双水相萃取技术及应用
《双水相萃取技术》课件
03
双水相萃取技术的实验操作
实验准备
01
02
03
实验材料
准备双水相萃取所需的试 剂和材料，如蛋白质溶液 、双水相体系、离心管等 。
实验设备
确保实验所需的设备齐全 ，如离心机、天平、量筒 等。
安全措施
确保实验环境安全，穿戴 适当的实验服和护目镜， 避免试剂溅出。
实验步骤
加入蛋白质溶液
将待分离的蛋白质溶液加入离 心管中。
应用范围广泛
该技术在生物、医药、环保等领域有 广泛应用，可用于蛋白质、酶、细胞 等的分离和纯化。
操作简便高效
双水相萃取技术操作简单，分离速度 快，可实现大规模生产。
环境友好
该技术使用无毒或低毒性的物质，对 环境友好，符合绿色化学的发展趋势 。
技术展望
深入研究机理
进一步深入研究双水相萃取技术的机理，提高分 离效率和选择性。
蛋白质回收率测定
测定蛋白质的回收率，评估双水相萃取技术的效 果。
3
数据分析
对实验数据进行统计分析，了解双水相萃取技术 的分离效果和影响因素。
04
双水相萃取技术的优缺点
技术优势
高分离效率
双水相萃取技术能够实现高效率的分离过程，对于一些难以分离 的物质，如蛋白质、酶等，能够实现快速、准确的分离。
低成本
收集上清液
将上清液收集到适当的容器中 ，以便后续分析。
配制双水相体系
按照所需的浓度配制双水相体 系，确保比例准确。
离心分离
将离心管放入离心机中，设定 适当的转速和时间进行离心分 离。
清洗沉淀
清洗离心管中的沉淀，确保蛋 白质的纯度和回收率。
实验结果分析
1 2
双水相萃取的原理及应用 (2)
双水相萃取的原理及应用1. 引言双水相萃取是一种常用的分离和提取技术，它利用两种不相溶的溶剂，即水相和有机相，在液-液界面上进行分相和萃取。
该技术具有高效、简便、环保等特点，被广泛应用于化学、生物、环境等领域。
本文将介绍双水相萃取的原理和一些常见的应用。
2. 双水相萃取的原理双水相萃取的原理基于不同溶剂之间的亲疏水性差异，以及化合物在两种溶剂中的分配系数。
在水相和有机相的界面上，亲水性较强的化合物会向水相转移，而亲水性较弱的化合物则会向有机相转移。
这样，在两相之间可实现化合物的分离和富集。
3. 双水相萃取的步骤双水相萃取通常包括以下几个步骤：•第一步：选择合适的水相和有机相溶剂。
一般情况下，水相为水，有机相为有机溶剂如乙醚、丙酮等；•第二步：将待提取物溶解在适量的水相溶液中，并加入适量的有机相溶液；•第三步：进行充分摇匀和混合，使两相形成均匀混合体；•第四步：静置一段时间，使两相分离，从而形成上下两层液相；•第五步：将两相分离，分别收集上下相中的物质。
4. 双水相萃取的应用4.1. 生物化学•蛋白质分离纯化：双水相萃取可用于蛋白质的富集和纯化，对于分子量较大的蛋白质特别有效；•酶的富集：通过双水相萃取，可以有效地从复杂的酶混合物中富集目标酶，提高其活性和纯度；•生物活性物质的提取：双水相萃取可用于提取天然产物中的生物活性物质，如草药提取液中的有效成分。
4.2. 环境科学•水样前处理：对于含有大量有机物的水样，双水相萃取能够有效地去除有机物，净化水质；•环境污染物的富集：通过双水相萃取，可以将水中微量的有机污染物富集到有机相中，方便进一步分析和检测。
4.3. 化学合成•有机合成中的分离提取：在化学合成过程中，双水相萃取可用于分离和富集目标化合物，提高产率和纯度。
5. 结论双水相萃取是一种高效、简便、环保的分离和提取技术，适用于多个领域。
它的原理基于不同溶剂之间的亲疏水性差异，通过分配系数的差异实现化合物的分离和富集。
萃取技术—双水相萃取技术(药物分离纯化课件)
内侧流 外侧 分配 萃取物
体 流体 系数
细胞色素 C 磷酸盐 PEG 0.18 肌红蛋白 磷酸盐 PEG 0.009 过氧化氢酶 磷酸盐 PEG 0.12 尿激酶 磷酸盐 PEG 0.65
内侧流 速,cm/s
16.3 4.0 16.3 16.3
外侧流 传质系 速,cm/s 数,cm/s
6.6 5.5?0 -6 5.0 7.5?0 -7 5.0 2.8?0 -5 5.0 2.0?0 -4
双水相萃取的应用--双水相萃取技术（萃取技术）
1.双水相萃取的应用
双水相分离条件 （1） 目的分子与细胞应分配在不同的相 （2） 分配系数应足够大 （3） 离心机容易分离
双水相萃取的应用
分离物质
举例
体系
NaDS-硫酸葡聚糖
酶 核酸 生长素 病毒 干扰素
细胞组织
过氧化氢酶的分离 分离有活性核酸DNA 人生长激素的纯化 脊髓病毒和线病毒纯化 分离β－干扰素
双水相萃取的应用--双水相萃取技术（萃取技术）
2.双水相萃取分离技术的发展方向 （1）廉价双水相体系的开发
优点： (1)蛋白质溶解度大。蛋白质在PPT浓度到15％以前没有沉淀，但在PEG浓度大于
5％时，溶解度显著地减小，在盐溶液中的溶解度更小。 (2)粘度小。PPT的粘度是粗dextran的1/2,传质好。 ⑶价格便宜。PPT几十$/kg,粗dex几百$/kg
系线
TMB：系线连接双节线上两点的 直线。
在临界点处，分配系数为1
临界点
药物分离与纯化技术课程
3．双水相相图
系线反映的信息:
(1)系线长度：衡量两相间相对差别的尺度。越长则两相间性质差 别越大，反之则越小；趋向于零时，（双节线上的点，临界点）， 两相差别消失，成为均一相。
双水相萃取技术的研究现状与应用
基本内容
3、环保领域：双水相萃取技术在废水处理、重金属离子去除等方面具有潜在 应用价值。例如，通过双水相萃取技术成功实现了对含有重金属离子的废水的处 理，降低了废水中的重金属离子浓度。
