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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件使其显得更加有用。本文叙述了水凝胶在化学和生物物
2、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。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
3、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。7.3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DNA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
4、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
5、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
6、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。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
7、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100m，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PPO嵌段的疏水作用增加，这将导致胶束的形成。就单一分子链来说，PEO-PPO-PEO三嵌段共聚物的分子量相对较低。因此，即使在高浓度时，这种溶液也具有相对较低的粘度。二然而，在适当的温度和浓度条件下，也可以形成具有
8、超分子结构的凝胶媒介。通过利用特殊的凝胶-溶胶性能，Wu及其合作者研究发现，PEO-PPO-PEO三嵌段共聚物在毛细管电泳中可以做为分离媒介。在4时，利用microsy-ringe（微量泵）可以将嵌段聚合物溶液装入毛细管中，然后升高温度到室温，聚合物溶液就成为凝胶。经过毛细管电泳处理，凝胶状嵌段共聚物分离媒介在4的低温时转变为溶液，这样可以便于从毛细管中除去。7.3.2基于脱水工艺的分离7.3.2.1生物浆液的脱水在生物浆液的处理过程中，水凝胶的大量吸水性可以用于脱水工艺。应为大多数生物浆液包含大量的水分，在进一步处理之前必须进行有效的脱水处理，如：运送，发酵，焚化等。目前，浆液脱水主要通过过
9、滤来进行。由于有限的过滤面积、滤饼和缓慢的滤过率，使得过滤工艺效率低下。利用PVME(聚甲基乙烯基醚)作为脱水媒介的脱水工艺克服了普通脱水方法的缺点。PVME凝胶是一种具有温度敏感性溶胀性能的非离子型凝胶。球状PVME凝胶的温度-平衡体积关系如图7.3所示。在298、301、313K时的相应的凝胶照片也包含在图7.3中。温度在310K以上，凝胶的体积不变，在310K以下，随着温度的降低，凝胶的体积增加。在这种情况下，凝胶的溶胀-收缩转变温度为310K，温度从298升高到321K时，PVME凝胶的体积变化如图7.4所示。球状凝胶在298K（如图7.4A所示）时溶胀，在321K时（如图7.4B所示
10、）收缩，温度降到298K时如图7.4C所示再次溶胀。在图7.4中，C点的凝胶平衡体积等于A点的初始值。由温度引起的凝胶体积变化是完全可逆的，并且，溶胀和收缩的速率也相对较快。PVME凝胶的多空和非离子结构，适用于要求快速溶胀和收缩而且不受离子影响的媒介。经过核算，应用球状PVME凝胶对过于活性的浆液进行脱水应该计算成本效益。应用PNIAAm凝胶对细粒煤泥浆脱水得到了相似的结果。在2个月内经过20次循环，凝胶可以有效的除去浆液中的70%的固体而没有恶化迹象。超强吸水剂在脱水工艺中也是非常有用的。研究表明，在半连续的分离方法中，利用一种超强吸水的亲水性高分子-水解接枝聚丙烯腈，在10分钟内，可以将
