闡述實驗室中常用層析分析
更新時間：2021-03-30 點擊次數：2871次闡述實驗室中常用層析分析
根據層析法中兩相的性質和操作方法不同，層析法有許多類型，僅就幾種常用的方法介紹如下：
一、吸附層析(Absorption Chromatography)
吸附作用是指某些物質能夠從溶液中將溶質濃集在其表面的現象。吸附劑吸附能力的強弱與被吸附物質的化學結構、溶劑的本質和吸附劑的本質有關。當改變吸附劑周圍溶劑成分時，吸附劑對被吸附物質的親和力便發生變化，使被吸附物質從吸附劑上解脫下來，這一解脫過程稱為“洗脫”或“展層”。
吸附層析是把吸附劑裝入玻璃柱內（吸附柱層析法）或鋪在玻璃板上（薄層層析法），由于吸附劑的吸附能力可受溶劑影響而發生改變，樣品中的物質被吸附劑吸附后，用適當的洗脫液沖洗，改變吸附劑的吸附能力，使之解吸，隨洗脫液向前移動。當解吸下來的物質向前移動時，遇到前面新的吸附劑又重新被吸附。此被吸附的物質再被后來的洗脫液解脫下來。經如此反復的吸附-解吸-再吸附-再解吸的過程，物質即可沿著洗脫液的前進方向移動。其移動速度取決于吸附劑對該物質的吸附能力。由于同一吸附劑對樣品中各組分的吸附能力不同，所以在洗脫過程中各組分便會由于移動速度不同而逐漸分離出來，這就是吸附層析的基本過程。
實驗中常用的固體吸附劑有氧化鋁、硅酸鎂、磷酸鈣、氫氧化鈣、florsit、活性鈣、蔗糖、纖維素和淀粉。常用的洗脫液有乙烷、苯乙醚、氯-仿，以及乙醇、丙酮或水與有機溶劑形成的各種混合物，吸附層析通常用于分離脂類、類固醇類、類胡羅卜素、葉綠素以及它們的前體等非極性和極性不強的有機物。
值得提出的是，幾乎所有的溶質對于所有的層析介質，即使是惰性的物質都有一定限度的吸附力，除吸附層析本身之外，吸附作用還或多或少地存在于所有其他類型的層析中。
二、分配層析（Partition Chromatography）
分配層析是利用混合物中各組分在兩相中分配系數不同而達到分離目的的層析技術，相當于一種連續性的溶劑抽提方法。
在分配層析中，固定相是極性溶劑（例如水、稀硫酸、甲醇等）。此類溶劑能和多孔的支持物(常用的是吸附力小、反應性弱的惰性物質如淀粉、纖維素粉，濾紙等)緊密結合，使呈不流動狀態；流動相則是非極性的有機溶劑。分配系數(a)是指在一定溫度
和壓力條件下達到平衡，物質在固定相和流動相兩部分的濃度比值。
分配系數（a）= | 物質在固定相中的濃度 |
物質在流動相中的濃度 |
在層析過程中，當有機溶劑流動相流經樣品點時，樣品中的溶質便按其分配系數部分地轉入流動相向前移動。當經過前方固定相時，流動相中的溶質就會進行分配，一部分進入固定相。通過這樣不斷進行的流動和再分配，溶質沿著流動方向不斷前進。各種溶質由于分配系數不同，向前移動的速度也各不相同。分配系數的物質，由于分配在固定相多些，分配在流動相少些，溶質移動較慢；而分配系數較小的物質，流動速度較快。從而將分配系數不同的物質分離開來。
在紙層析中，Rf值的大小主要取決于該組分的分配系數。分配系數大者移動速度慢，Rf值也小；反之分配系數小者移動速度快Rf值也大。因為每種物質在一定條件下對于一定的溶劑系統，其分配系數是一定的，Rf值也恒定。因此可以根據Rf值對分離的物質進行鑒定。支持物在分配層析中起支持固定相的作用，根據其使用方式也分柱層析和薄層層析兩種。用濾紙做支持物的紙層析法是zui常用的分配層析。實驗中應選用厚度適當、質地均一、含金屬離子(鈣、銅、鎂、鐵等)盡量少的濾紙為支持物。濾紙中吸附著的水（約含20-22%）是常用的固定相。酚、醇是常用的流動相。展層方法多可采用垂直型（圖1-10），也可采用水平型。把欲分離的樣品點加于紙的一端，使流動相經此移動，這樣在兩相間就發生分配現象。根據樣品中各組中的分配系數不同，它們就逐漸集中于紙上不同的部位。各組分在濾紙上的移動速度可用Rf值來表示。
