CN103402612A - 适用于水提取的液膜 - Google Patents

Abstract

公开了一种含水通道蛋白的整体液膜基质（BLM）形式的液膜基质，其中所述液膜基质由已经功能性并入跨膜蛋白的两亲共聚物去污剂的溶液形成，并且其中所述基质进一步包含稳定油相。膜基质的用途包括从液体含水介质通过正向渗透提取水，例如用于盐水脱盐。

Description

适用于水提取的液膜

技术领域

本发明涉及具有并入功能蛋白通道，如水通道蛋白和水甘油通道蛋白或其它跨膜蛋白孔的液膜基质（liquid membrane matrix），用于从含水介质中提取水和/或小溶质。更具体地，液膜基质是一种包含并入在两性分子的组织样粘稠液体结构内的水通道蛋白液膜，具体用于从含水液体介质中提取纯水，例如在正向渗透应用中。

背景技术

如在US4360448(A)中公开的，液膜分离工艺已用于从含水溶液中去除溶解的物质，如离子。所述发明涉及用于从含水溶液中去除溶解的物质的方法，其包括用乳液接触所述含水溶液，所述乳液包括特征在于与所述含水溶液不互溶并可渗透到所述溶解物质中的外部相，以及含反应物，如离子交换化合物的能够将所述溶解的物质转化为不可渗透形式的内部相。溶解的物质透过外部相进入内部相，在此其转化为不可渗透形式，从而保留在所述乳液的内部相中。从所述乳液中分离从所述溶解的物质内排出的含水溶液并且回收乳液循环利用。但是，当多种离子或未指定的离子或溶质存在于含水溶液或介质，如生物液中时，因为需要为待去除的每种物质设计特定的反应物，因此通过这种或类似方法去除溶质变得越来越复杂。在（WO87/002380）Production of Low-Ethanol Beverages by MembraneExtraction中描述了液体膜提取方法应用的另一个实例，其涉及用于从酒和其它饮品中选择性地去除乙醇而保留水和多种其它有机组分的膜萃取系统。因此，迄今已经开发出液膜分离方法用于选择性去除，例如含水液体中的溶质。因为从含水液体原料中选择性去除或提取水的需要，本发明人设计了适合从含水液体中使用选择性水通道（已知的水通道蛋白）去除或提取纯水的液膜方法。

基于荧光的活性检测对于可溶性蛋白是行之有效的，但不适用于膜蛋白。其可能原因是当将膜蛋白从它们的自然环境—生物膜中取出时膜蛋白是易受损（fragile）的。此外，可商业购买获得的蛋白质种类仅限于几种膜蛋白。这涉及到大量（克-级）表达并纯化膜蛋白的困难。膜蛋白通常依赖于重组为完全模拟蛋白的自然环境的仿生膜来保持它们的功能。如今迫切需要用于筛选脂质膜组分的检测，以用于它们在满足膜蛋白要求（即特异性亲水和疏水区或层）的仿生膜制剂的制备。同时，这样的检测将提供关于膜蛋白折叠状态的有用信息。

发明内容

本发明涉及含生物通道的整体液膜（bulk liquid membrane）形式的液膜基质，其中液膜基质基于包括以下单元（cell）的组织类结构，该单元具有由两性化合物如非离子去污剂与脂质或不与脂形成的仿生边界层（boundary layer），形成其中并入生物通道或其中所述基质进一步包含稳定油相的层。本发明还涉及制备含功能性水通道蛋白的所述液膜基质的方法以及含水通道蛋白的液膜基质用于从液体含水介质中通过正向渗透进行纯水提取，例如用于盐水脱盐的新用途。

另一方面，本发明的液膜基质可以进一步包含在或固定在接触器模块内或基本平的多孔夹层结构内，可用作过滤装置。

现在将通过实例的方式描述本发明的实施方式，但不局限于附图和实例。

附图说明

图1示出了本发明实验中所用的样品过滤设备的两个部分的剖视图和俯视图。

图2和图3是显示图1的过滤设备的更详细的图。

图4示出了在相分离后通过注射器提取本发明液膜基质（乳“膏”相）的原理图。

图5是示出在正向渗透实验中现有技术获得的水通量和盐通量的图。

图6是显示在正向渗透实验中使用本发明的液膜基质获得的水通量和盐通量的图。

图7是横流正向渗透装置的原理图，其示出了具有夹层液膜（膜单元）的设备。

图8是本发明的含水通道蛋白Z的液膜基质样品的显微镜20x放大图像，其示出了来自于仅限制在边界层的标记水通道蛋白Z的蓝色badan^TM荧光。

图9和图10与图8相同，但示出了明场的图像。

图11与图9相同，但示出了未并入蛋白质的“膏”相。

图12是正向渗透性单元的示意图。

具体实施方式

本文描述的液膜基质可以为含水通道蛋白的整体液膜（BLM）的形式，其中所述液膜包括并入在非离子去污剂，如两性嵌段共聚物，优选泊洛沙姆型的分散体（dispersion）内的功能性水通道蛋白，其中所述基质进一步包括稳定的油相。

本发明涉及液膜基质，其由具有以下各项的单元结构组成：内部水相、外部油相和包含跨膜蛋白通道并入其中的非离子型去污剂的单元之间的边界层。此新型液膜基质的优势是其三维结构使得能够具有多种不同形状和尺寸，并且其粘性提供具有非常大的内表面积的防水材料，其中单元之间的边界层显示独特的两亲性和足够的空间以容纳两亲物质，如跨膜蛋白，其能够插入层中以适当地发挥作用，即作为水通道（水通道蛋白），质子供体（视紫质），等。

更具体地，本发明的液膜基质包含油相，其具有至少一种选自由以下各项组成的组中的组分：甾醇，鲨烯，鲨烷，α-生育酚，藿烷类，包括酯化多萜醇的异戊二烯，泛醌（Q10），霍霍巴油，轻矿物油，亚麻子油，大豆油，花生油，磷脂稳定化的鲨烯或大豆油、磷脂和甘油的乳液以及烷烃，如癸烷、十一烷、十二烷；以及它们的混合物。假设通过促使非离子去污剂的亲水头基（headgroup）（或A-链）为在本文显微图像中可见的稳定结构并稳定这些结构，所述油相主要辅助本发明的LM基质的多单元结构的生成。但是，本发明人不意图局限于关于油相的详细功能的任何特定理论或解释中。

在本发明的液膜基质中，优选地，所述去污剂选自非离子型去污剂，如亲水-疏水-亲水（A-B-A）型泊洛沙姆（poloxamer），其中所述泊洛沙姆可以选自具有60-85范围内的A和25-35范围内的B，优选A的平均值为约76且B的平均值为约30的(PEO)_A-(PPO)_B-(PEO)_A共聚物。本发明中所用的示例性泊洛沙姆以商品名Pluronic F68销售。[从普朗尼克格插入特征]

本发明的液膜基质可以进一步包含优先选自DOPC、DPhPC、DOPS或天然脂质提取物（如大肠杆菌总脂质提取物或大豆混合磷脂）、或它们的组合物或混合物中的两亲脂质组分。

