层析分离技术层析分离技术第七章第七章吸附层析吸附层析Adsorption Chromatography n吸附吸附(adsorption)：溶质从液相或气相转移到固相的现象。：溶质从液相或气相转移到固相的现象。n吸附操作吸附操作：利用：利用固体吸附固体吸附的原理从液体或气体中除去有害的原理从液体或气体中除去有害成分或分离回收有用目标产物的过程。成分或分离回收有用目标产物的过程。应用应用：原料液脱色除臭，目标产物提取、浓缩和粗分离。：原料液脱色除臭，目标产物提取、浓缩和粗分离。n吸附剂吸附剂：吸附操作所使用的固体材料一般为多孔微粒或多：吸附操作所使用的固体材料一般为多孔微粒或多孔膜，具有很大的比表面积，称为吸附剂或吸附介质。孔膜，具有很大的比表面积，称为吸附剂或吸附介质。一、吸附概述一、吸附概述n马王堆中有木炭，可能用于吸湿马王堆中有木炭，可能用于吸湿和防腐和防腐? .? .n冰箱中除臭，活性炭。冰箱中除臭，活性炭。n工业应用，产品分离、脱色。工业应用，产品分离、脱色。2005年年11月月13日下午，位于吉林省吉林市的中国石油天日下午，位于吉林省吉林市的中国石油天然气集团公司吉林石化分公司双苯厂的苯胺车间发生剧烈然气集团公司吉林石化分公司双苯厂的苯胺车间发生剧烈爆炸，泄漏进松花江的苯类污染物总量在爆炸，泄漏进松花江的苯类污染物总量在100吨左右。吨左右。 1400吨活性炭治理水污染吨活性炭治理水污染 2012年年1月广西龙江镉污染事件月广西龙江镉污染事件“目前使用目前使用聚合氯化铝聚合氯化铝将离子状态将离子状态的镉固化，是目前治理龙江河镉污的镉固化，是目前治理龙江河镉污染最重要的措施之一，而烧碱则是染最重要的措施之一，而烧碱则是将调节河水将调节河水PH值促进聚合氯化铝发值促进聚合氯化铝发生反应的重要物质。生反应的重要物质。”吸附作用吸附作用n吸附的特点：吸附的特点：（1 1） 不用或少用有机溶剂不用或少用有机溶剂（2 2） 操作简便，安全操作简便，安全（3 3） 生产过程生产过程pHpH变化小变化小（4 4） 从稀溶液分离溶质从稀溶液分离溶质（5 5）吸附剂吸附剂对溶质的作用小对溶质的作用小（6 6）吸附平衡为非线性吸附平衡为非线性（7 7） 选择性差选择性差 固体内部分子所受分子间的作用力是对称的，而固体内部分子所受分子间的作用力是对称的，而固体表固体表面分子所受力是不对称的面分子所受力是不对称的。向内的一面受内部分子的作用力。向内的一面受内部分子的作用力较大，而表面向外一面所受的作用力较小，因而当气体分子较大，而表面向外一面所受的作用力较小，因而当气体分子或溶液中溶质分子在运动过程中碰到固体表面时就会被吸引或溶液中溶质分子在运动过程中碰到固体表面时就会被吸引而停留在固体表面上。而停留在固体表面上。 界面上分子和内部分子所受的力界面上分子和内部分子所受的力二、吸附过程理论基础二、吸附过程理论基础1、基本概念、基本概念固体表面分子固体表面分子(或原子或原子)处于特殊的状态。固体内部分子所受的力是对称处于特殊的状态。固体内部分子所受的力是对称的，故彼此处于平衡。但在界面分子的力场是不饱和的，即存在一种固的，故彼此处于平衡。但在界面分子的力场是不饱和的，即存在一种固体的表面力，它能从外界吸附分子、原子、或离子，并在吸附表面上形体的表面力，它能从外界吸附分子、原子、或离子，并在吸附表面上形成多分子层或单分子层。成多分子层或单分子层。界面上分子和内部分子所受的力界面上分子和内部分子所受的力吸附作用：吸附作用：物质从流体相浓缩到固体表面物质从流体相浓缩到固体表面吸附剂：吸附剂：表面上能发生吸附作用的固体表面上能发生吸附作用的固体吸附物：吸附物：被吸附的物质被吸附的物质多孔吸附剂：多孔吸附剂：外表面与内表面组成外表面与内表面组成非多孔吸附剂：非多孔吸附剂：比表面取决于外表面比表面取决于外表面孔径孔径和和比表面积比表面积是评价吸附剂性能的重要参数是评价吸附剂性能的重要参数一般来说，孔径越大，比表面积越小。