CN103446778B - 无外界动力推动的离子交换树脂层析方法及装置 - Google Patents
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Abstract
无外界动力推动的离子交换树脂层析方法及装置，所述方法为：将待测样品加入样品容器，分离器内底部装入滤纸和离子交换树脂，封闭止水夹，在分离器内装入水；挤压气囊将样品泵入分离器内；交换完成后，拆除最上层分离器，使固定样品疏导管活塞塞进下一层分离器上洗脱并收集；按照所述的方法的装置，包括样品容器、样品输出管、样品疏导管、多层支架、至少两个分离器，样品输出管一端插入样品容器内底部、另一端与样品疏导管上端连通；分离器上端开口处塞入活塞、底端带有出口，活塞内固定连通管，最上层的分离器上的连通管上端与样品疏导管下端连通；位于最底层连接管上设置止水夹。本发明有益效果是：无需外加动力系统、成本低、处理量大、高效。
Description
技术领域
本发明涉及一种无外界动力推动的离子交换树脂层析方法及装置。
背景技术
生物实验中往往涉及到对目标产物的分离纯化。随着技术的进步与发展，很多手段，例如气相色谱，液相色谱，电泳等都进入实验室，在这些高精密度的仪器进样之前，一般需要对样品进行初级分离纯化。离心往往是最开始的一种分离纯化手段，根据密度的大小在离心的条件下获得分层。根据分层产物的一些共同特点再进行一次纯化。例如分离植物根部分泌的有机酸阴离子时，可以通过与阴离子树脂交换而结合在阴离子树脂上。而在此之前，可以经过阳离子树脂去除不需要的物质。最后将洗脱的物质进一步根据在液相柱的分配系数不同而逐步分开。从粗面到精面的分离纯化手段，是实验室的基本流程。离子交换树脂是一种常用的层析技术，基本原理是在一定的pH值下，物质表现出“酸碱性”，与对应的阳或阴离子进行交换。与树脂上的基团共价结合，之后可以用更强的酸（碱）从阳（阴）树脂上洗脱下来。
一般的离子树脂交换系统存在两个明显的缺陷：1，一般同一时间内只能进行单次样品的处理，无法实现高通量。2，组装需要层析柱这样的玻璃器材，价格较贵。3，一般分离的流体需要有外界的动力推动系统，例如恒流泵。对于实验室需要高通量分离纯化多个样品的时候，就需要花费更多的耗材，占用更大的实验室空间，最重要的是需要大量时间等待。
发明内容
为了解决目前的离子树脂交换系统需外部动力系统、设备成本高、并且处理量小的问题，本发明提出来一种无需外加动力系统、成本低、处理量大、高效的无外界动力推动的离子交换树脂层析方法及装置。
无外界动力推动的离子交换树脂层析方法，包括以下步骤：
1）将待测样品置于样品容器后，将样品输出管的末端置于样品容器内底部，并用固定夹固定；
2）在分离器内底部装入滤纸和用于吸附待测样品的离子交换树脂，封闭最底层分离器底部输出管的止水夹，同时装入能与分离器内填充的离子树脂充分交换的水之后，将分离器固定在多层支架底部对应的位置上；上层的分离器底部的输出管分别通过连接管与下层的离子交换树脂系统连通；除了位于最上层的分离器内填充用于吸附待测样品中的杂质的离子交换树脂之外，其余的下层的分离器均填充用于吸附待测样品的离子交换树脂；
3）将样品疏导管的活塞塞入最上层的分离器开口，松开止水夹，挤压气囊，此时待测样品不断的依次进入从上到下排布的分离器内，与各个分离器内填充的离子交换树脂进行交换之后的处理液从最底层的分离器流入废液缸内；
4）当待测样品全部流过整个装置之后，拆除最上层的分离器，使固定样品疏导管的活塞直接塞进下一层分离器上，根据剩余的分离器填装的离子交换树脂以及待获得的目标产物加入相应的酸或者碱进行洗脱，洗脱时，调节控速开关，使得进入各个分离器内的液体流速相同，并将洗脱后的液体通过整个装置底部的输出管收集到相应的容器内。
按照本发明所述的层析方法构建的装置，其特征在于：包括样品容器、样品输出管、样品疏导管、多层支架、至少两个分离器，所述的样品容器固定在所述的多层支架最上层的支撑板上，所述的样品容器的开口处设置固定夹，所述的样品输出管一端插入所述的样品容器内底部、另一端与带有气囊的样品疏导管上端连通；所述的分离器上端开口处塞入活塞、底端带有出口，并且所述的活塞内固定与分离器内腔连通的连通管，最上层的分离器上的连通管的上端与位于上方的所述的样品疏导管的下端连通；上一层的分离器的出口通过连接管与下一层的分离器的连通管连通；位于最底层的分离器底端的连接管作为输出管，并在所述的输出管上设置止水夹；所有的分离器从上到下依次安装在所述的多层支架的相应位置上。
