第七章色谱分离技术凝胶筛分1

1、色层分离技术色层分离：是一组相关技术的总称，也称为色谱 分离或层析分离。惯用法 按固定相的基质（载体）类型分类：层析：载体一般为软基质的凝胶，常用的有纤维 素、琼脂糖、交联葡聚糖、交联琼脂糖、 聚丙烯酰胺凝胶等，只适合在低压下操 作。色谱：载体一般为高强度的经过表面该性的硅胶、 聚甲基丙烯酸或聚苯乙烯材料，适合在高 压下使用。 也有人将层析称为色谱。用途：用在产品的精制阶段，目标是获得合乎使 用要求的产品。色层分离原理l当两相作相对移动时，利用溶质在互不相溶的两相中吸附或分配的差异，引起移动速度的不同而进行分离的方法。分 类l流动相与固定相： 流动相：可为气相、液相、超临界流体等 固定相：固体

2、、液体和以固体为载体的液体薄层l固定相的形状： 纸层析 薄层层析 柱层析l操作压力 低压：0.5 mpa 中压：0.5-4.0 mpa 高压：4.0-40 mpa，用于分析目的l分离操作模式 洗脱展开：最常用 前沿（迎头）分析 顶替展开用于大量制备l分配机理 根据溶质和固定相间的作用机理 凝胶过滤 离子交换 反相色谱 疏水层析 亲和色谱常规的色层分离色层分离过程包含两部分：l固定相：载体或载体+功能基团l流动相（洗脱液）：缓冲液或有机溶剂 对于高压液相色谱和低压层析，操作模式有很大区别。上样洗脱上样冲洗洗脱高压液相色谱分离操作过程层析分离操作过程液相色谱的基本原理和参数l保留时间(tr)和保留

3、体积(vr) 从进样开始到后来出现样品的浓度极大值所需的时间为保留时间，用tr表示。在这段时间内冲洗剂（流动相）流过的体积为保留体积，用vr 表示。ftvrr 色谱流出曲线及参数 容量因子k 和平衡常数k 某物质的k定义为在分配平衡时该物质在两相中绝对量之比。而平衡常数k为平衡时，物质在两相的浓度比： )()(msqqk物质在流动相的量物质在固定相的量)/)/(mmssvqvqk物质在流动相的浓度（物质在固定相的浓度msmsvvkqqk vs和vm分别为柱内固定相和流动相所占的体积。于是有 溶质在固定相停留的时间分数= 1kkqqqmss溶质在流动相停留的时间分数 11kqqqmsm 在柱内溶

4、质只有转移到流动相时才能沿柱的方向向前移动，所以对于一个在柱内有保留的溶质，其谱带移动速度( )总是小于流动相的移动速度( )，而等于流动相的移动速度与该谱带对应的溶质在流动相停留的时间分数之积： 而当柱长一定时，溶质谱带的移动速度和流动相的移动速度与它们通过柱子所花费的时间成反比： bumu)11(kuumbrormbttuu) 1 (0kttrr当柱外死体积可忽略不计时， mrvv0smmmrkvvkvvv00001rrrrrrrtttttttk 选择性( )和相对保留值( ) = =柱效率： 塔板高度（h）和塔板数（n）是衡量色谱柱 效率的两个重要指标。 塔板高度（h）：在某一段柱长范围

5、内溶质在固定相和流 动相之间达到分配平衡，这段柱长就相 当于一个理论塔板的高度(hetp或h)。 12rrtt)1()2(1211kkttrr 理论塔板数的计算公式为： 2)(rtn 式中 为标准偏差。理论塔板高度 为：式中， 柱长。塔板高度小，塔板数高，色谱分离效率高。l影响柱效的因素1）理论塔板高度（ ）随填料粒度减少而减少；2）在一定范围内流速减小有利于提高柱效；3）减少冲洗剂粘度或提高柱温有利于 减小；4）分子量较小的样品分子 较小。 hnlh lhhh凝胶过滤层析（体积排阻色谱）gel filtration chromatography,gfcsize exclusion chrom

