生物化学实验层析技术和原理

层析技术

一、层析技术是利用混合物中各组分理化性质的差别（分子

亲和力、吸附力、分子的形状和大小、分配系数等），

使各组分以不同程度分布在两个相，其中一个是固定

相，另一个是流动相，从而使各组分以不同速度移动而

使其分离的方法。

二、常用的层析技术有亲和层析、吸附层析、凝胶过滤层析、

离子交换层析、分配层析五种。

层析方法分类表

三、柱层析的设备与操作：柱层析是指将固定相装填于柱中

进行层析的方法。优点被分离物质可多可少，既可

用于定性定量分析也可用于物质的制备。

1、柱层析的设备

柱层析的基本设备有层析柱，恒流装臵(恒流泵，它可以产生均一的流速，并且流速是可调的)和接收装臵。

( l ）层析柱层析柱一般为玻璃管制成，其下端为细口，出口处带有玻璃烧结板或尼龙网。柱的直径和长度之比是1：10~40层析柱的内壁直径大于1cm ，以防产生“管壁效应”，即由于流动分子在柱中心移动慢，沿管壁移动快，而使区带成为凸形的现象。当层析的目的是要把小分子物质分离开，则层析柱体积应是样品体积的4 一10 倍。高度与直径比是5 : 1 一15:1 。当层析的目的是要分离大分子物质时，则层析柱的体积应为样品体积的25 —100 倍，高度直径比为一100 : 1 。）

( 2 ）恒流装臵在层析过程中，必须保证流动相流过固定相。因此试剂的加人必须有恒流装臵加以控制。最简单的恒流装臵是恒压瓶（Mariotte 瓶）。这实际上是一下口瓶，其塞上插人一根玻璃管。它通过密封的层析柱和环境之间大气压的平衡来控制洗脱液的流速。当洗脱液流出瓶子后，在剩下的溶液顶部就产生部分

真空，管A 内溶液的水平面就下降，当下降到管的末端，空气就进人容器，出现气泡。管A 最下端压力等于大气压。静水压是从 B 点算起，与瓶中溶液深度无关。这个压力恒定的，因此洗脱液的流出速度是恒定的。恒压瓶装臵简单，但洗脱液流出速度不好整制。另一种恒流装臵是恒流泵，它可以产生均一的流速，并且流速是可调的。

( 3）接受装臵洗脱液的接收可以手工用试管一管一管地接。不过最好使用部分收集器，这种仪器带有上百支试管，可准确定时换管、自动化程度很高。

( 4 ）其他较高级的装臵可配臵检测器并连接记录仪。

四、柱层析的操作（以DE-52离子交换层析剂分离SOD为例）

（1）装柱将洗净的层析柱垂直固定，柱内先装入洗脱液，让溶液迅速从柱中流出，以赶走气泡，可用手轻弹柱底部的接管。接着在洗脱液流不断情况下夹住出口，在瓷芯上一块中400目的圆形尼龙网。开始加入搅拌均匀的纤维素浆液，打开出口，调节流速为0 . 3ml/min 让纤维素随溶液下流缓慢均匀地沉降。此间不断补充纤维素浆液，待纤维素浆液加入完毕，在基质表面加入一层滤纸，大小要合适。关闭出口，让纤维素下沉5 -10分钟。接下来打开出口，使柱中多余的洗脱液流出柱床（切勿低于柱床面）。这一步要适当提高出水口接管（待柱床形成后逐渐增加静水

压）。接着接入洗脱液平衡柱子。

好柱的标准是装填均匀、松紧一致、没有气泡和裂缝、基质表面平整。

( 2）上样经过平衡的层析柱，当平衡液面到与固定相表面一致位臵时，关闭柱下端出口，用滴管或移液管环绕柱壁轻轻地把被分离样品的溶液加到固定相表面。加样时要避免冲动基质，加入样品液的体积一般应小于床体积的1 / 2 。打开柱下端出口，待样品液面流到固定相表面时，将出口关闭。用滴管加入洗脱液高出柱面2cm，打开出口，柱上端与装有洗脱液的恒压瓶或恒流泵连接，开始洗脱。调节流速1.5ml/min，按每管1.5ml连续收集。( 3 ）洗脱和收集将样品上样并等交换平衡以后，则可进行洗脱。离子交换层析需用梯度洗脱，即随着洗脱的进行，洗脱液的离子强度或pH值在逐渐变化着。其原理是，随着离子强度的增强，洗脱液中的离子对电荷基团上的电荷的竞争力也随之增强，原来与电蔺基团结合的物质离子，则被按结合力由弱到强的顺序洗脱下来。而pH梯度的变化，则引起物质解离状态的变化，从而使它与电荷基团结合力减弱而被洗脱下来。