比表面积直一般来说，孔径越大，比表面积越小。比表面积直接影响溶质的吸附容量，而适当的孔径有利于溶质接影响溶质的吸附容量，而适当的孔径有利于溶质在空隙中的扩散，提高吸附容量和操作速度。在空隙中的扩散，提高吸附容量和操作速度。2、吸附的类型、吸附的类型基于吸附剂与溶质之基于吸附剂与溶质之间的间的分子间力分子间力。溶质。溶质在吸附剂上吸附与否在吸附剂上吸附与否或吸附量的多少取决或吸附量的多少取决于溶质与吸附剂极性于溶质与吸附剂极性的相似性和溶剂的极的相似性和溶剂的极性。性。可通过改变温度、可通过改变温度、pH值和盐浓度等物值和盐浓度等物理条件脱附。理条件脱附。物理吸附物理吸附吸附剂表面活性点与吸附剂表面活性点与溶质之间发生溶质之间发生化学键化学键合合、产生电子转移现、产生电子转移现象，吸附稳定，不易象，吸附稳定，不易脱附。脱附。采用破坏化学采用破坏化学键合的化学试剂洗脱键合的化学试剂洗脱剂脱附。剂脱附。应用很少。应用很少。化学吸附化学吸附所用吸附剂称为离子所用吸附剂称为离子交换剂，表面键合离交换剂，表面键合离子基团或可离子化基子基团或可离子化基团，通过团，通过静电引力静电引力吸吸附带有相反电荷的离附带有相反电荷的离子，吸附过程发生电子，吸附过程发生电荷转移。荷转移。一般通过提一般通过提高离子强度或调节高离子强度或调节pH值的方法洗脱。值的方法洗脱。离子交换离子交换3 3、物理吸附力的本质、物理吸附力的本质定向力定向力 极性分子的永久偶极静电力极性分子的永久偶极静电力诱导力诱导力 极性分子与非极性分子之间的吸引力极性分子与非极性分子之间的吸引力色散力色散力 非极性分子之间的引力（瞬间偶极）非极性分子之间的引力（瞬间偶极）氢键力氢键力 介于库仑引力与范德华引力之间的特殊分子介于库仑引力与范德华引力之间的特殊分子 间定向作用力间定向作用力非非共共价价作作用用吸附质和吸附剂之间的作用力范德华力吸附质和吸附剂之间的作用力范德华力当分子间距离减小时，当分子间距离减小时，范德华力增大，但当分范德华力增大，但当分子间距离非常接近时，子间距离非常接近时，就明显地表现出斥力。就明显地表现出斥力。 当距离大于当距离大于OBOB时，吸引时，吸引力未表示出来。力未表示出来。当吸附表面和分子间的当吸附表面和分子间的距离减小时，其吸引力距离减小时，其吸引力的能量逐渐增加，的能量逐渐增加，当距离减至分子半径当距离减至分子半径OAOA时，达到最大值。时，达到最大值。当距离再减小时，推斥当距离再减小时，推斥力急剧增加。力急剧增加。4、吸附等温线、吸附等温线n吸吸附附等等温温线线：当当溶溶质质在在液液固固两两相相间间达达到到吸吸附附平平衡衡时时，吸吸附附剂剂上上的的平平衡衡吸吸附附质质浓浓度度q是是液液相相游游离离溶溶质质浓浓度度c和和温温度度T的的函函数数。当当温温度度一一定定时时，q只只和和c有有关关，q=f(c)，q与与c的关系曲线称为吸附等温线。的关系曲线称为吸附等温线。n生物分离中至少有四种等温吸附线生物分离中至少有四种等温吸附线(见图见图)。1Henry； 2Freundlich；3Langmuir； 4矩形qc1234几种常见的吸附等温线几种常见的吸附等温线（1）Henry型吸附平衡型吸附平衡在在一一定定温温度度下下，平平衡衡时时吸吸附附剂剂吸吸附附溶溶质质浓浓度度q*与与液液相相溶溶质质浓浓度度c之之间的关系为线性函数：间的关系为线性函数：m为分配系数。为分配系数。适适应应条条件件：在在低低浓浓度度范范围围之之内内成成立立。当当浓浓度度较较高高时时，吸吸附附平平衡衡常常呈非线性，呈非线性，上式无效上式无效。（2）Freundlich型吸附平衡型吸附平衡 其经验公式为其经验公式为 其其中中，k k和和n n为为常常数数，n n一一般在般在1-101-10之间。之间。 FreundlichFreundlich等等温温线线可可描描述述大大多多数数抗抗生生素素、类类固固醇醇、甾甾类类激激素素等等在在溶溶液液中中的的吸吸附附过程。