基本内容
双水相萃取技术的研究方法双水相萃取技术的研究方法主要包括以下内容： 1、影响因素研究：双水相萃取技术的分离效果受到多种因素的影响，如双水 相体系的组成、目标物在双水相体系中的分配系数、实验温度和pH值等。通过对 这些影响因素的研究，可以优化双水相萃取工艺，提高目标物的分离效果。
基本内容
3、双水相萃取技术的设备研发和工艺优化将成为未来的研究重点，以进一步 降低操作成本，提高实际应用中的效率和稳定性。
基本内容
4、双水相萃取技术与其他新兴技术的结合，如微流控技术、纳滤技术等，将 成为未来的一个重要研究方向，以实现更高效、更便捷的分离和纯化过程。
基本内容
结论双水相萃取技术作为一种有效的分离和纯化技术，在食品、制药、环保 等领域已得到广泛应用。通过对该技术的研究和应用，不仅有利于促进相关领域 的技术进步，提高生产效率和产品质量，还有助于推动相关产业的绿色发展，为 实现可持续发展作出贡献。未来，随着科学技术的不断进步和创新，双水相萃取 技术将在更多领域展现其巨大潜力，为人类社会的进步和发展作出更大贡献。
基本内容
展望未来双水相萃取技术在多个领域显示出广泛的应用前景，但仍存在一定 的挑战和问题需要进一步探讨和研究。未来的发展趋势可能包括：
基本内容
1、双水相萃取技术的理论研究将更加深入，以进一步优化双水相体系的组成 和性质，提高目标物的分离效果。
基本内容
2、双水相萃取技术的应用领域将进一步拓展，特别是在新能源、新材料、生 物医药等领域的应用研究将更加活跃。
双水相萃取技术及应用
《生物资源开发与利用专题》双水相萃取技术及应用152310018 杨云梅双水相萃取（Aqueous two phase extraction，英文缩写ATPE）是利用物质在互不相容的两水相间分配系数的差异来进行萃取的方法。
如：葡聚糖（dextran）与聚乙二醇（PEG)按一定比例与水混合，溶液混浊，静置平衡后,分成互不相溶的两相，上相富含PEG,下相富含葡聚糖。
当两种聚合物或一种聚合物与一种盐溶于同一溶剂时，由于聚合物之间或聚合物与盐之间的不相容性，当聚合物或无机盐浓度达到一定值时，就会分成不互溶的两相。
因使用的溶剂是水，因此称为双水相，在这两相中水分都占很大比例(85％一95％),活性蛋白或细胞在这种环境中不会失活，但可以不同比例分配于两相,这就克服了有机溶剂萃取中蛋白容易失活和强亲水性蛋白难溶于有机溶剂的缺点。
双水相萃取的优点：1、操作条件温和，在常温常压下进行；不会引起生物活性物质的失活或变性。
2、两相的界面张力小，萃取时两相能高度分散,传质速度快。
3、排除了使用有毒、易燃的有机溶剂，能够提供温和的水环境，避免被萃取成分的脱水变性。
4、溶质对目标组分选择性强，大量杂质能与所有固形物一同除去，使分离操作5、过程简化，易于连续操作，处理量大，适合工业应用。
缺点：系统易乳化，成相聚合物的成本较高，水溶性高聚物大多数粘度较大，不易定量控制，高聚物回收困难。
一：双水相萃取技术的发展趋势目前，分离生物物质经常采用的双水相系统主要有2类：非离子型聚合物/ 水系统（最常用的为聚乙二醇/葡聚糖）和非离子型聚合物/无机盐/水系统（常用的如聚乙二醇/盐体系）原因在于此2类双水相系统采用的是无毒性的聚合物，且其多元醇、多元糖结构能够保证生物大分子的稳定性但在实际应用中，2类双水相系统各有弊端，非离子型聚合物/水系统能够保证生物活性物质的活性,且界面吸附少，但所用聚合物材料如葡聚糖成本较大，且体系黏度大，制约大规模的工业生产过程；相对于前者，非离子型聚合物/无机盐/水系统成本低，体系黏度小，但该系统会导致某些敏感生物活性物质失活，此外还会产生大量的高浓度盐废水。
双水相萃取的原理及应用
双水相萃取的原理及应用1. 前言双水相萃取是一种常用的物质分离方法，广泛应用于化学、生物、医药等领域。
本文将介绍双水相萃取的原理及其在不同领域中的应用。
2. 原理双水相萃取是利用两种不相溶的溶剂（通常为水和有机溶剂）之间的相互作用，以实现物质的分离和提取。
其原理基于分子之间的相互作用力，包括疏水性、极性和亲合力等。
2.1 水相与有机相的选择在进行双水相萃取实验时，选择合适的水相和有机相是十分重要的。
常用的水相溶剂有水、盐水等，而有机相溶剂则包括乙酸乙酯、正己烷等。
选择水相和有机相时需要考虑样品的性质、溶解度以及分离的目的。
2.2 萃取剂的选择萃取剂是进行双水相萃取的关键因素之一。
常用的萃取剂包括酸、碱、络合剂等。
通过选择不同的萃取剂，可以实现对不同种类物质的萃取和分离。
2.3 萃取过程双水相萃取的过程包括三个主要步骤：混合、均相化和相分离。
首先，将水相溶液、有机相溶液和适量的萃取剂混合，形成两相体系。
随后，通过剧烈搅拌等方法，使两相充分混合，进一步提高物质的分离效果。
最后，待两相达到平衡后，通过离心等方法使两相分离，获得所需的物质。
3. 应用双水相萃取在许多领域中具有广泛的应用。
以下列举了一些常见的应用领域。
3.1 化学分析双水相萃取可用于化学分析中的样品预处理。
通过选择合适的萃取剂和萃取条件，可以实现对样品中目标物质的浓缩和提取。
在质谱分析、气相色谱等分析方法中，双水相萃取常被用于样品前处理，提高分析的准确度和灵敏度。
3.2 生物制药在生物制药过程中，双水相萃取被广泛应用于蛋白质分离和纯化。
通过调节水相和有机相的条件，可以实现对蛋白质的特异性提取和纯化。
此外，双水相萃取还可以用于细胞培养液中目标物质的富集，提高生物药物产量。
3.3 环境监测双水相萃取可用于环境监测中对水体和土壤中的有害物质进行提取和分析。
