CN103721567B - 一种基于中空纤维纳滤膜材料的样品溶液净化装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于中空纤维纳滤膜材料的样品溶液净化装置，该装置包括一个由两个大小不同的塑料管组成的可拆卸塑料套管以及固定于内管上中空纤维纳滤膜。这种中空纤维纳滤膜具有纳米级别的物理过滤作用和化学吸附作用的膜孔，以离心力或者注射器、泵的驱动力使得小分子量的待分析物通过膜孔，可广泛应用于生物、化学、食品等领域的分析检测时的样品预处理，其操作快捷方便，简单易行，经处理的样品具有杂质干扰少的特点。该装置作为独立模块单元，可实现多个模块单元的组合，可应用于多个样品溶液的同时净化处理。

Description

一种基于中空纤维纳滤膜材料的样品溶液净化装置

技术领域

本发明涉及一种基于中空纤维纳滤膜材料的样品溶液净化装置，用于分析检测时的样品预处理。

背景技术

一个样品的分析过程，从原始的样品到最终的分析结果，一般包含样品预处理和仪器分析过程。现代的仪器分析往往通过采用精密的色谱、光谱、质谱等仪器，以实现高灵敏度的分析结果，这就对样品的净化效果提出了较高的要求。样品中的杂质往往会干扰待分析目标物在分析仪器上的响应，尤其是采用质谱分析时，样品中的杂质会对仪器产生基质效应，引起质谱响应信号的抑制或者增加，导致分析结果的偏差。

样品预处理在样品分析检测过程中是一个既耗时又极易引进误差的步骤，样品处理的好坏直接影响分析的最终结果的准确度和精确度，同时也会影响分析仪器的使用寿命和灵敏度。而且，在某些情况下，由于样品数量众多，如果采用逐个处理样品的方式，则会带来效率低下的问题。

以传统的基于化学吸附和解析作用的固相萃取方法为例，当净化血浆样品时，具有疏水作用位点的磷脂更是具有两性基团：胆碱和磷酸，它们同时具有碱性和酸性，这就意味着样品溶液中待分析的目标物质具有的化学性质，会同时出现在磷脂部分的结构上；而蛋白质同样具有类似的性质。这就导致了样品溶液净化时，作为杂质的磷脂和蛋白质难以被去除掉，进而产生由于它们和待分析目标物对仪器信号的竞争而带来的基质效应，引起诸如质谱等检测器的分析结果出现变异较大的问题。而以中空纤维超滤膜超滤的方式，虽然相比较于固相萃取方法，可以去除部分分子量较大的蛋白质，但是它不能有效去除分子量在2000-20000道尔顿之间的蛋白质，对于分子量不足1000的磷脂它仍然也是不能加以去除的。

发明内容

本发明的目的是要实现一种对分析检测时的样品具有比较彻底的净化效果的样品预处理技术。

一种基于中空纤维纳滤膜材料的样品溶液净化装置，包括可拆卸塑料套管（1），由两个大小不同的外管和内管组成，内管固定着中空纤维纳滤膜（2）。

可拆卸塑料套管的外管通过螺纹连接与管帽(3)连接并加以密封，内管(4)通过一个有棱角的边缘（6）固定在外管上，外管的体积为1-100mL。

中空纤维纳滤膜（2）通过密封部件（5）和内管底部相连，而且中空纤维纳滤膜的数量为1-100束。中空纤维纳滤膜有两种方式固定于内管（4）中：第一种方式是中空纤维纳滤膜上端开口，而且和密封部件（5）上表面齐平，膜下端露出密封部件（5）0.01-5cm，并且下端密封；另一种方式是中空纤维纳滤膜上端密封，而且通过固定部件（7）和内管（4）的内壁固定，固定部件（7）距离密封部件（5）0.01-5cm，膜下端开口，并且和密封部件（5）下表面齐平，固定部件（7）具有多个贯通孔，允许样品液体从中通过到达密封部件（5）上表面。

中空纤维纳滤膜材质是聚砜、聚丙烯、聚偏氟乙烯或聚四氟乙烯中的一种或两种以上的混合材质。

中空纤维纳滤膜膜孔表面不做接枝处理或者接枝羧基、氨基、酰胺基、磺酸基、季胺基、C12酯或C18酯官能团中的一种或两种以上的混合。

样品溶液净化装置使用离心方式、注射器或输液泵中的一种，使样品液体通过中空纤维纳滤膜。样品液体含有0.0001-99.9%任意比例的甲醇、乙醇、乙腈、丙酮或异丙醇中一种或两种以上有机溶剂的水溶液或水性匀浆液。样品液体含0.0001-99.9%任意比例的氨水、三乙胺、甲酸、乙酸、三氟乙酸、盐酸、磷酸或硫酸中一种或两种以上物质的水溶液或水性匀浆液。