所述的样品输出管为倒U型结构。
位于气囊下方的所述的样品疏导管上设置控速开关。
所述的分离器内底面铺设滤纸，除了位于最上层的分离器内填充用于吸附待测样品中的杂质的离子交换树脂之外，其余的下层的分离器均填充用于吸附待测样品的离子交换树脂。
整个装置设置2个分离器，其中上层的分离器内填充与待测样品携带基团相反电性的离子交换树脂、下层的分离器内填充用于吸附待测样品的离子交换树脂。
所述的多层支架通过支撑板从上到下分隔为4层，第一层固定样品容器、第二层固定样品疏导管、第三层为填充用于吸附杂质的离子交换树脂的分离器、第四层为填充用于吸附待测样品的离子交换树脂的分离器。
所述的分离纯化装置为立方体，长为63.5cm，宽为21cm，高为74.5cm，有效的液体柱高是65cm；所述的多层支架高度为74.5cm；所述的样品输出管、样品疏导管、连接管、输出管以及控速开关均为静脉输液管，其直径是3.5mm；而塞入活塞的连通管的直径是4mm；所述的分离器为注射器管，所述的分离器的开口处外翻的突出帽檐卡在多层支架的支撑板上的安装孔内，所述的分离器通过突出帽檐悬挂在多层支架相应的位置上。
所述的分离器的直径2.0cm，高度9.5cm，体积25cm3；所述的活塞底部直径1.8cm、顶部直径2.2cm、高度2.0cm；所述的连通管长度是4cm；所述的支撑板上均匀分布多个安装孔，并且所述的安装孔的直径与所述的分离器的直径匹配。
所述的支撑板为刚性框架穿插软质材料而成的小格架子。
所述的分离器内填充的离子交换树脂的质量为2～5g，下层的分离器内填充的离子交换树脂的体积占分离器总体积的1/4，并且最上层的分离器内填充的离子交换树脂的量大于下层的分离器内填充的离子交换树脂的量，并且整个分离过程中液体的下滴速度为1～2秒/滴。
工作原理：高效简易无外界动力推动的离子交换树脂层析系统借助液体的虹吸现象及大气压原理：
当挤压气囊时，整个样品输出管中的一部分气体排空，出现管内气压小于外界大气压，不足一个大气压的现象；正是在这样的基础上，外界大气压将液体推入样品输出管中，公式（1），样品输出管的最高点A和样品容器放置的支撑板之间的垂直距离h1必须小于h的值，不仅可以直接调节h1也可以根据气囊的大小V0，公式（2）。必须确保液体流过最高点A的前提下，当液体流过A时，由于液体自身的重力存在将一直向下流，从而形成样品输出管内真空的，从而大气压不断地将液体“压”入管中，直至液体全部流出样品容器：
其中V0表示气囊的体积，V表示整个输出导管以及气囊的总体积；P0表示一个大气压，ρ表示液体的密度；h为吸入样品输出管液体的高度；g为常数。
此外，为了保证液体与树脂颗粒之间有足够的交换面积，因此往层析柱内添加一定的水，形成水柱，这也是优越于一般层析柱之处。那么，最高点A到输出管管口中的液柱高度h2，以及两个注射器筒的气压之和p0′等价于外界大气压时，系统将处于平衡状态，公式(3)。此时，滴入上层注射筒的液滴速度等于进入下层注射筒的速度。这样的状态下，系统将实现样品与树脂之间的充分交换，获得最佳的分离效果：
p0′+ρgh2=p0 （3）
其中p0表示注射器筒的气压之和，h2表示最高点A到输出管管口中的水柱高度，P0表示一个大气压，ρ表示液体的密度；符合上述基本原理的情况下，经过适当的高度以及流速控制，机器才能获得最佳的效果。
本装置是基于离子交换来达到分离层析的目的的。因此，适合本装置的物质必须在溶液中呈现可解离的离子态，同时待分离的目标产物（或者分子中的某个基团）在不同的pH环境下会有不同的粒子形态。因此满足上述两个条件的物质可以是有机酸这样的弱酸类物质，在强酸下表现为分子态，不带电荷，可以从树脂上分离下来；或者氨基酸这样的两性物质，在强酸环境下呈现氨基的正电荷，碱性环境下呈现羧基的负电荷，可以实现在不同pH条件下，各种氨基酸有着不同的粒子形态，因而也可以被分离出来。像一些在溶液中表现为离子态的盐类或者碱类物质，或者溶液中表现为稳定分子态的物质，例如醇类，都不适合此装置。此外，不溶于水的有机物更加不可用于此装置，例如烷基类，芳香类物质。我们实验室利用此装置主要适用于分离植物根部分泌的一些有机酸物质，例如柠檬酸，苹果酸等一元或者两元羧酸，具有较好的分离效果。