在本发明的液膜基质中，所述蛋白通道可以是水通道蛋白或水甘油通道蛋白，如酵母水通道蛋白，尤其Aqy1、植物水通道蛋白，尤其SoPIP2;1、水甘油通道蛋白，尤其Aqp3或细菌水通道蛋白，尤其AqpZ。其它跨膜蛋白可以为β-桶状孔，如α-溶血素和OmpG、FomA和VDAC；视紫质，如紫膜质或跨膜肽孔，如丙甲菌素、缬氨霉素和包括其衍生物和人工跨膜肽的短杆菌肽A；离子通道或离子-选择性离子载体。

在本发明的液膜基质内，所述蛋白通道与两亲去污剂以在约1:50至约1:400范围内的摩尔比存在于蛋白内。这可与已知在两亲囊泡中并入跨膜蛋白如水通道蛋白Z（参见WO/2009/07617）中得到的比例相比。

本发明的液膜基质将典型地呈现闭合的单元结构，其具有可达1000μm的近似最大直径的单元并且多数单元优选处于约20至约50μm的范围内。

本发明进一步涉及从含水液体提取水的方法，所述方法包括以下步骤：

a）将一定量的含有本文披露的水通道蛋白的液膜基质加入过滤设备的过滤室中，其中所述室可控地与具有小于或等于液膜基质的渗透压的作为进料液的第一含水液体接触，并且其进一步可控地与具有高于液膜基质的渗透压的作为提取液（draw solution）的第二含水液体接触，从而在所述第一和第二液体之间产生渗透压势，

b）只要存在渗透压梯度，基质从所述第一液体通过其水通道蛋白吸收纯水从而介导纯水流入所述第二液体，

c）可选地，从所述第二液体分离提取的纯水。

在以上描述的方法中，所述第一含水液体选自由以下各项组成的组：任意类型的天然水源如海水、河水、湖水、半咸水、雨水、对水通道蛋白无毒害的废水，包括葡萄酒、水果汁和蔬菜汁、牛奶、全血、血浆、尿液、唾液、汗液、组织匀浆等的生物液体。

在本发明优选的实施方式中，提取水的方法用于海水脱盐，其中盐水是进料或第一含水液体以及含CO₂/NH₃的水溶液是提取液或第二含水液体。溶解的气体，如CO₂或NH₃可用于正向渗透提取液以产生很大的渗透梯度，从而驱使水流过液膜基质的水通道蛋白，并且同时具有通过加热和蒸发从获得的稀释提取液容易排出的优势。当然，显而易见的是，对于本领域技术人员选择在正向渗透提取液中有用的其它溶质取决于所提取的水的所需最终用途。溶解的盐、糖、糖醇等是其它有用的形成渗透压的提取溶质。

本发明还涉及用于从含水液体介质中提取纯水的装置或设备，所述设备具有包括含有一种或多种水通道蛋白的本文描述的液膜基质的滤室（filter house）。实例是双模块中空纤维液体-液膜接触器模块（例如美国专利号5328610中描述的）或液体单元超流量（extra-flow）膜接触器（例如

膜接触器生产的）。

本发明进一步涉及制备含水通道蛋白的液膜基质的方法，包括以下步骤：

a）在玻璃瓶或玻璃分液漏斗中混合约100mg/mL的非离子去污剂和油组分的溶液以获得0.25的油/水v/v，并加入一定量含水的水通道蛋白溶液，其中蛋白可带有荧光标签，以达到去污剂与蛋白质的摩尔比在1:50至1:400之间，

b）将来自a）的结合混合物倒入旋转设备中，在室温下过夜以获得乳液，

c）使来自b）的乳液静置足够的时间以使其分离为明显的液相，包括膏相或扩大的油-水界面，其包括所述液膜基质，

d）用注射器吸取用于注射到过滤设备中的乳膏相（emulsion creamphase）的基质样品，如在图4中所示，以及

e）可选地获得形成的基质的吸收光谱，其与用于验证液膜基质中水通道蛋白正确插入的荧光标签一致。

更具体地，本发明涉及制备适用于使用正向渗透从液体介质中提取水的液膜基质的方法，该方法包括结合具有含水的水通道蛋白配制品的非离子去污剂和油，然后温和混合并使获得的乳液分离并提取所产生的扩大的组成所述液膜基质的油/水间相。在所述方法中，优选地，去污剂是选自ABA型泊洛沙姆，如列于表X中的两亲嵌段共聚物，所述水通道蛋白为溶解于含有缓冲液的含水溶液中的水通道蛋白Z，以及所述油组分为鲨烯。当使用AqpZ（水通道蛋白Z）时，所述缓冲液优选具有以下组成：20mMTris pH8+50mM NaCl+100mM OG（辛基葡糖苷）或，可替换地，当正向渗透过程不需要纳或氯时，可使用20mM Tris pH8+100mM OG缓冲液的组合。在使用SoPIP2;1作为水通道蛋白的其它优选实施方式中，缓冲液是PBS基的（基于PBS的，PBS based），例如PBS+1.0%OG，或PBS+1.0%OG。可替换地，当优选的缓冲液配制品包括，例如：20mM Tris pH8、300mM NaCl和1%β-OG时，可使用酵母水通道蛋白Aqy1。约1至10%的甘油是这些缓冲液配制品的可选成分。由于不同的水通道蛋白可能需要不同的最佳使用条件，本领域技术人员将知晓如何选择合适的缓冲液配制品用于各种水通道蛋白的储存和功能。本发明中有用的非离子去污剂的实例是美国专利号3,740,421中描述的化合物，以及BASF以商品名Pluronic F68、Pluronic F77、Pluronic F87、Pluronic F108、Pluronic F127、Pluronic P81、Pluronic P84和Pluronic P85销售的泊洛沙姆，同样参见Monica A.James-Smith et al,J Surfact Deterg(2008)11:237-242。

本发明的液膜基质可包括水甘油通道蛋白，从而使液膜基质适用于水过滤和甘油过滤。除水通道蛋白外其它跨膜蛋白的并入除水提取外将提供一系列可能的用途，在生物反应器中，每种特定用途取决于所选择的跨膜蛋白的生物物理性质，例如视紫质家族的质子泵，例如紫膜质，其具有使它们在燃料电池应用中有用的令人感兴趣的性质。

制备具有并入的跨膜蛋白的液膜基质的方法可以进一步包括在步骤a）中添加选自以下各项中的两亲脂质：例如DOPC或DPhPC或DOPS或天然脂质提取物，如大肠杆菌总脂质提取物或大豆混合磷脂或它们的组合物或混合物。可达约三分之二的非离子去污剂可以被两亲脂质如DPhPC和大豆磷脂（asolectin）取代。

当使用标记的跨膜蛋白时，所述标签优选为萘衍生物，如列于本文表1中的那些或其荧光功能衍生物，例如6-溴乙酰基-2-二甲基氨基萘。

在本发明的优选实施方式中，液膜基质包括并入的水通道蛋白，如水通道蛋白2，并且可用于从患者的由于血液透析损失的血浆中再提取纯水。大量的水从被过滤的血浆中损失是外部血液透析中公知的问题。这些水必须回收，并且这提出了严格的纯度要求以便不危害患者的安全。使用本发明的水通道蛋白液膜基质将不再需要在血液透析期间向患者添加大量的外部超纯水，其中水通道蛋白是天然的人水通道蛋白2，其负责每天从肾的滤出液中再吸收总计至约180L水的工作。

