智能水凝膠在分離方面的應(yīng)用

1、智能水凝膠在分離方面的應(yīng)用7.1簡介在獲得純組分方面，分離作用是化學(xué)和生物處理過程中的重要組成部分。水凝膠已經(jīng)廣泛應(yīng)用于生物分子的分離和其他一些方面。近來智能水凝膠的發(fā)展，使其在分離中顯得更為有用。環(huán)境條件的微小改變會使水凝膠發(fā)生劇烈的變化，如ph值、溫度、溶劑、鹽的種類等條件的改變。在適當(dāng)?shù)臈l件下，在相對簡單的處理過程中，智能水凝膠的這種特性已經(jīng)應(yīng)用于多種分子的分離。其中，溫度敏感型水凝膠在分離方面應(yīng)用的最廣泛。智能水凝膠能以多種尺寸、形狀和各種物理狀態(tài)存在。對于在分離過程中容易發(fā)生變性或降解的蛋白質(zhì)等多種分子，水凝膠用于分離時的相對溫和的條件使其顯得更加有用。本文敘述了水凝膠在化學(xué)和生物物

2、質(zhì)分離方面的多種應(yīng)用。7.2水凝膠的描述水凝膠具有親水聚合物的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可以吸收大量水分。這種三維空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由交聯(lián)的聚合物鏈組成。這種交聯(lián)可以通過共價鍵、氫鍵、范德華力、物理纏結(jié)或者疏水作用產(chǎn)生。在水溶液中的溶脹和消溶脹性能是水凝膠的顯著特點。由于交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的親水聚合物鏈溶解在水中而是水凝膠發(fā)生溶脹。水凝膠的吸水性能廣泛應(yīng)用于可控藥物的輸送和分離等多種領(lǐng)域。隨著環(huán)境條件的改變而發(fā)生溶脹和消溶脹的水凝膠被稱為智能水凝膠。溶脹或者消溶脹僅僅發(fā)生在環(huán)境條件改變片刻之間，這是智能水凝膠的獨一無二的特性。例如：溫度改變幾度就足可以使智能水凝膠發(fā)生溶脹和消溶脹。水凝膠體積的變化可以達(dá)到幾百倍。智能水凝膠的

3、這種特性已經(jīng)應(yīng)用于生物分離。環(huán)境因素對水凝膠溶脹特性的影響如表-7.1所示。最常用的環(huán)境因素是溫度和ph值，因為這兩個變量相對比較容易改變。其他因素如：電場、離子、溶劑、光照和壓力等。7.3水凝膠在分離方面的應(yīng)用7.3.1 凝膠電泳分離蛋白質(zhì)和dna在分離蛋白質(zhì)和dna方面，交聯(lián)的聚丙烯酰胺和瓊脂糖是最常用的分離媒介。用交聯(lián)的聚丙烯酰胺還是瓊脂糖主要根據(jù)蛋白質(zhì)或者dna的尺寸和實驗條件而定。交聯(lián)的聚丙烯酰胺水凝膠主要應(yīng)用于小于2000堿基對的dna片段的高度分辨，而瓊脂糖水凝膠可以有效的應(yīng)用于幾千到數(shù)十萬堿基對的較大的dna片段的分離。盡管聚丙烯酰胺水凝膠的制備簡單，但是在實際應(yīng)用過程中，丙烯

4、酰胺單體對人神經(jīng)的毒害作用成為其主要缺點。最近，很多新型水凝膠已經(jīng)被應(yīng)用于電泳過程中。其中，由于溫度敏感性水凝膠具有常規(guī)水凝膠所沒有的大量優(yōu)點，因此這種水凝膠用的最廣。溫度的微小變化，就可以引起溫度敏感性水凝膠發(fā)生溶膠-凝膠相變過程。因此，通過簡單的降低溫度，使這種水凝膠處于溶膠狀態(tài)，它們就可以很容易的被裝入毛細(xì)管中。此外，這種凝膠-溶膠轉(zhuǎn)變可以使通過電泳發(fā)生分離的蛋白質(zhì)重新恢復(fù)，如圖-7.1所示。交聯(lián)的聚n -異丙基丙烯，像常規(guī)的聚丙烯酰胺水凝膠那樣，可以用于電泳分離。經(jīng)過電泳分離之后，帶有活性物質(zhì)的分離帶被切除，并被粉碎。最后，這種凝膠分別在37 和4經(jīng)過收縮、吸水溶脹循環(huán)三次。在37，也