过程。（3）Langmuir型吸附平衡型吸附平衡nLangmuir单分子层吸附理论单分子层吸附理论：吸附剂表面有许多活性：吸附剂表面有许多活性点，每个活性点具有相同的能量，只能吸附一个分子，点，每个活性点具有相同的能量，只能吸附一个分子，并且被吸附的分子间无相互作用。并且被吸附的分子间无相互作用。A为表面活性中心。为表面活性中心。n基于上述平衡，及假定单分子层吸附，得基于上述平衡，及假定单分子层吸附，得Langmuir型型吸附平衡方程吸附平衡方程式中：式中：qmax为吸附容量，为吸附容量，kb为结合常数为结合常数n当当n个分子在一个活性中心发生吸附时，即存在个分子在一个活性中心发生吸附时，即存在此时有：此时有：（4 4）矩形吸附平衡矩形吸附平衡n当吸附剂对溶质的吸附作用非常大时，存在当吸附剂对溶质的吸附作用非常大时，存在n10，或，或用前式表示用前式表示Kb非常大，这时游离的溶质浓度对吸附浓度非常大，这时游离的溶质浓度对吸附浓度影响极小，接近不可逆吸附。影响极小，接近不可逆吸附。吸附等温线为矩形吸附等温线为矩形（q常数）。常数）。n如在固定化单克隆抗体的免疫亲和吸附中，一般存在如在固定化单克隆抗体的免疫亲和吸附中，一般存在n10。例：蔗渣木质素吸附重金属离子的吸附等温线例：蔗渣木质素吸附重金属离子的吸附等温线Cd(II)Hg(II)Pb(II)三、吸附层析三、吸附层析1、基本原理、基本原理在吸附层析法中，使用的固定相基质是在吸附层析法中，使用的固定相基质是颗粒状颗粒状的吸附剂。的吸附剂。在在吸附剂的表面吸附剂的表面存在着许多随机分布的存在着许多随机分布的吸附位点吸附位点吸附吸附位点位点通过通过范德华力范德华力、静电引力静电引力与与蛋白质蛋白质和和核酸核酸等生物分子等生物分子结合；其结合；其结合力的大小结合力的大小与各种与各种生物分子的结构生物分子的结构和和吸附剂的性质吸附剂的性质有密切关系。有密切关系。在洗脱过程中，柱内不断地在洗脱过程中，柱内不断地发生解吸、吸附，再解吸、发生解吸、吸附，再解吸、再吸附的过程。再吸附的过程。经过一段时间以后，该物质经过一段时间以后，该物质会向下移动一定距离。此距会向下移动一定距离。此距离的长短与吸附剂对该物质离的长短与吸附剂对该物质的吸附力以及溶剂对该物质的吸附力以及溶剂对该物质的解吸的解吸( (溶解溶解) )能力有关。不能力有关。不同的物质由于吸附力和解吸同的物质由于吸附力和解吸力不同力不同 ，移动速度也不同。，移动速度也不同。 2、吸附剂的选择、吸附剂的选择 具备条件：具备条件：表面积大、吸附选择性好、稳定性强、颗表面积大、吸附选择性好、稳定性强、颗粒均匀、成本低廉等粒均匀、成本低廉等 选择原则：选择原则：由吸附剂本身和被吸附物质的理化性质而由吸附剂本身和被吸附物质的理化性质而定。定。根据根据“相似相溶相似相溶”原理，为了便于解吸附（洗脱），原理，为了便于解吸附（洗脱），对于极性强的分离物，应选择极性小的吸附剂；而对于极对于极性强的分离物，应选择极性小的吸附剂；而对于极性弱的分离物则选择极性强的吸附剂性弱的分离物则选择极性强的吸附剂 20世世纪纪50年年代代初初期期，Tiselius等等用用制制备备的的羟羟基基磷磷灰灰石石Ca5(P04)3OH2（HA）分离蛋白质。目前国内已有商品出售）分离蛋白质。