智能水凝膠在分離方面的應(yīng)用

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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

2、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(dú)一無二的特性。

3、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。137.3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D

4、NA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

5、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

6、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)。13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

7、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100μm，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

8、段共聚物，在水溶液中具有獨(dú)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