5、就是在低臨界溫度以上，通過凝膠體的收縮，馬的心臟肌球素和牛的血紅蛋白有效地以接近100%的產(chǎn)率被回收出來。這種回收技術(shù)除了具有可以防止蛋白質(zhì)變性的溫和反應(yīng)條件之外，還可以得到相對較高的回收產(chǎn)率。使用刺激敏感性水凝膠的電泳技術(shù)也可能適用于其他的蛋白質(zhì)和dna片段。據(jù)報道，在毛細(xì)管、板電泳技術(shù)中，熱致可逆水凝膠可以用于雙鏈dna片段（2000堿基對）的分離。低臨界溶液溫度聚合物的相轉(zhuǎn)變行為可以用于改變粘度。sassi等人研究過兩種配方，凝膠微球懸浮液和非交聯(lián)聚合物溶液。在他們的研究中，應(yīng)用毛細(xì)管電泳技術(shù)，單堿基對和高達(dá)150堿基對的dna片段被成功分離。這種技術(shù)的問題是將聚合物媒介裝入毛細(xì)管中有些

6、困難。如果在懸浮液或溶液中，在沒有體相分離或聚合發(fā)生的情況下存在可逆的粘度轉(zhuǎn)變，這種粘度的響應(yīng)就可以有效地用于毛細(xì)管電泳技術(shù)。在溫度敏感性微球體懸浮液中的粘度轉(zhuǎn)變原理如圖7.2所示。在固體粒子懸浮液中，向溶液中簡單的加入粒子就可以增加粘度（如圖7.2a所示）。在溫度敏感性pniaam(異丙基丙烯酰氨)粒子懸浮液中，通過溶脹一定數(shù)量的微球體可以使粘度增加（如圖7.2b所示）。此外，在電泳過程中，溫度響應(yīng)可以使篩選性能得到有效控制。溫度敏感性聚合物，如：聚n,n-dimethy-lacrylamide和聚n,n-diethylacrylamide可以用于這種方法。通常，隨著聚合物濃度的增加，解決方

7、法也可以得到相應(yīng)的改善。盡管如此，聚合物濃度越大，粘度越大，而毛細(xì)管的內(nèi)經(jīng)通常不超過100m，這樣會使聚合物溶液的裝入非常困難。然而，溫度敏感性聚合物不存在這種特殊問題，因為溶液的粘度可以通過升高溫度來降低。peo-ppo-peo三嵌段共聚物，在水溶液中具有獨特的溶膠-凝膠性能，在低溫和低濃度下，聚合物以單一鏈狀態(tài)存在，因為低溫下，peo、ppo這兩種嵌段都是水溶性的。溫度的升高使ppo嵌段的疏水作用增加，這將導(dǎo)致膠束的形成。就單一分子鏈來說，peo-ppo-peo三嵌段共聚物的分子量相對較低。因此，即使在高濃度時，這種溶液也具有相對較低的粘度。二然而，在適當(dāng)?shù)臏囟群蜐舛葪l件下，也可以形成具有

8、超分子結(jié)構(gòu)的凝膠媒介。通過利用特殊的凝膠-溶膠性能，wu及其合作者研究發(fā)現(xiàn)，peo-ppo-peo三嵌段共聚物在毛細(xì)管電泳中可以做為分離媒介。在4時，利用microsy-ringe（微量泵）可以將嵌段聚合物溶液裝入毛細(xì)管中，然后升高溫度到室溫，聚合物溶液就成為凝膠。經(jīng)過毛細(xì)管電泳處理，凝膠狀嵌段共聚物分離媒介在4的低溫時轉(zhuǎn)變?yōu)槿芤?，這樣可以便于從毛細(xì)管中除去。7.3.2基于脫水工藝的分離7.3.2.1生物漿液的脫水在生物漿液的處理過程中，水凝膠的大量吸水性可以用于脫水工藝。應(yīng)為大多數(shù)生物漿液包含大量的水分，在進(jìn)一步處理之前必須進(jìn)行有效的脫水處理，如：運送，發(fā)酵，焚化等。目前，漿液脫水主要通過過

9、濾來進(jìn)行。由于有限的過濾面積、濾餅和緩慢的濾過率，使得過濾工藝效率低下。利用pvme(聚甲基乙烯基醚)作為脫水媒介的脫水工藝克服了普通脫水方法的缺點。pvme凝膠是一種具有溫度敏感性溶脹性能的非離子型凝膠。球狀pvme凝膠的溫度-平衡體積關(guān)系如圖7.3所示。在298、301、313k時的相應(yīng)的凝膠照片也包含在圖7.3中。溫度在310k以上，凝膠的體積不變，在310k以下，隨著溫度的降低，凝膠的體積增加。在這種情況下，凝膠的溶脹-收縮轉(zhuǎn)變溫度為310k，溫度從298升高到321k時，pvme凝膠的體積變化如圖7.4所示。球狀凝膠在298k（如圖7.4a所示）時溶脹，在321k時（如圖7.4b所示