目前国内已有商品出售 （1） 羟基磷灰石羟基磷灰石 性质性质吸附容量高吸附容量高稳定性好（稳定性好（T85，pH5.510.0均可使用）均可使用）使用广泛（可用于制备和纯化使用广泛（可用于制备和纯化pro、酶、核酸等）、酶、核酸等）分离效果好分离效果好HA的的Ca基团基团与生物分子表面的与生物分子表面的负电荷基团负电荷基团的作用，的作用，对分离起重要作用；而对分离起重要作用；而PO4基团与生物分子表面的正基团与生物分子表面的正电荷的作用仅起次要作用电荷的作用仅起次要作用u使用使用HA作为固定相基质时应注意作为固定相基质时应注意HA为干粉时，需为干粉时，需事先浸泡膨胀事先浸泡膨胀达到达到23ml/g后，按后，按1 6加加入缓冲液悬浮，除去细小的颗粒入缓冲液悬浮，除去细小的颗粒HA悬浮液需用悬浮液需用旋涡振荡器旋涡振荡器混合，因为其他搅拌器如磁棒、混合，因为其他搅拌器如磁棒、玻棒等易破坏其晶体结构玻棒等易破坏其晶体结构忌用柠檬酸缓冲液和忌用柠檬酸缓冲液和pH5.5的缓冲液的缓冲液处理处理色谱柱再生时，先用色谱柱再生时，先用1 mol/L NaCl洗涤洗涤，然后用，然后用4倍床体积倍床体积的平衡缓冲液冲洗即可的平衡缓冲液冲洗即可细颗粒细颗粒HA的操作容量和分辨率均较大颗粒高，但须采用的操作容量和分辨率均较大颗粒高，但须采用较大直径的柱子较大直径的柱子 表面上的硅醇基能释放弱酸性的氢离子，当遇到较强的碱表面上的硅醇基能释放弱酸性的氢离子，当遇到较强的碱性化合物时，则可因离子交换反应而吸附碱性化合物。性化合物时，则可因离子交换反应而吸附碱性化合物。 （ 2） 硅胶硅胶 柱层析硅胶柱层析硅胶变色硅胶（也称蓝胶）变色硅胶（也称蓝胶）是以具有高活性吸附是以具有高活性吸附材料细孔硅胶为基础材料细孔硅胶为基础原料经过深加工制成原料经过深加工制成的的 细孔硅胶为无色或细孔硅胶为无色或微黄色透明状玻璃微黄色透明状玻璃体，它的基本质量体，它的基本质量参数如下：平均孔参数如下：平均孔距距2.0-3.0MM 2.0-3.0MM 性质性质作用位点：作用位点：含有很多含有很多硅醇基团硅醇基团(-Si-OH)(-Si-OH)的的颗粒状极性吸附剂颗粒状极性吸附剂。 它对氨基酸衍生物、甾体激素、皂甙类、类脂及色素等物质有结它对氨基酸衍生物、甾体激素、皂甙类、类脂及色素等物质有结合力（吸附作用）。合力（吸附作用）。含水量：含水量：含水量高，则吸附性（活性）小含水量高，则吸附性（活性）小，当其表面游离水含，当其表面游离水含量量17%时，其结合力很小；此时仅能作为分配层析的固定相时，其结合力很小；此时仅能作为分配层析的固定相粒度：粒度：粒度小，则分离效果较好（如用粒度小，则分离效果较好（如用200400目的硅胶能有目的硅胶能有效地分离多种主物的有效成分），但流速慢、时间长效地分离多种主物的有效成分），但流速慢、时间长 活化：活化： 110烘烤烘烤0.51h。活化后立即使用或短期贮存与干燥器中。活化后立即使用或短期贮存与干燥器中要想分离物质要想分离物质重复性重复性好，每次所用的好，每次所用的硅胶活性硅胶活性必须一致。必须一致。活性测定习惯采用活性测定习惯采用6 6种染料进行。种染料进行。 1 1偶氮苯；偶氮苯；2 2对甲氧基偶氮苯；对甲氧基偶氮苯；3 3苏丹黄；苏丹黄； 4 4苏丹红；苏丹红；5 5对氨基偶氮苯；对氨基偶氮苯； 6 6对羟基偶氮苯。对羟基偶氮苯。原理：在吸附柱上，因吸附剂对原理：在吸附柱上，因吸附剂对6种染料吸附的能力不同，所以它们经洗脱种染料吸附的能力不同，所以它们经洗脱后的位置不同，借此即可测定吸附剂的活性级别。后的位置不同，借此即可测定吸附剂的活性级别。具体操作是：取上述具体操作是：取上述6种染料各种染料各20mg溶于溶于l0ml苯溶剂中，加苯溶剂中，加50ml石油醚稀释，石油醚稀释，然后取然后取20ml此溶液加到此溶液加到1.5cml0cm的硅胶柱上，再加的硅胶柱上，再加20ml苯与石油醚苯与石油醚(1：4)的混合液进行冲洗，洗毕根据各种染料的位置，找出硅胶的活性级别。的混合液进行冲洗，洗毕根据各种染料的位置，找出硅胶的活性级别。活性级别活性级别IIIaIIbIIIaIIIbIVaIVbIVcVVI柱顶部柱顶部23456柱中部柱中部23456柱底部柱底部12345流出液流出液12345硅胶活性级别的标准化规格硅胶活性级别的标准化规格活性级别低的活性大，结合力强活性级别低的活性大，结合力强 氧化铝可能带有碱性（因其中可混有碳酸钠等成分），氧化铝可能带有碱性（因其中可混有碳酸钠等成分），对于分离一些碱性中草药成分，如生物碱类的分离颇为理想。