膜学习中心

在液体过滤中，膜必须能够被待过滤的流体润湿。膜的润湿性与膜表面的化学性质有关。大多数用于制造微孔膜的聚合物具有天然疏水性，这意味着它们不会被水润湿。

尼龙和纤维素是例外，它们具有天然亲水性，会被水润湿。疏水性和亲水性之间的区别与聚合物的表面能有关。如果表面能>70达因/cm，则聚合物是亲水性的。如果低于70达因/cm，则聚合物是疏水性的。

亲水膜会被水/水溶液润湿，而疏水膜会被有机溶剂润湿，具体过程如下图所示。

如果需要使用疏水膜来过滤水溶液，可以先用醇将其润湿，在过滤水性流体之前，使其在水中达到平衡状态。但是在大多数情况下，这种做法是不可行的，因此需要使用亲水膜来过滤水溶液。

克服疏水性

为了克服聚合物的疏水性，可以用基础聚合物涂覆法对膜进行二次化学处理。二级化学反应将成为决定润湿性的主要因素。重要的一点是：您必须认识到基础聚合物的疏水性不会发生改变，除非二级化学处理对聚合物进行了共价改性。

改变润湿性的膜涂层

亲水膜会在纯水下自发进行润湿（其在环境条件下的表面张力约为72达因/cm²），并且需要一定高的压力才能使水进入到结构的孔隙中。通过添加溶质（例如表面活性剂），或者低表面张力可混溶溶剂（例如醇与水），可以降低润湿液的表面张力，从而影响干燥膜润湿的速度。

另外，具有相对低表面张力的溶剂或溶剂混合物也可以自发地润湿疏水膜。

通气

在通气应用中，使用过滤器用作多孔屏障，使得气泡可以从液流中逸出，或使得液流可以与外部大气之间进行气体交换。为了确保过滤器在任何情况下都不会被润湿，可以对其进行二次化学处理，使其具有超疏水性或疏油性，使得其的表面能降低至<20达因/cm。膜不能用水或醇进行润湿。

孔径与滤膜可滤出特定粒径颗粒物的能力有关。例如，0.20微米(μm)膜可从流中滤除直径为0.2微米或更大的颗粒。

以下几种技术都可以用来测定孔径：

• 使用扫描电子显微镜进行目视检查，首先对一小部分膜进行适当处理，将其放入显微镜中，并使用合适的图像软件进行评估。
• 泡点测试测量的是将液体从膜孔中挤出所需的最小压力，该测量方法是一种孔径间接测量法。液体凭借表面张力和毛细管力留在过滤器的孔中。将液体从孔中挤出所需的最小压力是孔径的有效量度方法。
• 破坏性细菌挑战测试可用于确定除菌过滤器截留细菌的能力。您可以在使用前和使用后对过滤器进行无损测试以测量其的完整性。
• 孔隙率测定法是一种物理方法，在测量过程中，液体在压力的作用下进入到膜中，通过对渗透曲线进行数学分析来确定孔径。
• 颗粒挑战使用具有已知尺寸的颗粒来确定过滤器可以保留的最小尺寸

对于超滤(UF)而言，过滤器的孔径大小无关紧要，因为其的孔径非常小。此类过滤器根据其标称分子量限(NMWL)或截留分子量(MWCO)进行分级。例如，额定值为30,000的超滤膜可以截留分子量为30,000道尔顿的测试蛋白质。90%的测试蛋白质将保留在上游侧，10%会进入滤液，实现蛋白质浓缩。通常使用葡聚糖混合物作为超滤膜评估截留分子量的行业标准。

尽管所有膜都针对了对应孔径进行了评级，但孔径评级本身并不能可靠地衡量过滤器的有效性，评级会因制造商和产品的不同而不同。您需要考虑过滤器的功能，例如，其是预过滤、澄清还是灭菌过滤器，以及过滤器执行该功能的效果如何。

泡点完整性测试

泡点是一种实用的无损测试，用于估计微孔过滤器的孔径，并确认除菌膜过滤器和过滤系统的完整性。其是应用最广泛的无损完整性测试。

泡点法的测量原理为：液体是通过表面张力和毛细管力保留在过滤器孔隙中的。将液体从孔中挤出所需的最小压力是孔径的有效量度方法。将液体从充满液体的毛细管中挤出所需的压力必须足以克服表面张力，是有效管直径的直接测量值。