10、）收縮，溫度降到298k時如圖7.4c所示再次溶脹。在圖7.4中，c點的凝膠平衡體積等于a點的初始值。由溫度引起的凝膠體積變化是完全可逆的，并且，溶脹和收縮的速率也相對較快。pvme凝膠的多空和非離子結(jié)構(gòu)，適用于要求快速溶脹和收縮而且不受離子影響的媒介。經(jīng)過核算，應(yīng)用球狀pvme凝膠對過于活性的漿液進(jìn)行脫水應(yīng)該計算成本效益。應(yīng)用pniaam凝膠對細(xì)粒煤泥漿脫水得到了相似的結(jié)果。在2個月內(nèi)經(jīng)過20次循環(huán)，凝膠可以有效的除去漿液中的70%的固體而沒有惡化跡象。超強吸水劑在脫水工藝中也是非常有用的。研究表明，在半連續(xù)的分離方法中，利用一種超強吸水的親水性高分子-水解接枝聚丙烯腈，在10分鐘內(nèi)，可以將

11、起始含水量為30%乳液的含水量降低到3%。對于需要高能量的常規(guī)蒸餾而言，用于乳液脫水的凝膠將會成為一種代替的方法。然而，在表面活性機存在的條件下，快速移動的微小液滴趨于凝聚的速度快于被凝膠吸收的速度。因此，在乳液中的吸水速度要慢于沒有表面活性劑存在的條件下。7.3.2溫度敏感性水凝膠的濃度溫度敏感性水凝膠可以在高濃度分子的溶液中溶脹，水凝膠吸水溶脹，同時，在吸水的過程中，分子尺寸小于水凝膠孔徑的也被吸收到水凝膠中。分子尺寸大于水凝膠孔徑的被排除在外。達(dá)到溶脹平衡以后，從溶液中取出水凝膠，放到另一種溶液中。通過溫度的微小變化，可以使完全溶脹的水凝膠消溶脹。消溶脹過程可以釋放先前吸收到水凝膠中的小

12、分子。由于水凝膠體積的突然減小，消溶脹過程也被稱為collapse。經(jīng)過消溶脹以后的水凝膠可以再次利用。隨著水凝膠的吸水，容器中水溶液的體積減少，這樣會導(dǎo)致大分子在溶液中的富集。通過改變環(huán)境溫度使溶脹的水凝膠消溶脹，從而可以除去水凝膠中吸收的小分子。與常規(guī)分離方法相比，在處理過程中改變溫度，可以使生物分離更容易實現(xiàn)。對于含有易于離子化基團(tuán)（如：羧基或氨基）的水凝膠，ph值也可以用來控制溶脹性能。cussler及其合作者，將尺寸選擇萃取技術(shù)應(yīng)用到大豆蛋白分離過程。這個過程應(yīng)用了溫度敏感型pniaam凝膠粒子。首先，在5時，將收縮的pniaam凝膠粒子置于脫脂蛋白溶液中。大約40%的水分在溶脹過程

13、中被凝膠粒子吸收，通過離心處理，將溶脹的水凝膠粒子除去，剩余物稀釋到起始體積。應(yīng)用其他的收縮水凝膠粒子重復(fù)脫水過程。最后，剩余物不再稀釋，而是通過噴霧干燥來濃縮。這種分離過程可以從100kg脫脂大豆片中得到45kg含有白蛋白的分離蛋白。此外，這種方法可以獲得較多的很好的天然蛋白質(zhì)，而且可以除去不需要的成分，如：大量存在時有毒的phytins（菲?。Ｓ梢陨侠涌芍?，在溫和的條件下，在不對生物分子（如蛋白質(zhì)）產(chǎn)生有害影響的條件下，尺寸選擇性分離可以濃縮溶液。除蛋白質(zhì)外，酶，小溶質(zhì)，聚合物乳膠粒子，甚至病毒都可以通過尺寸選擇性處理方法進(jìn)行分離。在其他環(huán)境條件方面，如離子強度，ph值，壓力，或者處理

14、過程中的媒介剪切條件，溫度敏感性水凝膠不需要其發(fā)生任何較大的變化。由于大多數(shù)溫度敏感性水凝膠的低臨界溶液溫度在50以下，因此，處理過程需要較低的能量。7.3.2.3有機混合溶劑的化學(xué)選擇性分離在許多工業(yè)操作工程中，去除有機溶液中含有的少量水是一個非常重要的環(huán)節(jié)。然而，要完全除去共沸混合物中的水是十分復(fù)雜困難的。像用共沸蒸餾或是萃取蒸餾這些傳統(tǒng)的分離方法，都要求其有很高的回流率和大量的分級?，F(xiàn)在我們可以用一種以具有化學(xué)選擇性的聚合物凝膠為基礎(chǔ)的分離方法來取代原有那些耗能大、成本高的分離方法。有人已經(jīng)提出用玉米渣（粗玉米粉）這類通過多糖吸收劑的吸水作用應(yīng)用于工業(yè)上乙醇?xì)怏w的脫除。多糖類吸收劑可通過