一个样品溶液净化装置作为一个单元，将2至384个单元并联使用，用于多个样品的同时处理。

本发明利用中空纤维纳滤膜，以比中空纤维超滤膜更小的过滤孔径对分子量在2000以上的杂质实现物理截留，在某些情况下再结合反相吸附作用或者离子交换作用，以化学作用实现对更多的杂质的截留，从而对样品实现更彻底的净化效果。

中空纤维纳滤膜具有比中空纤维超滤膜更小的膜孔，可以截留更小分子量的杂质。更重要的是，通过辐射接枝技术，可以在中空纤维膜的膜孔内接枝上不同的官能团，比如具有反相作用的C12和C18酯，具有离子交换作用的羧基、氨基、磺酸基、季胺基等，具有极性作用的丙烯酰胺等官能团。这些官能团自身具有一定的尺寸，当被大量接到中空纤维纳滤膜的膜孔内时，可以缩小膜孔的孔径。通过调节接枝官能团的数量，在理论上可以调节出一系列尺寸呈现线性变化的孔径，从而满足不同分子量的物质的去除的需求，这就提供了远比中空纤维超滤膜强大得多的过滤能力。接枝后的中空纤维纳滤膜不仅可以过滤分子量大于20000的物质，而且对于分子量在2000-20000之间的物质也具有比超滤膜好得多的过滤效果。另外，接枝特定官能团的膜孔，还具有某种特定的化学吸附作用，从而在物理过滤的基础上提供了更多的净化作用，比如可以接枝有羧基官能团的中空纤维纳滤膜可以阳离子交换的方式去除具有阳离子的磷脂和带正电荷的蛋白质。

将中空纤维纳滤膜或者接枝后的中空纤维纳滤膜，通过热塑或者树脂浇注的方式固定在塑料容器上，在中空纤维纳滤膜管壁的两边构建出内外两个独立的空间，形成一个特殊的样品溶液净化装置。以离心的方式或者注射器、泵驱动的方式，将样品溶液从内部空间通过中空纤维纳滤膜管壁上膜孔到达外部空间。在样品经过中空纤维纳滤膜膜孔的时候，发生了物理过滤将大分子量的杂质截留，同时存在的化学吸附作用可以吸附更多的杂质，这就为开发一种简单、高效的样品溶液净化方式提供了可能性。

由于中空纤维纳滤膜的管壁具有膜孔和支撑层的结构，当膜孔位于管壁外部的时候称为外压膜，当膜孔位于管壁内部的时候称为内压膜。样品溶液通过中空纤维纳滤膜管壁的方向是从膜孔流向支撑层，所以当样品溶液净化装置使用内压膜的时候，样品溶液是先进入中空纤维纳滤膜内部，然后通过管壁流出到外部的塑料管中，被收集；而使用外压膜的时候，样品溶液是从中空纤维膜外部通过管壁流到中空纤维纳滤膜内部，然后在进入外部的塑料管中，被收集。

本发明采用中空纤维纳滤膜或者接枝后的中空纤维纳滤膜，加工成特定的装置，它可以采用离心、注射器、泵的方式提供样品溶液通过膜的驱动力。它可以用于血样、尿样等生物液体样品处理，也可以用于肌肉、饲料等生物组织的固体样品处理，还可以用于污水等环境样品的处理。在使用时，样品溶液的溶剂组成也会影响过滤效果。由于中空纤维纳滤膜在接枝前后都存在一定的疏水作用，会对待分析目标物产生一定的死吸附，所以有必要在样品溶液中添加一定比例的有机溶剂，比如甲醇、乙醇、乙腈、丙酮和异丙醇等溶剂中的任意一种，也可以将这些溶剂混合，获得特定的解吸附的效果。当中空纤维纳滤膜接枝离子交换基团后，有必要添加氨水、三乙胺、甲酸、乙酸、三氟乙酸、盐酸、磷酸和硫酸中一种或者多种物质，抑制接枝的离子交换基团对待分析目标物的吸附。

本发明涉及的装置可以单个使用，也可以组合使用实现多个样品的同时处理。随着现代分析技术的发展，大量样品的同时分析的需求也常常出现，例如生物样品分析中经常使用的96孔板或者384孔板，就能同时分析96个样品或者384个样品。本发明的中空纤维纳滤膜装置作为一个单元，在需要处理多个样品时，将96个单元或者384个单元并联在一起，用于96个或者384个样品的同时分析。针对一些体积大的样品溶液，可以采用较大的塑料管，如100mL，将多根中空纤维纳滤膜同时固定在体积稍小的塑料内管上，提高处理样品溶液的通量，实现大体积样品溶液的处理。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明，但其并不对本发明进行任何限制。

图1是本发明第一种固定方式的平面图，其特点是中空纤维纳滤膜露出于密封部件的底部，使用时样品溶液是从膜内部向外部流动，最后收集到基于中空纤维纳滤膜材料的样品溶液净化装置的外管里。

