一种用于肺癌呼气生物标志物选择的分离膜及其制备方法

本发明涉及人体呼出气体中有机气体(vocs)分离的高分子膜材料的改性方法，特别涉及一种用于肺癌呼气生物标志物——异戊二烯与丙酮分离的膜材料及其制备方法。

背景技术：

1、肺癌是全球发病率和死亡率最高的恶性肿瘤之一，早期诊断和治疗对降低肺癌的死亡率至关重要，因此，开发肺癌早期诊断的有效筛查方法已成为迫切需要解决的问题。异戊二烯气体作为肺癌潜在呼气生物标记物之一，在人体呼气中的浓度仅为ppbv级。光腔衰荡光谱(crds)技术可以对人体呼气中肺癌呼气标志物进行无创、实时、精确且高效测量，从而为肺癌的早期诊断和疾病筛查提供依据(cn201920790841.5)。crds检测到异戊二烯气体在波长226.56 nm下有较强的吸收，然而吸收截面容易受到高浓度丙酮(ppmv级)的干扰，进而影响异戊二烯的精确测量。因此，亟需开发一种超痕量(ppbv级)异戊二烯/丙酮的高选择性气体分离膜，以降低光谱检测过程中非目标成分丙酮对异戊二烯的干扰。

2、金属有机框架化合物(mof)是一类由金属离子或金属团簇与有机配体相互连接形成的多孔材料，这种独特的结构设计赋予了mof极高的比表面积和可调节的孔隙尺寸。基于这些特性，mof材料展现出卓越的气体渗透性，特别适用于需要高选择性和高渗透性的气体分离应用场景。中国发明专利(cn202210328309.8)公布了采用溶剂热法制备填料，超声分散纺丝液，干-湿纺丝法制膜等步骤制备了一种uio-66-nh2型中空纤维混合基质膜，该方法气体渗透通量高，适用于co2/n2、co2/ch4、o2/n2等多种气体选择性分离，但纳米级填料与高分子基质间的界面相容性仍存在挑战。作为一种功能化mof材料，uio-66-nh2通过其分子结构中的氨基(-nh2)官能团与羰基、醛基、羧基及酯基中的 (c=o) 形成氢键，因此可以用来吸附co2、丙酮等极性气体。然而，在异戊二烯/丙酮气体分离过程中，uio-66-nh2表面的-nh2官能团的活性位点数量较少，分离效率有待提高。

3、发明人在前期申请的发明专利(cn202211161192.5)中采用pvdf/pdms中空纤维膜对异戊二烯/丙酮模拟人体呼气进行分离，优化后的改性膜在0.2 mpa的过膜压力下展现出了优异的选择分离性能，但由于基膜过于致密，气体渗透阻力大，仅能通过外部气瓶加压来实现气体传输，而不能直接应用于人体呼气样本的过滤。因此本发明拟选用戊二醛和含有酮基的氨基化合物对uio-66-nh2进行改性，其中戊二醛含有两个-cho基团，可以通过席夫碱反应分别桥接uio-66-nh2表面的-nh2基团和含有酮基的氨基化合物，从而达到酮基分子接枝uio-66-nh2的目的，得到一种新型复合吸附剂；进一步采用真空抽滤法将其固载于商业或自制微孔基膜表面，得到改性复合膜。该改性膜对人体呼气中的异戊二烯/丙酮具有优异的分离性能，从而可以显著降低crds测试中丙酮产生的测量误差，并对肺癌和健康人有更好的区分诊断效果。本发明具有操作简便，气体渗透快、选择性高，且过膜前后的气体浓度检测快速、准确、高效等特点，为人体呼气中异戊二烯/丙酮气体分离提供了一种新的思路。

技术实现思路

1、由于传统的uio-66-nh2材料表面-nh2官能团活性位点相对较少，因此其在异戊二烯/丙酮气体分离领域的效果不是特别理想，本发明的目的在于提供一种基于uio-66-nh2改性吸附剂的复合膜用于分离人体呼气异戊二烯和丙酮。本发明选用戊二醛和含有酮基的氨基化合物如5-氨基酮戊酸甲酯盐酸盐或2-氨基-1-吗啉酮对uio-66-nh2进行改性，其中戊二醛含有两个-cho基团，可以通过席夫碱反应分别桥接uio-66-nh2表面的-nh2基团和含有酮基的氨基化合物，得到一种新型复合吸附剂，然后采用真空抽滤法将其固载于平板超滤膜表面，得到改性复合膜。该改性膜表现出对人体呼气中的异戊二烯/丙酮优异的分离性能，可以明显降低crds测试中光谱干扰产生的测量误差，从而对肺癌和健康人有更好的区分诊断效果。上述气体分离复合膜的制备主要包括以下步骤：