Rf = | 溶質層析點心到原點心的距離 |
溶劑前沿到原點心的距離 |
有時幾種成分在一個溶劑系統中層析所得Rf值相近，不易分離清楚。這時可以在第-一次層析后將濾紙吹干逆轉90 o角，再采用另一種溶劑系統進行第二次層析，往往可以得到滿意的分離效果。這種方法稱為“雙向紙層析法”（圖1-11），以與一般的“單向紙層析”相區別。
三、離子交換層析（Ion-exchange Chromatography）
離子交換層析是利用離子交換劑對需要分離的各種離子具有不同的親和力（靜電引力）而達到分離目的的層析技術。離子交換層析的固定相是離子交換劑，流動相是具有一定pH和一定離子強度的電解質溶液。
離子交換劑是具有酸性或堿性基團的不溶性高分子化合物，這些帶電荷的酸性或堿性基團與其母體以共價鍵相連，這些基團所吸引的陽離子或陰離子可以與水溶液中的陽離子或陰離子進行可逆的交換。因此根據可交換離子的性質將離子交換劑分為兩大類：陽離子交換劑和陰離子交換劑（圖1-12）。
據離子交換劑的化學本質，可將其分為離子交換樹脂、離子交換纖維素和離子交換葡聚糖等多種。
離子交換樹脂是人工合成的高分子化合物，生化實驗中所用的離子交換樹脂多為交聯聚苯乙稀衍生物。離子交換樹脂多用于樣品去離子，從廢液中回收所需的離子和水的處理等。由于它可使不穩定的生物大分子變性，因此不適用于對生物樣品進行分離。
CH2OCH2.CH2.N+H.(CH2CH3)2 |
離子交換纖維素（圖1-13）可用于生物大分子的分離。其缺點是分子形態不規則，孔隙不均一，對要求非常嚴格的試驗尚不夠滿意。
較為理想的離子交換劑是離子交換葡聚糖凝膠和離子交換瓊脂糖凝膠。它們具有顆粒整齊，孔徑均一等優點，往往得到較好的分離效果。
換劑帶正電并吸引相反離子OH-）加入樣品后，使樣品與交換劑所吸引的相反離子（H+或OH-）進行交換，樣品中待分離物質便通過電價鍵吸附于離子交換劑上面（圖1-14）。然后用基本上不會改變交換劑對樣品離子親和狀態的溶液（如起始緩沖液）充分沖洗，使未吸附的物質洗出。洗脫待分離物質時常用的兩種方法，一是制作電解質濃度梯度，即離子強度梯度。通過不斷增加離子強度，吸附到交換劑上的物質根據其靜電引力的大小而不斷競爭性的解脫下來；二是制作pH梯度，影響樣品電離能力，也使交換劑與樣品離子親和力下降，當pH梯度接近各樣品離子的等電點時，該離子就被解脫下來。在實際工作中，離子強度梯度和pH梯度可以是連續的（稱梯度洗脫），也可以是不連續的（稱階段洗脫）。一般來講，前者分離的效果比后者的分離效果理想，梯度洗脫需要梯度混合器來制造離子強度梯度或pH梯度。圖1-15是zui簡單的梯度混合器，它由兩個容器組成，兩容器之間以連通管相連接，與出口連接的容器裝有攪拌裝置，內盛起始洗脫液，此洗脫液代表開始洗脫的離子強度（或起始pH）；另一容器內盛有終末洗脫液，此洗脫液代表洗脫的zui后離子強度(或zui后pH)。在洗脫過程中，由于終末洗脫液不斷進入起始洗脫液中，并不斷被攪拌均勻，所以流出的洗脫液成分不斷的由起始狀態向終末狀態演變形成連續的梯度變化。
四、凝膠過濾(Gel Filtration)
凝膠過濾是利用具有一定口徑范圍的多孔凝膠的分子篩作用對生物大分子進行分離的層析技術。當樣品隨流動相經過由凝膠組成的固定相時，分子量大的物質不能擴散進入凝膠顆粒內部，于是隨流動相流經顆粒之間的狹窄空隙，首先洗脫出層析柱；分子量小的物質可以擴散進入凝膠顆粒內部，比分子量物質流經的載面積寬，流動速度慢，于是與分子量大的物質分離開來，zui后被洗脫出來（圖1-16）。即固定相的網孔對不同分子量的樣品成分具有不同的阻滯作用，使之以不同的速度通過凝膠柱，從而達到分離的目的，凝膠過濾又因此得名“分子篩層析”和“凝膠排阻層析”。