对于分离一些碱性中草药成分，如生物碱类的分离颇为理想。但是碱性氧化铝不宜用于醛、酮、醋、内酯等类型的化合物但是碱性氧化铝不宜用于醛、酮、醋、内酯等类型的化合物分离。因为有时碱性氧化铝可与上述成分发生次级反应，如分离。因为有时碱性氧化铝可与上述成分发生次级反应，如异构化、氧化、消除反应等。异构化、氧化、消除反应等。（ 3）氧化铝）氧化铝 活性氧化铝活性氧化铝 氧化铝空心球氧化铝空心球3、洗脱剂的选择、洗脱剂的选择能较完全地洗脱所要分离的成分，并力求用量少、洗脱时间短。能较完全地洗脱所要分离的成分，并力求用量少、洗脱时间短。纯度较高纯度较高稳定性好稳定性好能较完全地洗脱下被分离的成分能较完全地洗脱下被分离的成分黏度小黏度小易和所需的成分分开易和所需的成分分开选择洗脱剂的顺序应从极性小选择洗脱剂的顺序应从极性小 大大 一般，一般，pro或核酸被极性强的或核酸被极性强的HA吸附后，要用含有盐吸附后，要用含有盐梯度的缓冲液洗脱；梯度的缓冲液洗脱；而甾体、色素等化合物被极性较弱的而甾体、色素等化合物被极性较弱的硅胶吸附后，则可用有机溶剂洗脱硅胶吸附后，则可用有机溶剂洗脱4、层析操作、层析操作（1 1）层析柱）层析柱）层析柱）层析柱 绝多数层析柱是下端为细口并带有筛板的玻管。绝多数层析柱是下端为细口并带有筛板的玻管。 柱的直径与长度之比，一般为柱的直径与长度之比，一般为1：101：40。 采用极采用极细颗粒细颗粒吸附剂装柱时，宜用吸附剂装柱时，宜用比例大比例大的层析柱。的层析柱。反之，则宜用比例小的层析柱。这样有利于节省时间和提反之，则宜用比例小的层析柱。这样有利于节省时间和提高分辨率。高分辨率。（2 2）吸附剂的用量）吸附剂的用量）吸附剂的用量）吸附剂的用量根据其自身的根据其自身的操作容量操作容量和分离物中和分离物中各成分的性质各成分的性质决定的。决定的。 当当操作容量高操作容量高时，吸附剂时，吸附剂用量少用量少。 一般吸附剂的用量为被分离样品的一般吸附剂的用量为被分离样品的30-50倍。倍。 若样品中各成分的性质相似难以分开时，则吸附剂用若样品中各成分的性质相似难以分开时，则吸附剂用量应增大，有时大于量应增大，有时大于100倍。倍。（3 3）装柱）装柱）装柱）装柱 干法装柱干法装柱直接加吸附剂至柱中，然后倒入溶剂直接加吸附剂至柱中，然后倒入溶剂此法不易排尽气泡，容易导致层析不均匀此法不易排尽气泡，容易导致层析不均匀湿法装柱湿法装柱先加适量溶剂至柱内，排走空气，然后将预先浸泡好的先加适量溶剂至柱内，排走空气，然后将预先浸泡好的吸附剂搅均，随即将此混悬液倾入柱中（图吸附剂搅均，随即将此混悬液倾入柱中（图3-5）；待其）；待其自然沉淀至柱高的自然沉淀至柱高的1/4 1/3 时，打开下端出口，让溶剂时，打开下端出口，让溶剂慢慢流出，使柱子上端悬浮液徐徐下降至需要的高度；慢慢流出，使柱子上端悬浮液徐徐下降至需要的高度；并用并用23倍量的洗脱剂流过层析柱，使其达到平衡倍量的洗脱剂流过层析柱，使其达到平衡注：注：吸附剂表面要平整，应一直浸泡在溶剂液面以下，严防吸附剂表面要平整，应一直浸泡在溶剂液面以下，严防产生气泡。湿法装柱均匀，不易留有气泡产生气泡。湿法装柱均匀，不易留有气泡（4 4）上样）上样）上样）上样样品的溶解度好样品的溶解度好加入的样品量利于提高分辨率加入的样品量利于提高分辨率样品的浓度与粘度的考虑样品的浓度与粘度的考虑注意：加样时避免冲动基质注意：加样时避免冲动基质 为了获得满意的分离结果，洗脱液的流速务必恰当控制。为了获得满意的分离结果，洗脱液的流速务必恰当控制。 如果如果太快太快，洗脱物在两相中的平衡过程不完全；，洗脱物在两相中的平衡过程不完全； 如果如果太慢太慢，洗脱物会扩散。，洗脱物会扩散。 