图中，1为可拆卸塑料套管，2为中空纤维纳滤膜，3为管帽，4为内管，5为密封部件，6为边缘。

图2是本发明第二种固定方式的平面图，其特点是中空纤维纳滤膜露出于密封部件的上部，使用时样品溶液时从膜外部向内部流动，最后收集到中空纤维纳滤膜材料的样品溶液净化装置的外管里。

图中，7为固定部件，5为密封部件。

图3是未经基于中空纤维纳滤膜材料的样品溶液净化装置处理前的血浆中的克伦特罗的LC-MS/MS分析图。

图4是经过基于中空纤维纳滤膜材料的样品溶液净化装置处理后的血浆中的克伦特罗的LC-MS/MS分析图。

图5是经过基于中空纤维纳滤膜材料的样品溶液净化装置处理后人血清样品的蛋白质去除效果图。

图6是经过0.22μm针式过滤器处理后人血清样品的蛋白质去除效果图。

具体实施方式

实施例1

本发明所述的以纳滤方式净化样品溶液的净化装置，其结构可参考图1，包括可拆卸塑料套管（1），管帽(3)，以及与内管相连接的中空纤维纳滤膜（2）。塑料管是采用聚乙烯（PE）或者聚碳酸酯（PC）或者聚丙烯（PP）等材质制成的管状容器，离心管塞盖可以采用与离心管一致的材质。在实际应用中可以适量截取合适长度的中空纤维纳滤膜，中空纤维纳滤膜入口端固定在内管（4）下端，膜入口端与固定部件（7）上界面齐平或略微高出；中空纤维纳滤膜出口端通过密封部件（5）和内管底部相连。内管通过一个有棱角的边缘（6）固定在外管上，可以将要处理的液体样品置于内管中，通过离心机、注射器或者泵施加压力，使得较小分子量的分子及溶剂进入中空纤维纳滤膜的内部孔道，进而通过膜孔到达塑料外管内部，而大分子量的物质会被截留膜管内。将外管内部收集到的过滤后的样品取出后就可以进入到质谱、光谱、色谱等各类检测仪器进行检测。

实施例2

本发明所述的以过滤方式净化样品溶液的净化装置，其结构可参考图2，中空纤维纳滤膜出口端固定在内管下端，出口端与固定部件（7）下界面齐平或者略微超出，出口端和塑料外管的内部空间连通。中空纤维纳滤膜入口端封闭，并通过固定部件和塑料内管的中间部位相连。可以将要处理的液体样品置于内管中，通过离心机旋转，在离心力的作用下小分子量的分子及溶剂通过中空纤维纳滤膜的膜孔，进入膜的内部孔道，进而通过出口端进入到塑料外管中，得到净化后的样品溶液。

本发明所述的以纳滤方式净化样品溶液的净化装置，还可通过用注射器或者输液泵挤压液体样品达到过滤净化样品的目的。

实施例3

基于中空纤维纳滤膜材料的样品溶液净化装置应用于检测猪血浆中的克伦特罗时的样品前处理：

该基于中空纤维纳滤膜材料的样品溶液净化装置使用1根长度为1cm中空纤维纳滤膜接枝有丙烯酸基团，丙烯酸的羧基基团可以吸附磷脂，但是不吸附克伦特罗。外管的体积为1mL。

取100μL的猪血浆于1.5mL的样品瓶中，然后加入100μL40ppb的克伦特罗标准品，再加入200μL的甲醇沉淀蛋白，涡旋震荡2min后，在8000rpm下离心该样品，得到上清液后，将全部上清液转移到中空纤维纳滤膜组件中，再次以4000rpm离心10min，收集100μL塑料外管中的样品溶液准备进行LC-MS/MS检测。

对比试验例：

取上述处理步骤中的上清液，作为基于中空纤维纳滤膜材料的样品溶液净化装置处理的样品的对照样品，直接进行LC-MS/MS的检测。

分析结果详见图3和图4。图4为采用基于中空纤维纳滤膜材料的样品溶液净化装置处理的样品中的盐酸克伦特罗的回收率接近100%，而图3对比试验的样品中的盐酸克伦特罗的回收率仅约50%。分析原因是前者的磷脂去除效率是后者的3倍，减少了LC-MS/MS上基质抑制效应。

