凝胶过滤层析2

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1、凝胶过滤层析凝胶色谱技术是六十年代初 发展起来的一种快速而又简 单的分离分技术，由于设备 简单、操作方便，不需要有 机溶剂，对高分子物质有很 高的分离效果。目前已经被 生物化学、分子生物学、生 物工程学、分子免疫学以及 医学等有关领域广泛采用， 不但应用于科学实验研究， 而且已经大规模地用于工业 生产。定义n n凝胶过滤层析是生化分离常用凝胶过滤层析是生化分离常用色谱技术色谱技术的一种。的一种。n n利用具有网状结构的凝胶的利用具有网状结构的凝胶的分子筛分子筛作用作用, ,根据被分离根据被分离 物质的物质的分子大小不同分子大小不同来进行分离，也被称为体积排阻来进行分离，也被称为体积排阻 层析（

2、层析（size exclusion chromatographysize exclusion chromatography）、分子筛）、分子筛 层析（层析（Molecular Sieve ChromatographyMolecular Sieve Chromatography）、凝胶渗）、凝胶渗 透层析（透层析（Gel Permeation ChromatographyGel Permeation Chromatography）应用l l凝胶层析法适用于分离和提纯蛋白质、酶、多凝胶层析法适用于分离和提纯蛋白质、酶、多 肽、激素、多糖、核酸类等物质。肽、激素、多糖、核酸类等物质。l l分子大小彼

3、此相差分子大小彼此相差25%25%的样品，只要通过单一的样品，只要通过单一 凝胶床就可以完全将它们分开。凝胶床就可以完全将它们分开。l l利用凝胶的分子筛特性，可对这些物质的溶液利用凝胶的分子筛特性，可对这些物质的溶液 进行进行脱盐、去热源和脱色脱盐、去热源和脱色。原理n n凝胶是一类多孔性高分子聚合物，每凝胶是一类多孔性高分子聚合物，每 个颗粒犹如一个筛子。个颗粒犹如一个筛子。n n当样品溶液通过凝胶柱时，当样品溶液通过凝胶柱时，相对分子相对分子 质量较大质量较大的物质沿着凝胶颗粒间的孔的物质沿着凝胶颗粒间的孔 隙，随着溶剂流动，首先流出层析柱隙，随着溶剂流动，首先流出层析柱 ；n n相对分

4、子质量较小相对分子质量较小的物质可自由地进的物质可自由地进 出凝胶颗粒的网孔，使流量增长，移出凝胶颗粒的网孔，使流量增长，移 动速率慢而最后流出层析柱。动速率慢而最后流出层析柱。n n中等大小的分子中等大小的分子在大分子物质与小分在大分子物质与小分 子物质之间被洗脱。子物质之间被洗脱。n n这样，经过层析柱，混合物中的各物这样，经过层析柱，混合物中的各物 质按其分子大小不同而被分离。质按其分子大小不同而被分离。带网孔的 葡聚糖珠小分子进入 葡聚糖珠内大分子不 能进入珠 内，经珠 之间缝隙 流出固定相（凝胶）n三维空间网状结构样品样品固 定 相流 动 相小分子 被延滯小分子大分子较快流出分子筛效

5、应分子筛效应：按分子大小不同按分子大小不同, ,在凝胶受到的在凝胶受到的 阻滞作用阻滞作用有差异有差异, ,从而造成各组分在凝从而造成各组分在凝 胶柱中的迁移速度不同得到分离。胶柱中的迁移速度不同得到分离。基本概念n n外水体积外水体积(Vo)(Vo)是指凝胶柱中凝胶颗粒周围空间的体积，也就是凝胶颗粒是指凝胶柱中凝胶颗粒周围空间的体积，也就是凝胶颗粒 间液体流动相的体积。间液体流动相的体积。n n内水体积内水体积(Vi)(Vi)是指凝胶颗粒中孔穴的体积。是指凝胶颗粒中孔穴的体积。n n基质体积基质体积(Vg)(Vg)是指凝胶颗粒实际骨架体积。是指凝胶颗粒实际骨架体积。n n柱床体积柱床体积(V

