多個雙分子 層，以獲得如圖1示意性示出的水膜。
1. 將白云母片(約lcm2)用帶劈開
2. 劈開后立即將實施例1中的25 jd脂蛋白體溶液涂布到云母表面。
3. 將樣品在室溫下(21°C )溫育10分鐘以形成融合的雙分子層。
4. 溫育后，用milli-Q水洗滌樣品7次，以除去過量的未結(jié)合嚢泡。
5. 最后將新劈開的第二片白云母沉積到所形成的脂質(zhì)雙分子
層上。
實施例3
E. Coli脂質(zhì)提取物嚢泡中AQP-1的重組
在氯仿中的E. coli全部脂質(zhì)提取物得自Avanti Polar Lipids (Alabaster, AL )。溶劑(氯仿、乙醇、甲醇、癸烷)全部購自 Sigma-Aldrich ( St. Louis, MO )。 SM-2 BioBeads購自BioRad Laboratories ( Hercules, CA )。所有制備中用的水為超純milli-Q水 (18.2 cnT1)。由牛的紅細胞純化的水通道蛋白-1作為無折疊
蛋白質(zhì)的懸浮液由University of Aarhus的Dr. Jan Enghild獲得。
從脂質(zhì)溶液中蒸發(fā)氯仿，并將干脂質(zhì)用100 mM KCl在55°C下水合30分鐘。攪拌溶液，并且通過使溶液在Lipex擠出器 (Northern Lipids, Vancouver, CD )中穿過兩個100 nm的聚碳酸 酯濾器12次形成小單分子層嚢泡(SUV)。通過加入Triton X-100 (Sigma)至1.25% ( wt/vol)的最終溶度并隨后加入AQP-1至脂 質(zhì)-蛋白質(zhì)比(LPR)為1000: 1而制得重組混合物。通過除去洗滌 劑形成脂蛋白體。這可以通過吸附到疏水的BioBeads ( SM-2 )上 來實現(xiàn)。脂蛋白體可以在制備當天或之后一天使用。實驗之間，溶 液在4'C下保存。
實施例4
平面雙分子層膜的形成和電壓鉗試驗AQP-1引入脂質(zhì)雙分 子層中而不增加離子傳導率
電壓鉗將雙分子層(或細胞膜)的電勢V控制(或"鉗制") 在期望的水平。此處所用的方法測量跨越兩水溶液之間的隔離物處 形成的雙分子層的電勢。將涂有AgCl的銀電極放在一個室中，并 電性比較該電壓和待維持的電壓(稱為支配電壓)。然后鉗制電路 通過另一電極將電流返回另一個室中。即使面對滲透性的變化，該 反饋電路也將跨雙分子層電勢維持在期望的水平。最重要的是，該 裝置允許同時測量將跨雙分子層電勢保持在既定電壓所需的電流 I。因此，電壓鉗技術(shù)指示膜電勢如何影響跨膜離子電流。該影響 以電流-電壓(I/V)關(guān)系表示。
平面雙分子層由E.coli ( Avanti Polar Lipids, Alabaster, AL ) 的正癸烷溶液(2.5% wt/vol)穿過Teflon隔離物中的孑L (直徑1.3 mm)形成，所述隔離物將實驗當天制備的兩種無緩沖的0.1MKC1 水溶液隔離。在22'C下通過用涂有AgCl的4艮線作為電極的 AxoPatch200放大器(Axon Instruments, Sunnyvale, CA)完成雙 分子層I/V實驗。建立I/V協(xié)議，并利用Clampex 9.2軟件(Axon Instruments, Sunnyvale, CA)記錄數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)利用八極貝賽爾濾 波器(Bessel filter )( Frequency Devices, Haverhill, MA )在500 Hz (-3dB)的角頻率下低通濾波，并在進行16位AD轉(zhuǎn)換 (DigiDatal332A, Axon Instruments, Sunnvale, CA )后存儲于PC (Dell Computer, Austin, Texas )中用于分析。分析數(shù)據(jù)，并通過 ClampFit 9.2 ( Axon Instruments, Sunnyvale, CA)和OriginPro 7.5(OriginLab, Northhampton, MA )顯示。