实施例4

基于中空纤维纳滤膜材料的样品溶液净化装置去除血清中的蛋白：

该基于中空纤维纳滤膜材料的样品溶液净化装置采用3根长度为2cm的接枝有酰胺基团的中空纤维纳滤膜。外管体积为5mL。

向中空纤维纳滤膜材料的样品溶液净化装置中加0.5mL人血清，以4000rpm离心过滤，收集过滤液作为供试液待测。

对比试验例：

取未过中空纤维纳滤膜材料的样品溶液净化装置的0.5mL人血清，用0.22μm针式过滤器过滤，收集过滤液作为对比样品溶液。

分析结果见图5和图6。图5是采用中空纤维纳滤膜材料的样品溶液净化装置处理的人血清样品的蛋白质色谱分析图，相比较于图6的0.22μm针式过滤器过滤的蛋白质色谱分析图，前者将大部分的大分子量的蛋白质都加以去除。究其原因是中空纤维纳滤膜具有较小的孔径，可以更好的过滤掉人血清中的蛋白质。

实施例5

基于中空纤维纳滤膜材料的样品溶液净化装置，用于污水样品的前处理：

该基于中空纤维纳滤膜材料的样品溶液净化装置，具有100mL的外管，采用30根长度为5cm的没有接枝处理的中空纤维纳滤膜。

将50mL污水放置于中空纤维纳滤膜材料的样品溶液净化装置中，然后在4000rpm转速下离10min，收集过滤液。

对比试验例：

采用0.22μm针式过滤器处理污水样品。使用注射器将50mL污水推过针式过滤器。

结果50mL污水样品可以方便地通过中空纤维纳滤膜材料的样品溶液净化装置，但是使用0.22μm针式过滤器时，仅仅5mL的污水样品就使得过滤器堵塞。

实施例6

基于中空纤维纳滤膜材料的样品溶液净化装置，用于鸡肉中利巴韦林的检测时的样品前处理：

该基于中空纤维纳滤膜材料的样品溶液净化装置采用3根长度为3cm的接枝有羧基和C12酯基团的中空纤维纳滤膜，外管体积12mL。

将含有10ppb利巴韦林的鸡肉样品洗净并剪碎，取2g样品，置于50mL离心管中。加入4mL水，涡旋样品1min，每管中加入10mL含1%乙酸的乙腈溶液。盖上离心管并涡旋1min。常温下5000rpm的速度离心5min，得到上清液。将2mL上清液置于中空纤维膜材料的样品溶液净化装置，在4000rpm的转速下离心5min，得到净化后的液体。准备进行检测分析。

检测结果显示，鸡肉中利巴韦林具有90%以上的回收率。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的技术方案作任何形式上的限制。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明的技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种基于中空纤维纳滤膜材料的样品溶液净化装置，包括可拆卸塑料套管(1)，由两个大小不同的外管和内管组成，内管固定着中空纤维纳滤膜(2)；

中空纤维纳滤膜(2)通过密封部件(5)和内管底部相连，而且中空纤维纳滤膜的数量为1-100束；

中空纤维纳滤膜有两种方式固定于内管(4)中：第一种方式是中空纤维纳滤膜上端开口，并且和密封部件(5)上表面齐平，膜下端露出密封部件(5)0.01-5cm，而且下端密封；另一种方式是中空纤维纳滤膜上端密封，而且通过固定部件(7)和内管(4)的内壁固定，固定部件(7)距离密封部件(5)0.01-5cm，膜下端开口，并且和密封部件(5)下表面齐平，固定部件(7)具有多个贯通孔，允许样品液体从中通过到达密封部件(5)上表面。

2.根据权利要求1所述的样品溶液净化装置，其特征在于可拆卸塑料套管的外管通过螺纹连接与管帽(3)连接并加以密封，内管(4)通过一个有棱角的边缘(6)固定在外管上，外管的体积为1-100mL。

3.根据权利要求1所述的样品溶液净化装置，其特征在于中空纤维纳滤膜材质是聚砜、聚丙烯、聚偏氟乙烯或聚四氟乙烯中的一种或两种以上的混合材质。

4.根据权利要求1所述的样品溶液净化装置，其特征在于中空纤维纳滤膜膜孔表面不做接枝处理或者接枝羧基、氨基、酰胺基、磺酸基、季胺基、C12酯或C18酯官能团中的一种或两种以上的混合。

5.根据权利要求1所述的样品溶液净化装置，其特征在于样品溶液净化装置使用离心方式、注射器或输液泵中的一种，使样品液体通过中空纤维纳滤膜。

6.根据权利要求5所述的样品溶液净化装置，其特征在于样品液体含有0.0001-99.9％任意比例的甲醇、乙醇、乙腈、丙酮或异丙醇中一种或两种以上有机溶剂的水溶液或水性匀浆液。

7.根据权利要求5所述的样品溶液净化装置，其特征在于样品液体含有0.0001-99.9％任意比例的氨水、三乙胺、甲酸、乙酸、三氟乙酸、盐酸、磷酸或硫酸中一种或者两种以上物质的水溶液或水性匀浆液。

8.根据权利要求1所述的样品溶液净化装置，其特征在于样品溶液净化装置作为一个单元，将2至384个单元并联使用，用于多个样品的同时处理。