泡点测试是一种灵敏的目测测量技术，应作为我们质量保证计划的一部分定期进行。泡点测试可以检测微小的过滤器缺陷，以及孔隙尺寸是否过大，还可以反应细菌通过性。

过滤器的泡点测试程序

1.       用合适的液体润湿过滤器，亲水膜通常是水，疏水膜通常是醇。

2.       将过滤器放在支架上，用润湿液覆盖膜。

3.       将系统加压至制造商文献中所规定的预期泡点压力的80%左右。

4.       缓慢增加压力，直到有单一、连续的气泡流穿过膜。

5.       从压力表上读取泡点压力。

设备完整性的泡点测试程序

1.       用合适的液体润湿过滤器，亲水膜通常是水，疏水膜通常是醇/水混合物。

2.       将系统加压至制造商文献中所规定的预期泡点压力的80%左右。

3.       缓慢增加压力，直至在出口处看到快速连续的冒泡。

4.       如果泡点值低于规格，说明出现了以下的某种情况：

• 液体的表面张力与推荐测试液体不同
• 过滤器完整，但孔径错误
• 高温
• 膜润湿不完全
• 膜或密封件的完整性有问题

流量指的是：特定流量通过过滤器所需的时间。过滤器的流速对于确定过滤完成速度非常重要。虽然在单一类型的膜中，流速通常会随孔径的降低而降低，但具有相同孔径、但由不同材料或通过不同方法制成的膜可以具有区别非常大的流速。流速差异可能是由厚度、孔隙率和孔隙结构的差异所引起的。

在微孔膜生产出来后，会使用理想液体或气体来测量其的流速或流动时间。亲水过滤器通常用水进行测试。疏水膜通常用醇进行测试。用于空气过滤的膜可以用干燥空气或干燥氮气进行测试。通过使用理想液体和气体，在评估过滤器的流动特性时，就不会受到可能堵塞孔隙的颗粒或其他污染物的干扰。如果样品流不含有任何会堵塞孔隙的物质，那么流速应保持恒定。对于超滤，需要特别关注流速。

流速和超滤

在超滤过程中，我们赢在流速和保留率之间取得平衡，这对获得最佳性能而言非常重要。对于超滤膜，更常用的术语是通量。膜的通量的定义为：流量除以膜面积。超滤膜使用通量的原因是其必须具有可扩展性。超滤膜通常用于昂贵的生物分子的纯化过程。通常，在其在生产环境中扩大规模之前，应先在实验室进行小规模的分离研究。基于通量对分离进行表征，可以更容易地将实验室规模研究转化为生产规模过程。

使用具有较高NMWL等级的膜会提高流速，但同时会降低保留率。应根据所需的保留率和所需的流速来选择膜。由以下因素决定：

• 表面积
• 大溶质类型
• 溶解度
• 浓度和扩散率
• 膜类型
• 温度对粘度的影响
• 压力

当浓差极化会受到速率控制时，通量会受到溶质浓度、流体速度、流道尺寸和温度的影响。

空气和气体

由于无菌是通气膜的常见要求，因此孔径等级是一个重要的考虑因素。请注意，疏水膜在气流中截留细菌的机制与亲水膜不同。细菌和其他病原体通过附着在颗粒（气溶胶或灰尘）上来漂浮在空气中。因此，在空气过滤中，病原体可以被孔径大于病原体本身的膜所阻挡。一些供应商声称孔径高达5.0µm的膜依然具有>99.99%的细菌截留效率。0.2µm膜也具有相同的病毒截留率数字。因此，孔径较大的膜通常可以用于不太关键的应用，从而获得更高的流速。

在比较不同膜的空气流速时，重要的是要注意报告中流速的单位，以及测试条件的差异。压力和温度的微小变化会极大地影响报告的空气流量。

液体

在测量过程中，首先将过滤器放入合适的支架中，加入规定体积的液体，然后在恒定的真空作用下，使得液体通过过滤器来测量液体流量。因此，流量取决于液体的性质、膜的表面积和真空度。为了比较不同的膜，应使用相同的液体和真空度。