6、t)(Vt)就是指凝胶柱所能容纳的总体积。就是指凝胶柱所能容纳的总体积。n n洗脱体积洗脱体积(Ve)(Ve)是指将样品中某一组分洗脱下来所需洗脱液的体积是指将样品中某一组分洗脱下来所需洗脱液的体积凝胶层析柱各种体积示意图（阴影部分凝胶层析柱各种体积示意图（阴影部分 ）分配系数（Kd）Ve=Vo+Ve=Vo+KdKdViVi(2)Ve = Vo + Vi，Kd = 1n分子完全不被排阻n完全向凝胶颗粒内部扩散n在两相分配的比值为1,最后流出(1)Ve = Vo，Kd = 0n分子完全被排阻于凝胶颗粒之外n全部分布于流动相里n最先流出(3) 0 Kd 1，Ve = Vo +ViKdn为溶质以某种

7、程度向凝胶颗粒内扩 散n每个溶质分子在流动相和固定相之间有一个特定的分配系数特点：与被分离物质分子的大 小和凝胶颗粒孔隙的大小有关Kd=0 0Kd=0 0Kd1 Kd=1Kd1 Kd=1洗脱体积洗脱体积小分子量大分子量典型的凝胶类型n交联葡聚糖凝胶：Sephadexn丙烯葡聚糖凝胶：Sephacryl n琼脂糖凝胶：Sepharose和Bio-Geln其它：有机凝胶Sepharon，交联聚醚 Toyopeal，纤维素凝胶，改性刚性填料等凝胶过滤层析实验技术1、凝胶的选择2、凝胶的预处理3、装柱4、样品的准备5、上样6、洗脱和收集7、凝胶的再生及保存凝胶过滤层析实验技术1、凝胶的选择n选择适宜的

8、凝胶是取得良好分离效果的最根本的保证。选取 何种凝胶及其型号、粒度，一方面要考虑凝胶的性质，包括 凝胶的分离范围（渗入限与排阻限）、理化稳定性、强度、 非特异吸附性质等。n对生物样品来说，经常遇到的是两种分离形式。一种是只将 分子量极为悬殊的两类物质分开，如蛋白质与盐类，称作类 分离或组分离。另一类则是要将分子量相差不很大的物质加 以分离，如分离血清球蛋白与白蛋白，这叫做分级分离。后 者对实验条件和操作要求都比较高。类分离n目的是分开样品中分子量悬殊的“较大分子组”和“较小分子组”两 类物质，并不要求分离分子量相近的组分n选择凝胶时，应使样品中大分子组的分子量大于其排阻限，而小 分子组的分子量

9、小于渗入限。也就是说大分子的分配系数Kd=0， 小分子的Kd1。这样能取得最好的分离效果。例题：从某蛋白质溶液（MW=5500D）中除去无机盐，应选择下列 哪种凝胶最合适？B. Sephadex G-25（分级范围，1000-5000 D）A. Sephadex G-15（分级范围， 1,500 D）C. Sephadex G-150（分级范围， 5,000-400,000 D）凝胶粒度的影响n凝胶粒度的大小对分离效果有直接的影响。一般来说，细粒凝胶柱 流速低，但洗脱峰窄，分辨率高，多用于精制分离或分析等。粗粒 凝胶柱流速高，但洗脱峰平坦，分辨率低，多用于粗制分离，脱盐 等。n在一般柱层析中，

10、使用干颗粒直径在70m左右较合适。对于在水中 保存的凝胶如琼脂粉凝胶颗粒直径应在150m左右。凝胶颗粒大小 要均匀，这样流速稳定，效果较好同一流速下不同粒度的Sephadex G-25柱的洗脱效果2、凝胶的预处理n溶胀：称取适量凝胶干粉，用约10倍蒸馏水浸泡24 小时以上或将干胶加入水里，边加边搅，然后放到 沸水浴中加热接近100，保持数个小时。根据干凝 胶的填充体积计算所需的干凝胶量n平衡：用起始缓冲液浸泡凝胶，直至凝胶液pH与起 始缓冲液相同（使凝胶溶胀状态稳定）3、装柱n n一般选用细长的层析柱作凝胶过滤。进行类分离（如脱盐）时，柱高一般选用细长的层析柱作凝胶过滤。进行类分离（如脱盐）时