用配有冷光源(IntraLux 5000， Volpi, CH )的立體顯微鏡 (Zeiss)監(jiān)測雙分子層的形成。在脂質(zhì)沉積在隔離物的孔內(nèi)后，脂 質(zhì)多分子層的牛頓衍射顏色逐漸消失，并在10分鐘后形成被更厚 的脂質(zhì)/癸烷圓環(huán)包圍的透明"黑色"脂質(zhì)膜。這種淡化也反映在零 電位IRMS下跨雙分子層電流的均方才艮的暫時變化中。初始IRMS 為約1.6pA,然后升至約6 pA的穩(wěn)態(tài)值，這指示形成了穩(wěn)定的雙 分子層。該雙分子層直徑為約1200pim。在雙分子層形成后，利用 步進協(xié)議獲得跨雙分子層電流，其中電勢以10 mV的增量從-100 mV步進至+90 mV。每一步持續(xù)1000 ms，步間為1000 ms。
在將含有AQP-1的嚢泡加入雙分子層形成液(2:1 vol/vol)之 后，AQP-1被引入平面雙分子層中，得到類似的結(jié)果。
AQP-1引入脂質(zhì)雙分子層沒有改變離子電流，但是與對照相 比，其改變了包含AQP-1的雙分子層的時間常數(shù)。對于一級近似， 后一觀測可解釋為圓環(huán)和雙分子層的有效介電常數(shù)的變化。這是可 能的，因為與烴類材料相比，AQP-1蛋白質(zhì)材料較低的介電常數(shù)將 導致雙分子層和圓環(huán)二者中較低的時間常數(shù)。
實施例5
滲透梯度實驗引入脂質(zhì)雙分子層中的AQP-1產(chǎn)生滲透梯度， 導致低滲側(cè)未攪拌層內(nèi)的離子濃度增加
在含有AQP-1的脂質(zhì)雙分子層形成后，通過測量膜附近未攪 拌層中K+離子濃度的變化觀測到滲透壓驅(qū)動的跨膜水通量。
根據(jù)Zeuthen的技術(shù)，使用1.2 mm的OD玻璃毛細管(Corning 120F)制造雙管K+電極。
通過采用12位BioLogic 1401+AD/DA接口 ( Biologic, Claix, France)連接至PC ( Dell Computer, Austin, TX)的DU0773放大 器(WPI)記錄來自雙管的電極電壓。
將雙管電極置于含有用20mM三[羥甲基]-氨基甲烷鹽酸鹽 (TRIS ) ( T3253, Sigma, St Louis, MO )緩沖的pH 7.2的lOOmM KC1的后(順)室中進行記錄。安裝電極夾具，使電極相對于水溶 液表面成45。角伸入順室中，并利用水壓微操縱器(David KnopfInstruments, Model 1207B)操縱，最小步長為0.25nm。雙分子層 的形成和電極的粗定位利用5.3節(jié)描述的立體顯微鏡監(jiān)測，并且在 脂質(zhì)沉積10~20分鐘后開始記錄。雙分子層電極距離的總精確度 調(diào)整為約±7 nm,并且通過緊密接觸雙分子層后電極電勢的大幅變 化來調(diào)整絕對距離?？珉p分子層的滲透梯度通過含有用20mM TRIS緩沖的pH 7.2的含有4M脲(452042V, BDH, Poole, UK)的 前(反)側(cè)KC1溶液誘導產(chǎn)生。
觀察到，在存在跨雙分子層滲透梯度的情況下，引入AQP-1 的脂質(zhì)雙分子層i秀發(fā)水流動。
與本體K+濃度相比，在存在滲透梯度時，引入脂質(zhì)雙分子層 中的AQP-1使K+離子濃度在低滲側(cè)距雙分子層20 jim范圍內(nèi)增加 了約8%。
膜能夠承受4 M的滲透梯度。
實施例6
包含根據(jù)本發(fā)明的膜的UPW系統(tǒng)
圖10和11顯示根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的水純化系統(tǒng)。
圖 IO是元件的透視剖面示意圖，
而圖ll是沿圖IO的線II-II切開的 橫斷面視圖。
該元件具有布置在元件中央的中空管1，并且其表面形成有數(shù) 個通孔la。反滲透膜2、滲透液通道膜3和進料液通道膜4以下文 描述的方式環(huán)繞中空管1的外表面纏繞。
每個反滲透膜2整體具有袋狀的形狀，而滲透液通道膜3布 置于其中。袋狀的反滲透膜2連接到中空管1的外表面，同時其開 口 2a封閉在中空管1中形成的通孔la,使得反滲透膜2的內(nèi)部和 滲透液通道膜3與通孔la連通。
每個進料液通道膜4布置在與其相連的反滲透膜2之間，并 且配置為允許液體穿過其中的框架構(gòu)件5連接到膜和通道組件的兩 端，由此獲得螺旋結(jié)構(gòu)。