虽然水和醇可以在大规模测试中测试流速，但当要处理更复杂的溶液（例如血清或细胞培养基）时，它们可能无法在预测膜性能方面提供足够的辨别力。对于某些应用，建议使用其他测试溶液。由于复杂溶液（例如细胞培养基）会比水或醇贵得多，因此采样计划和测试方案应在所需的额外数据量和额外成本之间进行平衡。

如果您需要过滤含有分析物或其他有价值的目标样品，您需要确定这些分析物不会因与过滤装置之间的结合作用而损失，同时，滤液的分子组成也要符合您的预期。

分析物结合作用取决于分析物的特性以及膜和预过滤器的特性。分析物以及膜的分子结构将说明您需要注意哪些相互作用。药物和表面之间相互作用的性质取决于表面官能团。最常见的相互作用是氢键、疏水相互作用和静电相互作用。虽然静电相互作用相当强，但其取决于分析物以及膜表面的电荷。氢键比静电相互作用弱，但根据滤膜材料的性质，以及其是氢键供体还是受体而出现很大的变化。疏水相互作用通常最弱。

由于聚合物微孔膜的内表面积是前表面积的100-600倍，因此有很大的内表面积可用于非特异性结合。亲水性PTFE和Durapore®PVDF膜上会与各种分析物发生相互作用的官能团都非常少，具有很低的分析物结合率，从而可以获得高回收率。尼龙膜含有氨基、羧酸官能团、酰胺键，可以通过静电和氢键相互作用与酸性或碱性分析物发生相互作用，导致分析物结合力高，回收率低。

在所有评估的膜中，亲水性PTFE和亲水性PVDF膜具有非常高的惰性，表现出最低的蛋白质结合特性和最高的产物回收率。通常建议使用亲水性PTFE来过滤低分子量分析物，使用亲水性PVDF膜来过滤蛋白质和生物分子溶液。尼龙膜对小分子分析物表现出最高的分析物结合力，对蛋白质分析物表现出中等或高结合力。

小分子分析物被吸附到膜上

蛋白质与膜的结合

蛋白质回收率

对于许多分析和生命科学应用来说，膜的光学特性非常重要，因为过滤流的组分会被过滤器截留，然后进行处理以实现可视化分析。具体应用包括颗粒监测和微生物计数。大多数过滤器在干燥后是不透明的。尽管过滤器制造过程中所使用的聚合物在另一种形式下可能是透明的，但过滤器的多孔性质会导致其上存在大量的衍射和光散射。一个值得注意的例外是径迹蚀刻膜，其中用作起始材料的膜的透明度在膜生产过程中经常可以被保留下来。

有一些膜过滤器在水性液体湿润时会变得半透明。事实上，通过观察膜外观从不透明变为半透明的均匀性，可以快速评估膜润湿的均匀性。并非所有过滤器都具有此属性。深过滤器通常在润湿时保持不透明，某些膜过滤器也是如此，例如由聚醚砜(PES)制成的膜。

在许多情况下，过滤器被封装在不透明的外壳中，用户不可见。用于过滤较小体积（通常小于一升）的装置有时采用透明塑料作为外壳。选择塑料主要是为了在设备制造过程中与过滤器相容，而不是为了提供可见性。

在可视化技术的背景要求下，膜的光学特性变得很重要。对于某些类型的显微镜检查而言，需要除去膜。在其他情况下，该操作不属于必要操作。对于光学读数器，可以通过以下方式测定膜上的信号：

• 反射率
• 透射率
• 化学发光
• 荧光

反射率

对于反射率测量，首先将某一指定波长的光照射到膜表面上，测量反射回检测器的光。读数的一致性取决于膜表面的一致性。虽然膜的表面不需要有光泽，但它应该具有均匀的粗糙度，以便获得均匀的背景反射。相对于膜的制造规模（数千平方米），您可以在很小的表面积（<1 mm²）上进行单次反射率测量。