15、100-110的壓縮空氣再生。一種磺酸基類的陽離子交換樹脂被應(yīng)用于液相中有機-水分離的吸收劑。在30下，運用分段平衡化實驗來測定吸收平衡。在初始階段，由于了水與樹脂的離子耦合作用阻斷了樹脂的水合作用，水趨向于溶解f反離子和固定官能團(tuán)，就像鹽在溶劑里溶解一樣。由于樹脂的化學(xué)交聯(lián)，聚合物不溶解，其在溶解力和滲透力及聚合物網(wǎng)絡(luò)自身彈力的共同作用下達(dá)到平衡態(tài)。該種樹脂對水有高度的選擇性和相當(dāng)大的吸著能力。這種選擇性和吸著能力主要是依靠樹脂的離子形式以及有機溶劑的性質(zhì)。7.3.3水凝膠膜的分離作用相對于其他方法，膜技術(shù)的發(fā)展是分離過程變得更簡單、高效。有人曾提出將酶固定到一種溫度敏感性復(fù)合膜上，使其可以

16、在反應(yīng)過程中實現(xiàn)從底物中直接分離出產(chǎn)品。這種溫度敏感性復(fù)合膜是以無紡的聚酯為載體，在其上面附有pniaam基的水凝膠鑄塑而成。通過與丙烯腈-丁二酰胺共聚物中的高活性酯基反應(yīng)形成共價鍵，我們可以將-淀粉酶國定到膜上。制成的這種復(fù)合膜是溫度敏感性的，它可以水解可溶性淀粉，并可以通過逐步改變溫度的方法將其從水解產(chǎn)物中分離出來。提高產(chǎn)品分離率的機理主要依靠膜微孔的張/合。當(dāng)溫度低于pniaam的最低臨界溶解溫度時，由于溫度敏感性水凝膠層的溶脹作用，聚合物膜上產(chǎn)生越來越多的可溶解產(chǎn)品的溶劑。另一方面，當(dāng)溫度高于pniaam的最低臨界溶解溫度時，水凝膠層將大量脫落，并會堵塞膜微孔，導(dǎo)致產(chǎn)物熔劑的減少。我們

17、做了這樣一個實驗，讓被固化了的酶水解后的淀粉通過兩層滲透槽，滲透槽中間有一復(fù)合膜。過程中，讓水解的可溶性淀粉在供體部位，并在接收器一邊收集水解產(chǎn)物。從反應(yīng)的角度來看，反應(yīng)容器應(yīng)在高溫環(huán)境下進(jìn)行操作，以提高反應(yīng)率。但另一方面，我們又要限制溫度低于最低臨界溶解溫度，以使產(chǎn)物可以更好的轉(zhuǎn)移到接收器中。另外，溫度敏感性水凝膠膜還可以用于混合物中大小不同的分子的連續(xù)分離。如一種交聯(lián)的異丙基丙烯酰胺和甲基丙烯酸丁酯共聚物（95：5mol%）可用于分子量376的熒光素鈉、小分子右旋葡萄糖及大分子右旋葡萄糖的連續(xù)分離。我們可以通過改變溫度來控制水凝膠篩孔的大小。當(dāng)溫度降低時，膜的篩目增大，使大分子可以擴散通過

18、膜。使用該種分離方法，我們可以重獲高純度的分離化合物。該方法的缺點就是需要時間太長（100-460h）。在這一點上，這種方法與滲析、膜式過濾這類傳統(tǒng)的分離方法相似，另外它們都難于大規(guī)模應(yīng)用。nonaka和他的同事發(fā)現(xiàn)了薄而強度高的pva-g-niaam共聚物可以用作分離膜。他們發(fā)現(xiàn)不論pva-g-niaam的組成還是pva的分子量的變化，該種共聚物的最低臨界溶解溫度幾乎都和pniaam水凝膠的相同。這說明我們可以通過改變溫度來控制pva-g-niaam共聚物溶脹后形成凝膠的孔徑。在30時，亞甲基藍(lán)滲透通過膜的增長速率迅速。但是，在40時其增長速率微乎其微。figure 7.5 changes