此外，本发明涉及一种具有闭合的夹层结构的支持液膜基质（supported liquid membrane matrix），其中基本平的多孔过滤材料在所述基质层的两侧提供支持，因此固定该层。本发明的这个方面可以采取通过在选自超滤膜和微滤膜的过滤材料之间夹入例如含水通道蛋白的液膜基质的层而形成的复合过滤膜或滤片的形式。示例性材料是无纺聚丙烯片或网孔聚丙烯片，其具有除对PVDF惰性的活性过滤层，该过滤层具有约150nm的孔径，如由Alfa-Laval制造的FSM0.15PP。

本发明的含水通道蛋白的液膜基质仅允许纯水通过其水通道蛋白，因此可以用于渗透性水提取，例如当所述基质包含在上游与具有小于或等于基质渗透压的进料液或第一含水液体接触的过滤设备中，并且所述设备下游与具有小于基质渗透压的提取液或第二含水液体接触。这样的过滤设备的实例在图1、图2和图3中示出。只要渗透梯度存在，提取的水将从进料液穿过基质并流入提取液。

在优选的实施方式中，提取液或第二含水液体分离自产物（纯化的）水，其低毒性或无毒性，并且对液膜是化学惰性的。第二含水液体（提取液）的实例是已经用于海水脱盐的葡萄糖和果糖的混合物，并且基于在可热去除铵盐的高度浓缩提取液中以特定比例结合氨和二氧化碳气体，最近已经获得了上述提取液，参考J.O.Kessler和CD.Moody，Drinking waterfrom sea water by forward osmosis,Desalination18(1976)297-306；J.R.McCutcheon,R.L.McGinnis,and M.Elimelech,Desalination by a novelammonia-carbon dioxide forward osmosis process:influence of draw and feedsolution concentrations on process performance.J.Membr.Sci.278278(2006)114-123)，以及Kirts,Richard Eugene的Method and apparatus for producingpotable water from seawater using forward osmosis。可替换地，通过加热到接近60℃从稀释的提取液可以容易地分离水以产生淡水、氨和二氧化碳。然后氨和二氧化碳都可以作为用于提取液的溶质而被再利用，参见Low(2009)。

美国专利申请公开（2009），US2009308727A120091217披露了一种用于海水脱盐的方法和设备，其使用氨-重碳酸盐正向渗透脱盐工艺。将海水泵送通过膜组件的一侧，并且将提取液泵送通过膜组件的另一侧。提取液收回从海水通过膜进入提取液中的水分子，并且提取液分离器接收随后分解为氨、CO₂和水的加热的提取液。饮用水与氨和CO₂气体分离。然后，氨气和CO₂气体与部分饮用水流再结合以改变重碳酸铵提取液。本发明的一种实施方式是本发明液膜基质在如US2009308727A1中披露的方法和设备中的应用。在本发明的另一种实施方式中，含水通道蛋白的液膜基质用于从来自血液透析的透析液中再提取水。在血液透析方法的改进中本发明的液膜基质至少有两种有用的应用：

i）如本文描述的超纯水的制备可以取代十分复杂的用于水纯化的系统，该系统是目前为了恢复患者血浆中的含水量所必要的。

ii）制备透析液时所用的正向渗透工艺之后，同时去除了来自患者血浆中的大量的水，并且这可以使用本文描述的任意方法中的水通道蛋白液膜提取。

假设存在合适的渗透梯度，本文描述的含水通道蛋白的液膜基质能够吸收纯水并且能够通过其水通道蛋白释放纯水，例如，如，以重复的膨胀和收缩循环。典型地，膜基质在与比膜基质内部的渗透压低的第一含水液体接触前是预收缩的，以及需要从第一含水液体中提取水。在膨胀的膜基质与所述第一含水液体分离后，可以将吸收的水提取到比膨胀的膜基质内部渗透压高的提取液中。M.Goulian et al,Biophysical Journal,Vol.74,January1998,pp.328-337已示出，包含短杆菌肽A通道的DOPC囊泡的体积可以通过水转运膨胀可达约16%。其还示出了凝胶填充的DOPC囊泡的体积可以收缩到初始体积的可达约80%，参见A.Viallat et al,BiophysicalJournal,Vol.86,April2004,pp.2179-2187。

第一含水液体或来源或进料相的典型的渗透压在约100mOsm至约500mOsm或1000mOsm的范围内，并且第二含水液体或接收或提取相的典型的渗透压是约100至1000mOsm以上以获得合适的渗透压力差。海水的渗透压浓度范围是2000-2400mOsm，主要由氯化钠提供。这是血浆正常渗透压（为约275-299mOsm/Kg）的8倍。我们的肾可以产生的最浓的尿为1400mOsm，远低于海水的水平。

除了天然的和工程化的水通道蛋白的并入，本发明的液膜基质可以包括其它类型的生物通道，尤其是β-桶状孔如α-溶血素和OmpG、FomA、VDAC；包括人工肽、离子通道的跨膜肽孔（丙甲菌素、缬氨酶素、短杆菌肽A）如Boon,M.和Smith,BD;2002（"Synthetic membrane transporters".Current Opinion in Chemical Biology2002,6:749-756）综述的，以及离子-选择性离子载体，如纳选择性ETH157、钾选择性SQI-Pr和缬氨酶素、氯化物离子载体三辛基氯化锡（trioctyltin chloride）等。

本发明的液膜基质包括稳定的油相，如，例如具有6-12个碳原子的非支链或支链的碳链的非极性烃溶剂的油相。同样优选低毒性的油相化合物。已知天然油化合物，如优选地以分析标准的大豆油（cas号：8001227）和花生油用于形成相对稳定的表现出物理稳定性以及无毒的乳液。这些油进一步包括鲨烯，鲨烷，α-生育酚，藿烷类，异戊二烯（例如多酯化的多萜醇），泛醌（Q10），霍霍巴油，轻矿物油，亚麻子油，磷脂稳定的鲨烯，或大豆油、磷脂和甘油的乳液，intralipid^TM等。此外，高级烷烃，如癸烷、十一烷、十二烷等可以单独或与前述提到的油相化合物混合使用。本发明优选用于降低有机溶剂的含量以获得低溶剂或甚至无溶剂的液膜基质组合物。

定义

术语液-液提取是用于使用液膜的分离工艺。在本发明中这是液-水提取，因为水被提取到液膜中。

使用液膜的总称“水提取”在本文中将与总称“水分离”一同使用。

仿生：本发明的膜基质的特点是具有仿生两亲膜，其适于跨膜蛋白的插入和并入。优选地，当并入仿生膜内时，跨膜蛋白保持它们天然的三维构象，从而，蛋白质保持其功能。

本文所用的术语“脂质”优选地包括两亲脂质，如磷脂、磷酸甘油酯、鞘磷脂和心磷脂，以及它们的混合物，例如，诸如1,2-二棕榈酰-sn-磷脂酰胆碱（DPPC）、DOPC、DPhPC、DOPS的磷脂，诸如大肠杆菌总脂质提取物、大豆混合磷脂的天然脂质提取物，或磷脂的混合物。有用的脂质的实例列于WO/2006/122566的表1中，将其通过引用并入本文。

