生物分离工程考查试卷

2011年生物分离工程考查试卷

1.茨维特色谱技术的缘起以及为何该技术被埋没了一段时间？

茨维特色谱技术的缘起：

茨维特是20世纪最杰出的科学家之一，他一生中最大的贡献就是发明了分析化学和有机化学中极其重要的实验方法—色谱分析法。他创立的色谱技术，是现代科学和技术领域中最重要、最有效的分离提纯手段之一。

在华沙的14年中，茨维特对叶绿素进行了广泛深入的研究，并由此创立了20世纪最重要的分离方法—色谱法。

1.色谱法的萌芽

1896年，茨维特向日内瓦大学提交的博士论文“细胞的生理学研究”，研究对象就是叶绿体。色谱法的创立，与茨维特在俄国科学院为完成硕士论文进行的研究密切相关。

他在研究中观察到，石油醚极易溶解离析态的叶绿素和相关色素，但不能直接从植物叶中提取出色素，,而乙醇(甚至在其它溶剂中加入少量乙醇)则很容易直接提取出植物叶中的色素。。他认为 ,这种现象并不是由于叶绿素“不溶于”石油醚而“溶”于乙醇 ,也不是由于叶绿素在乙醇提取过程中发生了化学变化而溶解 , “很可能是由于植物组织的分子力的干扰 ,即是说是由于吸附。石油醚对色素的溶解力小于植物组织的吸附力 ,而这种吸附力能被某些其它溶剂如乙醇所克服因此 ,即使在石油醚中加入少量无水乙醇也能将所有的色素提取出来”。茨维特随后又进行了一系列的模拟实验，并提出“有可能建立一种以吸附为基础的分离物质的新方法”。

2. 色谱法的初创

茨维特利用14个月的时间，详细研究了利用吸附分离植物色素的可能性。1903年3月21日 ,在华沙自然科学家协会生物学家分会举行的会议上 ,茨维特作了题为“一种新型吸附现象及其在生物化学分析中的应用”的演讲报告，报告内容包括色素溶液的制备、粉末状物质对叶色素的吸附研究，最后提出了以“过滤”和“吸附沉淀”为基础的分离方法。这次会议上，茨维特对柱色谱

的基本原理进行了清楚的描述。

3. 色谱法的发展

1906年，茨维特向《德国植物学报》连续投寄了两篇论文“叶绿素的物理化学研究”和“吸附分析与色谱法”详细描述了他创立的新方法以及在叶绿素化学上的应用。“色谱”一词最早出现在这两篇著名论文中。他指出，色谱法是在吸附剂柱上进行的，用溶剂提取色素的分离方法。

他写道“存在确定的吸附顺序，各种物质都按这个顺序互相取代。下面最重要的应用，就是根据这一规律。将叶绿素的石油醚抽提液，通过装有吸附剂的珠子进行过滤，这些色素就会按照吸附顺序，从上至下沉积在不同的色带上而彼此分离。这是因为强吸附色素要去到弱吸附的色素。如再用纯溶剂冲洗柱子，各色各层进一步展开。”然后用木棒小心地将吸附剂从管子中推出，放在平板上，用刀把各色环层切开，再分别将它们溶解在核实的溶剂中。这样得到纯度很高的各种色素。

在论文中，茨维特详细说明了从绿色植物中分离色素的方法，包括使用不同溶剂以及用UV吸收光谱鉴定分离的化合物。

4. 色谱法的完善

1910年，茨维特的博士论文“植物界和动物界的色素”，以专著形式出版。这部著作对动植物色素，尤其是叶绿素的眼界工作进行了总结，并专门论述了吸附和色谱法。

他详细论述了分离混合组分的机理，认为是被吸附物质在溶剂流的作用下的迁移过程。他还提出了在本世纪30年代后广为使用的淋洗技术。他还描述了一套大的色谱装置。柱直径30mm，认为这是一个近似的上限，若太大，会导致溶液非均匀流出；柱长80mm，太长，溶液流得慢。指出，这种大的色谱柱可用于制备目的。

茨维持色谱技术被埋没了一段时间的原因：

虽然茨维特1903 年的演讲和1910年的著作只以俄文发表，但他的绝大多数论文（包括1906 年的两篇重要论文）都发表在西方著名的科学杂志上。1907年，他在德国植物学会举行的一次会议上，还演示了色谱技术。然而，在20多年的时间里，他的新分离方法并没有受到科学界的重视。

其中一个重要原因是德国著名化学家威尔斯泰特 ( R. Willstatter) 对色谱法的排斥和不信任。威尔斯泰特是植物色素尤其叶绿素化学领域的权威。1915年，因为在“叶绿素化学领域的卓越贡献”而获得诺贝尔奖。他的态度对人们接受和使用色谱法具有举足轻重的作用，而茨维特本人是植物学家而非有机化学家 ,对于当时的欧洲化学界来说，他显然是个局外人。

1913 年，威尔斯泰特在其名著“叶绿素的研究”中，称色谱法是一种“离奇的方法”，并对色谱法持拒绝的态度 ,认为它不适用于制备工作，在吸附过程中试样组分可能发生化学变化。他写道：“色谱法只能在试样很少的情况下使用，似乎不适用于制备目的。在叶绿素组分的分离过程中，尚不知如何避免叶绿素的变异。”

在随后发表的一篇论文中，威尔斯泰特写道：“茨维特认为我们分离的叶绿素是2 至3 种叶黄素的同晶型混合物。这位尊敬的植物学家的假设，同他的许多观察一样，不可能是正确的。很可能，叶黄素在茨维特的色谱分析过程中由于氧化作用的结果，发生了化学变化。因为在吸附的情况下，极易发生氧化作用”。这是由于威尔斯泰特和他的助手在实验中使用了不合适的吸附剂所致。

茨维特也曾观察到，叶绿素在某些吸附剂上可能分解，于是建议使用菊粉或蔗粉作吸附剂。遗憾的是，茨维特的忠告没有引起威尔斯泰特的注意。在酶的研究中，威尔斯泰特的实验室也使用过色谱法。他的观点开始转变，在1928 年出版的专著中，他写道：“尽管茨维特的方法不适合于制备工作，但他通过吸附将叶色素的混合物分离成各组分，虽然只是在分析规模上。”“茨维特用色谱吸附法研究叶绿素及其衍生物，获得了重要成果，但这种方法不适合于更大规模的工作，即制备目的。”他仍然强调色谱法不适用于制备目的，但似乎承认在小规模的分析方面这种技术是重要的。

威尔斯泰特的观点，即过分强调制备工作，也反映出当时的有机化学家的一种普遍态度。正是由于种种原因，导致茨维特的色谱法在文献中埋没了25年之久，才最终得到科学界的广泛接受。

2.举例说明某一种色谱层析分离的应用，并详细阐述分离过程？