通过调节萃取剂的种类和浓度，可以有效地提取出目标物质，实现对环境中的污染物的定性和定量分析。
蛋白分离纯化技术之双水相萃取技术
蛋白分离纯化技术之双水相萃取技术双水相萃取是一项蛋白分离和蛋白纯化技术，是利用物质在两相间的选择分配差异而进行分离提纯的，目前已经被广泛应用与医药化学、细胞生物学、生物化工和食品工业等领域。
双水相萃取技术用于提取蛋白质等生物活性物质时，具有操作简单、体系含水量高，在萃取过程中可以保持物质的构象稳定、蛋白不易失活并获得高的萃取率的特点。
1、双水相萃取技术可分离和纯化蛋白双水相萃取技术可以用于蛋白分离和蛋白纯化，包含在一些蛋白分离公司提供的服务。
早期，如在20世纪60年代，有研究者全面进行了生物大分子在双水相系统中的分配行为的研究，得到了蛋白质、酶、核酸、病毒、抗体抗原复合物以及细胞等的分配数据。
双水相系统具有温和的操作条件，对于在极性条件下易造成变性失活的蛋白质和酶的提取中表现出了很大的优势。
双水相萃取法进行蛋白分离和蛋白纯化的原理是：聚合物与聚合物之间或聚合物与盐之间由于分子空间阻碍作用形成了双水相。
当待分离物质进入体系后，由于各组分表面性质、电荷作用和各种力的作用和溶液环境的影响，使其在上、下相中的分配系数不同，通过调节体系参数使被分离物质在两相间选择性分配，从而实现目标组分的分离纯化。
双水相萃取技术进行蛋白分离和蛋白纯化具有以下优点：（1）易于放大，各种参数可以按照比例放大而不降低产物收率[1]；（2）双水相系统传质和平衡过程速度快，回收效率高、能耗较小；（3）易于进行连续化操作、设备简单，且可以直接与后续提纯工序相连接，无需进行特殊处理；（4）相分离条件温和，双水相体系的张力很小，有利于保持生物分子的活性，可以直接用在发酵液中；（5）影响双水相体系的因素比较复杂，可调参数多，便于改变操作条件提高纯化效果。
美迪西提供蛋白质分离纯化技术服务，可以根据客户要求，提供从小试到规模生产全程的蛋白分离纯化服务，并根据工艺的要求结合产品特点给客户定制适用的工艺和系统。
2、双水相萃取技术分离和纯化物质的研究α-淀粉酶是一类用途十分广泛的酶，在粮食、食品加工，以及医药行业等都经常使用，由于α-淀粉酶是具有重要应用价值的工业酶，周内外很多课题组对它进行了研究。
双水相萃取分离技术的研究进展及应用
双水相萃取分离技术的研究进展及应用1 前言近年来，随着分离技术在生命科学、天然药物提纯及各类抗生素药物生产等方面应用的需求和发展，一种新型的液液分离技术—双水相萃取技术应运而生。
双水相萃取技术又称水溶液两相分配技术，是利用组分在两水相间分配的差异而进行组分的分离提纯的技术。
由于双水相萃取分离过程具有条件温和、可调节因素多、易于放大、可连续操作且不存在有机溶剂残留等优点，已被广泛用于生物物质的分离和提纯。
在1956年，瑞典的Albertsson 首次运用了双水相萃取技术来提取生物物质，开始对ATPS(双水相系统)进行比较系统的研究，测定了许多ATPS的相图，考察了蛋白质、核酸、病毒、细胞及细胞颗粒在ATPS中的分配行为，为发展双水相萃取技术打下了坚实的基础。
目前，双水相萃取技术已被广泛地应用于医药化学、细胞生物学、生物化工和食品工业等领域，是一项拥有广阔应用前景的新型分离技术。
本文将就双水相萃取技术的原理、应用和发展情况作一简述。
2 双水相萃取原理双水相萃取与水—有机相萃取的原理相似，都是依据物质在两相间的选择性分配。
当萃取体系的性质不同时，物质进入双水相体系后，由于表面性质、电荷作用和各种力(如憎水键、氢键和离子键等)的存在和环境因素的影响，使其在上、下相中的浓度不同。
溶质(包括蛋白质等大分子物质、稀有金属以及贵金属的络合物、中草药成分等)在双水相体系中服从Nernst[ 1]分配定律：K= C上/ C下（其中K为分配系数，C上和C下分别为被分离物质在上、下相的浓度）系统固定时，分配系数为一常数，与溶质的浓度无关。
当目标物质进入双水相体系后，在上相和下相间进行选择性分配，这种分配关系与常规的萃取分配关系相比，表现出更大或更小的分配系数。
如各种类型的细胞粒子、噬菌体的分配系数都大于100或者小于0101，因此为物质分离提供了可能。
水溶性两相的形成条件和定量关系常用相图来表示，以PEG/ Dextran体系的相图为例(图1[2 ] )，这两种聚合物都能与水无限混合，当它们的组成在图1曲线的上方时(用M点表示)体系就会分成两相，分别有不同的组成和密度，轻相(或称上相)组成用T点表示，重相(或称下相)组成用B表示。
双水相萃取的应用
双水相萃取在蛋白质分离纯化中的应用双水相萃取技术( Aqueous two-phase extraction ,ATPE) 是指亲水性聚合物水溶液在一定条件下形成双水相,由于被分离物在两相中分配的不同,便可实现分离；其双水相体系可由高聚物/高聚物双水相体系、高聚物/无机盐双水相体系、低分子有机物/无机盐双水相体系、表面活性剂双水相体系等组成，被广泛用于生物化学、细胞生物学和生物化工等领域的产品分离和提取。
同时，双水相萃取技术作为一种新型的分离技术日益受到重视；此方法可以在室温环境下进行,双水相中的聚合物还可以提高蛋白质的稳定性,收率较高【1】。
1、近年来双水相萃取技术研究综述概述由于双水相萃取技术在生物工程、医药分析、金属及一些煤矿等化学分析中具有重要作用,因此也一直是分离提纯领域研究的热点。
特别是在近几年，随着生物工程技术、生物化学技术、高分子技术的发展，双水相萃取技术的研究也取得了较快的发展。
