双水相萃取技术
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• 1979年德国GBF的Kula和Kroner等[3]人将双水 相体系用于提取酶和蛋白质，使胞内酶的提取过 程大为改善。
•
一、基本概念及分类
• 双水相系统:某些亲水性高 分子聚合物的水溶液超过一 定浓度后可形成两个不相混 溶的水相。
• 聚合物-聚合物-水系统:聚合 物分子的空间阻碍作用使相 互间无法渗透 。
质
量
• 双结点线：把均相区和 两相区域分隔开。
分 数
/%
• 系线：连接双结点线上 两点的直线。
• 临界点：当系线长度趋 向于零时，即在图中的 K点，两相差别消失， 任何溶质在两相中的分 配系数均为1，成为单 相体系。
均相区
VT BM
VB MT
系线
两相区
KPi质量分数/%
• 在同一条系线上的各 点分成的两相具有相 同的组成，但体积比 不同。
第二节 双水相分配原理及其理论基础
• 一、双水相系统分配原理 • 是否会形成双水相，取决于混合熵增和分子间作
用力两个因素。 • 混合是自发的熵增过程，而分子间相互作用力则
随分子量的变大而增强。 • 当两种高分子聚合物之间互不相溶时，由于相对
分子质量较大，分子间的相互排斥作用与混合过 程的熵增加相比占主导地位，一种聚合物分子的 周围将聚集同种分子而排斥异种分子，当达到平 衡时，即形成富含两种不同聚合物的两相。
双水相系统分类
• 双聚合物体系：聚乙二醇(polyethylene glycol，PEG)/葡聚糖（dextran，Dx）； 聚丙二醇（polypropylene glycol）/聚乙 二醇；甲基纤维素（methylcellulose）/葡 聚糖等。
• 聚合物和无机盐体系：PEG/磷酸钾（略作 KPi）、PEG/磷酸铵、PEG/硫酸钠等
• 当上下两相间密度差 小时，两相的体积近 似服从杠杆规则。
VT BM
VB MT
PEG400 0.700g
H2O 0.5ml
绘制相图实验操作
(NH4)2SO4
混和
记录 (NH4)2SO4
ml数
H2O 0.3/0.5ml
混均
按表格重复操作…
旋涡器
浑浊
澄清
绘制相图
PEG400%
(NH4)2SO4%
二、双水相中的分配平衡
葡源自文库糖
葡聚糖
羟丙基葡聚糖、葡聚糖
聚乙二醇
羧甲基纤维素钠
羧甲基纤维素钠
丙醇
磷酸钾、硫酸铵、硫酸镁、硫酸 钠、酒石酸钾钠、甲酸钠
与一般的水-有机溶剂体系相比较有什么不同？
• 双水相体系中两相的性质差别（如密度和 折射率等）较小。由于折射率的差别甚小， 有时甚至都难于发现它们的相界面。两相 间的界面张力也很小，仅为10-5~10-4 N/m （一般体系为10-3~2×10-2 N/m）。
• K+ < Na+ < NH4+ < Li+ < (C4H9)4N+ • ClO4- < SCN- < I- <Br- < Cl-< CH3CO2- < F- <
H2PO4- < HPO42-
（二）疏水作用
• 一般情况下，蛋白质的表面均存在疏水区，疏水 区所占比表面越大，其疏水性越强。不同组分由 于其表面疏水性的差异使得其各自在上下相中产 生相应的分配平衡。
（一）静电作用
• lnK=lnKo+ΔφFZ/RT • Ko为溶质静电荷为零时的分配系数；F为法拉第
常数；Z为溶质的静电荷数；Δφ为相间电位差。
• 荷电解质的分配系数的对数与溶质的净电荷数成 正比.