透射率

在某些配置中，我们使用透射光来测量膜上的颗粒或光学信号。为了获得最大的灵敏度，膜需要制成透明的，该方法称为孔隙填充技术，您可以通过选择与膜具有相同折射率的透明剂来完成这一操作。通过使用与膜具有相同折射率的液体填充孔隙，使得光能够穿过过滤器，使其变透明。该技术可用于大多数具有单一折射率的膜过滤器。PVDF膜的折射率为1.42，硝酸纤维素膜的折射率为1.50。该技术不适用于具有多个折射率的过滤器，比如聚碳酸酯膜（折射率为1.62和1.58）和复合膜。用做膜透明剂的流体通常是油或有机溶剂的组合。

化学发光

在分子生物学应用中，蛋白质或核酸被固定在膜的表面上。可以使用分子探针（例如抗体和寡核苷酸）来测定微量分子。检测方案中的最终探针分子与酶（例如辣根过氧化物酶或碱性磷酸酶）发生缀合。然后将酶的特异底物分子加到膜上。当酶与底物发生反应时，会产生光子作为产物，其可以通过胶片或相机检测到。光子的方向是随机的。只有那些与探测系统发生接触的光子才会被测量。

荧光

荧光探针可用于膜过滤器。对于细胞测定，可以直接测量细胞成分或细胞对各种刺激的反应。对于分子测定，可能涉及固定蛋白质或核酸的间接测定。有多种不同的荧光基团可用于不同的应用。选择荧光基团的标准之一是其与膜的光学兼容性。根据激发波长，膜可能会表现出自发荧光，其会降低信噪比。膜的自发荧光可能是由用于制造膜的聚合物或在其制造期间所引入到膜上的污染物引起的。如果膜位于设备中，设备外壳也可能产生自发荧光。应在分析样品之前对膜和装置的自发荧光（如果存在）进行测量。

无论过滤过程的规模有多大，过滤器都应安装在设备中，以便该设备能够：

• 为过滤器提供机械支撑，否则大多数过滤器在使用过程中会因为其所承受的力而发生破裂
• 提供过滤器边缘密封机制，以便液体能够流经过滤器。如果液体沿着过滤器边缘发生流动，则滤液会被污染。

用于密封过滤器的方法也是过滤器选择时的重要考虑因素。

密封

有多种过滤器密封方法。可重复使用的设备可以由玻璃、塑料或不锈钢制成。过滤器放置在设备底座中，并用垫圈或O形圈覆盖其的边缘。装置的顶部通过螺钉或夹子固定到位，通过闭合装置加压来对膜的边缘进行密封。装置的组装需要小心进行，以防止过滤器移动或变形。

对于制造设备，过滤器最常采用以下密封方式：

• 粘合剂
• 直接结合
• 包覆成型

粘合剂

将粘合剂涂在过滤器的周边，以在外壳和过滤器之间提供一层不可穿透的屏障。在某种程度上，粘合剂会流入到过滤器的多孔结构中。粘合剂的优点是它可以将不同类型的过滤器粘合到单个设备中。而它的一个缺点是必须有足够的时间来固化形成密封。粘合剂的另一个缺点是，当样品通过膜过滤时，它们可能会产生溶出物/可浸出物。

直接结合

在直接结合中，过滤器被熔接到外壳上。采用超声波焊接或热封来一步将聚合物过滤器直接粘合到塑料外壳上。由于该方法涉及外壳和/或过滤器的局部熔化，因此最适合用于膜过滤器和薄的无纺过滤器。过滤器和外壳中使用的聚合物必须彼此相容，以便形成牢固的结合整体。直接结合的优点是立即形成密封，无需进一步处理。而它的一个缺点是厚过滤器和非聚合物过滤器无法通过该技术进行密封。

包覆成型

包覆成型是将过滤器密封到设备中的简化过程。将塑料模制在过滤器和外壳的其他部分周围，从而一步形成整体密封件和完整的设备。随着液态塑料开始填充外壳各部分之间的空间时，其也会渗透进入过滤器的边缘。应注意控制条件，使塑料不会影响膜的有效过滤面积。无论使用何种方法将过滤器密封到设备中，密封件都必须采用整体结构，这意味着没有任何东西可以通过该密封件。此外，密封过程不得在过滤器上打洞。

密封过程的有效性可以通过完整性测试进行评估。该方法为：对过滤器一侧的成品设备加压，并测量下游侧液体或空气通过的速率。与正常设备相比，如果设备密封件有缺陷或过滤器破裂，您将得到非常高的流速。