上述元件布置在壓力容器中，并適于在預定壓力下從其一端 (上游側(cè))供給進料液6。
當進料液6沿進料液通道構(gòu)件4流動時，其遭受反滲透膜2 的反滲透分離，被分離成滲透液和溶質(zhì)。穿過反滲透膜2并具有低 溶質(zhì)濃度的滲透液流入通孔la并匯集在中空管1中。然后從元件 的下游側(cè)取出滲透液6a。
沒有穿過反滲透膜2的進料液繼續(xù)沿進料液通道構(gòu)件4流向 下游側(cè)。在流動期間，進料液吸收從進料液中分離并留在膜表面的 溶質(zhì)，從而變成具有高溶質(zhì)濃度的濃縮液6b。
在操作元件時有一個關(guān)鍵問題，即元件性能由于濃差極化而降低。
濃差極化是一種結(jié)垢物質(zhì)例如進料液中包含的雜質(zhì)和污染物 富集在與進料液通道構(gòu)件4接觸的反滲透膜2的表面而使得進料液 中溶質(zhì)和結(jié)垢物質(zhì)的濃度高于膜表面的現(xiàn)象。結(jié)果，滲透壓升高。
當出現(xiàn)濃差極化時，滲透液的量減少，并且例如凝膠和水垢 等雜質(zhì)沉淀在膜表面。為此，反滲透膜不能發(fā)展其容量，而元件的 性能則降低。
濃差極化的發(fā)生可以通過進料液在膜表面上的湍流來抑制。 例如，通過利用厚度較小的進料液通道構(gòu)件4來增大膜表面上進料 液的線速度更容易發(fā)生湍流，使得濃差極化層可以變薄。
但是，由于進料液通道構(gòu)件4具有較小的厚度，使得由進料
生物所堵塞。結(jié)果，元件性能降低并且進料液中的壓力損失增加。 為了保持滲透液的質(zhì)與量，進料液的操作壓力需要提高，因此必須 提供需要電力運行的高壓泵和高壓管，其導致液體生產(chǎn)成本增加。
至少一個反滲透膜是根據(jù)本發(fā)明的包含水通道蛋白和/或水-甘 油通道蛋白通道的水膜。
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權(quán)利要求
1.一種水膜，其包含具有至少兩個滲透性載體層的夾層結(jié)構(gòu)，所述至少兩個滲透性載體層被至少一個包含功能性水通道蛋白水通道的脂質(zhì)雙分子層隔開。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l的水膜，所述脂質(zhì)雙分子層基本由選自磷脂、磷酸甘油酯、鞘脂和心磷脂及其混合物的兩親脂質(zhì)構(gòu)成。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2的水膜，其中所述兩親脂質(zhì)為DPPC或其它磷脂 或其混合物。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l的水膜，其中所述脂質(zhì)雙分子層基本由可聚合的 月旨質(zhì)構(gòu)成。
5. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項的7jC膜，其中所述滲透性載體層包含含有云母或云母帶的基本平面的且層厚為毫米到微米級的親水層，并且其中形成有直徑小于約50nm的納米孔。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5的7JC膜，其中所述納米孔通過徑跡蝕刻技術(shù)形成。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5或6的水膜，其中所述云母為白云母。
8. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項的7jc膜，其中所述滲透性載體層包含 親水的膜表面，例如選自硅氧烷膜、聚砜、AK)2和具有親7jC表面的聚 合物例如纖維素的膜，其中形成有直徑小于約50nm的納米孔。
9. 根據(jù)權(quán)利要求5 ~ 8中任一項的7JC膜，其中所述納米孔的直徑為約 10~40nm。
10. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項的7jC膜，其中所述水通道蛋白通道沉 積在所述多孔載體材料附近或內(nèi)部。
