凝胶色谱法的原理是什么?
实验室k / 2019-07-27
凝胶色谱法是六十年代发展起来的一种简便有效的分离分析方法,由瑞典科学家Flodin首先试制成交联葡聚糖(商品名Sephadex),用于分离生物大分子取得了满意的效果。现今用来作为凝胶色谱填充剂的,如葡萄糖凝胶、琼脂糖凝胶、聚丙酰胺凝胶等,都是一种经交联而具有立体网状结构的多聚体,它们化学惰性,大多数具有极性基团,能吸收大量水分或其他极性溶剂。凝胶吸收溶剂后溶胀而在内部留下了孔隙,根据聚合时的交联度,使它具有一个排阻分子量的范围。在这范围以下的分子能自由渗透到凝胶颗粒内部的孔隙而被保留;在这范围以上的分子由于分子较大,不能渗透到颗粒内。被排阻在凝胶颗粒外,直接随洗脱剂流动而不被保留;介于大小分子之间的中等大小分子则以不同程度渗透到孔隙内部,以致有不同程度的保留。因此,用溶胀后的凝胶装入色谱柱中,采用一般的色谱方法,就能使分子量大小不同的物质因进入凝胶颗粒网状结构的能力不同而达到分离和纯化目的。根据它的分离机理又可以把凝胶色谱称为分子筛色谱、凝胶滲透色谱、分子排阻色谱和凝胶过滤等,虽然名称不一,但使用的技术是相同的。
凝胶色谱可视为一种“新的分配系统”。在此系统中,凝胶颗粒之间的液相体积称为外水体积,用符号V0表示,作为流动相;凝胶颗粒孔隙内的液相体积称为内水体积,用符合Vi表示,作为固定液相,溶质在这两液相中进行分配。色谱的基本方程VR=Vm+KVs同样适用于凝胶色谱。
最简单和最理想的凝胶色谱形式,是设想凝胶颗粒内的孔隙呈圆锥形,且所有的孔隙具有相同的形状和大小。根据溶质分子的大小决定它渗透到圆锥体孔隙的程度,大分子的溶质因为太大,以致完全不能进入孔隙,而直接随洗脱剂流出柱外,它的分配系数K=0,保留体积VR等于外水体积V0(VR=V0);如果是相当小的分子或离子,它们将自由进出凝胶颗粒孔隙的内外,使颗粒内外的浓度相等,即分配系数K=1,所以,对小分子言,它的保留体积VR等于外水体积V0与内水体Vi之和(VR=V0+Vi);介于大小分子之间的分子则以不同程度渗透到圆锥体的孔隙内,其保留体积也介于大、小分子的之间,K值介于0~1之间。正由于大小不同的分子渗透到圆锥体孔隙的深度不同,才使它们在凝胶柱上各自的保留体积不同,而得以分离。
在凝胶色谱中,由于K<1,所以,它的极限使得凝胶色谱有独特的优点,即分配等温线呈线性。在整个色谱分离的过程中,溶质在Vi中的浓度与在V0中的浓度呈正比,洗脱峰为对称形高斯曲线。又由于K的极大值为1,所有的组分必须在V0+Vi的体积中流出,因此,只需等到VR=V0+Vi,便可以继续上样,即使是未知样品也可自动进样。
然而,上面的过程仅是基于简单的排阻理论,是一个理想的过程。实际上,还常常伴有其他的机理在起作用。如有一部分内水体积为凝胶所吸附,小分子不能进入这一部分液相,使它的K值小于1;又如凝胶还具有一些吸附力,使溶质分子保留在其表面,尤其是有些溶质与凝胶形成氢键则更是如此。对一些强吸附物质的K值可以高到20左右,这样,它的保留体积就大大地大于V0+Vi。