本文所用术语“生物通道”应意指任何跨膜通道或孔，如可以并入仿生两亲层中的蛋白质通道，其用于从液体含水介质中提取水和/或小溶质。

本文所用术语“水通道蛋白”应意指任何功能性水通道，如在WO/2006/122566"Membrane for filtering of water"中或由Tamir Gonen和Thomas Walz,Quarterly Reviews of Biophysics(2006),39:4:361-396,Cambridge University Press描述的跨膜蛋白。本文所用的优选的水通道蛋白选自由以下各项组成的组：Aqp4，Aqp1，Aqp Z，SoPIP2;1，以及它们的单体、二聚体、四聚体和更高的低聚体以及包括基本序列的突变、融合和截短形式的功能变体，例如，用于异源表达的优化的特定水通道蛋白的工程变体。

本文所用术语“含水液体”和“含水液体介质”包括含水溶液；天然水源；源于生物的液体，如水果和蔬菜汁、血液、奶和尿液；废水源；含水悬浮液、分散液、乳液等。

本文所用术语“渗透压”应意指由水的渗透流体从含水液体通过半透膜进入含更高浓度的含水溶质的区室内产生的压力。潜在渗透压是在溶液选择性通透膜与蒸馏水分离时能够产生的最大渗透压。如van't Hoff公式描述的，潜在渗透压由单位溶液体积内的溶质“颗粒”数量决定。

术语“正向渗透”（FO）是指其中通过半透膜的渗透压差是水通过膜转运的驱动力的过程。FO过程使得进料流浓缩和高浓度流（指提取液）稀释，参见Cath et al,Journal of Membrane Science,281(2006)70-87。

术语“第一含水液体”相当于“进料”液或来源相。

术语“第二含水液体”相当于“提取”液或接收相，另外的称谓是反提取液（stripping solution）。

对本文描述的液膜可用的术语“标准形式因素”应意指用于液膜提取设备的现代工业设备和装置标准。

本文所用术语“液膜接触器”应意指为了在相之间转移物质将允许两种或更多种液相彼此相接触的设备或组合，例如通过水通道蛋白整体液膜。本文所用接触器的实例包括中空纤维模块，包括双模块中空纤维模块，在膜生物反应器中有用的空心片膜，例如Alfa-Laval生产的用于MBR的中空片膜，多束中空接触器，如Liqui-Cel^TM接触器，Hollow fiber pertractor和二室接触器系统（Two chamber contactor system），参见http://sschi.chtf.stuba.sk/MembraneLab/Equipment.htm。

特定实施方式

本发明的含水通道蛋白的液膜基质的使用在从含盐进料液，如海水的脱盐以产生纯水或淡水中尤其具有优势，其中水通道蛋白的特定纯水的运输和氯化物排出性质提供独有的工艺条件。本发明的有意义的实施方式是水通道蛋白液膜基质在用于产生纯水的正向渗透工艺中的应用，其中盐水是进料，含CO₂/NH₃的水溶液是提取液，具有易于通过加热至约58℃去除溶解的气体的优势，参见McGinnis and Elimelech,Desalination,207(2007)370-382；和Quirin Schiermeier,"Purification with a pinch of salt",Nature,452,20March2008。

即时可用的本发明的液膜基质的典型组合在表1中示出。

表1每升水通道蛋白液膜基质的组成

以如下详细解释的图1-图12示出本发明：

图1示出了本文实验中所用的样品过滤设备的两个部分的剖视图和俯视图。

图2和图3是显示图1过滤设备的更详细的图。

图4示出了在相分离后通过注射器提取本发明液膜基质（乳“膏”相）的原理图。

图5是示出在正向渗透实验中现有技术获得的水通量和盐通量的图。

图6是显示在正向渗透实验中使用本发明的液膜基质获得的水通量和盐通量的图。在图5和图6之后，使用图1、图2和图3的设备和图7中示出的横流过滤装置进行试验。

图7是横流正向渗透装置的原理图，其显示了具有夹层液膜（膜单元）的设备。

图8是本发明的含水通道蛋白Z的液膜基质样品的显微镜20x放大图像，示出来自于仅限制在边界层的标记的水通道蛋白Z的蓝色badan^TM荧光。

图9和图10与图8相同，但示出了明场的图像。可清楚地看见膜基质的单元状结构。

图11与图9相同，但示出了未并入蛋白质的“膏”相。此处的乳液通常由囊泡组成。

图12是正向渗透性单位单元的示意图，其中K_feed（t）用于测量的进料液的电导率，K_draw（t）用于测量的提取液的电导率，以及△VQ（K_permeate）用于测量的来自进料流体的体积。宽箭头表示通过液膜空间的流体方向。

本发明的另一方面是通过正向渗透用水通道蛋白液膜基质作为载体系统提供包含纯饮用水的营养饮品。例如，水通道液膜基质将从尿液将水提取到水通道蛋白液膜。水通道蛋白液膜基质和浓缩的尿液将相分离，随后水通道蛋白液膜基质将与具有更高渗透梯度的接收含水溶液接触。然后水从水通道蛋白液膜基质被提取到接收液，以及水通道蛋白液膜基质和接收液将相分离，得到水从尿液转移到另一溶液的最终结果，在此实施例中为葡萄糖和蛋白质溶液。

另一方面，本发明涉及本发明的膜基质在均一电解质超滤后的正向渗透中的用途或用于去除溶解的气体。这是从任何含水溶液或液体提取水的完整应用的实施例。例如，含水通道蛋白的液膜基质将从废水溶液中将水提取到水通道蛋白液膜基质中。水通道蛋白液膜基质和浓缩的废水溶液将相分离，然后水通道蛋白液膜基质将与具有高更高渗透梯度的接收水溶液接触。然后将水从水通道蛋白液膜提取到接收液，并且水通道蛋白液膜基质和接收液将相分离，得到水从废水溶液转移到另一溶液的最终结果，在此实施例中为另一种电解质溶液或溶解的气体的溶液。

结论

以下公式可用于通量的测量和通过正向渗透批单元部件的截留率的计算。

通量：Q(t)≈ΔV(t)其中，ΔV(t)是读取自测量吸液管

通量计算：J(t)≈Q(t)/A其中，A为液膜接触面积

作为渗透压函数的通量：J(t)≈Q(t)/A*P_渗透

用于单独移动溶质分子的溶液的渗透压计算：

∏=cRT['Quantities,Units and Symbols in Physical Chemistry,'中的2.11节，INTERNATIONAL UNION OF PURE AND APPLIED CHEMISTRY,1993]

c：单独移动溶质的摩尔浓度

R：气体常数，0.08206L·atm·mol^-1·K^-1

T：绝对温度

对于偏离理想状态的溶液，以上方程式变为：

n=φcRT

其中φ是渗透系数。对于0.15M的蔗糖溶液在25摄氏度下φ=1.01。[StenKnudsen，'Stoftransport,membranpotentialer og elektriske impulser overbiologiske membraner'Akademisk Forlag1995]。对于特定溶液，通过渗透压测定法确定φ。

实施例

0.2M山梨醇（D-山梨醇）在22摄氏度的环境温度下的渗透压（bar）：

∏=φcRT约1·0.2mol·L^-1·0.08206L·atm·mol^-1·K^-1·295K·1.01325bar·atm^-1=9.9bar

在此假定φ≈1.