缺陷和破裂

在将过滤器密封到装置中时，用于形成密封的膜表面积的一部分将被排除在过滤流之外。我们不希望损失任何额外的表面积，因为这会降低装置的过滤能力。同时，我们也不希望在密封期间导致膜出现破裂。除了密封之外，过滤器的结构也应不受影响。可能出现的问题包括：

1. 压力: 其作为密封过程的一部分出现，加压会导致过滤器压缩；压力过大会导致过滤器的密封边缘被压缩，在极端情况下甚至会破裂。
2. 粘合剂：其作为密封过程的一部分使用，粘合剂的用量应限制在足以形成密封的范围之内。过量的粘合剂会流到膜的表面并堵塞孔隙。
3. 超声能量或热量：当使用该密封方法时，过滤器的多孔结构通常会随着聚合物和外壳熔化在一起而塌陷。如果施加的能量过多或不精确，可能会使得在远离密封的区域，发生过滤器多孔结构塌陷。在极端情况下，甚至会出现破洞。

溶出物（可浸出物）

对于许多应用来说，滤液化学污染是一个主要问题。在选择用于外壳和过滤器的材料时，应尽可能地降低将污染物引入滤液的可能性。根据其结构的具体性质，无纺过滤器有可能会有纤维脱落到滤液中。由于制造过程中还需要其他处理，以及存在引入污染物的可能性，因此我们通常会测试成品设备在预期应用中的化学物质释放情况。尤其是在滤液用于医疗应用时，必须进行相关测试。

所有膜都经过一定程度的目视检查。在某些情况下，目视检查是使用能够捕捉通过结构的透射光的相机在线完成的。如果发现存在高于某个阈值的亮点，表明膜上有孔，如果采用无纺材料，表明该区域的纤维非常分散，以致该材料无法有效地作为过滤器使用。您可以在材料生产时标记缺陷区域，并在稍后从成品中剔除。

还有其他类型的目视检查可以离线完成。通过将膜的各个部分放置在灯箱上或灯下，可以检查其是否存在可能影响过滤器性能的其他缺陷。尽管检查是主观的，但存在多种目视缺陷类型，表明该区域的过滤器无法正常工作。通常，目视缺陷与铸造工艺问题有关。例如，溶剂斑点是膜中聚合物没有正确沉淀的区域。通过检查去除存在目视缺陷的区域，确保结构的均匀性。

开口盘型膜的蛋白质结合比较关键考虑因素：

什么是微滤？
开口盘型的非特异性结合分析
过滤膜

什么是微滤？

微滤是一种方便有效的，对蛋白质溶液进行纯化、分离和澄清的方法，适用于生物制药、大分子治疗和细胞培养等一系列应用。在从样品中分离目标颗粒时，分析物结合和保留能力是需要考虑的重要因素。在过滤蛋白质样品时，避免分子与膜表面或内部的几何形状发生结合而造成蛋白质损失至关重要。这种非特异性蛋白质结合是膜与分析物的物理化学相互作用的结果，会降低样品蛋白质的回收率。非特异性蛋白质结合还取决于溶液浓度，因为高溶液浓度比稀浓度会更快地在可用的膜结合位点上完成饱和。因此，选择具有低结合特性的开口盘型膜材料不仅有助于防止样品损失，还可以确保样品蛋白质具有良好的回收率。

开口盘型的非特异性结合分析

如下所示，我们比较了四种不同的Millipore^®聚合物膜与四家竞争供应商的膜的非特异性结合倾向。将样品膜浸泡在1mg/mL的磷酸盐缓冲盐水(PBS)-山羊丙种球蛋白溶液中，该溶液含有浓度为0.1µCi/mL的125I-（山羊IgG）。用PBS清洗13mm开口盘型过滤器，随后用伽马计数器进行分析，以定量测量与膜结合的放射性标记蛋白质的量。

Millipore^® Express PES膜和Durapore^® PVDF膜的结合倾向均超过了测试的其他膜材料。与竞争对手的膜“Vender A PES”相比，Millipore^® PES膜的蛋白质回收率高出八倍。表中还提供了混合纤维素酯(MCE)以及亲水性和疏水性Durapore^® PVDF膜（无竞争对手示例）的附加数据。