智能水凝胶在分离方面的应用

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1、智能水凝胶在分离方面的应用7.1简介在获得纯组分方面，分离作用是化学和生物处理过程中的重要组成部分。水凝胶已经广泛应用于生物分子的分离和其他一些方面。近来智能水凝胶的发展，使其在分离中显得更为有用。环境条件的微小改变会使水凝胶发生剧烈的变化，如PH值、温度、溶剂、盐的种类等条件的改变。在适当的条件下，在相对简单的处理过程中，智能水凝胶的这种特性已经应用于多种分子的分离。其中，温度敏感型水凝胶在分离方面应用的最广泛。智能水凝胶能以多种尺寸、形状和各种物理状态存在。对于在分离过程中容易发生变性或降解的蛋白质等多种分子，水凝胶用于分离时的相对温和的条

2、件使其显得更加有用。本文叙述了水凝胶在化学和生物物质分离方面的多种应用。7.2水凝胶的描述水凝胶具有亲水聚合物的网络结构，可以吸收大量水分。这种三维空间网络结构由交联的聚合物链组成。这种交联可以通过共价键、氢键、范德华力、物理缠结或者疏水作用产生。在水溶液中的溶胀和消溶胀性能是水凝胶的显著特点。由于交联网络的亲水聚合物链溶解在水中而是水凝胶发生溶胀。水凝胶的吸水性能广泛应用于可控药物的输送和分离等多种领域。随着环境条件的改变而发生溶胀和消溶胀的水凝胶被称为智能水凝胶。溶胀或者消溶胀仅仅发生在环境条件改变片刻之间，这是智能水凝胶的独一无二的特性。

3、例如：温度改变几度就足可以使智能水凝胶发生溶胀和消溶胀。水凝胶体积的变化可以达到几百倍。智能水凝胶的这种特性已经应用于生物分离。环境因素对水凝胶溶胀特性的影响如表-7.1所示。最常用的环境因素是温度和PH值，因为这两个变量相对比较容易改变。其他因素如：电场、离子、溶剂、光照和压力等。137.3水凝胶在分离方面的应用7.3.1凝胶电泳分离蛋白质和DNA在分离蛋白质和DNA方面，交联的聚丙烯酰胺和琼脂糖是最常用的分离媒介。用交联的聚丙烯酰胺还是琼脂糖主要根据蛋白质或者DNA的尺寸和实验条件而定。交联的聚丙烯酰胺水凝胶主要应用于小于2000碱基对的D

4、NA片段的高度分辨，而琼脂糖水凝胶可以有效的应用于几千到数十万碱基对的较大的DNA片段的分离。尽管聚丙烯酰胺水凝胶的制备简单，但是在实际应用过程中，丙烯酰胺单体对人神经的毒害作用成为其主要缺点。最近，很多新型水凝胶已经被应用于电泳过程中。其中，由于温度敏感性水凝胶具有常规水凝胶所没有的大量优点，因此这种水凝胶用的最广。温度的微小变化，就可以引起温度敏感性水凝胶发生溶胶-凝胶相变过程。因此，通过简单的降低温度，使这种水凝胶处于溶胶状态，它们就可以很容易的被装入毛细管中。此外，这种凝胶-溶胶转变可以使通过电泳发生分离的蛋白质重新恢复，如图-7.1所

5、示。交联的聚N-异丙基丙烯，像常规的聚丙烯酰胺水凝胶那样，可以用于电泳分离。经过电泳分离之后，带有活性物质的分离带被切除，并被粉碎。最后，这种凝胶分别在37℃和4℃经过收缩、吸水溶胀循环三次。在37℃，也就是在低临界温度以上，通过凝胶体的收缩，马的心脏肌球素和牛的血红蛋白有效地以接近100%的产率被回收出来。这种回收技术除了具有可以防止蛋白质变性的温和反应条件之外，还可以得到相对较高的回收产率。使用刺激敏感性水凝胶的电泳技术也可能适用于其他的蛋白质和DNA片段。据报道，在毛细管、板电泳技术中，热致可逆水凝胶可以用于双链DNA片段（<2000碱基

6、对）的分离。低临界溶液温度聚合物的相转变行为可以用于改变粘度。Sassi等人研究过两种配方，凝胶微球悬浮液和非交联聚合物溶液。在他们的研究中，应用毛细管电泳技术，单碱基对和高达150碱基对的DNA片段被成功分离。这种技术的问题是将聚合物媒介装入毛细管中有些困难。如果在悬浮液或溶液中，在没有体相分离或聚合发生的情况下存在可逆的粘度转变，这种粘度的响应就可以有效地用于毛细管电泳技术。13在温度敏感性微球体悬浮液中的粘度转变原理如图7.2所示。在固体粒子悬浮液中，向溶液中简单的加入粒子就可以增加粘度（如图7.2a所示）。在温度敏感性PNIAAm(异丙

7、基丙烯酰氨)粒子悬浮液中，通过溶胀一定数量的微球体可以使粘度增加（如图7.2b所示）。此外，在电泳过程中，温度响应可以使筛选性能得到有效控制。温度敏感性聚合物，如：聚N,N-dimethy-lacrylamide和聚N,N-diethylacrylamide可以用于这种方法。通常，随着聚合物浓度的增加，解决方法也可以得到相应的改善。尽管如此，聚合物浓度越大，粘度越大，而毛细管的内经通常不超过100μm，这样会使聚合物溶液的装入非常困难。然而，温度敏感性聚合物不存在这种特殊问题，因为溶液的粘度可以通过升高温度来降低。PEO-PPO-PEO三嵌

8、段共聚物，在水溶液中具有独特的溶胶-凝胶性能，在低温和低浓度下，聚合物以单一链状态存在，因为低温下，PEO、PPO这两种嵌段都是水溶性的。温度的升高使