• 分配系数与静电荷数的关系因无机盐而异,同一双 水相系统中添加不同的盐产生的相间电位不同
• 带负电荷的蛋白质在双水相种的分配系数K :
• 上、下相的组成取决于两种聚合物（如 PEG/Dx）的加入量以及其分子质量的大小。
• 当物质进入双水相体系后，由于表面性质、 电荷作用和各种作用力（如憎水键、氢键 和离子键等）的存在和环境的影响，使其 在上、下相中的浓度不同。
• 分配系数 K不同而分离
相图
• 双水相形成条件和定量 PEG
关系可用相图表示。
类型
形成上相的聚合物
非离子型聚合物/非离子型聚合物 聚乙二醇
聚丙二醇
羟丙基葡聚糖
聚蔗糖
乙基羟基纤维素
甲基纤维素
高分子电解质/非离子型聚合物 羧甲基葡聚糖钠盐
高分子电解质/高分子电解质 葡聚糖硫酸钠
羧甲基葡聚糖钠盐
非离子型聚合物/低分子量化合物 葡聚糖
非离子型聚合物/无机盐
聚乙二醇
形成下相的聚合物
聚乙烯醇、葡聚糖、聚蔗糖、聚 乙烯吡咯烷酮 聚乙二醇、聚乙烯醇、葡聚糖、 甲基聚丙二醇、羟丙基葡聚糖、 聚乙烯吡咯烷酮 葡聚糖
• 溶质在双水相中的分配系数也用K=cT/cB表示。 • 分配系数是各种相互作用的和. • lnKP=lnKE+lnKS+lnKA • 总分配系数KP: lnKE、lnKS、lnKA分别为静电作
用、疏水作用、亲和作用对溶质分配系数的贡献。 • 在系线上各点处系统的总浓度不同，但均分成组
成相同而体积不同的两相，在同一条系线上的不 同点，物质的分配系数相同。
双水相萃取技术
第一节 概 述
• 1896年，荷兰微生物学家Beijerinck发现聚合物 的不相容性:把明胶与琼脂或明胶与可溶性淀粉溶 液混合时，得到一种不透明的混合溶液，静置后 分为两相，上相含有大部分水，下相含有大部分 琼脂（或淀粉），而两相的主要成分都是水.
• 1955年，瑞典伦德大学的Albertsson首次利用双 水相技术从单细胞藻类中分离淀粉核，从此开创 了双水相分配技术。
三、双水相萃取技术的基本特点
• 两相的性质差别（如密度和折射率等）较小 • 两相间的界面张力也很小
（一）条件温和，体系具有生物亲和性 （二）所需溶液少，操作方便 （三）分离迅速，步骤简便 （四）操作易于控制 （五）可简化分离步骤 （六）能进行萃取性的生物转化 （七）亲和萃取（亲和分配）可大大提高分配系数和 萃取专一性 （八）易于工艺的连续化生产
• 聚合物-无机盐-水系统:盐析 作用。
为什么会形成双水相？
• 聚合物之间的不相容性:聚合物分子的空间阻碍作 用使相互间无法渗透，从而在一定条件下分为两 相。
• 只要两种聚合物水溶液的水溶性有所差异，混合 时就可发生相分离，并且水溶性差别越大，相分 离倾向也就越大。
• 某些聚合物的溶液在与某些无机盐等低分子质量 化合物的溶液相混时，只要浓度达到一定值，也 会产生两相。其形成机理是由于盐析作用。
•
一、基本概念及分类
• 双水相系统:某些亲水性高 分子聚合物的水溶液超过一 定浓度后可形成两个不相混 溶的水相。
• 聚合物-聚合物-水系统:聚合 物分子的空间阻碍作用使相 互间无法渗透 。
质
量
• 双结点线：把均相区和 两相区域分隔开。
分 数
/%
• 系线：连接双结点线上 两点的直线。
• 临界点：当系线长度趋 向于零时，即在图中的 K点，两相差别消失， 任何溶质在两相中的分 配系数均为1，成为单 相体系。
均相区
VT BM
VB MT
系线
两相区
KPi质量分数/%
• 在同一条系线上的各 点分成的两相具有相 同的组成，但体积比 不同。
第二节 双水相分配原理及其理论基础
• 一、双水相系统分配原理 • 是否会形成双水相，取决于混合熵增和分子间作
用力两个因素。 • 混合是自发的熵增过程，而分子间相互作用力则
随分子量的变大而增强。 • 当两种高分子聚合物之间互不相溶时，由于相对
分子质量较大，分子间的相互排斥作用与混合过 程的熵增加相比占主导地位，一种聚合物分子的 周围将聚集同种分子而排斥异种分子，当达到平 衡时，即形成富含两种不同聚合物的两相。
双水相系统分类
• 双聚合物体系：聚乙二醇(polyethylene glycol，PEG)/葡聚糖（dextran，Dx）； 聚丙二醇（polypropylene glycol）/聚乙 二醇；甲基纤维素（methylcellulose）/葡 聚糖等。
• 聚合物和无机盐体系：PEG/磷酸钾（略作 KPi）、PEG/磷酸铵、PEG/硫酸钠等
• 当上下两相间密度差 小时，两相的体积近 似服从杠杆规则。
VT BM
VB MT
PEG400 0.700g
H2O 0.5ml
绘制相图实验操作
(NH4)2SO4
混和
记录 (NH4)2SO4
ml数
H2O 0.3/0.5ml
混均
按表格重复操作…
旋涡器
浑浊
澄清
绘制相图
PEG400%
(NH4)2SO4%
二、双水相中的分配平衡
葡源自文库糖
葡聚糖
羟丙基葡聚糖、葡聚糖
聚乙二醇
羧甲基纤维素钠
羧甲基纤维素钠
丙醇
磷酸钾、硫酸铵、硫酸镁、硫酸 钠、酒石酸钾钠、甲酸钠
与一般的水-有机溶剂体系相比较有什么不同？
• 双水相体系中两相的性质差别（如密度和 折射率等）较小。由于折射率的差别甚小， 有时甚至都难于发现它们的相界面。两相 间的界面张力也很小，仅为10-5~10-4 N/m （一般体系为10-3~2×10-2 N/m）。
• K+ < Na+ < NH4+ < Li+ < (C4H9)4N+ • ClO4- < SCN- < I- <Br- < Cl-< CH3CO2- < F- <
H2PO4- < HPO42-
（二）疏水作用
• 一般情况下，蛋白质的表面均存在疏水区，疏水 区所占比表面越大，其疏水性越强。不同组分由 于其表面疏水性的差异使得其各自在上下相中产 生相应的分配平衡。
（一）静电作用
• lnK=lnKo+ΔφFZ/RT • Ko为溶质静电荷为零时的分配系数；F为法拉第
常数；Z为溶质的静电荷数；Δφ为相间电位差。
• 荷电解质的分配系数的对数与溶质的净电荷数成 正比.