2008年，郭宪厚【2】对双水相萃取技术进行了综述,阐述了双水相萃取技术的基本原理、特点、工艺流程、物质分配平衡的影响因素及其在生命科学，复杂中药体系的分离以及重金属回收等方面的应用，并对双水相萃取技术的发展前景作了展望。
2009年，徐长波、王巍杰【3】对双水相萃取技术进行了综述，并发表了《双水相萃取技术研究进展》，以此综述了双水相萃取技术基本原理、特点、应用及热力学模型,并对双水相萃取技术存在的问题和发展趋势作了论述。
2010年，马春宏、朱红【4】等，发表了《双水相萃取技术的应用研究进展》，对双水相萃取技术的具体应用进行了相关综述，简单介绍了双水相萃取技术及其原理、特点, 综述了双水相体系在生物工程( 其中包括萃取分离抗生素、酶、分离提纯蛋白质和萃取其他生物活性物质) 、药物分析和金属分离等方面的应用。
2010年，姜大雨、朱红【5】对离子液体双水相萃取的应用研究进行了综述，指出了离子液体双水相的研究取得的一些阶段性的成果，介绍了离子液体双水相体系及其优点, 综述了离子液体双水相体系在生物工业分析、药物分析和金属分离等方面的应用，同时展望了离子液体双水相体系的应用前景。
双水相萃取技术在药物分离和提取中的应用
双水相萃取技术在药物分离和提取中的应用
双水相萃取技术是一种基于液液相分离原理的分离和提取方法，它可以将混合物中的目标化合物从溶液中转移到两个不相溶的水相中，以实现分离和提取的目的。
在药物分离和提取中，双水相萃取技术具有广泛的应用。
以下是一些常见的应用领域：
1. 天然药物的提取：双水相萃取技术可以有效地提取植物中的活性成分，如生物碱、黄酮类化合物、萜类化合物等。
这种方法具有选择性强、操作简单等优点。
2. 药物代谢物的分离：药物在体内会发生代谢反应，生成一系列的代谢产物。
双水相萃取技术可以将药物代谢物从复杂的生物样品中分离出来，以便进行结构鉴定和生物活性研究。
3. 药物残留的提取：双水相萃取技术可以用于农产品中药物残留的提取。
通过调整水相的组成和浓度，可以实现对不同药物的高效提取，以保证食品中的药物残留达到合理的安全标准。
4. 药物纯化：双水相萃取技术也可以用于药物的纯化。
通过调整双水相体系中的成分和条件，可以实现对目标化合物的高效富集和纯化。
总之，双水相萃取技术在药物分离和提取中具有重要的应用价值，可以有效地实现药物的富集、提取和纯化，为药物研发和分析提供了一种有效的方法。
双水相的萃取原理及应用
双水相的萃取原理及应用双水相萃取是一种常用的分离纯化技术，其原理是将两种互不相溶的溶剂（一般是水和有机溶剂）在适当的条件下混合形成两个相，通过溶质在两相间的分配系数差异，使溶质转移到另一相中来实现分离纯化。
双水相萃取技术在生物医药、食品工业、环境监测等领域有广泛的应用。
双水相萃取的原理可以通过亲水基团和疏水基团之间的相互作用来解释。
当有机溶剂向水中注入时，溶剂分子中的疏水基团与水中的活泼基团（如羟基和胺基）发生作用，形成一层水合包裹层。
这种水合包裹层使有机溶剂和水发生互溶性差异，从而使两种溶剂形成不相容的两个相。
双水相萃取的应用可以归纳为以下几个方面：1. 生物活性物质分离纯化：双水相萃取广泛应用于生物活性物质分离纯化领域，例如从植物提取出天然产物（如植物提取物中的生物碱、黄酮、甾醇等）；从微生物培养液中提取酶、蛋白质等生物活性物质；海洋生物样品的提取等。
双水相萃取可以有效地分离目标物质并去除一些干扰性物质，提高目标物质的纯度和产率。
2. 蛋白质的分离纯化：双水相萃取可以用于蛋白质的分离纯化。
由于蛋白质在不同的条件下会有不同的溶解度，通过调节溶剂的性质和条件，可以使目标蛋白质在双水相中的分配系数大于1，从而实现蛋白质的富集和分离纯化。
3. DNA/RNA的提取：双水相萃取也可用于DNA/RNA的提取。
DNA/RNA在某些条件下与有机溶剂形成复合物，可以通过双水相萃取的方法将DNA/RNA 从混合物中分离出来。
这是分子生物学研究中常用的一种DNA/RNA提取方法。
4. 药物研发：双水相萃取在药物研发中有着重要的应用。
药物研发中常常需要提取、分离纯化目标化合物，双水相萃取可以通过调节溶剂体系的性质和条件，实现对复杂混合物中目标化合物的分离纯化，从而提高化合物的纯度和产率，为药物研发提供了有效的手段。
除了上述应用外，双水相萃取还可以用于环境监测、食品工业等领域。
例如，在环境监测中，可以利用双水相萃取将有机污染物和水样分离，进而进行有机污染物的检测与分析。
5.3 双水相萃取
5.3.5 双水相萃取体系的影响因素
8
盐类的影响
7 6 5 4 3 2 1 0 0 0.1 0.2 ×Ë Á á ¼ Ø £ ¨ 0.3
µ KÖ
盐浓度对K值的影响
○普鲁兰酶，9%PEG4000 /1.25%DexT500 ,pH7.8 □富马酸脱氢酶，9%PEG4000 /2%DexT500 , pH7.5 ●甲醛脱氢酶，9%PEG4000 /2%DexT500 , pH7.5 ▣1,4-葡萄糖磷酸化酶，7.2%PEG4000 /6.7%DexT500 , pH7.5
5.3.5 双水相萃取体系的影响因素
聚合物分 子量的影响
1.9
ý K µ Ê ä Ï ·Å Ö
1.4 0.9 0.4 0 0.5 1 1.5 2
Ͼ Æ ÛÌ Ç· Ö× ÓÁ ¿× 100000
葡聚糖平均分子量对酶的分配系数的影响
■ 异亮氨酰基-tRNA 合成酶，9.3%PEG/6.2%Dex,73mM 磷酸钾，pH7.0 ▤ α -糖苷酶，10%PEG/5%Dex,100mM 磷酸钾，pH6.3
• 酶的双水相萃取可以在室温下进行.