本发明的有益效果是：①此层析装置不依赖外界动力提供，依靠自身的液体虹吸现象以及大气压原理提供动力；②此装置可以在高通量上体现出较大的效益，由于整个装置体积较小，而且外界动力都由自身提供，所以可以实现每次都处理批量样品，同步处理每一个样品；③整个装置组装的耗材花费极低，所有的零件可以以较低的成本获得，例如疏导管是医院常用的静脉点滴注射管，层析柱是注射器筒，软木塞以及有机玻璃管都是常见的材料；一个装置的费用大约只有十块钱；④具有较好的分离效果，由于每次液滴进入层析柱中都有水柱保持，可以进行充分的交换吸收，因此相比传统的层析，可以获得更好的分离效果；所有的零件都可以循环使用，体现了环保的意识。
附图说明
图1是本发明的结构图。
图2是本发明的多层支架的支撑板的结构图。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明
参照附图：
实施例1无外界动力推动的离子交换树脂层析方法，包括以下步骤：
1）将待测样品置于样品容器后，将样品输出管的末端置于样品容器内底部，并用固定夹固定；
2）在分离器内底部装入滤纸和用于吸附待测样品的离子交换树脂，封闭最底层分离器底部输出管的止水夹，同时装入能与分离器内填充的离子树脂充分交换的水之后，将分离器固定在多层支架底部对应的位置上；上层的分离器底部的输出管分别通过连接管与下层的离子交换树脂系统连通；除了位于最上层的分离器内填充用于吸附待测样品中的杂质的离子交换树脂之外，其余的下层的分离器均填充用于吸附待测样品的离子交换树脂；
3）将样品疏导管的活塞塞入最上层的分离器开口，松开止水夹，挤压气囊，此时待测样品不断的依次进入从上到下排布的分离器内，与各个分离器内填充的离子交换树脂进行交换之后的处理液从最底层的分离器流入废液缸6内；
4）当待测样品全部流过整个装置之后，拆除最上层的分离器，使固定样品疏导管的活塞直接塞进下一层分离器上，根据剩余的分离器填装的离子交换树脂以及待获得的目标产物加入相应的酸或者碱进行洗脱，洗脱时，调节控速开关，使得进入各个分离器内的液体流速相同，并将洗脱后的液体通过整个装置底部的输出管收集到相应的容器内。
实施例2按照实施例1所述的层析方法构建的装置，包括样品容器1、样品输出管2、样品疏导管3、多层支架4、至少两个分离器5，所述的样品容器1固定在所述的多层支架4最上层的支撑板41上，所述的样品容器1的开口处设置固定夹11，所述的样品输出管2一端插入所述的样品容器1内底部、另一端与带有气囊31的样品疏导管3上端连通；所述的分离器5上端开口处塞入活塞51、底端带有出口52，并且所述的活塞51内固定与分离器5内腔连通的连通管511，最上层的分离器5上的连通管511的上端与位于上方的所述的样品疏导管3的下端连通；上一层的分离器5的出口通过连接管53与下一层的分离器5的连通管511连通；位于最底层的分离器5底端的连接管53作为输出管，并在所述的输出管上设置止水夹531；所有的分离器5从上到下依次安装在所述的多层支架4的相应位置上。
所述的样品输出管2为倒U型结构。
位于气囊31下方的所述的样品疏导管3上设置控速开关32。
所述的分离器5内底面铺设滤纸，除了位于最上层的分离器5内填充用于吸附待测样品中的杂质的离子交换树脂之外，其余的下层的分离器5均填充用于吸附待测样品的离子交换树脂。
整个装置设置2个分离器2，其中上层的分离器5内填充与待测样品携带基团相反电性的离子交换树脂、下层的分离器内填充用于吸附待测样品的离子交换树脂。
所述的多层支架4通过支撑板41从上到下分隔为4层，第一层固定样品容器、第二层固定样品疏导管、第三层为填充用于吸附杂质的离子交换树脂的分离器、第四层为填充用于吸附待测样品的离子交换树脂的分离器。
所述的分离纯化装置为立方体，长为63.5cm，宽为21cm，高为74.5cm，有效的液体柱高是65cm；所述的多层支架高度为74.5cm；所述的样品输出管、样品疏导管、连接管、输出管以及控速开关均为静脉输液管，其直径是3.5mm；而塞入活塞的连通管的直径是4mm；所述的分离器为注射器管，所述的分离器5的开口处外翻的突出帽檐54卡在多层支架的支撑板41上的安装孔内，所述的分离器5通过突出帽檐悬挂在多层支架相应的位置上。