盐排出，参见图12

通过使用含全离子的强电解质提取液和进料液，电导率k此处用作简单的浓度度量。提取液电导率的增加反映渗透体积中渗透的离子的量，Q(t)，稀释到提取体积（V₀为初始提取体积）：

Κ_透过(t)=Δκ_提取(t)*(V₀+Q(t))/Q(t)

整体R（盐排出）定义为：R=1-κ_透过(t)/κ_提取(t)

图6是示出以下的图，在正向渗透实验中从由MilliQ水组成的进料液到1M NaCl的提取液通过由将具有并入AqpZ的本发明的液膜基质层夹入到选择的过滤材料，即FSM0.15PP之间制备的复合滤膜或滤片获得的水通量和盐通量。图6示出非常低的且一致的约0.1g/m²h的盐通量，其与图5中示出的开始于约5.5g/m²h并以现有技术中具有1-5nm孔径的FO膜（来自Hydration Technologies（HTI）的FO Seapack^TM膜）使用相同的设备获得的盐通量相比是有利的，参见实施例3。图6中的水通量在4至5kg/m²h之间与HTI膜的快速减小的水通量相比是稳定的。在图5和图6中，使用的正向渗透设备为如图1、图2和图3所示，并由安装在含液膜基质的中央部件周围的两部分组成（上部和下部），在设备拧紧和密封前通过针管迅速将液膜基质注射到两个过滤支持片之间。膜之间的体积由空间/膜托架（holder）限定。持续泵入进料液和提取液，以根据图7示出的原理图以逆流模式通过膜，参见Tang等人，Journal of Membrane Science,Volume354,Issues1-2,15May2010,Pages123-133。

根据本发明的支持型液膜（supported liquid membrain）也可以采取开放或闭合的夹层结构的形式，其中基本平的多孔过滤材料在液膜基质层的一面或两面提供支持，从而固定所述层。过滤材料的实例列于以下表2中。此外，陶瓷膜，如SpinTek Td可用作支持。这种膜类型由185μm厚的不锈钢基底制成，薄（15μm）陶瓷纳米粉涂层粘合到该基底上。陶瓷涂层具有光滑的并且是受关注的防污表面。适用于本发明的液膜基质的支持物的可用Td陶瓷膜的孔径小至0.07μm以及大至0.8μm。Td膜的基底陶瓷为通过纳米尺寸的陶瓷粉制成的二氧化钛（TiO₂）。根据预期用途其可以与二氧化锆或二氧化铝与二氧化硅的复合物掺混。

表2可选的具有型号、生产商和孔选择性指示的过滤器列表

缩写表：MF：微过滤，NF：纳米过滤，-as：非对称的，-s：对称的

除了如通过本文的附图示出的本发明的具体实施方式，本发明的液膜基质在生物反应器和用于具有生物通道调节作用，如抑制和激活的化合物检测和药物筛选的生物传感器中是有用的。实例是将功能性钾通道的并入固定的液膜基质配制品中，并筛选化合物文库以抑制或阻滞（blocking）通道。Judge Sl和Bever CT已经示出了用于识别在治疗多发性硬化症中有用的药物的此原理，参见参考文献部分。

实验部分

实施例1、Aqp-Z整体液膜基质的制备和提取

根据以下描述的方法获得纯化的Aqp-Z。可替换地，可以用SoPIP2;1，例如根据Maria Karlsson等人（FEBS Letters537(2003)68-72）描述的方法获得的。

材料和化学制品

非离子去污剂Pluronic F68可从BASF获得

13mg/mL的水通道蛋白Z（Aqp-Z）批（或可替换的SoPIP2;1）

PBS缓冲液（Sigma P5368）：0.01M的磷酸盐缓冲液（NaCl0.138M；KCl-0.0027M)；pH7.4，在25℃下

Milli-Q水

油相成分，鲨烯

分液漏斗/玻璃瓶

气密性玻璃注射器

提取/进料液（1M的NaCl/Milli-Q水）

根据本发明图1、图4和图5装配的原型横流室

LabRoller^TM旋转器（Labnet International,Inc.）

在以下条件下制备mL大小的aqp-z液膜基质：

使用非离子型去污剂:水通道蛋白为200的摩尔比；使用0.25的油-水体积比；使用10.6mg/mL（共2mg）的Aqp-Z批；并且其中油（或油相组分）为纯鲨烯；以及使用以下步骤：

1.在4mL的圆底玻璃瓶或玻璃分液漏斗（3mL）中加入：

i)在室温下100mg/mL的在PBS或其它合适的缓冲液中的非离子型去污剂溶液。

ii)将蛋白质（189μL AqpZ）加入1527μL的非离子型去污剂中，以及最后

iii)572μL的鲨烯

2.通过吸液管尖部（1000μL的吸液管）缓慢地吸入/放出以混合样品。

3.可选地：在用盖瓶盖上小瓶之前通过氮气流缓慢冲洗样品。

4.在室温下在LabRoller上旋转样品过夜，旋转后，在使用前使样品静置1小时。

5.用500μL的气密玻璃注射器（具有侧孔的26号钝头针头）取出样品，350μL的靠近乳液-水界面的乳“膏”相，其用于使用以下步骤注射到横流单元（参见图1、图2、图3）：

1.用在BLM腔（cavity）和衬垫（3片）中的胶囊过滤器装配横流单元

2.使针头能够插入样品区室内

3.插入装有样品的注射器，排出口面对样品区室的开放空间并紧固单元。

4.缓慢注入约350μL的样品

5.取出注射器并完全紧固单元螺钉。

现在，具有液膜基质的横流单元可用于安装在正向渗透横流装置。

根据以下描述的方法获得水通道蛋白Z（AqpZ）：

在大肠杆菌菌株BL21（DE3）培养物中过表达细菌水通道蛋白-Z，如具有烟草花叶病毒切割部位的His-标记的蛋白。融合蛋白具有264个氨基酸以及27,234Da的M_w。来自大肠杆菌DH5α的基因组DNA用作扩增AqpZ基因的来源。使用在AqpZ的N-端加有烟草花叶病毒切割部位（TEV）；ENLYFQSN的基因特异性引物扩增AqpZ基因。用NdeI和BanHI酶消化扩增的AqpZ，然后连接到同样消化的6-His标记的表达pET28b载体DNA。通过PCR-筛选确定阳性克隆。然后通过DNA测序确定构建体的正确性。

大肠杆菌菌株BL21（DE3）用于蛋白质的表达。含50μg/ml卡那霉素的鲁里亚肉汤培养基（Luria Broth culture）在37℃下孵育13-16小时，稀释100倍到新鲜LB肉汤中并增值到约1.2-1.5的密度（在600nm下OD）。在离心前在35℃下通过加入1mM的IPTG诱导重组蛋白的表达。