19、in concentration of meb on the left side of the membrane with stepwisechanging of the temperature between 30 and 40.圖7.5說明在程序升溫過程中亞甲基藍(lán)的濃度發(fā)生了不連續(xù)的變化，即亞甲基藍(lán)的濃度在40時基本不發(fā)生變化，而在30是變化明顯。7.3.3.全蒸發(fā)全蒸發(fā)被認(rèn)為是一種有效的分離方法，它廣泛應(yīng)用于液體混合物的分離和回收。全蒸發(fā)是在液相與氣相間強加一層膜，物質(zhì)通過選擇性傳質(zhì)作用并穿過膜進(jìn)入到氣相中的過程。該過程之所以被稱為全蒸發(fā)，是因為液體分子的選擇滲透性蒸發(fā)。膜上，滲透作用的

20、驅(qū)動力來源于在下游側(cè)抽真空來降低滲透區(qū)的滲透化合物的活性。整個過程主要包括膜對液體混合物的選擇性吸著、擴散（滲透）通過膜和在下游側(cè)膜上的蒸發(fā)三個階段。該方法可以實現(xiàn)分離，主要是因為膜對不同組分的運輸能力不同。由于全蒸發(fā)過程中有液相到氣相的相轉(zhuǎn)變，所以從本質(zhì)上說全蒸發(fā)過程是一個吸熱（耗能）過程。然而，全蒸發(fā)方法可以帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益，并可以使分離過程高效化，簡單化。這種技術(shù)輕松的集合了蒸餾和萃取過程，它甚至可以取代它們。因此，如果我們能得到具有高選擇性、高可擴散性的膜，我們相信全蒸發(fā)會成為一種膜分離技術(shù)中的基礎(chǔ)方法。最近，很多科研組織已經(jīng)致力于研究使用放射性或等離子-接枝化合物膜、陽離子/陰離子

21、互穿網(wǎng)絡(luò)聚合物、聚電解質(zhì)膜、高濃度乳液制備的復(fù)合膜、二甲基硅氧烷-硅氧烷共聚物膜和有機硅烷接枝的-al2o3等應(yīng)用于水-油體系的全蒸發(fā)。sakohara已經(jīng)研究了酮/水混合物的分離，他使用的是由丙烯酰胺凝膠膜制備成的薄的無機非金屬膜。凝膠膜放出大量的水，其在上游富酮區(qū)（95%）具有相當(dāng)高的分離因數(shù)。這么高的分離因數(shù)主要是因為含有高濃度酮的凝膠的體積變化，這種變化限制阻礙了酮分子的擴散。目前，有水選擇滲透性和酮選擇滲透性兩種水-酮選擇滲透性膜。其中，水選擇滲透性膜應(yīng)用更為廣泛。這主要是因為膜物質(zhì)與水之間的氫鍵的強度可以輕松的用于調(diào)節(jié)水凝膠的聚合。由于水的滲透選擇性，所以膜應(yīng)該是親水性的，它可以充

22、分的從萃取進(jìn)料中吸收水。另外，人們已經(jīng)證明還有離子基團(tuán)的膜有更好的選擇滲透性。但是，強的親水性往往會導(dǎo)致在于含水的萃取進(jìn)料相互作用時膜力學(xué)性能的下降，甚至是不溶。為了獲得高強度的膜，我們在基體上交聯(lián)或接枝聚合物分子，這樣我們得到具有高力學(xué)性能或力學(xué)性能可控的復(fù)合膜材料。nakabayashi和他的同事發(fā)明了一種可以簡便分離co2的運送膜，這種膜可以達(dá)到非常高的選擇性。這種簡單的運送過程發(fā)生在含有可逆絡(luò)合劑的膜上，這種膜被稱作載體(如圖7.6a)。載體與上游側(cè)不溶的co2相互作用形成一種co2-載體絡(luò)合物。然后，這種絡(luò)合物滲透通過膜，并在膜的下游側(cè)釋放出co2。工程如此，但是由于不穩(wěn)定性和低的滲

23、透率使這種簡便的co2運送方法沒有應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。為了獲得一個穩(wěn)定性高、可滲透性強的簡便靈活體系，他們使用一種乙烯醇/乙烯基丙烯酸共聚物膜作為液體膜的載體。水溶張的凝膠膜的穩(wěn)定性被提高到30天以上。另外，通過添加一種冠醚類似物使其滲透性和選擇性都大大的提高了。figure 7.6 facilitated transport membrane for carbon dioxide separation using a hydrogelmembrane.7.3.4吸附、脫附分離7.3.4.1表面活性劑的分離在廢水中，可以用聚合物絮凝劑較容易的回收離子型表面活性劑。但是，這很難用于脫除其中的非離子表