11. 一種水膜，其包含具有至少兩個脂質(zhì)單分子層的夾層結(jié)構(gòu)，當其 組合成一個雙分子層時，所述夾層結(jié)構(gòu)包含功能性水通道蛋白7jC通道， 所述至少兩個脂質(zhì)單分子層4皮至少 一個滲透性栽體層隔開。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11的7JC膜，其中所述載體層包含與所述脂質(zhì)單分子 層形成接觸表面的疏水穿孔材料，并且其中所述脂質(zhì)雙分子層形成在 所述疏水穿孔材料的穿孔內(nèi)。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12的7jC膜，其中所述疏水材料具有相當于去離子水液滴和所述疏水材料之間至少100。接觸角的疏7JC度，其中所述接觸角的測量在20。C和大氣壓力下進行。
14. 根據(jù)權(quán)利要求12或13的水膜，其中所述疏7JC材料為Parafilm或 聚四氟乙烯。
15. 根據(jù)權(quán)利要求11~14中任一項的水膜，其中所述疏水材料是平面 的，并且所述穿孔在所述疏水材料的2個表面之間的中平面內(nèi)均勻分 布并且基本上所有所述穿孔都具有基本相同的幾何形狀，例如權(quán)利要 求37~40中任一項所限定的穿孔。
16. 根據(jù)權(quán)利要求11~15中任一項的水膜，其中所述穿孔具有毫米到 微米范圍的直徑。
17. 根據(jù)權(quán)利要求11 ~ 16中任一項的水膜，其中所述脂質(zhì)雙分子層如 權(quán)利要求2 ~ 5中任一項所限定。
18. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項的水膜，其中所述水通道蛋白為 AQP1，例如牛AQP1。
19. 根據(jù)權(quán)利要求1 ~ 14中任一項的水膜，其中所述7JC通道蛋白來自 植物，例如TIP、 PIP或NIP水通道蛋白及其混合物和雜合體。
20. 根據(jù)權(quán)利要求1~14中任一項的7JC膜，其中所述7K通道蛋白水通 道選自7JC-甘油通道蛋白(GLpF)，例如GLPA通道、GLPB1通道、 GLPB2通道、GLPB3通道和GLPY2通it^L其混合物和雜合體。
21. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項的7JC膜，其中所述夾層結(jié)構(gòu)進一步包 封在水滲透性穩(wěn)定化膜中。
22. 根據(jù)權(quán)利要求21的7JC膜，其中所述穩(wěn)定化膜選自硅氧烷膜，其在 低于約50。C的溫度下具有相對小的孔徑。
23. 根據(jù)權(quán)利要求21或22的水膜，其還被"外殼內(nèi)以提供一種水 過濾裝置。
24. —種制備7jc膜的方法，其包括下列步驟a) 獲得含有水通道蛋白水通道的脂質(zhì)微嚢泡，所述水通道蛋白 水通道占所述孩史嚢泡的至少0.1%mol/mol，b) 將所述嚢泡融合到平面脂質(zhì)雙分子層中，所述平面脂質(zhì)雙分 子層位于具有親水表面的基本平面的滲透性載體上，其中所述水通道蛋白覆蓋至少1%的所述脂質(zhì)雙分子層面積，C)任選重復步驟b)以獲得多個融合的雙分子層，d) 將第二具有親水表面的基本平面的滲透性載體沉積到步驟b)或c)中獲得的所述脂質(zhì)雙分子層上，以獲得夾層結(jié)構(gòu)，和e) 任選將所得的夾層結(jié)構(gòu)包封在滲透性穩(wěn)定化膜中。
25. —種制備水膜的方法，其包括下列步驟a) 獲得含有水通道蛋白水通道的脂質(zhì)微嚢泡，所述水通道蛋白 水通道占所述微嚢泡的至少0.1%mol/mol，b) 將所述嚢泡融合到平面脂質(zhì)雙分子層中，所述平面脂質(zhì)雙分 子層組裝在具有疏水表面的基本平面的滲透性載體周圍，其中所述 水通道蛋白覆蓋至少1%的所述雙分子層面積，和c) 任選將所得的夾層結(jié)構(gòu)封閉在滲透性穩(wěn)定化膜中。
26. —種制備超純水濾液的方法，其包括通過根據(jù)權(quán)利要求1~23中 任一項的7jc膜過濾水溶液，以截留離子、顆粒、有機物質(zhì)和膠體，由 此所述濾液為基本不含離子、顆粒、有機物質(zhì)和^體的水。
27. —種用于從鹽水源生產(chǎn)脫鹽水的反滲透水過濾裝置，所述脫鹽水 可用于灌溉農(nóng)業(yè)和/或用作飲用水，其中至少一個末級反滲透過濾膜替 換為包含功能性水通道蛋白水通道的7JC膜。