若若峰与峰之间有重叠峰与峰之间有重叠，宜，宜降低洗脱剂的离子强度降低洗脱剂的离子强度，若峰间若峰间距离过大，或某些成分不能洗脱时距离过大，或某些成分不能洗脱时，宜，宜加大洗脱剂的强度加大洗脱剂的强度(极性极性)，成分复杂成分复杂时，可采用洗脱剂时，可采用洗脱剂由弱到强的梯度洗脱由弱到强的梯度洗脱(方法属于方法属于离子交换层析离子交换层析)。（5 5）洗脱）洗脱）洗脱）洗脱流速太慢，前峰拖尾与后峰相连流速太慢，前峰拖尾与后峰相连流速太快，流速太快，组分分不开组分分不开正常的流速使正常的流速使组分完全分离组分完全分离（6 6）吸附剂的再生）吸附剂的再生）吸附剂的再生）吸附剂的再生5-10倍倍1%氢氧化钠煮沸半小时后，趁热过滤，水洗三氢氧化钠煮沸半小时后，趁热过滤，水洗三次，再用次，再用3-6倍的倍的5%盐酸煮沸半小时，过滤，水洗至中性，盐酸煮沸半小时，过滤，水洗至中性，凉干，凉干，120烘干烘干12小时即可重新使用。小时即可重新使用。硅胶的再生硅胶的再生硅胶的再生硅胶的再生用用0.4MpH6.8的的PBS缓冲液洗柱至平衡即缓冲液洗柱至平衡即可重新使用。可重新使用。羟基磷灰石的再生羟基磷灰石的再生羟基磷灰石的再生羟基磷灰石的再生四、吸附层析工艺四、吸附层析工艺固定床吸附固定床吸附流化床吸附流化床吸附膨胀床吸附膨胀床吸附移动床吸附移动床吸附1、固定床吸附、固定床吸附料液料液分析仪分析仪吸吸附附塔塔液泵液泵吸附柱内填充固相吸附介质，含目标产物的料液输入吸附吸附柱内填充固相吸附介质，含目标产物的料液输入吸附柱，流经吸附剂后，溶质被吸附剂吸附。柱，流经吸附剂后，溶质被吸附剂吸附。0.051.0时间时间穿透点穿透点c/c0穿透点穿透点：出口处溶质浓度：出口处溶质浓度开始上升的点。开始上升的点。穿透时间：穿透时间：一般将出口浓一般将出口浓度达到入口浓度度达到入口浓度510的时间称为的时间称为穿透时间穿透时间。吸附过程中吸附柱出口吸附过程中吸附柱出口溶质浓度的变化曲线称溶质浓度的变化曲线称为为穿透曲线穿透曲线。操作达到穿透点后，继操作达到穿透点后，继续进料对增加吸附量的续进料对增加吸附量的效果不大，而且出口溶效果不大，而且出口溶质浓度迅速增大，造成质浓度迅速增大，造成目标产物的损失。目标产物的损失。应停止进料吸附操作，顺次应停止进料吸附操作，顺次转入转入杂质清洗杂质清洗、吸附溶质洗吸附溶质洗脱脱和和吸附剂再生吸附剂再生操作。操作。1.0出口出口c/c0入口入口t=0t1t3t4t5t2柱内液相溶质浓度分布柱内液相溶质浓度分布1.0时间时间c/c0t1t5t4t3t2穿透曲线穿透曲线吸附柱内轴向溶质浓度分布随时间的变化和对应的穿透曲线吸附柱内轴向溶质浓度分布随时间的变化和对应的穿透曲线2、流化床吸附、流化床吸附当流体通过床层的速度逐渐提高到某值时，颗粒出现松动，颗当流体通过床层的速度逐渐提高到某值时，颗粒出现松动，颗粒间空隙增大，床层体积出现膨胀。如果再进一步提高流体速度，粒间空隙增大，床层体积出现膨胀。如果再进一步提高流体速度，床层将不能维持固定状态。此时，颗粒全部悬浮与流体中，显示出床层将不能维持固定状态。此时，颗粒全部悬浮与流体中，显示出相当不规则的运动。随着流速的提高，颗粒的运动愈加剧烈，床层相当不规则的运动。随着流速的提高，颗粒的运动愈加剧烈，床层的膨胀也随之增大，但是颗粒仍逗留在床层内而不被流体带出。床的膨胀也随之增大，但是颗粒仍逗留在床层内而不被流体带出。床层的这种状态和液体相似成为流化床。层的这种状态和液体相似成为流化床。流化床流化床膨胀床膨胀床固定床固定床3、膨胀床吸附、膨胀床吸附当流体通过床层的速度逐渐提高到某值时，颗粒出现松当流体通过床层的速度逐渐提高到某值时，颗粒出现松动，颗粒间空隙增大，床层体积出现膨胀。如果再进一步提动，颗粒间空隙增大，床层体积出现膨胀。如果再进一步提高流体速度，床层将不能维持固定状态。此时，随着流速的高流体速度，床层将不能维持固定状态。此时，随着流速的增加，颗粒互相离开，并可看到增加，颗粒互相离开，并可看到少量的颗粒在一定的区间进少量的颗粒在一定的区间进行震动和游动行震动和游动，称为膨胀床，称为膨胀床。