2、(1) uio-66-nh2的酮基化改性：在三口烧瓶中依次加入20~100 ml n，n-二甲基甲酰胺(dmf)、0.1~0.5 g uio-66-nh2和2~10 ml 戊二醛，在40~70 ℃下进行机械搅拌并反应1~6 h；使用dmf洗涤反应产物以除去未反应的单体，获得戊二醛改性的uio-66-nh2 ，命名为uio-66-ga；在含有uio-66-ga的dmf中加入含有酮基的氨基化合物，继续在40~70 ℃下进行机械搅拌并反应1~6 h；通过离心分离获得橙黄色粉末，使用dmf和无水乙醇交替洗涤以除去未反应的溶剂；将样品在60~100 ℃恒温的真空环境中干燥过夜，即获得酮基化改性的uio-66-nh2；

3、(2) 改性液的制备：称取一定量的pva和去离子水于三口烧瓶中，经过充分机械搅拌于95~100 ℃下完全溶解，制备0.5~5 wt%的pva溶液，倒入烧杯中备用；在制备好的pva溶液中，加入酮基化改性的uio-66-nh2，超声分散20~60 min，使改性uio-66-nh2充分分散，配置成均一的混合溶液；

4、(3) 改性复合膜的制备：以自制有机膜或者商业有机平板膜为基膜，用乙醇和蒸馏水交替清洗干净；量取1~10 ml上述混合溶液，倒入真空抽滤装置使之负载于基膜上，将膜取出置入真空烘箱30~60 ℃条件下干燥10~30 min，即获得改性复合膜。

5、上述步骤(1)中含有酮基的氨基化合物可以是5-氨基酮戊酸甲酯盐酸盐或2-氨基-1-吗啉酮中的一种；uio-66-ga和含有酮基的氨基化合物的质量比为1：0.1~10；进一步优选为1:0.1~4;

6、上述步骤(2)中酮基化改性uio-66-nh2溶液的浓度为0.01~1 wt%;

7、上述步骤(3)中的自制膜或者商业膜可以为聚偏氟乙烯(pvdf)、聚氯乙烯(pvc)和聚醚砜(pes)等，其中优选pvdf、pes等平板膜，平均孔径大小为0.1~0.45 μm，属于超滤级别。

8、本发明具有如下有益技术效果：操作简便，改性膜对人体呼气中的异戊二烯/丙酮优异的分离性能优异，可以明显降低crds测试中光谱干扰产生的测量误差，并对肺癌与健康人有更好的区分诊断效果。

技术特征：

1.一种用于肺癌呼气生物标志物选择的分离膜，其特征为采用戊二醛和含有酮基的氨基化合物对uio-66-nh2进行改性，其中戊二醛两端各含有一个醛基（-cho）基团，通过席夫碱反应一端桥接uio-66-nh2表面的-nh2基团、另一端桥接含有酮基的氨基化合物，得到一种新型复合吸附剂，然后采用真空抽滤法将其固载于聚合物基平板超滤膜表面，得到改性复合膜；该改性复合膜对人体呼气中的异戊二烯/丙酮具有优异的分离性能，能显著降低crds测试中丙酮产生的测量误差，并对肺癌患者和健康人群有更好的区分诊断效果；上述改性复合膜的具体制备方法如下：

2.根据权利要求1所述的一种用于肺癌呼气生物标志物选择的分离膜，其特征在于基膜选自商业膜或自制的一种，其形态选自平板膜，具体材质选自聚偏氟乙烯、聚氯乙烯或聚醚砜中的一种。

3.根据权利要求1所述的一种用于肺癌呼气生物标志物选择的分离膜，其特征在于含有酮基的氨基化合物选自5-氨基酮戊酸甲酯盐酸盐或2-氨基-1-吗啉酮中的一种。

4. 根据权利要求1所述的一种用于肺癌呼气生物标志物选择的分离膜，其特征在于步骤(1)中的uio-66-ga和含有酮基的氨基化合物的质量比为1 : 0.1~10。

5. 根据权利要求1所述的一种用于肺癌呼气生物标志物选择的分离膜，其特征在于步骤(2)中的酮基化改性uio-66-nh2溶液的浓度为0.01~1 wt%。

技术总结本发明涉及一种用于肺癌呼气生物标志物——异戊二烯与丙酮分离的复合膜及其制备方法，采用戊二醛和含有酮基的氨基化合物对UiO‑66‑NH<subgt;2</subgt;进行改性，其中戊二醛含有两个‑CHO基团，可以通过席夫碱反应分别桥接UiO‑66‑NH<subgt;2</subgt;表面的‑NH<subgt;2</subgt;基团和含有酮基的氨基化合物，从而达到酮基分子接枝UiO‑66‑NH<subgt;2</subgt;的目的，得到一种新型复合吸附剂；进一步采用真空抽滤法将其固载于聚合物基平板膜表面，得到改性复合膜。该改性膜对人体呼气中的异戊二烯/丙酮具有优异的分离性能，从而可以显著降低CRDS测试中丙酮产生的测量误差，并对肺癌和健康人有更好的区分诊断效果。本发明具有操作简便，气体渗透快、选择性高，且过膜前后的气体浓度检测快速、准确、高效等特点，为人体呼气中异戊二烯/丙酮气体分离提供了一种新的思路。技术研发人员：付维贵,张博君,苏凤云,黄丽蔓,孙美秀,赵义平,陈莉受保护的技术使用者：天津工业大学技术研发日：技术公布日：2024/7/23