整體色譜柱的研究進展

王 旭，梁西良

（黑龍江省科學院 高技術研究院,黑龍江 哈爾濱 150036）

前 言

整體色譜柱是有單體、引發劑等溶劑混合后的溶液在普通色譜柱內通過原位法、光熱法或者由光引發聚合而制成的連續固定相，可以用整體色譜柱來分離蛋白質等一些生物大分子。整體色譜柱為改善色譜柱的性能及增大色譜柱的應用范圍開拓了廣闊的前景。

1 應用

20世紀中期，Synge、Martin，等人發現并提出了當時可用的色譜柱材料用過之后很快就會消失。

Tennikova和Svec[1]在文章中談到了用長度較短的色譜柱支持的連續床結合對流傳質運輸的優勢的想法，實驗中所用到的材料是聚甲基丙烯酸酯。Plieva F，等人[2]與 Kucerová Z，等人[3]分別用聚丙烯和聚苯乙烯為合成材料，生產整體柱材料。Jungbauer A，等人[4]，用聚甲基丙烯酸酯合成整體材料。

Unger K[5]和 Nunez O，等[6]還利用硅膠進行合成連續固定相即具備工業規模的整體柱。Jungbauer A，等人[7]利用整體柱分離蛋白質和DNA等生物大分子，Tennikova T.B，等人[8]通過整體柱分離生物病毒等大分子。Gustavsson P.E，等[9]還利用天然聚合物瓊脂糖和纖維素進行合成整體柱材料。

整體柱與填充柱有著明顯的區別，整體柱是一個單一的反應機體，反應過程中可以充分利用，孔體積可以完成對流傳質。Jungbauer A，等[10]在文章中指出，由于整體柱中界面傳質利用率高，所以在質量交換中，所需要的時間就很少，分離出來的時間就會很短。Gritti F和Guiochon G.[11]在文章中闡述了整體柱與顆粒填充柱的區別，顆粒填充柱只有大約60%左右的面積能夠利用上，而整體柱的利用率比顆粒填充柱高很多。

整體柱主要應用于高效色譜柱上，Guiochon[12]和Siouffi[13]兩位還就整體柱主要應用于高效液相色譜測試方面進行了闡述。

目前國內外大多用控制聚合溫度的方法，受聚合動力學的影響，有效地引發聚合反應，來制備整體柱。溫度的高低影響成核率的高低，我們通過控制聚合溫度，就可以控制成核數量，從而影響整體柱內孔徑的排列分布。我們還可以通過使用致孔劑這一種手段來得到比較大的孔間距，也就是控制整體柱的多孔性能。

2 整體柱的構造及優缺點

整體色譜柱主要分為柱管和填料兩個組成部分，溶劑從柱體一端流向另一端，通過柱體內孔洞流出，溶劑中的溶質與色譜柱內的固定相反應，進而完成分離。同時，為了增加色譜柱處理樣品的分離量，可以增大色譜柱的直徑或者加長色譜柱，從而達到增加處理量的目的。溶劑通過色譜柱的流動方式分為向心式和離心式，其中向心式是比較常見的流動模式。

整體色譜柱具有快速分離的優點，色譜柱內的孔道基本都是不規則的，且孔道都是通透的，這樣可以減少擴散時的阻力。

色譜柱內孔分布均勻，在高流速和低流速下，對溶劑通過整體柱的分辨率的影響不大。

整體柱在制備工藝上比填充柱簡單，成本也較低，且可以經過多次、長時間的溶劑流通反應，具有良好的穩定性，分辨率在多次使用后也保持較高的水平。雖然整體柱具備很多優點，但是在一些方面還是存在缺點的。整體柱的機械性能較差，聚合反應時放熱，使得柱內孔徑大小及孔道分布情況發生變化，從而影響溶劑通過整體柱時的反應效率。Abia JA和Mriziq KS，等[14]對此有所探討，特別是溶劑中有小分子化合物反應時的反應效率變低。