流化床流化床膨胀床膨胀床固定床固定床n固定床固定床：在吸附颗粒确定以后，床层的膨胀与通过床：在吸附颗粒确定以后，床层的膨胀与通过床层液体的表观流速层液体的表观流速U有关。当有关。当U不大时，颗粒之间仍保不大时，颗粒之间仍保持静止并互相接触，这种床层称为固定床。持静止并互相接触，这种床层称为固定床。优缺点优缺点：固定床中流体在介质中基本上呈平推流，返：固定床中流体在介质中基本上呈平推流，返混小，柱效率高；但混小，柱效率高；但无法处理含颗粒的料液无法处理含颗粒的料液，因为颗，因为颗粒会堵塞床层，造成压力降增大而最终使操作无法进粒会堵塞床层，造成压力降增大而最终使操作无法进行，所以在固定床吸附前需先进行培养液的预处理和行，所以在固定床吸附前需先进行培养液的预处理和固液分离。固液分离。固定床、流化床、膨胀床的对比固定床、流化床、膨胀床的对比n流化床流化床：当表观流速增大至最小流化：当表观流速增大至最小流化速度，颗粒不再相互支撑，开始悬浮速度，颗粒不再相互支撑，开始悬浮在液体中；进一步提高流速，床层随在液体中；进一步提高流速，床层随之膨胀，床层的压力降几乎不变，但之膨胀，床层的压力降几乎不变，但床层中颗粒的运动加剧，这时的床层床层中颗粒的运动加剧，这时的床层为流化床。为流化床。优缺点优缺点：压降小，可直接吸附含颗粒：压降小，可直接吸附含颗粒的料液；但存在较严重的返混，的料液；但存在较严重的返混，吸附吸附剂的利用率低，剂的利用率低，分离效率下降。分离效率下降。固定床、流化床、膨胀床的对比固定床、流化床、膨胀床的对比n膨胀床膨胀床：是液固相返混程度较低的液固流化床，综合是液固相返混程度较低的液固流化床，综合固定床和流化床吸附的优点，同时又克服了后两者的固定床和流化床吸附的优点，同时又克服了后两者的一些缺陷。一些缺陷。膨胀床与流化床的最大区别膨胀床与流化床的最大区别：流化的固相介质基本可：流化的固相介质基本可以悬浮在膨胀床内的以悬浮在膨胀床内的固定位置固定位置，流体流动状态和固定，流体流动状态和固定床相近，以接近平推流的方式流经床层，所以液固两床相近，以接近平推流的方式流经床层，所以液固两相的轴向混合程度都较低，从而使目标产物获得良好相的轴向混合程度都较低，从而使目标产物获得良好的吸附效率。的吸附效率。固定床、流化床、膨胀床的对比固定床、流化床、膨胀床的对比膨胀床与固定床的区别膨胀床与固定床的区别：膨胀床上的床层上部安装有可调膨胀床上的床层上部安装有可调节床层高度的调节器，当液体（料液节床层高度的调节器，当液体（料液或清洗液）从床底以高于吸附剂最小或清洗液）从床底以高于吸附剂最小流化速率的流速输入时，吸附剂床层流化速率的流速输入时，吸附剂床层产生膨胀，高度调节器上升。产生膨胀，高度调节器上升。由于床层空隙率高，可使菌体细由于床层空隙率高，可使菌体细胞或细胞碎片自由通过。可直接处理胞或细胞碎片自由通过。可直接处理菌体发酵液或细胞匀浆液，回收其中菌体发酵液或细胞匀浆液，回收其中的目标产物，从而可节省离心或过滤的目标产物，从而可节省离心或过滤等预处理过程。等预处理过程。固定床、流化床、膨胀床的对比固定床、流化床、膨胀床的对比4、移动、移动/模拟移动床吸模拟移动床吸附附吸附操作中的吸附操作中的固相可以固相可以连续输入和排出吸附塔连续输入和排出吸附塔，与料液形成逆流接触流与料液形成逆流接触流动，则可实现连续稳态动，则可实现连续稳态的吸附操作。的吸附操作。移动床移动床模拟移动床模拟移动床由于固相吸附剂移动不便且易由于固相吸附剂移动不便且易造成堵塞。可造成堵塞。可固定吸附剂，而固定吸附剂，而移动切换液相（包括料液和洗移动切换液相（包括料液和洗脱液）的入口和出口位置脱液）的入口和出口位置，如，如同移动固相一样，产生与移动同移动固相一样，产生与移动床相同的效果。床相同的效果。