6、atograpy，sec 是一种纯粹按照溶质分子在溶液中的体积大小进行分离的层析技术。应用：主要用于蛋白质等生物大分子的分级分离 和除盐。一般用作原料液的初分离，获取 几个不同分子量物质分级，供进一步分离 纯化使用。l分离原理： 含有不同分子大小的样品进入色谱柱（层析柱）后，较大的分子不能通过孔道扩散进入填料颗粒（凝胶珠体）内部，而与流动相一起先流出色谱柱（层析柱）。较小的分子可通过部分孔道、更小的分子可通过任意孔道扩散进入颗粒（珠体）内部。这种颗粒内部扩散的结果，使小分子沿柱流动的速度减慢，使混合样品中不同的分子按分子大小的顺序流出色谱柱（层析柱）从而达到分离的目的。l凝胶过滤介质：良好的凝

7、胶过滤介质应满足如 下要求：（1）亲水性高，表面惰性，即介质与溶质之间不发生任 何化学或物理相互作用； 蛋白质的分级和除盐效果只与溶质的相对分子量、分子形状和凝胶结构（孔径分布）有关，与所用洗脱液的ph值和离子强度等物性无关。（2）稳定性强，在较宽的ph和离子强度范围以及化学试 剂中保持稳定，使用寿命长；（3）具有一定的孔径分布范围；（4）机械强度高，允许较高的操作压力。常用的分离介质l天然及高分子介质 经常使用的是葡聚糖凝胶（sephadex）、琼脂糖（sepharose）、琼脂糖与葡聚糖接枝而成的复合凝胶（superdex）以及聚丙烯酰胺类和聚乙烯醇类合成凝胶（tskgel）。（一）交联葡

8、聚糖凝胶（sephadex）sephadex g交联葡聚糖的商品名为sephndex，不同规格型号的葡聚糖用英文字母g表示，g后面的阿拉伯数为凝胶得水值的10倍。例如，g-25为每克凝胶膨胀时吸水2.5克，同样g-200每克干胶吸水20克。交联葡聚糖凝胶的种类有g-10，g-15，g-25，g-50，g-75，g-100，g-150，和g-200。因此，“g”反映凝胶的交联程度，膨胀程度及分部范围。sephadex lh-20，是sephadex g-25的羧丙基衍生物， 能溶于水及亲脂溶剂，用于分离不溶于水的物质。（二）琼脂糖凝胶：商品名很多，常见的有，sepharose（瑞典，pharma

9、cia ），bio-gel-a（美国bio-rad）等。琼脂糖凝胶是依靠糖链之间的次级链如氢键来维持网状结构，网状结构的疏密依靠琼脂糖的浓度。一般情况下，它的结构是稳定的，可以在许多条件下使用（如水，ph4-9范围内的盐溶液）。琼脂糖凝胶在40以上开始融化，也不能高压消毒，可用化学灭菌活处理。 （三）聚丙烯酰胺凝胶：是一种人工合成凝胶，是以丙烯酰胺为单位， 由甲叉双丙烯酰胺交联成的，经干燥粉碎或加工成形制成粒状，控制交联剂的用量可制成各种型号的凝胶。交联剂越多，孔隙越小。聚丙烯酰胺凝胶的商品为生物胶p （bio-gel p），由美国bio-rod厂生产，型号很多，从p-2至p-300共10种，

10、p 后面的数字再乘1000就相当于该凝胶的排阻限度。（四）聚苯乙烯凝胶 商品为styrogel，具有大网孔结构，可用于分离分子量1600到40,000,000的生物大分子，适用于有机多聚物，分子量测定和脂溶性天然物的分级，凝胶机械强度好，洗脱剂可用甲基亚砜。凝胶过滤的特点是凝胶过滤的特点是： 填料多为带有羟基、但不带电荷的惰性材料，亲水性能好，又不与待分离物质发生作用，因此分离条件温和，蛋白质回收率高，重现性好；工作范围广，分离分子量的覆盖面大，可分离几百到数百万分子量；设备简单、易于操作，周期短。填料再生性好，可连续使用数百次到上千次。功能功能脱盐：分离大小两类不同的分子即无机盐与生物大分子