24、面活性劑。我們可以通過溫度微小變化來控制吸附/脫附現(xiàn)象，進(jìn)而將此現(xiàn)象應(yīng)用于那些用溫度敏感性聚合物來分離有機物質(zhì)的分離方法。有人曾設(shè)想據(jù)此發(fā)明一種新的分離技術(shù)，這種技術(shù)使用多孔性pvme凝膠來分離有機物質(zhì)，特別是用來回收水溶劑中的非離子表面活性劑。pvme是一種廣為人知的溫度敏感性材料，在38時它將發(fā)生相轉(zhuǎn)變。在室溫下，pvme就可以充分的溶脹，在高于其最低臨街溶解溫度時，隨著溫度的不斷升高pvme將逐漸癟下去。這是由于溫度的提升引起了凝膠疏水性能的增加。因此，隨著溫度的升高，pvme凝膠被去水合化而變成疏水劑，這種變化也使pvme與有機物質(zhì)（非離子表面活性劑）之間的疏水作用隨著溫度的升高而增強

25、。聚氧化乙烯基壬基苯是一種常用的非離子表面活性劑。在較低的溫度下，它僅被pvme微量吸收，但在高溫下可以被pvme大量吸收。而且，通過降低溫度我們可使被吸附的表面活性劑從凝膠中釋放到溶劑中。聚氧化乙烯基壬基苯非離子表面活性劑可以從這類表面活性劑中被選擇性分離，主要是因為其氧化乙烯基數(shù)目的不同。這表明，該分離過程伴隨著以有機物質(zhì)疏水性為機制的吸附/脫附過程。7.3.4.2溫度敏感性色譜柱法kanazawa曾提出一種以色譜法為基礎(chǔ)的選擇性分離方法。這種方法利用了一種含有恒定含水流動相的溫度-感應(yīng)性（n-isopropylacrylamide-co-butyl methacrylate）這種半遙爪聚

26、合物是一種溫度-感應(yīng)性共聚物。通過活性酯氨的耦合反應(yīng)將其接枝到硅表面上。有人已經(jīng)研究使用聚合物-改性硅作為填充材料用于甾族化合物和蛋白質(zhì)的分離。隨著聚合物-改性硅的疏水性的增加，其對甾族化合物的容量因子和保留時間都增大了。如圖7.7所示，五個甾族化合物和苯的保留時間都很大程度上依靠溫度。疏水型甾族化合物如甾酮的保留時間的變化遠(yuǎn)明顯于用pniaam-改性硅填充的色譜柱中的其親水型對應(yīng)物及苯的保留時間的變化。胰島素a、胰島素b及-內(nèi)啡肽的保留時間均不到15min，即使在25下也不超過30min。由于色譜柱的疏水性是由溫度的升高而造成的，因此控制溫度是這種色譜柱技術(shù)的主要控制因素。我們只需要在5-3

27、5小范圍控制溫度變化，且沒有必要改變含水流動相。溫度-感應(yīng)性色譜柱技術(shù)可以用于分離沒有使用有機溶劑的溶質(zhì)。該方法可以在預(yù)處理的液相色譜柱中用于對蛋白質(zhì)及保持生物活性的肽鍵化合物進(jìn)的分離。figure 7.7 retention times of the five steroids on the temperature-responsive column, benzene, hydrocortisone, prednisolone, dexamethasone, hydrocortisone7.3.5含水兩相體系在分離上的應(yīng)用當(dāng)兩種互不相容的聚合物，或是一種聚合物和一種無機鹽以適當(dāng)?shù)臐舛仍谒谢?/p>

28、合時可以形成含水兩相體系。這種體系給我們提供了一種高效的、條件溫和的分離方法。該分離方法適用于多種生物分子的分離(如蛋白質(zhì)、氨基酸）,甚至可以用于多孔微粒的分離（如細(xì)胞、細(xì)胞器）。同時，該方法易于操作，而且可以大規(guī)模使用。與以往那些主要依靠在不同相中溶解能力的差異，而在大量相和界面相中實現(xiàn)分離的可溶性微粒不同，該體系中的微粒正常位置或靜止位置都是界面層。這是因為微粒可以降低界面張力。如圖7.8所示，在大多數(shù)情況下，在頂層和界面層上的細(xì)胞會出現(xiàn)分離。細(xì)胞的這種分離現(xiàn)象主要是依靠它們的表面性質(zhì)。最常用的細(xì)胞分離體系是peg/右旋葡萄糖和peg/鹽體系。其相中都含有大量的水，且表面張力都很低。但由于

29、這類聚合物回收困難使體系成本較高，限制了這種體系在生物技術(shù)上的廣泛應(yīng)用。figure 7.8 schematic presentation of partitioning of cells. peg and d indicate peg-rich phaseand dextran-rich phase, respectively. known quantities of cells are added to thephases, mixed and centrifuged to settle. at the end of settling an aliquot is with-drawn fr