凝膠柱的總體積（Vt）：凝膠顆粒之間空隙的體積（外水體積Vo）、凝膠顆粒網眼內的體積（內水體積Vi）和凝膠顆粒基質本身的體積（Vr）的總和（圖1-17）。在實際工作中，對于同一個凝膠柱來說，各種分子量的物質有其固定的洗脫體積。因此，準確掌握凝膠柱的一些基本因素是十分有益的。
Vt=Vo+Vi+Vr
如果被分離的物質分子量很大，*不能進入網孔內，那末它從柱上洗脫下來（小樣品時以洗脫峰為準）所需的洗脫液體積（Ve）就等于顆粒間隙的體積（Vo），即Ve=Vo。如果被分離物質的分子量極小，可以非常自由的通過網孔即進出凝膠顆粒，那么它的洗脫液體積就應當等于顆粒內和顆粒間隙體積的總和（Ve=Vo+Vi）。至于分子量位于上兩者之間的，其洗脫體積便位于Vo和Vo+Vi之間。可見，分子量大小不同的物質，其洗脫體積不同，從而可以用于物質的分離。另外，如果在有已知分子量的標準物質做對照的條件下，就可以根據洗脫體積來估計待測物質的分子量。
Sephadex G-200（超細顆粒）柱2.6×70cm，洗脫液：0.05mol/L磷酸鉀緩沖液，內含0.1 mol/LNaCl及0.02%NaN3，流速1ml/cm2/hr。
1．過氧化氫酶（210，000）
2．醛縮酶（158，000）
3．牛血清蛋白（67，000）
4．卵清蛋白（43，000）
5．糜蛋白酶原A（25，000）
6．核糖核酸酶A（13，700）
凝膠過濾除用于生物大分子的分離、分子量測定外，還可用于提純、脫鹽和復合物組分成分分析等。
五、親和層析(Affinity Chromatography)
親和層析法是近年來廣為重視并得到迅速發展的提純、分離方法之一。許多物質都具有和某化合物發生特異性可逆結合的特性。例如：酶與輔酶或酶與底物（產物或競爭性抑制劑等），抗原與抗體，凝集素與受體，維生素與結合蛋白，凝集素與多糖（或糖蛋白、細胞表面受體），核酸與互補鏈（或組蛋白、核酸多聚酶、結合蛋白）以及細胞與細胞表面特異蛋白（或凝集素）等。親和層析法就是利用化學方法將可與待分離物質可逆性特異結合的化合物（稱配體）連接到某種固相載體上，并將載有配體的固相載體裝柱，當待提純的生物大分子通過此層析柱時，此生物大分子便與載體上的配體特異的結合而留在柱上，其他物質則被沖洗出去。然后再用適當方法使這種生物大分子從配體上分離并洗脫下來，從而達到分離提純的目的。
親和層析由于配體與待分離物質進行特異性結合，所以分離提純的效率*，提純度可達幾千倍，是當前zui為理想的提純方法。親和層析配體與待分離物質特異性結合性質還可用來從變性的樣品中提純出其中未變性部分，從大量污染的物質中提純小量所需成分，親和層析還可用來從極度稀薄的液體中濃縮其溶質。
親和層析所用的載體和凝膠過濾所要求的凝膠特性相同，即化學性質穩定，不帶電荷，吸附能力弱，網狀疏松，機械強度好，不易變形，保障流速的物質。聚丙烯酰胺凝膠顆粒、葡聚糖凝膠顆粒以及瓊脂糖凝膠顆粒都可用，其中以瓊脂糖凝膠(Sephadex 4B)型應用zui廣泛。親和層析的關鍵是設法選擇合適的配體并將此配體與載體化學連接起來，形成穩定的共價鍵，這需要在實際工作中根據需要加以選擇和試驗。
層析技術是近代生物化學實驗中常用的分析方法之一，任何層析過程都是在兩個相中進行的。一是固定于支持物上的固定相，另一是流經固定相的流動相，由于樣品中各組分理化性質（如溶解度、吸附能力、分子形狀、分子所帶電荷的性質和數量、分子表面的特殊基團、分子量等）不同，表現出對固定相和流動相的親和力各不相同。當混雜物通過多孔的支持物時，它們受固定相的阻力和受流動相的推力也不同，各組分移動速度各異并在支持物上集中分布于不同的區域，從而各組分得以分離。