n可连续分离操作；可连续分离操作；n可根据生物、药物活性成分的种类调试不同的分离方法（层可根据生物、药物活性成分的种类调试不同的分离方法（层析、离交、吸附等等）；析、离交、吸附等等）；n制备效率高，提纯效果较一般工业制备色谱分离高出制备效率高，提纯效果较一般工业制备色谱分离高出40%。n运行成本低，使加工成本降运行成本低，使加工成本降50%，甚至，甚至80%。模拟移动床模拟移动床的特点的特点研究进展研究进展 2020世纪世纪6060年代发展起来的，主要用于石油年代发展起来的，主要用于石油 化工产品的化工产品的分离分离; ; 19691969年，美国年，美国UOPUOP公司（环球石油公司）将公司（环球石油公司）将SMBSMB分离技分离技术用于分离对二甲苯和间二甲苯术用于分离对二甲苯和间二甲苯; ; 19931993年，法国年，法国SeperexSeperex公司将公司将SMBSMB分离技术用于药物和分离技术用于药物和精细化工领域精细化工领域; ; 近些年，近些年，SMBSMB分离技术研究主要集中在分离技术研究主要集中在糖类分离、同分糖类分离、同分异构体分离、手性化合物异构体分离、手性化合物分离等方面。分离等方面。研究进展研究进展国际上糖醇工业中多数采用了国际上糖醇工业中多数采用了SMBSMB分离技术。分离技术。并并利用利用SMBSMB进行脱色、除蛋白、离子交换和脱盐等。进行脱色、除蛋白、离子交换和脱盐等。 德国研究与应用居世界领先地位；德国研究与应用居世界领先地位； 美国、法国、日本应用的也比较成熟；美国、法国、日本应用的也比较成熟； 国外已遍及石油化工、食品、精细化工、生物发酵国外已遍及石油化工、食品、精细化工、生物发酵 和医药等领域应用。和医药等领域应用。 五、应用实例五、应用实例1、纯化生命物质、纯化生命物质 使用吸附剂的柱层析或分批使用吸附剂的柱层析或分批吸附法可纯化生命物质。吸附法可纯化生命物质。 如用羟基磷灰石吸附剂能把如用羟基磷灰石吸附剂能把酸性酸性、中性中性和和碱性蛋白质碱性蛋白质分开，分开，也能把也能把不同结构的核酸不同结构的核酸分开。分开。 用该吸附剂分离含用该吸附剂分离含不同磷酸不同磷酸基团的蛋白质基团的蛋白质和和脂类脂类等化合物等化合物也是有效的。也是有效的。 混合样品混合样品： 90g胞质胞质B型多角体型多角体病毒病毒(CPV)双链双链RNA、2g枯草杆菌枯草杆菌(Bacillus subtilis)3H-双链双链DNA、2g枯草杆菌枯草杆菌14C-双链双链DNA上上5mm直径的层析柱。直径的层析柱。用用磷酸梯度缓冲液磷酸梯度缓冲液洗脱，其流量为洗脱，其流量为30ml/h，以以0.5ml管进行收集。管进行收集。每管收集液经紫外分光光度仪和液闪每管收集液经紫外分光光度仪和液闪仪的仪的测定测定分析，根据得到的数据即可分析，根据得到的数据即可绘制出绘制出分离示意图分离示意图。从图看出，双链从图看出，双链RNA是在低磷酸盐缓是在低磷酸盐缓冲液中先被洗出，而双链冲液中先被洗出，而双链DNA则则后后被被洗出。洗出。用用HA层析柱分离胞质型多角体病毒双链层析柱分离胞质型多角体病毒双链RNA2、分离蛋白质的亚基、分离蛋白质的亚基 一般蛋白质经一般蛋白质经SDS(十十二烷基硫酸钠二烷基硫酸钠)或或Triton X-100(聚氧乙基十六烷聚氧乙基十六烷基酚醚基酚醚)等等去污剂去污剂处理后，处理后，会产生分子质量不同的会产生分子质量不同的蛋白质亚基。蛋白质亚基。 这些物质可通过吸这些物质可通过吸附柱层析方法得到分离。附柱层析方法得到分离。 3、浓缩溶液、浓缩溶液 有些稀的溶液经层析柱处理后，浓度可大幅度提高。有些稀的溶液经层析柱处理后，浓度可大幅度提高。 例如，例如，Tiselius把把200ml稀的牛血清白蛋白稀的牛血清白蛋白(bovine serum albumin，BSA)溶液上溶液上HA层析柱，收集到的洗层析柱，收集到的洗脱液仅有几毫升，其脱液仅有几毫升，其浓度提高数十倍浓度提高数十倍。