在冰冷的粘合缓冲液中（20mM的Tris pH8.0，50mM的NaCl，2mM的β-巯基乙醇，10%的甘油）在存在0.4mgml溶解霉素、50单位Bensonase和3%OG下再悬浮收获的单元。在12000Pa下在微射流机（microfluidizer）内，样品进行5次溶菌循环。在40000x g下通过30分钟离心对不溶性材料造粒。上清液通过Q-sepharose fast flow柱（Amersham Pharmacia），并收集流过的液流。在装填到预平衡的Ni-NTA柱前，将流过的液流部分用NaCl补足到300mM。用100柱体积的清洗缓冲液（20mM的Tris pH8.0，300mM的NaCl，25mM的咪唑，2mM的β-巯基乙醇，10%的甘油）冲洗柱以去除非特异结合的材料。用5柱床体积的洗脱缓冲液（20mM的Tris pH8.0，300mM的NaCl，300mM的咪唑，2mM的β-巯基乙醇，10%的甘油，含30mM的正辛基β-D-吡喃葡萄糖苷）洗脱Ni-NTA琼脂糖结合材料。用阴离子交换色谱；monoQ柱（GE healthcare）进一步纯化AqpZ。稀释混合样品并用Amicon浓缩器浓缩以使盐和咪唑浓度达到约10mM，在上样到MonoQ柱前截留10000Da分子量（MWCO）。在阴离子交换色谱期间使用的缓冲液为（A）20mM的Tris pH8.0，30m的OG，10%的甘油和（B）20mM的Tris pH8.0，1M的NaCl，30m的OG，10%的甘油。汇集来自离子交换柱的含AqpZ的洗脱峰部分。纯化的AqpZ在-80℃下保持冷冻。

实施例2.扩增实施例1中制备的整体液膜基质

本发明的BLM配制品可适合地并入到用于浓缩驱动液-液传质的中空纤维中，例如Liquid-Gel extra-flow10x28接触器，其在Manuel Aguilar&Jose Luis Cortina"Solvent Extraction and Liquid Membranes",CRC Press,2008的4.21部分描述且在图4.1（b）中示出，将其内容并入本文。本发明的液膜乳液可并入到微孔中空纤维中，并使用盐水作为进料液，可从盐水进料提取合适浓度的提取液纯水或去离子水。

实施例3.如在图1、图2和图3中示出的供给单元形式的过滤设备用于通过含水通道蛋白的液膜基质的正向渗透工艺的用途。

在装配单元中，两个Alfa Laval微滤膜，Alfa Laval-FSM0.15PP用作过滤区室中液膜基质的支持物。对于提取液可使用0.8M的山梨糖醇（D-山梨糖醇，85529Sigma BioUltra）。夹层液膜基质样品的体积为500μL。磷酸盐缓冲（PBS）溶液，Sigma P-5368（0.138M NaCl，0.0027M KCl，0.01M的磷酸二氢钾和磷酸氢二钾和磷酸钠）作为进料。可替换地，可使用MilliQ水/1M NaCl溶液的进料/提取组合。

实验开始时间为吸取搅拌进料液的添加。可观察到的是测量管内的水柱位置。在某时间点将探针插入测量管以测量提取液或进料液的电导率（Microelectrodes Inc.MI-900电导率电极，Thermo Scientific Orion3-Star电导率计）。测量提取柱随时间的升高，并且通过其可近似计算流速和通量，作为质量/面积和质量/面积/单位时间。并行于水柱上升测量进料和提取液的电导率。

实施例4.制备用于并入液膜基质内的水通道蛋白

从Sweden的Lund大学生物化学部（The Department of Biochemistry）的Per Kjellbom和Urban Johansson教授获得菠菜水通道蛋白SoPIP2;1，并根据Tornroth-Horsefield et al.2006(Susanna Tornroth-Horsefiel et al.2006.Structural mechanism of plant aquaporin gating，439卷，Nature，688-694页)进行表达和纯化。

来自大肠杆菌的细菌水通道蛋白-Z从新加坡，南洋科技大学（Nanyang Technical University），生物科学学校（School of biologicalSciences），结构与计算生物分部（Division of Structual&ComputationalBiology）的Jaume Torres副教授获得。在大肠杆菌菌株BL21（DE3）细菌培养物中过表达功能性水通道蛋白-Z，作为具有烟草花叶病毒切割部位的His-标记蛋白。融合蛋白具有264个氨基酸以及27234Da的M_w。来自大肠杆菌DH5α的基因组DNA用作扩增AqpZ基因的来源。使用在AqpZ的N-端加有烟草花叶病毒切割部位（TEV）；ENLYFQSN的基因特异性引物扩增AqpZ基因。用NdeI和BanHI酶消化扩增的AqpZ，然后连接到同样消化的6-His标记的表达pET28b载体DNA。通过PCR筛选确定阳性克隆。然后，通过DNA测序确定构建体的正确性。大肠杆菌菌株BL21（DE3）用于蛋白质的表达。含50μg/ml卡那霉素的鲁里亚肉汤培养基在37℃下孵育13-16小时，稀释100倍到新鲜LB肉汤中并增值到约1.2-1.5的密度（在600nm下OD）。在离心前在35℃下通过加入1mM IPTG诱导重组蛋白的表达。

在冰冷的粘合缓冲液中（20mM Tris pH8.0，50mM NaCl，2mMβ-巯基乙醇，10%甘油）在存在0.4mgml溶解霉素、50单位Bensonase和3%正辛基-β-D-吡喃葡糖苷下再悬浮收获的单元。在12,000Pa下在微射流机内，样品进行5次溶菌循环。在40000x g下通过30分钟离心对不溶性材料造粒。上清液通过Q-sepharose fast flow柱（Amersham Pharmacia），并收集流过的液流。在上样到预平衡的Ni-NTA柱前，将流过的部分用NaCl补足到300mM。用100柱体积的清洗缓冲液（20mM Tris pH8.0，300mMNaCl，25mM咪唑，2mMβ-巯基乙醇，10%甘油）冲洗柱以去除非特异结合的材料。用5柱床体积的洗脱缓冲液（20mM Tris pH8.0，300mMNaCl，300mM咪唑，2mMβ-巯基乙醇，10%甘油，含30mM正辛基β-D-吡喃葡糖苷）洗脱Ni-NTA琼脂糖结合材料。用阴离子交换色谱；monoQ柱（GE healthcare）进一步纯化AqpZ。稀释混合样品并用Amicon浓缩器浓缩以使盐和咪唑浓度达到约10mM，在上样到MonoQ柱前膜截留10000Da。在阴离子交换色谱期间使用的缓冲液为（A）20mM Tris pH8.0，30m OG，10%甘油和（B）20mM Tris pH8.0，1M NaCl，30m OG，10%甘油。汇集来自离子交换柱的含AqpZ的洗脱峰部分。纯化的AqpZ在-80℃下保持冷冻。