• 使用 PEG/(NH4)2SO4 相系统从细菌中萃取荧光素酶时， 温度对分配系数的影响不明显。
5.3.5 双水相萃取体系的影响因素
双水相体系的性质
• 黏度：
• 两相密度差：
• 表面张力：
不仅影响相分离速度 和流动特性，而且影 主要决定于体系的组成 响物质的传递和颗粒 和两相间组成的差别， 在两相中的分配； 在相图上体现在与结线 的长度成线性关系； 一般加入不同比例 的磷酸盐和氯化钠 来控制相间电势
1）定义： •将对目的酶具有离子交换、疏水作用或适当亲和力的亲和
双水相萃取技术在生物制药中的应用
经过近二十年的发展,双水相 萃取技术已形成两类基本模型: 一是利用热力学作用原理发展 出的晶格模型，通过聚合成相 作用研究蛋白质等物质的分离 提纯
2
双水相萃取分离特点
双水相萃取技术通过利用两相溶液的聚合，当两相水溶液浓度含量过高时自然分离效 果，实现有用物质的分离提纯。该项技术最早发现于18世纪90年代 在研究人员研究 明胶、可溶淀粉两种水溶液混合过 程，通过将上述两种溶液混合，得出一个浑浊不 透明液体，随后静置发生分离，形成两层液相溶液，也就是 双水相溶液。从双水相 溶液形成的特点来看，该体系 形成的主要原因是利用了高聚物之间的不相容效果，
双水相萃取技术在生物制药领域的应用
例如研究葛根素在 PEG/ (NH)SO₄ 双水相体系以及丙酮/K,HPO₂溶液 中的分 离特征，在前者体系中PEG1500 质量分数达到20%, (NH₄)SO₄ 质量分数达到16%,所得组分的分配系数 高达148.2,同时萃取回收率高达 99%以上
而在后者 丙酮萃取溶液中，丙酮与水的质量配比为8:2,K₂HPO 质量 1.5g, 最终所得萃取回收率达到了99.55%,因此 可以看出双水相萃取技 术在提纯天然组分中的应用 效果较好I1
显著
双水相萃取技术在生物制药领域的应用
利用 双水相萃取技术常温从枯草芽孢杆菌发酵液中分离 β-甘露聚糖酶，相比原发酵液 纯度可达2.76倍，同 时萃取回收率也接近99% 双水相萃取技术在分离抗生素中的应用 在20世纪90年代人们利用双水相系统分离生 物小分子时，包括抗生素、氨基酸以及天然 药物提纯 过程中，发现双水相萃取技术在能耗上要明显低于传 统萃取技术，同时在提 取效率上也有着显著优势。例 如利用PEG3350/K,HPO₄溶液萃取青霉素G 发酵液， 青霉素 G 的分配系数可达13~14.5,萃取率高达 97%,提纯纯青霉素溶液时，萃取率也能达到95%; 在
双水相萃取的原理及应用
双水相萃取的应用
ATPE 的应用
双水相萃取的应用 3) 核酸的分离纯化
ATPE 的应用
4) 病毒、细胞器、细胞的分离
ATPE 的应用
4) 病毒、细胞器、细胞的分离
ATPE 的应用
双水相萃取的应用 5）中草药成分的提取
甘草、银杏液、黄芩苷等的有效成分分离。 谢涛等利用 PEG 4000/ K2HPO4 组成的双水相体 系从三七中萃取三七皂苷,回收率为 96 %。
(2)可以直接从含有菌体的发酵液和培养液中提取所需的蛋 白质（或酶），可直接提取细胞内酶，避免破碎或过滤等 步骤。
ATPE 的特点
双水相的特点
(3)分相时间短，自然分相时间一般为5min～15 min。 (4)界面张力小(10-7～ 10-4mN／m)，利于两相之间的质量 传递。
(5)不存在有机溶剂残留问题，高聚物不易挥发， 对人体无害。
ATPE 的历史：
ATPE 的历史：
双水相萃取可分离多肽、蛋 白质、酶、核酸、病毒、细胞、 细胞器、细胞组织，以及重金 属离子等，近年来，还应用于 一些小分子，如抗生素、氨基 酸和植物的有效成分等的分离 纯化。作为反应系统用于酶反 应，生物转化，发酵的产物生 产与分离的集成。
ATPE 的历史：
ATPE 的基本原理:
双水相萃取的原理及应用
双水相萃取法的原理与应用
双水相萃取法的原理与应用1. 原理介绍双水相萃取法是一种分离提取化合物的方法，通过利用两种不相溶的溶剂构成两个水相层，达到从一个水相层向另一个水相层进行分配的目的。
双水相萃取法具有选择性强、操作简便、成本低廉等特点，已广泛应用于生物分离纯化、环境污染检测、食品安全等领域。
2. 原理步骤双水相萃取法的基本步骤如下：1.准备两种互不相溶的溶剂，一般常用的是极性和非极性的溶剂，如水和有机溶剂。
确保两种溶剂相分离的界面有尽可能大的接触面积。
2.将待提取物溶解在一个适宜的溶剂中，使其分布均匀。
3.加入两种溶剂，振荡或搅拌使两相充分混合并达到平衡分配。
4.待体系分层后，通过离心或重力沉淀将两相分离。
5.收集有机相或水相中的萃取物，进行进一步的分析或应用。
3. 应用领域双水相萃取法在以下领域有广泛的应用：•生物分离纯化：双水相萃取法可用于分离和纯化生物大分子，如蛋白质、酶等。
通过调节溶剂体系的性质，可以实现对不同生物大分子的选择性分离。
•环境污染检测：双水相萃取法在环境污染物的检测中有重要应用。
通过使用适当的溶剂和调节pH值，可以有效地富集和分离样品中的有机污染物，如农药、重金属等。