28. —種用于從粗水源生產(chǎn)超純水的反滲透水過濾裝置，所述超純水 可用于半導體工業(yè)和/或制藥工業(yè)中，其中至少一個末紐^反滲透過濾膜 替換為包含功能性水通道蛋白水通道的7jC膜。
29. —種用于從粗水源生產(chǎn)純水的反滲透水過濾裝置，其用于城市用 水工業(yè)、化學工業(yè)、飲用水工業(yè)、食品工業(yè)、電子工業(yè)、油氣工業(yè)、 煉制工業(yè)、紙漿和造紙工業(yè)、金屬工業(yè)、采礦工業(yè)和電力工業(yè)，其中 至少一個末級反滲透過濾膜替換為包含功能性水通道蛋白7JC通道的水 膜。
30. 根據(jù)權(quán)利要求27~29中任一項的水過濾裝置，其中對所述7JC膜的 下游側(cè)施加滲透壓。
31. 根據(jù)權(quán)利要求30的水過濾裝置，其中所述滲透壓來自滲透壓大于 待純化水源的濃溶液。
32. 根據(jù)權(quán)利要求27~31中任一項的水過濾裝置，其中所述包含功能性7jC通道蛋白水通道的水膜是根據(jù)權(quán)利要求1 ~22中任一項的水膜。
33. —種用于從體液例如尿液、奶和汗液中提取和回收水的水過濾裝 置，其包括含有功能性7JC通道蛋白7JC通道的水膜，例如根據(jù)權(quán)利要求 1~22中任一項的水膜。
34. —種用于純化從水源獲得的水的方法，所述方法包括通過根據(jù)權(quán) 利要求27 ~ 33中任一項的水過濾裝置過濾從所述水源獲得的水。
35. —種包含多個穿孔的疏水性聚合物膜，其中所述穿孔均勻分布在 所述膜中并在所述膜的2個表面之間的中平面內(nèi)基本上所有所述穿孔 都具有基;M目同的幾何形狀。
36. 根據(jù)權(quán)利要求35的膜，其中每個所述穿孔均具有大到足以允許水 蒸氣通過但小到足以防止液態(tài)水通過的開口面積，例如100 nm2 ~ 1 mm2范圍的面積、。
37. 根據(jù)權(quán)利要求35的膜，其中所述穿孔具有毫米~微米范圍的最大 橫斷面長度。
38. 根據(jù)權(quán)利要求35~37中任一項的膜，其中所述膜具有毫米 微米 范圍的厚度。
39. 根據(jù)權(quán)利要求35~38中任一項的膜，其中所述穿孔的幾何形狀選 自圓形和橢圓形。
40. 根據(jù)權(quán)利要求35~39中任一項的膜，其中所述穿孔具有基本相同 的尺寸。
41. 根據(jù)權(quán)利要求35~40中任一項的膜，其中所述膜選自具有如權(quán)利 要求13中限定的疏7jc性的膜，例如parafilm或聚四氟乙烯膜。
42. —種膜，其包含具有至少兩個滲透性栽體層的夾層結(jié)構(gòu)，所述至 少兩個滲透性載體層被至少 一個包含功能性跨膜蛋白質(zhì)的脂質(zhì)雙分子 層隔開。
43. 根據(jù)權(quán)利要求42的膜，其包括權(quán)利要求2 ~ 9中任一項所限定的 特征。
44. 一種膜，其包含具有至少兩個脂質(zhì)單分子層的夾層結(jié)構(gòu)，當其組 合成一個雙分子層時，所述夾層結(jié)構(gòu)包含功能性跨膜蛋白質(zhì)，所述至 少兩個脂質(zhì)單分子層被至少一個滲透性載體層隔開。
45.根據(jù)權(quán)利要求44的膜，其包括根據(jù)權(quán)利要求12 ~ 17中任一項的 特征。
全文摘要
公開了一種新型水膜，其包含引入功能性水通道蛋白的脂質(zhì)雙分子層。該脂質(zhì)雙分子層布置為包括親水性或疏水性載體材料的夾層結(jié)構(gòu)。還公開了一種包括反滲透過濾裝置的水純化裝置/系統(tǒng)，所述反滲透過濾裝置/系統(tǒng)包括具有功能性水通道蛋白的膜。還公開了純化水的方法和制備膜的方法。此外，本發(fā)明提供了一種新型穿孔疏水性聚合物多孔膜和含有引入其它跨膜蛋白而不是水通道蛋白的膜。
文檔編號B01D69/14GK101198398SQ200680017301
公開日2008年6月11日 申請日期2006年5月19日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月20日
發(fā)明者克勞斯·赫利克斯·尼爾森, 彼得·霍姆·延森, 達尼埃爾·凱勒 申請人:水通道蛋白Aps公司