实施例5.菠菜SoPIP2;1和大肠杆菌Aqp-Z水通道蛋白的荧光标记

用badan^TM标记水通道蛋白跨膜蛋白，菠菜SoPIP2;1或大肠杆菌Aqp-Z水通道蛋白。在暗光下进行badan^TM-衍生的蛋白质的合成和处理。为了进行反应，相对于SoPIP2;1摩尔数过量10倍的badan^TM来自badan^TM（溶解于二甲基甲酰胺）的20mM储备液至10mg/ml的蛋白质溶液。使反应在4℃下保持翻滚式旋转进行20小时。在聚丙烯酰胺凝胶Econo-Pac10DG脱盐柱（Bio-Rad）上对反应混合物脱盐，对于SoPIP2;1进入PBS，1%OG，1%甘油，pH7.4以及对于Aqp-Z进入20mM Tris，30mM OG，pH8中。在4℃下储存获得的荧光标记的水通道蛋白直至使用。以1:200的非离子型去污剂-蛋白质摩尔比将badan^TM标记的SoPIP2;1或AqpZ重建到根据实施例1制备的液膜基质中。

实施例6.badan^TM-水通道蛋白的荧光光谱和显微术

使用具有380nm的λ_ex（激发波长）的Varian Cary Eclipse荧光光谱仪进行荧光光谱术并在400至700nm下记录发射。badan^TM标记的水通道蛋白SoPIP2;1和Aqp-Z的荧光发射性质对荧光探针badan^TM的局部环境的极性敏感。如果探针附近局部环境分别变得更疏水或亲水，badan^TM的荧光最大发射量蓝移或红移。SDS的饱和量引起最大发射量的红移。比较badan^TM标记的水通道蛋白的移动的和未移动的荧光强度峰的总极化（GP）值可对发射谱变化定量。GP值通过下式计算：GP=I_b-I_g/I_b+I_g，其中I_b和I_g分别对应在发射谱的蓝色和绿色边缘的强度。使用具有400nm的λ_ex（激发波长）的Varian Cary Eclipse荧光光谱仪（Varian Inc，Palo Alto，CA，USA）进行荧光光谱术并在425至700nm下记录发射。从对应于用于荧光共焦显微镜成像的带通滤波器范围的发射谱计算I_b和I_g。

图8示出了带有根据制造商的方案（Molecular Probe,Inc制造的badan^TM，29851Willow Creek Road，Eugene，OR97402-9132，USA）的荧光6-溴乙酰基-2-二甲基氨基萘标记的并通过并入到本发明的膜基质中重建的水通道蛋白Z的荧光图像。使用装配Roper Cascade致冷控温帧转移CCD单色摄像机的Zeiss Axioplan2直立荧光显微镜（Carl Zeiss，Jena，德国）获取图像。用于图像获取的滤波器设置为390nm激发和435-465nm发射滤光器（蓝色信道）。此单色图像清楚示出了标记的AqpZ蛋白存在于仿生两亲膜的独立单元周围的边界层或壳（shell）。此外，图9和图10的明场显微图像显示出具有并入水通道蛋白的基质的独特蜂窝状结构。相反，图11显示出未使用任何蛋白质制备的膏相的明场显微图像。在此可清楚地观察到物质由分离的小囊泡构成。其它有用的萘探针列于下表中。

表3.荧光环境敏感性巯基-反应性萘-衍生物

实施例6.本发明的液膜基质作为用于免疫检测和用于传染性疾病的药物开发的生物传感器的用途。

具核梭杆菌的主要外膜蛋白，FomA，为三聚蛋白，其表现的可透性类似于其它肠道细菌扩散通道蛋白。每个FomA单体描述扩散蛋白典型的β-桶状基序，其由16条反向平行的β链组成。FomA通道蛋白功能是作为依赖于电压的通道蛋白。可根据以上实施例1制备具有并入FomA通道的功能性脂膜的液膜基质。

FomA传感器检测将构成液膜基质检测并将用作用于检测传感的膜片钳装置。例如这样的膜片钳装置为开发作为port-a-patch膜片钳装置（Nanion Technologies GmbH，慕尼黑，德国）的自动膜片钳装置。FomA通道蛋白是潜在的药物靶标，其在革兰氏阴性细菌感染疾病的药物开发或免疫分析中是有用的。我们的初步研究表明FomA可被环糊精阻滞。对于FomA这以前从未被描述过。FomA的环糊精阻滞特性可用于创建基于FomA的随机传感分析。某些药物如抗抑郁药可结合到环糊精（Li-Qun Guet al2000），进而其可被蛋白质（在此情况下的FomA）结合。

实施例7.本发明的液膜基质在用于血液透析系统中的用途。

肾是包括脊椎动物并且也包括一些无脊椎动物在内的许多动物中的具有重要功能的器官。它们的功能是从血液中去除废弃产物，并且其代表血液的天然过滤器。在产尿中，肾排出如尿素和铵的废弃物；肾也负责水、葡萄糖和氨基酸的重吸收。

每天180L的水进入肾，并且几乎全部水体积被回收（约0.5L排出）。尿的盐浓度可以高至血液盐浓度的4倍。水再回收和尿中盐升高浓度的原因与肾的结构和水通道蛋白的功能有关。肾充当高级正向渗透系统。在肾中，薄升支、厚升支和远端小管是高度非透水性的，而其它部分是透水性的。这产生了跨肾的盐梯度，这是用于正常肾功能必须的渗透过程的驱动力。

在此情形中，水通道蛋白在近端小管和集尿管中是丰富的。后者负责水的再吸收和与血液中盐浓度相比提高尿中盐浓度。在肾衰竭中肾不能充分起作用，并且可能是由于多种医学问题。血液透析是的用于从患有肾衰竭的患者血液去除废弃物如离子（例如K⁺和PO₄ ^3-）和尿素，以及自由水的医学方法。

在血液透析中，灭菌的矿物离子透析液用于通过半透膜去除所述废弃产物的正向渗透过程中。但是，过量的水同时从血液去除，并且这必须补充。因此，在血液透析中净化水是必须的。此外，透析患者暴露于大量的与透析液混合浓缩以形成透析液的水，其中甚至微量无机污染物或细菌内毒素都可滤入患者血液中。甚至非常低浓度的金属离子，如源于玻璃制品的铝离子，以及低水平的内毒素在这方面都引发问题。由于此原因，在使用前小心地纯化用于血液透析的水。一种纯化步骤包括迫使水通过微孔反渗透膜。在这种方式中滤去小溶质如电解质。剩余电解质的最终去除可通过使水通过具有离子交换树脂的容器进行，其去除任何剩余的阴离子或阳离子并分别用氢氧根和氢分子替代它们，留下超纯水。

甚至这种水纯化程度也可能是不充分的。最近的趋势是使此最终纯化的水（在与浓缩透析液混合后）通过透析膜。通过去除杂质，尤其是源于细菌的在通过最初水纯化系统后可在水中积累的杂质，这提供了另一层保护。

在血液透析方法的改进中本发明的液膜基质至少有两种有用的作用：

1.如本文描述的超纯水的制备可替代非常复杂的用于血液透析的水纯化系统。

2.在以上描述的正向渗透过程后，大量的源于患者血浆的水同时被去除，这可以使用本文描述的任意方法中的水通道液膜提取。为此目的，模拟自然肾功能将产生跨本发明的液膜的梯度和对流，然后其构成用于正向渗透过程的必须的驱动力。这将确保患者自身血浆水的再利用并消除存在于外部水中的污染物的风险，但是外部水可以被纯化。