Branovic K和Lattner G，等[15]在文章中還指出，整體柱與傳統的填料相比較，它的孔徑比較大，比表面積也比較小，較低的柱容量導致了溶劑流通時效的反應效率變低。

3 制備工藝

整體柱的制備工藝主要分為聚合和表面修飾兩部分。熱引發聚合是現階段國內外使用較多的聚合方法，也是第一種制備整體柱的聚合方法。通過此方法制備整體柱，可以通過控制溫度的改變，聚合的時間長短等因素，來改變聚合后整體柱的化學性質。

通過改變孔內聚合溫度，進而改變孔徑分布，這個聚合溫度主要影響到小孔徑的形成。整體柱內的單體濃度比其周圍溶液濃度高，伴隨著溫度的升高，聚合后的大分子在溶液中形成，為其提供主要動力來源的是核內聚合。

聚合方法還包括光引發和電子束引發等方法，光引發聚合比熱聚合更快。Unilever研究出多孔聚合的方法為高內相乳液聚合，聚合混合物中含有很小比例的單體，聚合作用時釋放出的熱量比較容易消散。比較適合制備大體積的整體材料。

Mattiasson B，等[18]開發出冷凍凝膠技術，這項技術可以提供海綿狀親水整體材料，孔徑非常大，聚合反應后，可以重新添加新的單體發生新的鏈接反應，此為活性聚合。這種聚合通過單體為引發劑或者催化劑，控制定量反應，可以形成反應鏈長度相似的聚合物，在柱內形成的結構更加均勻。

Tsarevsky NV，等[16]通過原子轉移自由基聚合制備一些聚合物和共聚物，但在制備整體柱方面的應用比較少。Kanamori K，Hasegawa J，等[17]利用 1,3-甘油二甲基純交聯劑制備整體柱材料，干燥后，整體柱內并沒有體現出多孔性，但是改變了參數，可以獲得大范圍孔徑的整體柱材料。

4 分 類

整體柱分為無機和有機兩種類型，硅膠整體柱是無機整體柱中應用最為廣泛的。Plieva F M和GalaevI Y，等[18]以硅膠為基質，在管內進行固定化，其中有大孔和中孔的結構，其孔隙率達到80%以上，有著較高的機械強度，化學穩定性較好。硅膠整體柱在干燥和焙燒的過程中，容易產生開裂和變形的可能，因此，溶膠—凝膠硅膠整體柱，主要就是避免在干燥過程中形成開裂和變形的問題。制備凝膠時要注意消除微孔，會延長整體柱的使用壽命。后來液相色譜中主要應用的是以硅烷化合物或混合物為原料的溶膠凝膠整體柱。硅膠整體柱制備過程較為簡單，可以根據反應的需要，調節孔的大小，多用于反相色譜、離子交換色譜和親水作用色譜等多種色譜柱中。

（1）正向色譜適用于有極性混合物的快速分離；

（2）親水作用色譜多用于分離極性化合物；

（3）反相色譜是目前應用最為廣泛的色譜分離方法之一，基于分離分子的非極性基團和固體基質的配體之間的相互作用，后來發展成為毛細管高效液相色譜和點色譜分離方法；

（4）離子交換色譜具有快速、簡單、非破壞性的測定方法的特點。

有機整體柱主要分為聚丙烯酰胺類整體柱、聚甲基丙烯酸酯類整體柱和聚苯乙烯類整體柱三種類型[19]。該類型的整體柱是將單體，交聯劑等混合到一起形成溶劑，經過熱聚合反應，通過溶劑在整體柱內的流通，去除致孔劑。

ZhaoL、Ban L和 ZhangQW，等[20]研究制備的整體柱的機械性能，可以看出殘留的致孔劑對反應效率的影響不大。

5 結束語

整體色譜柱通過聚合放熱，制備簡單，柱內孔隙率比較高，使用壽命較長，反復使用多次后仍然能達到較高的反應效率。整體柱在各種色譜上應用比較廣泛，今后在分離生物大分子上也會有良好的前景。