•食品安全：双水相萃取法被广泛应用于食品安全领域。
利用双水相萃取法可以快速、高效地提取食品中的有害物质，如农药残留、食品添加剂等，确保食品质量和安全性。
•药物研发：双水相萃取法在药物研发中起着重要作用。
通过双水相萃取法可以从复杂的生物样品中富集和分离药物分子，为药物研发提供重要的前处理步骤。
4. 优缺点双水相萃取法具有以下优点：•选择性强：通过调节溶剂体系的性质，可以实现对不同化合物的选择性分离。
•操作简便：双水相萃取法操作简单方便，不需要复杂的仪器设备。
•成本低廉：双水相萃取法所需的溶剂成本较低，适用于大规模应用。
然而，双水相萃取法也存在一些缺点：•萃取效率较低：双水相萃取法对于某些极性化合物的富集效果较差。
•溶剂耗量大：双水相萃取法需要大量的有机溶剂来保证分离效果。
双水相萃取全解
双水相体系的双结线模型
a 系线 两相区
双节线 均相区
b
双节线 均相区
两相区 系线
临界点
二、双水相萃取工艺流程操作
工艺流程主要由三部分组成：
• 目标产物的萃取 • 聚合物（PEG)的循环 • 无机盐的循环
双水相萃取工艺流程图
萃取液 相似相溶原理
上相
PEG
ATPE
无机盐
相体系回收示意图
PEG的循环
2）聚合物及其相对分子质量
不同聚合物的水相系统，疏水性不同； 同一聚合物，疏水性随分子量增加而增加， 其大小的选择取决于萃取过程的目的和方 法，在PEG/Dex体系中，PEG分子量的 减少，会使萃取液在两相中的分配系数增 大，当PEG的分子量增加时，在质量浓度 不变的情况下，亲水性蛋白质不再向富含 PEG相中聚集而转向另一相。
R=Vt／Vb，K=Ct／Cb，G=1/RK， Y=（1+1／RK）-1 ×100％
式中：R－相比；Vb－下相体积，mL；
Vt－上相体积，mL； K－分配系数； Cb－下相溶质的质量浓度，g／mL； Ct －上相溶质的质量浓度，g／mL； G－上、下相溶质的质量比； Y－萃取率，％。
(3) 双水相相图制作
综合利用以上因素，可通过实验确定最佳双 水相萃取系统。以PEG/硫酸铵双水相体系萃取 一种蛋白质为例： （1）固定硫酸铵为某一浓度，用梯度浓度的 聚乙二椁与其形成一系列双水相体系，萃取分 离蛋白质，分别测量上、下相蛋白质的含量， 确定PEG的最佳浓度。 （2）选取（1）中的最佳PEG浓度，在此浓度 下与梯度浓度的硫酸铵形成双水相体系，进行 蛋白质的萃取分离，测定上、下相中蛋白质的 含量，确定出最佳的硫酸铵浓度。
双水相体系的双结线模型
双水相萃取与应用
Ct K Cb
其中：K代表分配系数；Ct、Cb分别代表溶质在上相、下相中的浓度。
系统固定时，分配系数K为一常数，与溶质的浓度无关。当目标 物质进入双水相体系后，在上相和下相间进行选择性分配，这种分配 关系与常规的萃取分配关系相比，表现出更大或更小的分配系数。如 各种类型的细胞粒子、噬菌体的分配系数都大于100或者小于0.01， 因此为物质分离提供了可能。
A
聚乙二醇(PEG)
几种典型双水相系统
B C
硫酸葡聚糖酸钠 羧甲基葡聚糖酸钠 羧甲基葡聚糖酸钠
D
聚乙二醇
A, B, C, D, E,
聚乙二醇 葡聚糖 两者均为非离子性聚合物, 一种非离子性聚合物，另一种为带电荷的聚电解质 两者均为聚电解质, 一种聚合物，另一种为盐。 一种聚合物，另一种为有机小分子
E
双水相萃取的基本原理
有机溶剂萃取 液固萃取 双水相萃取
萃取 液液萃取 反胶束萃取 超临界萃取
液膜萃取
萃取 利用物质在两种互不混溶的溶剂中的分配差异进行分 离的技术。 液液萃取 利用液态的萃取剂处理与之不互溶的双组分或多 组分溶液，实现组分分离的传质分离过程，是一种广泛应用 的单元操作。 双水相萃取 利用组分在两个互不相溶的水相中的溶解度 不同而达到分离的萃取技术。
4 温度的影响
分配系数对温度的变化不敏感，这是由于成相聚合物对蛋白质 有稳定化作用，所以室温操作活性收率依然很高，而且室温时粘度 较冷却时（4℃）低，有助于相的分离并节省了能源开支。
这些参数并不是独立地起作用。所以要预测溶质在双水相系统 间的分配系数是困难的。这些系统复杂性表现在如下的一些例子中： 在一相中引入疏水性基团会影响离子的分配和电位，在大分子(亲 水聚合物或蛋白质溶质)结构中构象的变化，能使另一些原子暴露 在微环境中。这些事实导致只能用实验的方法来确定满足分配要求 的操作条件。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
《生物资源开发与利用专题》双水相萃取技术及应用152310018 杨云梅双水相萃取（Aqueous two phase extraction，英文缩写ATPE）是利用物质在互不相容的两水相间分配系数的差异来进行萃取的方法。
如：葡聚糖（dextran）与聚乙二醇（PEG)按一定比例与水混合，溶液混浊，静置平衡后,分成互不相溶的两相，上相富含PEG,下相富含葡聚糖。
当两种聚合物或一种聚合物与一种盐溶于同一溶剂时，由于聚合物之间或聚合物与盐之间的不相容性，当聚合物或无机盐浓度达到一定值时，就会分成不互溶的两相。
