膜生物反应器膜污染的表面增强拉曼光谱原位检测方法建立和形成机制研究

膜污染是影响膜生物反应器长期稳定运行和广泛应用的关键因素，对复杂的膜污染的发生、生长和形成微观机制的深入理解有助于理性地发展膜污染控制方法。但是，受现有检测方法的局限，这一过程尚不清楚，亟待发展新的研究方法。利用表面增强拉曼光谱（SERS）可以在更接近真实膜污染体系的条件进行研究，本课题将建立SERS原位检测膜污染的研究方法。通过搭建SERS原位检测和膜污染监控装置，完善和优化适于此复杂体系的各项检测条件，从分子水平上研究几种典型膜污染组分在膜污染形成过程中的时间分布特征，以及膜材料、跨膜压、膜面流速等因素对这一过程的影响。从膜污染控制的角度出发，研究优势污染物与其它污染组分、不同膜污染物（包括可逆和不可逆污染物）与滤膜之间的相互作用机制以及pH值、膜材料等因素的影响，为揭示膜污染形成机制提供有益数据和重要参考，并为发展新的膜污染控制方法提供思路。

膜污染是制约膜技术发展和应用的瓶颈。膜污染不仅会引起通量下降，膜清洗和更换也大大提高运行成本。目前膜污染过程和机制仍不完全清楚。发展新的研究方法有望对实现对膜污染过程、机制和控制的深入了解。本课题建立了表面增强拉曼光谱（Surface-enhanced Raman Spectroscopy，SERS）检测膜污染的研究方法。通过搭建SERS检测和膜污染监控装置，完善和优化适于此复杂体系的各项检测条件，包括纳米粒子组装方法、聚集状态、用量、采谱条件和统计分析，实现均匀的、稳定的膜污染物SERS信号的高灵敏检测。在此基础上，我们利用SERS研究了典型膜污染组分蛋白的膜污染形成过程。SERS技术的高灵敏性使其对膜污染发生提供了早期预警， SERS信号强度与过滤时间的关系曲线可以帮助判读出膜孔堵塞的发生，银染结合拉曼成像使得膜堵区域可以通过光学显微镜观察，而无需借助电子显微镜或原子力显微镜。从膜污染控制的角度出发，SERS研究了不同膜污染物包括三种蛋白和多糖的膜污染能力，并初步分析了可能的相互作用机制。与基于荧光的技术相比，SERS谱峰窄，以及使用相同激发光和功率就可同时获得多种物质SERS谱图的优势，使其可以通过一种简便的方式实现不同物质膜污染能力的快速鉴别。.项目基本按计划执行，主要的研究成果已经发表在Anal chem (IF 5.856)