虽然为了清楚和理解的目的已经以一些细节描述了前述的发明，通过阅读此公开内容本领域技术人员可做出各种形式和细节变化是显然的。例如，以上描述的所有技术和装置可以各种组合使用。以与单独地指明各个单独的出版物、专利、专利申请，和/或其它文件为了所有目的通过参考并入相同的程度，在此申请中引用的所有出版物、专利、专利申请，和/或其它文件为了所有目的通过参考以其全部并入本文。

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Claims (26)

1.一种液膜基质，由具有以下各项的单元结构组成：内部水相、外部油相和在包含跨膜蛋白通道已并入其中的非离子型去污剂的单元之间的边界层。

2.根据权利要求1所述的液膜基质，其中所述油相包含选自由以下各项组成的组中的组分：甾醇，鲨烯，鲨烷，α-生育酚，藿烷类，包括酯化多萜醇的异戊二烯，甘油，泛醌，霍霍巴油，轻矿物油，亚麻子油，大豆油，花生油，磷脂稳定化的鲨烯或大豆油、磷脂和甘油的乳液，以及烷烃如癸烷、十一烷、十二烷，和它们的混合物。

3.根据权利要求1或2所述的液膜基质，其中所述去污剂选自非离子型去污剂，如亲水-疏水-亲水（A-B-A）型泊洛沙姆。

4.根据前述权利要求中任一项所述的液膜基质，其中所述泊洛沙姆选自具有60-85范围内的A和25-35范围内的B，优选A的平均值为约76且B的平均值为约30的(PEO)_A-(PPO)_B-(PEO)_A共聚物。

5.根据前述权利要求中任一项所述的液膜基质，进一步包含两亲脂质组分。

6.根据权利要求5所述的液膜，其中所述脂质组分选自DOPC、DPhPC、DOPS或天然脂质提取物，如大肠杆菌总脂质提取物或大豆混合磷脂或它们的组合物或混合物。

7.根据前述权利要求中任一项所述的液膜基质，其中所述蛋白通道是水通道蛋白或水甘油通道蛋白水通道。

8.根据前述权利要求中任一项所述的液膜基质，其中存在于蛋白质中的所述蛋白通道与两亲去污剂的摩尔比在约1:50至约1:400的范围内。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的液膜基质，其中所述跨膜蛋白选自由以下各项组成的组中：β-桶状孔，如α-溶血素和OmpG、FomA和VDAC；视紫质，如细菌视紫红质或跨膜肽孔，如丙甲菌素、缬氨霉素和包括其衍生物的短杆菌肽A；以及合成跨膜肽；离子通道或离子选择性离子载体。

10.根据前述权利要求中任一项所述的液膜基质，具有可达1000μm的近似最大直径的单元，并且多数单元优选处于约20至约50μm的范围内。

11.一种从含水液体中提取水的方法，包括以下步骤：

a）将一定量的根据权利要求7、8或10所述的液膜基质置入过滤室，所述过滤室可控地与具有小于或等于所述液膜基质的渗透压的第一含水液体（进料液）接触，并且所述过滤室进一步可控地与具有高于所述基质的渗透压的第二含水液体（提取液）接触，以在所述第一和所述第二液体之间产生渗透压势，

b）只要存在渗透压梯度，则使得所述基质从所述第一液体吸收纯水并介导纯水流入所述第二液体中，

c）可选地，将所述经提取的纯水与所述第二液体分离。

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述第一含水液体选自由任意类型的以下各项组成的组中：天然水源如海水、河水、湖水、半咸水、雨水、对所述水通道蛋白水通道无毒害的废水，包括葡萄酒、水果汁和蔬菜汁、牛奶、全血、血浆、尿液、唾液、汗液、组织匀浆等的生物液体。

13.根据权利要求11或12所述的方法，其中所述方法用于海水脱盐，其中盐水是所述进料或第一含水液体，并且含CO₂/NH₃的水溶液是所述提取液或第二含水液体。

14.一种用于从含水液体介质提取纯水的装置，其包括一个或多个根据权利要求1-10中任一项所述的液膜基质。

15.根据权利要求14所述的装置，其中所述装置是双模块中空纤维支持的液膜接触器模块或液-液单元膜接触器。

16.一种制备适用于利用正向渗透从液体介质提取水的液膜基质的方法，所述方法包括结合非离子去污剂的含水溶液与缓冲的含水水通道蛋白配制品和油，然后翻转式混合并使所获得的乳液分离并提取所产生的扩大的组成所述液膜基质的油/水间相。

17.一种制备根据权利要求1-10所述的液膜基质的方法，包括以下步骤：

a）在玻璃瓶或玻璃分液漏斗中混合约100mg/mL的非离子去污剂的含水溶液和油组分以获得0.25的油/水v/v，并加入一定量的含水跨膜蛋白溶液，其中所述蛋白可以带有荧光标签，以得到去污剂与蛋白质的摩尔比在1:50至1:400之间，

b）将来自a）的所述结合的混合物放入旋转设备中，在室温下过夜以获得乳液，

c）使来自b）的所述乳液静置足够的时间以分离为独特的液相，其包括膏相或含有所述液膜基质的扩大的油-水界面，

d）用注射器取出用于注射到过滤设备中的乳膏相的基质样品，以及

e）可选地获得形成的所述基质的吸收光谱，其与用以验证所述液膜基质中所述跨膜蛋白正确插入的所述荧光标签一致。

18.根据权利要求16或17所述的方法，其中所述去污剂是选自ABA型泊洛沙姆和其两亲衍生物中的嵌段共聚物。

19.根据权利要求17-18中任一项所述的方法，其中所述跨膜蛋白选自水通道蛋白，如Aqy1、SoPIP2;1和AqpZ；和跨膜蛋白，如FomA。

20.根据权利要求17-19中任一项所述的方法，其中所述标签是萘衍生物，如本文表3中所列的那些或其荧光功能衍生物。

21.根据权利要求20所述的方法，其中所述萘衍生物是6-溴乙酰基-2-二甲基氨基萘。

22.根据权利要求17-21中任一项所述的方法，进一步包括在步骤a）中添加选自以下各项中的两亲脂质：DOPC或DPhPC或DOPS或天然脂质提取物，如大肠杆菌总脂质提取物或大豆混合磷脂或它们的组合物或混合物。

23.由根据权利要求17和19-22中任一项所述的方法制备的液膜基质用于通过正向渗透提取纯水的用途。

24.由根据权利要求17和19-22中任一项所述的方法制备的液膜基质用于从患者由于血液透析损失的血浆再提取纯水的用途。

25.一种具有闭合夹层结构的支持液膜基质，其中基本平的多孔过滤材料在根据权利要求1-10中任一项所述的液膜基质的层的两侧提供支持，由此固定所述层。

26.一种通过将包含水通道蛋白的根据权利要求1-10中任一项所述的液膜基质的层夹入选自超滤膜和微滤膜中的过滤材料之间而产生的复合滤膜或滤片。

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