30、om the top phase, and the cell quantity is determined.作為改進(jìn)，我們現(xiàn)在使用一種含有peg基的羥丙基淀粉衍生物作為替代。多種不同種類的羥甲基淀粉體系（具有不同的程度的取代）已經(jīng)被成功制備-reppal pes.由于 reppal pes成本適宜，其已經(jīng)在商業(yè)上廣泛應(yīng)用。而且，與peg/鹽體系相比，它的操作條件更溫和。但是，它有較強的離子鍵，這可能會導(dǎo)致生物活性物質(zhì)的變性。雖然有諸多優(yōu)點，但新體系仍然在聚合物回收方面和從萃取后的無聚合物溶液中獲取目標(biāo)蛋白質(zhì)方面有限制，這是因為一個重量分?jǐn)?shù)為10%的peg溶液在水中的濁點將近是120，若溫度降低

31、，則相分離過程不能實現(xiàn)。綜上可知，該體系可以應(yīng)用于高溫下生物分子的變性或重組后的選擇應(yīng)用。現(xiàn)在，以peo-ppo共聚物為基礎(chǔ)，已經(jīng)有越來越多的商用體系被發(fā)明(ucon 50-hb-5100, union carbide)。ucon 50-hb-5100是一種非離子無規(guī)共聚物，它含有50%的環(huán)氧乙烷（eo）和50%的環(huán)氧丙烷（po），重均分子量為4000。由于它又較低的濁點（低于60），因此可以在較低溫度下使用。這給我們提供了跟可以接受的溫和的操作環(huán)境。在ucon/reppal pes 體系中，其頂層中富含ppo-peo共聚物。我們將ppo-peo共聚物層分離到一個單獨的容器中，然后隨著溫度的逐

32、漸升高和逐漸添加低濃度鹽會形成另外一個分離相。在這歩中，頂層水相中已經(jīng)不含聚合物，目標(biāo)物質(zhì)在水相中，而聚合物可以重新回收利用。但該種體系的廣泛應(yīng)用還需要在多相間的分配效應(yīng)、降低濁點的鹽效應(yīng)及大規(guī)模應(yīng)用方面做更多的探索。曾報道過利用ucon/右旋葡萄糖體系，用于蛻皮激素的分配和再生及牛血清蛋白與溶菌酶分配過程中的離子效應(yīng)。和溫度降低相分離法一樣，含水兩相的分相也是一種快捷、簡便、成本低的技術(shù)。它可以從原材料、萃取和提純蛻皮激素。figure 7.9 schematic representation of extraction and purification of ecdysteroids fr

33、omspinach leaves using aqueous two-phase partitioning and temperature-inducedphase separation.7.4實現(xiàn)高分離效率因素的控制7.4.1聚合條件合成的pniaam水凝膠是很難達(dá)到的。主要原因是pniaam分子鏈的低臨界共溶溫度接近通常的聚合溫度。在聚合反應(yīng)中局部或整體溫度的提高可能引起階段性性分離和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的形成。因此，在蛋白質(zhì)分離時，聚合技術(shù)對pniaam水凝膠的性質(zhì)影響非常大。pniaam水凝膠膠體在零下18度形成時是同類的，而在稍高些溫度顯示多種多樣的結(jié)構(gòu)。可以觀察到在18攝氏度或稍低些膠體是透明

34、的，在稍高溫度形成的膠體是不透明的。因此從膠體的折射率指數(shù)的三維空間不均一性可以看出光散射是膠體渾濁的直接結(jié)果，同時也表明在高溫下水分子從pniaam網(wǎng)絡(luò)中脫除。pniaam水凝膠的不同制備期導(dǎo)致了不同的溶脹比率。膠體在高于30度制備顯示出松散的結(jié)構(gòu)且增大了其溶脹比。不同的分離效率在濃縮青霉素時也可以觀察到作為膠體制備溫度。用本體聚合得到的水凝膠比溶液聚合得到水凝膠具有更高的水吸收能力和溶脹比率，盡管膠體在同樣實驗條件下制備的。通過r射線照射制備的pvme膠體是另外一個例子，在分離效率方面不同聚合方法的影響。它們也顯出高度多孔性和迅速的溶脹比率，因此他們被用在生物泥漿的除水過程。這種結(jié)果歸于大

35、孔結(jié)構(gòu)，而這種結(jié)構(gòu)是由于在照射過程中聚合物溶液發(fā)生相分離引起的。7.4.2膠體的成分 聚丙烯酰胺水凝膠的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)很大程度受n,n亞甲基二丙烯酰胺和丙烯酰胺二者的濃度比。增加n,n亞甲基二丙烯酰胺可以減少網(wǎng)絡(luò)的有效孔尺寸。膠體吸收酒精的量會隨著n,n亞甲基二丙烯酰胺在單體中加入量的增加而增加。被認(rèn)為是網(wǎng)絡(luò)的多樣化而不是孔尺寸起作用在酒精滲透到膠體中。另一方面，n,n亞甲基二丙烯酰胺在單體中達(dá)到百分之二時，在濃度為0.08時制得的膠體持有酒精的能力小于濃度為0.04時。因此，網(wǎng)絡(luò)的有效孔尺寸和膠體的同質(zhì)性被認(rèn)為是酒精和水混合物分離的關(guān)鍵因素。在bis交聯(lián)聚丙烯酰胺水凝膠時，網(wǎng)絡(luò)的缺點會隨著交聯(lián)劑的