• 分配系数与静电荷数的关系因无机盐而异,同一双 水相系统中添加不同的盐产生的相间电位不同
• 带负电荷的蛋白质在双水相种的分配系数K :
• 上、下相的组成取决于两种聚合物（如 PEG/Dx）的加入量以及其分子质量的大小。
• 当物质进入双水相体系后，由于表面性质、 电荷作用和各种作用力（如憎水键、氢键 和离子键等）的存在和环境的影响，使其 在上、下相中的浓度不同。
• 分配系数 K不同而分离
相图
• 双水相形成条件和定量 PEG
关系可用相图表示。
类型
形成上相的聚合物
非离子型聚合物/非离子型聚合物 聚乙二醇
聚丙二醇
羟丙基葡聚糖
聚蔗糖
乙基羟基纤维素
甲基纤维素
高分子电解质/非离子型聚合物 羧甲基葡聚糖钠盐
高分子电解质/高分子电解质 葡聚糖硫酸钠
羧甲基葡聚糖钠盐
非离子型聚合物/低分子量化合物 葡聚糖
非离子型聚合物/无机盐
聚乙二醇
形成下相的聚合物
聚乙烯醇、葡聚糖、聚蔗糖、聚 乙烯吡咯烷酮 聚乙二醇、聚乙烯醇、葡聚糖、 甲基聚丙二醇、羟丙基葡聚糖、 聚乙烯吡咯烷酮 葡聚糖
• 溶质在双水相中的分配系数也用K=cT/cB表示。 • 分配系数是各种相互作用的和. • lnKP=lnKE+lnKS+lnKA • 总分配系数KP: lnKE、lnKS、lnKA分别为静电作
用、疏水作用、亲和作用对溶质分配系数的贡献。 • 在系线上各点处系统的总浓度不同，但均分成组
成相同而体积不同的两相，在同一条系线上的不 同点，物质的分配系数相同。
双水相萃取技术
第一节 概 述
• 1896年，荷兰微生物学家Beijerinck发现聚合物 的不相容性:把明胶与琼脂或明胶与可溶性淀粉溶 液混合时，得到一种不透明的混合溶液，静置后 分为两相，上相含有大部分水，下相含有大部分 琼脂（或淀粉），而两相的主要成分都是水.
• 1955年，瑞典伦德大学的Albertsson首次利用双 水相技术从单细胞藻类中分离淀粉核，从此开创 了双水相分配技术。
三、双水相萃取技术的基本特点
• 两相的性质差别（如密度和折射率等）较小 • 两相间的界面张力也很小
（一）条件温和，体系具有生物亲和性 （二）所需溶液少，操作方便 （三）分离迅速，步骤简便 （四）操作易于控制 （五）可简化分离步骤 （六）能进行萃取性的生物转化 （七）亲和萃取（亲和分配）可大大提高分配系数和 萃取专一性 （八）易于工艺的连续化生产
• 聚合物-无机盐-水系统:盐析 作用。
为什么会形成双水相？
• 聚合物之间的不相容性:聚合物分子的空间阻碍作 用使相互间无法渗透，从而在一定条件下分为两 相。
• 只要两种聚合物水溶液的水溶性有所差异，混合 时就可发生相分离，并且水溶性差别越大，相分 离倾向也就越大。
• 某些聚合物的溶液在与某些无机盐等低分子质量 化合物的溶液相混时，只要浓度达到一定值，也 会产生两相。其形成机理是由于盐析作用。