因使用的溶剂是水，因此称为双水相，在这两相中水分都占很大比例(85％一95％),活性蛋白或细胞在这种环境中不会失活，但可以不同比例分配于两相,这就克服了有机溶剂萃取中蛋白容易失活和强亲水性蛋白难溶于有机溶剂的缺点。
双水相萃取的优点：1、操作条件温和，在常温常压下进行；不会引起生物活性物质的失活或变性。
2、两相的界面张力小，萃取时两相能高度分散,传质速度快。
3、排除了使用有毒、易燃的有机溶剂，能够提供温和的水环境，避免被萃取成分的脱水变性。
4、溶质对目标组分选择性强，大量杂质能与所有固形物一同除去，使分离操作5、过程简化，易于连续操作，处理量大，适合工业应用。
缺点：系统易乳化，成相聚合物的成本较高，水溶性高聚物大多数粘度较大，不易定量控制，高聚物回收困难。
一：双水相萃取技术的发展趋势目前，分离生物物质经常采用的双水相系统主要有2类：非离子型聚合物/ 水系统（最常用的为聚乙二醇/葡聚糖）和非离子型聚合物/无机盐/水系统（常用的如聚乙二醇/盐体系）原因在于此2类双水相系统采用的是无毒性的聚合物，且其多元醇、多元糖结构能够保证生物大分子的稳定性但在实际应用中，2类双水相系统各有弊端，非离子型聚合物/水系统能够保证生物活性物质的活性,且界面吸附少，但所用聚合物材料如葡聚糖成本较大，且体系黏度大，制约大规模的工业生产过程；相对于前者，非离子型聚合物/无机盐/水系统成本低，体系黏度小，但该系统会导致某些敏感生物活性物质失活，此外还会产生大量的高浓度盐废水。
因此，寻求新型双水相体系成为日后的主要研究方向。
目前，新型双水相体系的开发主要有廉价的双水相系统及其他新型功能双水相系统。
（1）廉价双水相系统因为聚合物材料如葡聚糖等价格较高，目前寻找一些廉价的聚合物是廉价双水相系统开发的主要方向，如采用变性淀粉、阿拉伯树胶等取代葡聚糖，羟基纤维素取代聚乙二醇。
王雯娟[2]研究了采用羟丙基变性淀粉取代葡聚糖与PEG构成双水相系统来萃取菠萝蛋白酶。
（2) 新型功能双水相系统新型功能双水相系统是指系统中采用的聚合物易于回收或操作简便的双水相体系。
用乙烯基氧与丙烯基氧的共聚物（商品名UCON)和PET可以形成温敏性双水相体系。
常温条件下，PET，UCON和水混合后均相体系，当温度加热到40°C时，形成两相体系，上相为PET和UCON，下相为水，这种体系可以实现PET 和UCON的循环利用。
（3）以热分离聚合物和水组成的新型双水相体系（温度敏感型双水相体系）大多数水溶液热分离聚合物是环氧乙烷（EO)和环氧丙烷（PO）的随机共聚物（简称EOPO聚合物),水-EOPO热分离两相体系由几乎纯水的上相和富含聚合物的下相组成。
如：Triton和水形成的热分离双水相体系，当温度高于体系混浊点时，表面活性剂和水形成双水相，上相为表面活性剂,下相为水。
（4）正,负离子表面活性剂双水相体系表面活性剂双水相体系是指采用表面活性剂为聚合物材料的双水相体系。
在一定浓度和混合比范围内、无任何外加物质的条件下，将阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠和阳离子表面活性剂溴化十二烷基三乙铵进行混合，可以形成 2个互不混溶、平衡共存的水相，2相均为很稀的表面活性剂水溶液（其总质量分数在 1%以下）。
它具有含水量比较高，两相容易分离，表面活性剂的用量比较少，目前，国内已有利用该系统分离蛋白质，酶，氨基酸等报告。
（5）离子液体双水相系统的开发离子液体是在室温或接近室温下以液体状态存在的有机熔融盐，完全由离子组成，有许多优点，如液体状态温度范围宽，具有良好的物理化学稳定性，几乎没有蒸汽压，无可燃性，有良好的溶解性，具有溶剂和催化剂的双重功效。
如用[C4 min][BF4].NaH2PO4双水相萃取青霉素。
在最优化条件下萃取率达93.7%，同时降低了青霉素的降解率。
各种类型的双水相体系二：双水相萃取技术原理双水相系统形成的两相均是水溶液，它特别适用于生物大分子和细胞粒子的分离。
双水相萃取已逐渐应用于不同物质的分离纯化，如动植物细胞，微生物细胞，病毒，叶绿体，线绿体，细胞膜，蛋白质，核酸等。
溶质在两水相间的分配主要由其表面性质决定，通过在两相间的选择性分配而得到分离。
分配能力的大小可以用分配系数κ表示Κ=C t/C bC t ， C b 分别代表上相、下相中的溶质（分子或粒子）的浓度。
研究表明，在相体系固定时，预分离物质在相当大的浓度范围内，分配系数Κ为常数，与溶质的浓度无关，只取决于被分离物质本身的性质和特定的双水相体系的性质。
根据2相平衡时化学位相等的原则，从Brownstedt 方程式求得分配系数Κ，即kT M kT E InK λ=∆=式中 M-物质分子量 ，λ-系统表面特性系数，κ-波尔兹曼常数，T-温度显然因大分子物质的M 值很大，λ的微小改变会引起分配系数很大的变化。
因此利用不同的表面性质（表面自由能），可以达到分离大分子物质的目的。