11、；分级：将分子大小相近的物质分开，通常为大分子间的 分离。缺点缺点： 凝胶强度低，可耐受的压力通常低于0.2个大气压，故流速低，通常的线速度小于20cm/h。因此，处理速度较慢。但superdex的最大耐受压力可达15个大气压，流速也提高近10倍。无机填料： 表面改性后的硅胶，主要是用有机物或聚合物对硅胶颗粒进行处理，增加其亲水性并消除或抑制体积排阻以外的其他效应。优点优点： 可耐受较高的压力，最高压力可达上百个大气压。具有较高的柱效率和分离度。缺点缺点： ph的适用范围窄。以硅胶为基质的填料，ph范围在2.0-7.0，如果超过了这个范围，将会使有机层的溶解速率加快，减少柱子寿命。凝胶特性参数

12、（1）排阻极限（exclusion limit): 凝胶过滤介质的排阻极限是指不能扩散到凝胶网络内部的最小分子的相对分子质量。不同的凝胶过滤介质品牌具有不同的排阻极限。sephadex g50的排阻极限是30kd。（2）分级范围（fractionation range): 即能为凝胶阻滞并且相互之间可以得到分离的溶质的相对分子质量范围。sephadex g-50的分级范围为1.5 30kd.（3）溶胀率： 某些市售的干燥凝胶颗粒（如sephadex g系列），使用前要用水溶液进行溶胀处理，溶胀后每克干凝胶所吸收的水分的百分率称为溶胀率，即 sephadex g50 的溶胀率为500%30%。（

13、4）凝胶粒径： 一般为球形，其粒径大小对分离度有重要影响。粒径越小，分离效率越高。%100干燥重量干燥重量）（溶胀处理平衡后重量溶胀率 软凝胶粒径较大，一般为50 150m，硬凝胶粒径较小，一般为5 50 m。sepharose 和sephadex凝胶粒径分布为45 165 m，而superose 和tsk toyopearl hw系列可小到20 40 m，甚至6 10 m。（5）床体积（bed volume） 即1g干燥凝胶溶胀后所占的体积。sephadex g50的床体积为9 11cm3/g干胶。（6）空隙体积（void volume) 指层析柱中凝胶之间空隙的体积，即v0值。空隙体积可用

14、相对分子质量大于排阻极限的溶质测定。一般使用相对分子质量为2000kd的水溶性兰色葡聚糖。影响分离特性的因素1、填料 分离度和蛋白质的分离范围以及最小分子量之比是选择填料要考虑的首要问题。 目前tsk系列凝胶柱被认为是最好的蛋白质分离柱，其特点是分离度高和吸附性小。2、柱长 体积排阻色谱的分离度与柱长的平方根成正比，因此应根据分离的要求确定柱长，一般柱长60-120厘米对于蛋白质的分离比较理想，而长30厘米的柱子多用于快速分离。3、洗脱液 洗脱液的ph值和离子强度都将影响到分离效果。以硅胶为基质的填料，ph范围在2.0-7.5,如果超出这个范围，将会使键合相的有机层溶解。当离子强度很低时，ts