11、起始含水量为30%乳液的含水量降低到3%。对于需要高能量的常规蒸馏而言，用于乳液脱水的凝胶将会成为一种代替的方法。然而，在表面活性机存在的条件下，快速移动的微小液滴趋于凝聚的速度快于被凝胶吸收的速度。因此，在乳液中的吸水速度要慢于没有表面活性剂存在的条件下。7.3.2温度敏感性水凝胶的浓度温度敏感性水凝胶可以在高浓度分子的溶液中溶胀，水凝胶吸水溶胀，同时，在吸水的过程中，分子尺寸小于水凝胶孔径的也被吸收到水凝胶中。分子尺寸大于水凝胶孔径的被排除在外。达到溶胀平衡以后，从溶液中取出水凝胶，放到另一种溶液中。通过温度的微小变化，可以使完全溶胀的水凝胶消溶胀。消溶胀过程可以释放先前吸收到水凝胶中的小
12、分子。由于水凝胶体积的突然减小，消溶胀过程也被称为collapse。经过消溶胀以后的水凝胶可以再次利用。随着水凝胶的吸水，容器中水溶液的体积减少，这样会导致大分子在溶液中的富集。通过改变环境温度使溶胀的水凝胶消溶胀，从而可以除去水凝胶中吸收的小分子。与常规分离方法相比，在处理过程中改变温度，可以使生物分离更容易实现。对于含有易于离子化基团（如：羧基或氨基）的水凝胶，PH值也可以用来控制溶胀性能。Cussler及其合作者，将尺寸选择萃取技术应用到大豆蛋白分离过程。这个过程应用了温度敏感型PNIAAm凝胶粒子。首先，在5时，将收缩的PNIAAm凝胶粒子置于脱脂蛋白溶液中。大约40%的水分在溶胀过程
13、中被凝胶粒子吸收，通过离心处理，将溶胀的水凝胶粒子除去，剩余物稀释到起始体积。应用其他的收缩水凝胶粒子重复脱水过程。最后，剩余物不再稀释，而是通过喷雾干燥来浓缩。这种分离过程可以从100kg脱脂大豆片中得到45kg含有白蛋白的分离蛋白。此外，这种方法可以获得较多的很好的天然蛋白质，而且可以除去不需要的成分，如：大量存在时有毒的phytins（菲汀）。由以上例子可知，在温和的条件下，在不对生物分子（如蛋白质）产生有害影响的条件下，尺寸选择性分离可以浓缩溶液。除蛋白质外，酶，小溶质，聚合物乳胶粒子，甚至病毒都可以通过尺寸选择性处理方法进行分离。在其他环境条件方面，如离子强度，PH值，压力，或者处理
14、过程中的媒介剪切条件，温度敏感性水凝胶不需要其发生任何较大的变化。由于大多数温度敏感性水凝胶的低临界溶液温度在50以下，因此，处理过程需要较低的能量。7.3.2.3有机混合溶剂的化学选择性分离在许多工业操作工程中，去除有机溶液中含有的少量水是一个非常重要的环节。然而，要完全除去共沸混合物中的水是十分复杂困难的。像用共沸蒸馏或是萃取蒸馏这些传统的分离方法，都要求其有很高的回流率和大量的分级。现在我们可以用一种以具有化学选择性的聚合物凝胶为基础的分离方法来取代原有那些耗能大、成本高的分离方法。有人已经提出用玉米渣（粗玉米粉）这类通过多糖吸收剂的吸水作用应用于工业上乙醇气体的脱除。多糖类吸收剂可通过
15、100-110的压缩空气再生。一种磺酸基类的阳离子交换树脂被应用于液相中有机-水分离的吸收剂。在30下，运用分段平衡化实验来测定吸收平衡。在初始阶段，由于了水与树脂的离子耦合作用阻断了树脂的水合作用，水趋向于溶解f反离子和固定官能团，就像盐在溶剂里溶解一样。由于树脂的化学交联，聚合物不溶解，其在溶解力和渗透力及聚合物网络自身弹力的共同作用下达到平衡态。该种树脂对水有高度的选择性和相当大的吸着能力。这种选择性和吸着能力主要是依靠树脂的离子形式以及有机溶剂的性质。7.3.3水凝胶膜的分离作用相对于其他方法，膜技术的发展是分离过程变得更简单、高效。有人曾提出将酶固定到一种温度敏感性复合膜上，使其可以
16、在反应过程中实现从底物中直接分离出产品。这种温度敏感性复合膜是以无纺的聚酯为载体，在其上面附有PNIAAm基的水凝胶铸塑而成。通过与丙烯腈-丁二酰胺共聚物中的高活性酯基反应形成共价键，我们可以将-淀粉酶国定到膜上。制成的这种复合膜是温度敏感性的，它可以水解可溶性淀粉，并可以通过逐步改变温度的方法将其从水解产物中分离出来。提高产品分离率的机理主要依靠膜微孔的张/合。当温度低于PNIAAm的最低临界溶解温度时，由于温度敏感性水凝胶层的溶胀作用，聚合物膜上产生越来越多的可溶解产品的溶剂。另一方面，当温度高于PNIAAm的最低临界溶解温度时，水凝胶层将大量脱落，并会堵塞膜微孔，导致产物熔剂的减少。我们做了这样一个实验，让被固化了的酶水解后的淀粉通过两层渗透槽，渗透槽中间有一复合膜。过程中，让水解的可溶性淀粉在供体部位，并在接收器一边收集水解产物。从反应的角度来看，反应容器应在高温环境下进行操作，以提高反应率。但另一方面，我们又要限制温度低于最低临界溶解温度，以使产