11、，柱高 50cm50cm比较合适；分级分离时，比较合适；分级分离时，100cm100cm较为合适较为合适n n具体步骤为：具体步骤为：l l将层析柱将层析柱垂直固定垂直固定，一般是先在柱内装入约，一般是先在柱内装入约1/31/3高度的水或缓冲液高度的水或缓冲液排走空排走空 气气；l l将平衡好的凝胶搅匀，连续倾入柱中，待其自然沉降至将平衡好的凝胶搅匀，连续倾入柱中，待其自然沉降至1/4-1/31/4-1/3高时打开高时打开 下端出口，让溶剂慢慢流出，继续倒入凝胶至沉降到所需高度。下端出口，让溶剂慢慢流出，继续倒入凝胶至沉降到所需高度。l l用用3-53-5倍柱床体积的倍柱床体积的起始缓冲液起始

12、缓冲液走柱，使凝胶介质充分走柱，使凝胶介质充分平衡平衡，柱床稳定（，柱床稳定（ 若第一步采用起始缓冲液排空气则该步骤略）。若第一步采用起始缓冲液排空气则该步骤略）。层析柱（a）自制简易层祈柱（1玻璃 管；2.橡皮塞；3尼龙网）；（b）普通商品柱；（c）双底板层析柱（1.洗脱液进 出口；2.多孔底板；3柱床；4 恒温水进口；5恒温水出口； 6可调节的塞子） 4、样品的准备p样品的粘度：粘度大产生介质吸附 ，一般要求样品粘度小于0.01Pasp样品的浓度：样品浓度以不大于4 为宜，样品浓度过大往往导致粘 度增大。如果样品浑浊，应先过滤 或离心除去颗粒后上柱p样品的体积：分析用量一般应低于 总柱体积

13、的5%，制备用量一般为 15%或更多（20-30%）。样品黏度对洗脱曲线的影响（1）加葡萄糖2 000，使终浓度为5%，相对粘度 11.8;（2）加葡萄糖2 000，使终浓度为2.5%，相对 粘度4.2; （3）加葡萄糖2 000，使终浓度为1%. 5、上样p打开层析柱下端出口，使缓冲液流出至刚好达到凝胶 胶面p具体步骤为：p沿柱壁缓慢加入样品，打开下端出口，使样品溶液流 出至刚好达到凝胶胶面，再取少量起始缓冲液洗涤柱 壁p加样时应尽量减少凝胶床面的搅动。加样的方法可以 是直接将样品加到层析床表面，或可用微量泵控制6、洗脱和收集n打开起始缓冲液阀门，连续洗脱。n用自动部分收集器自动或手动收集，

14、合并同一高峰各管。p洗脱时应注意的问题：流速不宜过快且要稳定洗脱液的成分也不应改变（凝胶溶胀程度）整个洗脱过程中始终保持一定的操作压可以用水或缓冲液作洗脱液流速对洗脱曲线的影响 流速较低，分辨率较高常常 用用 恒恒 流流 泵泵 控控 制制7、凝胶的再生及保存p再生p 用过的凝胶经0.5M的NaOH和HCl溶液分别处理后可以恢复其性能，或参照凝胶产品说明书p凝胶的保存方法p 0.02%叠氮钠或0.002%双氯苯双胍己烷应用：测定相对分子质量p标准曲线法 对于特定的测定系统，先以3个以上（越多越好）的已知分子量的标准蛋白（目前已有配套标准蛋白系列产品出售）过柱，测取各自的Ve值。以Ve作纵坐标，L

15、ogM作横坐标制做标准曲线。在同一测定系统中测出未知物质的Ve值便可由标准曲线求得分子量。分子量 在10 000150 000之间的球形蛋白用此法测出的分子量误差在10左右Velog M标准曲线凝胶过滤层析的特点p优点：p操作条件温和，样品回收率可接近100，并且重复性高。p作为脱盐手段，与透析法相比速度快、精度高；与超滤法相比，蛋白 活性收率高；p分离机理简单，操作参数少，容易规模放大p缺点：p分辨率不高，对于分子量相差不多的物质难以达到很好的分离p料液处理量小，并且样品粘度不宜太高p分离操作较慢，由于凝胶层析是以物质分子量的不同作为分离依据的 ，分子量的差异仅表现在流速的差异上，流速过快会降低分辨率