15、k系列凝胶柱上的硅醇基会与待分离的蛋白发生离子反应，一般通过加入0.3-0.5mol/l的nacl来抑制。蛋白质和柱填料的疏水作用一般通过加入5-10%的乙醇或异丙醇来控制。 3、流速 是影响蛋白质分离的重要因素。一般流速低分离效果好。如流速在小于0.1ml/min时，蛋白质的分离度好；在 0.5-1.0ml/min时，对于7.5mm直径的柱子，分离效率较高。4、样品容量 进样体积和样品浓度将明显影响到蛋白质的分离度，高浓度、小体积对分离有利。合适的蛋白质样品浓度范围一般在0.01-0.5%，样品体积是柱体积的1-3%。凝胶筛分的应用1、分离纯化 gfc可用于相对分子量从几百到百万的物质的分离

16、纯化，是蛋白质、肽、脂质、抗生素、糖类、核酸以及病毒（50-400nm）的分离与分析中频繁使用的液相层析法。2、脱盐 盐析沉淀中得到的高盐浓度的蛋白质溶液用凝胶法脱盐后，可用于其它层析过程。 也可用于缓冲液的置换。3、相对分子量的测定 通过分子量与分配系数的线性关系进行测量，对球形分子较准确。 分配系数与相对分子量间的关系： m=a - blgmr4、用于包含体的复性实验技术（一）层析柱 层析柱是凝胶层析技术中的主体，一般用玻璃管或有机玻璃管。层析柱的直径大小不影响分离度，样品用量大，可加大柱的直径，一般制备用凝胶柱，直径大于2厘米，但在加样时应将样品均匀分布于凝胶柱床面上。此外， 直径加大，

17、洗脱液体体积增大，样品稀释度大。分离度取决于柱高，为分离不同组分，凝胶柱床必须有适宜的高度，分离度与柱高的平方根相关，但由于软凝胶柱过高挤压变形阻塞，一般不超过1米。分族分离时用短柱，一般凝胶柱长20-30厘米，柱高与直径的比较5:1 10:1，凝胶床体积为样品溶液体积的4-10倍。 分级分离时柱高与直径之线为20:1100:1，层析柱滤板下的死体积应尽可能的小，如果支掌滤板下的死体积大，被分离组分之间重新混合的可能性就大，其结果是影响洗脱峰形，出现拖尾出象，降低分辩力。在精确分离时，死体积不能超过总床体积的1/1000。 （二）凝胶的选择 根据所需凝胶体积，估计所需干胶的量。 一般葡聚糖凝胶

18、吸水后的凝胶体积约为其吸水量的2倍，例如sephadex g-20的吸水量为20，1 克sephadex g200吸水后形成的凝胶体积约40ml。凝胶的粒度也可影响层析分离效果。粒度细胞分离效果好，但阻力大，流速慢。一般实验室分离蛋白质采用100-200号筛目的的sephadex g-200效果好， 脱盐用sephadex g-25、g-50，用粗粒，短柱，流速快。 （三）凝胶的制备 商品凝胶是干燥的颗粒使用前需直接在欲使用的洗脱液中膨胀。为了加速膨胀，可用加热法，即在沸水浴中将湿凝胶逐渐升温至近沸，这样可大大加速膨胀，通常在1-2小时内即可完成。特别是在使用软胶时， 自然膨胀需24小时至数天

19、，而用加热法在几小时内就可完成。这种方法不但节约时间，而且还可消毒，除去凝胶中污染的细菌和排除胶内的空气。 （四）样品溶液的处理 样品溶液如有沉淀应过滤或离心除去，如含脂类可高速离心或通过sephadex g-15短柱除去。样品的粘度不可大，含蛋白为超过4，粘度高影响分离效果。上柱样品液的体积根据凝胶床体积的分离要求确定。分离蛋白质样品的体积为凝胶床的1-4（一般约0.5-2ml），进行分族分离时样品液可为凝胶床的10，在蛋白质溶液除盐时，样品可达凝胶床的20-30。 分级分离样品体积要小，使样品层尽可能窄，洗脱出的峰形较好。 （五）防止微生物的污染 交联葡聚糖和琼脂糖都是多糖类物质，防止微生物的生长，在凝胶层析中十分重要，常用的抑菌剂有:叠氨钠（叠氨钠（nanna