双水相形成条件和定量关系常用三角形相图或直角坐标相图表示：图1是典型的高聚物-高聚物- 水双水相体系的直角坐标相图，2种聚合物A、B以适当比例溶于水就会分别形成有不同组成、密度的2相，轻相( 上相)组成用T点表示，重相(下相)组成用B点表示，由图1可知上下相所含高聚物有所偏重，上相主要含B，下相主要含A，C点为临界点或褶点，表示两相差别消失。
曲线TCB称为结线，直线TMB称为系线。
结线上方是2相区，下方为单相区。
所以组成在系线上的点，分为2相后，其上下相组成分别为T和B，T、B量的多少服从相图的杠杆定律。
即T和B相质量之比等于系线上MB与MT的线段长度之比又由于2相密度相差很小（双水相体系上下相密度常在1.0-1.1kg/dm3之间），故上下相体积之比也近似等于系线上MB与MT线段长度之比。
性质差异：系线的长度是衡量两相间相对差别的尺度,系线越长,两相间的性质差别越大；反之则越小。
三：影响双水相萃取的因素双水相萃取受许多因素的制约，被分配的物质与各种相组分之间存在着复杂的相互作用，作用力包括氢键，电荷力，范德华力，疏水作用和构想效应。
因此，形成相系统的高聚物的相对分子质量和化学性质，被分配物质的大小和化学性质都有直接的影响。
粒子的表面暴露在外，与相组分相互接触，盐离子在两相间具有不同的亲和力，由此形成的道南电位对带电分子或粒子的分配具有很大影响。
（1）聚和物的分子量的影响聚合物的分子量降低时，蛋白质易分配于富含该聚合物的相。
例如在PEG—DeX系统中，PEG的分子量减小，会使分配系数增大，而葡聚糖的分子量减小，会使分配系数降低。
这是一条普遍的规律，不论何种成相聚合物系统都适用。
（2）成相聚和物浓度的影响当接近临界点时，蛋白质均匀地分配于两相，分配系数接近于1。
如成相聚合物的总浓度或聚合物／盐混合物的总浓度增加时，系统远离临界点，系线的长度也增加，此时两相性质的差别也增大，蛋白质趋向于向一侧分配，即分配系数或增大超过1，或减小低于1。
(3)体系中无机盐离子的影响盐离子在两相中有不同的分配，因而在两相间形成电位差，由于各相要保持电中性，因此对于带电荷的蛋白质等物质的萃取来说,盐的存在就会使系统的电荷状态改变,从而对分配产生显著影响。
盐的种类对双水相萃取也有一定的影响,因此变换盐的种类和添加其他种类的盐有助于提高选择性。
在不同的双水相体系中盐的作用也不相同。
（4）体系PH的影响pH会影响蛋白质中可以离解基团的离解度，因而改变蛋白质所带电荷和分配系数。
pH也影响磷酸盐的解离程度，若改变H2PO4-和HPO42-之间的比例，也会使相间电位发生变化而影响分配系数。
pH的微小变化有时会使蛋白质的分配系数改变2—3个数量级。
（5）体系温度的影响温度影响较小,一般温度改变不影响产物的萃取。
大规模操作一般在室温下进行,不需冷却。
这是基于：a.成相聚合物PEG对蛋白质有稳定作用,常温下蛋白质不会发生变性;b.常温下溶液粘度较低,容易相分离;c.常温操作节省冷却费用.四：双水相萃取的应用(1)蛋白质、酶、多肽的纯化蛋白质、酶、多肽在这两相中水分都占很大比例(85％一95％)，因此称为双水相。
活性蛋白或细胞在这种环境中不会失活，但可以不同比例分配于两相，这就克服了有机溶剂萃取中蛋白容易失活和强亲水性蛋白难溶于有机溶剂的缺点。
如在各种条件下，不同脱氢酶根据系数的不同而分离纯化。
在一个聚乙二醇4000/葡萄糖T-500系统中，各种脱氢酶的分配系数K与聚乙二醇4000-NADH浓度的函数关系系统条件：7%（质量分数）聚乙二醇4000,6%（质量分数）葡萄糖T-500,0.05mol/L凝酸钾，PH值7.5，温度20℃最佳。
以蛋白质的分离为例说明双水相分离过程的原则流程:包括三步双水相分离:第一步：所选择的条件应使蛋白质产物分配在富PEG的上相中,而细胞碎片及杂质蛋白质等进入下相。
第二步：分相后上相中再加入盐使再次形成双水相体系,核酸和多糖则分配入富盐的下相,杂质、蛋白质也进入下相,而所需的蛋白质再次进入富含PEG的上相。
第三步：向分相后的上相中加入盐以再一次形成双水相体系。
在这一步中,要使得蛋白质进入富盐的下相,以与大量的PEG分开。
蛋白质与盐及PEG的分离可以用超滤、层析、离心等技术。
(2)中草药有效成分的提取中草药是我国的国宝，已有几千年的应用历史，但是有关中草药有效成分的确定和提取技术在国内发展一直比较缓慢，这无疑限制了中药药理学的发展、深化以及中药现代化。
近几年来，有关双水相萃取技术提取中草药有效成分的文献开始报道，尽管数量不多,但是已有的实例充分表明其有良好的应用前景。
将 PEG和 K2HPO4配成一定浓度的浓溶液；在常温下,取三七浓缩液置于10ml的离心试管中,加入一定体积的成相物质浓溶液,振荡摇匀,在离心机中以一定转速离心5min,使其分相；分别读取上下相体积,并取样分析上下相中三七总皂苷的含量。
(3)黄毒苷的免疫测定基于液-液体系或界面性质而开发的分析检测技术是一项潜在的有应用价值的生化检测分析技术。
这一技术已成功地应用于免疫分析、生物分子间相互作用力的测定和细胞数的测定。
如强心药物异羟基毛地黄毒苷（简称黄毒苷）的免疫测定。