梯度洗脱时，梯度的形成需要使用梯度混合器。梯度混合器是由两个彼此相通的圆筒容器加上搅拌装臵组成。

洗脱的方法有两种，即改变离子强度和改变PH 值。改变离子

强度时，洗脱液为稀缓冲液中溶入简单盐（如KCI 或NaCI ) ，洗脱时其离子梯度是增加的。这时A 容器中为低浓度盐溶液，B 容器中为高浓度盐溶液。改变pH值的梯度溶液是两个不同PH 值而组分相同的溶液。若是pH值从低到高递增（使用阳离子交换剂时），则低pH溶液在A 容器中，高pH值溶液在B 容器中。若是pH值由高到低（使用阴离子交换剂）则正好相反。也可用无梯度的洗脱液进行洗脱。要控制适当的洗脱速率，太快和太慢都会降低分辨率。

分部收集洗脱开始时，柱下端出口要与部分收集器接通。按每管1.5ml连续收集。在洗脱过程中要将收集的每管溶液进行浓度或活性测定，根据结果绘出洗脱曲线。洗脱曲线以管号或洗脱体积为横坐标，每管的浓度或活性为纵坐标。

为了获得满意的分离效果，洗脱液流速不仅要恒定，而且其大小要控制恰当。如果太快，洗脱物在两相中平衡过程不完全；如果太慢，洗脱物会扩散。

(5）基质的再生用过的基质，经适当方法处理后，又恢复其性能的过程称为再生。

五、层析的常用术语

1、固定相固定相是由层析基质组成的，它包括固体物质（如吸附剂、离子交换剂）和液体物质（如固定在纤维素或硅胶上的溶液）。这些物质能与有关化合物进行可逆的吸附、溶解和交换作用。

2、流动相指在层析过程中推动被分离物质向一定方向移动的液

体或气体。在柱层析时，流动相又称为洗脱剂，即推动有效成分或杂质向一定方向移动的溶液。在薄层层析时，流动相又称为展开剂。

3 、操作容量：操作容量指在一定条件下，某种成分与基质反应达到平衡时，存在于基质上的饱和容量。操作容量一般以每克或每毫升基质结合某种成分的毫摩尔数或毫克数。其数值越大，表明基质对某种成分的亲和力越强。

4 、床体积床体积指基质在层析柱中所占有的体积（Vt ）。Vt 是基质的外水体积和内水体积（vi ）以及自身体积（vg）的总和，即Vt = vo + Vi ＋Vg

5 、外水体积（Vo ）指基质颗粒间空间的体积。

6 、内水体积（vi ）指基质颗粒内部空间的体积。

7、基质体积（Vg）指基质自身所具有的体积。Vo 、Vi 、Vg 都随着床体积和基质性质变化而变化。

8、洗脱体积（Ve ）指某一成分从柱顶部洗脱开始到在底部洗脱液中出现浓度最大值时所用的洗脱液的体积。

9、膨胀度（Wβ）在一定溶液中，单位重量的基质充分溶胀后所占有的体积，即每克干物质所具有的床体积。

10、凝胶用量的计算。据凝胶的膨胀度和层析柱半径(r)、所需高度（h），按下式可计算干凝胶用量

六、离子交换层析原理、类型及离子交换剂的制备

用离子交换树脂作支持物，分离离子状态化合物的一种方法。基本原理是静电引力。这种层析法以离子交换剂为固定相，以具有一定pH值和离子强度的电解质溶液为流动相。已广泛应用于许多生化物质（如氨基酸、核昔酸、多肤、蛋白质、糖类等）的分析、制备、纯化等。

（一）基本原理离子交换剂是由载体、电荷基团、平衡离子（反离子）构成的。载体都是化学惰性、不溶性的物质。电荷