36、量增加而越明顯。交聯(lián)效率會隨著交聯(lián)劑濃度的增加而逐漸下降，并且聚合物的體積分?jǐn)?shù)在達(dá)到溶脹平衡時會達(dá)到一定高度在交聯(lián)劑濃度為7%時。bis的規(guī)整分布和分子內(nèi)環(huán)化被提出。如果發(fā)現(xiàn)了一個激進(jìn)分子，通過環(huán)化作用，一個具有很低可能性的未知的乙烯基基團(tuán)，分子內(nèi)環(huán)化的形成對于無效率網(wǎng)絡(luò)的形成貢獻(xiàn)非常小。隨著交聯(lián)劑濃度在單體中增加到7%時，形成永久的分子內(nèi)環(huán)化的可能性變得很重要。交聯(lián)反應(yīng)效率的提高主要是由于在網(wǎng)絡(luò)形成時的低環(huán)化。膠體的同質(zhì)性是決定其物理性質(zhì)的最重要因素。同質(zhì)，透明的膠體甚至在高單體濃度通過低反應(yīng)速率可以得到。低的反應(yīng)溫度是實現(xiàn)這一目的的最有效方法，因此反應(yīng)熱可以局部地加速膠體的形成。反應(yīng)熱的擴

37、散和反應(yīng)速率對溫度的依賴可能決定空間的復(fù)雜性。7.4.3水凝膠的孔尺寸分離過程的選擇性可以通過改變膠體網(wǎng)絡(luò)的尺寸來控制，分離程度受溶劑的形態(tài)和尺寸的影響。膠體分離分子的機理還不清楚。最顯著的因素是溶劑尺寸。膠體可明顯的從小分子物質(zhì)中分離大分子物質(zhì)。排除尺寸影響可以通過想象使膠體作為一個擴大的孔更合理。小分子可以很容易穿過網(wǎng)孔，但是大分子不能。聚合物網(wǎng)絡(luò)的孔尺寸，與溶脹的體積和定義為交聯(lián)度的交聯(lián)點之間分子鏈均方末端距的平方根有關(guān)。是一個重要的因素，等于溶脹體積的立方根，是交聯(lián)點間分子鏈均方末端距的平方根。是特征比或重要因素對于聚合物。是交聯(lián)點間聚合物分子鏈的分子量，是重復(fù)單元的有效分子量，它取決

38、于共聚物組分中兩個單體分子量的平均值。l代表碳碳鍵長0.154nm，數(shù)值表示所有乙烯基聚合物。交聯(lián)度或交聯(lián)密度定義如下：v是聚合物的具體體積。另外，理論的交聯(lián)密度，可以通過交聯(lián)點間聚合物鏈理論分子量計算出，可以通過假設(shè)乙烯基在交聯(lián)過程中大量反應(yīng)沒有雜質(zhì)的交聯(lián)。理論上的交聯(lián)率，被定義為交聯(lián)劑的摩爾數(shù)與單體摩爾數(shù)的比值?？梢酝ㄟ^對聚合物水凝膠的溶脹研究中測出，相當(dāng)與得到了孔的尺寸。在水凝膠的制備過程理論交聯(lián)度的微小變化會導(dǎo)致得到不同孔尺寸的水凝膠。隨著理論交聯(lián)率的增加，孔的尺寸和網(wǎng)絡(luò)的溶脹比都會減小。在溶脹和塌陷狀態(tài)間水凝膠的孔尺寸變化很大通過改變環(huán)境條件如溫度和ph值。對于陽離子聚合以丙烯酰胺為基礎(chǔ)且交聯(lián)程度不同的聚合物，孔尺寸的分布是可以被測量的。測量方法基于混合溶質(zhì)排除方法，這種方法用右旋糖苷或聚乙二醇為探針。孔尺寸分布會移到較低尺寸隨著交聯(lián)劑與單體比率的增加。對于新型膠體的設(shè)計，預(yù)測尺寸排除曲線是很可取的，尤其體積分?jǐn)?shù)這一功能。這些 預(yù)測能為有特殊應(yīng)用的膠體的合成提供指導(dǎo)，這些應(yīng)用中孔排除是很重要的。然而，預(yù)測名義上交聯(lián)率對尺寸排除曲線的影響仍然有待于進(jìn)一步研究