所述的分离器的直径2.0cm，高度9.5cm，体积25cm3；所述的活塞底部直径1.8cm、顶部直径2.2cm、高度2.0cm；所述的连通管长度是4cm；所述的支撑板上均匀分布多个安装孔，并且所述的安装孔的直径与所述的分离器的直径匹配。
所述的支撑板为刚性框架穿插软质材料而成的小格架子。
所述的分离器内填充的离子交换树脂的质量为2～5g，下层的分离器内填充的离子交换树脂的体积占分离器总体积的1/4，并且最上层的分离器内填充的离子交换树脂的量大于下层的分离器内填充的离子交换树脂的量，并且整个分离过程中液体的下滴速度为1～2秒/滴。
实施例3利用实施例2中的装置进行试验，根据分离目标产物的性质，调整阴阳离子交换树脂的类型和量。以分离有机酸类物质为例进行试验，先经过阳离子再过阴离子，可以增加阳离子树脂的量，已达到充分吸收“杂质”的目的。在体积为20毫升的注射器筒中加入5克Amberlite IR-102B(H+)阳离子树脂,大约占总体积的1/4，厚度为6厘米。为防止树脂颗粒滚进管道中，可以在添加树脂之前在底部铺一层脱脂棉，约2毫米厚度，再以滤纸覆盖。第二级分离器中加入2克Dowex 1×8（100-200目，甲酸型）阴离子交换树脂，占1/5体积。每个分离管中加入水的体积大约占树脂体积的3倍，略微有点差异并不影响分离效果。
本装置在分离柱内填充的离子交换树脂在2-5克范围内，占分离柱体积的1/4，考虑到目标产物的一些性质，可以适当调整阴阳离子树脂的量，如果先过阳离子树脂，起到吸附杂质的作用，可以适当量多一点。反之，阴离子可以适当加多一点。也可以实验中待分离混合物的总体积等因素，适当调整。我们实验室用于分离有机酸的体积是250毫升，需要阳离子5克，阴离子2克，水占3倍树脂体积，就会有较好的分离效果。在分离过程中，可以通过调整控速开关来实现速度的快慢，一般可以1-2秒一滴的速度，速度较慢的情况下会有较好的分离效果。在这样的速度下，可以在4个小时内完成一个样品，同时本装置是基因高通量的特点，可以多个样品同步进行，我们实验室的装置可以一次处理16个样品。有时，可以将速度调整到过夜也行。目标产物经洗脱，液相分析后，与传统的层析比较，在峰的数目上并没有减少，甚至一些低浓度的小峰也会出现，可能是由于速度慢，分离柱小而树脂较厚而有着更为优越的分离能力。在分离效率上，我们曾经将1,5,10μmol三个浓度下的苹果酸和柠檬酸标准样品，三个重复，经过装置分离纯化之后，可以达到92.5%±0.04%～95%±0.1%的分离效果。因此即使在较低浓度下的样品也可以有较好的分离纯化出来。因此分装置在具体实验操作上还是有可行的。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。
Claims (6)
1.无外界动力推动的离子交换树脂层析方法，包括以下步骤：
1)将待测样品置于样品容器后，将样品输出管的末端置于样品容器内底部，并用固定夹固定；
2)从下到上依次将离子交换树脂系统的分离器内底部装入滤纸和用于吸附待测样品的离子交换树脂，封闭最底层离子交换树脂系统底部输出管的止水夹，同时装入能与分离器内填充的离子树脂充分交换的水之后，将分离器固定在多层支架底部对应的位置上；上层的离子交换树脂系统底部的输出管分别通过连接管与下层的离子交换树脂系统连通；除了位于最上层的分离器内填充用于吸附待测样品中的杂质的离子交换树脂之外，其余的下层的分离器均填充用于吸附待测样品的离子交换树脂；
3)将样品疏导管的活塞塞入最上层的分离器开口，松开止水夹，挤压气囊，此时待测样品不断的依次进入从上到下排布的分离器内，与各个分离器内填充的离子交换树脂进行交换之后的处理液从最底层的分离器流入废液缸内；
4)当待测样品全部流过整个装置之后，拆除最上层的离子交换树脂系统，使固定样品疏导管的活塞直接塞进下一层分离器上，根据剩余的分离器填装的离子交换树脂以及待获得的目标产物加入相应的酸或者碱进行洗脱，洗脱时，调节控速开关，使得进入各个分离器内的液体流速相同，并将洗脱后的液体通过整个装置底部的输出管收集到相应的容器内。
2.按照权利要求1所述的层析方法构建的装置，其特征在于：包括样品容器、样品输出管、样品疏导管、多层支架、至少两个分离器，所述的样品容器固定在所述的多层支架最上层的支撑板上，所述的样品容器的开口处设置固定夹，所述的样品输出管一端插入所述的样品容器内底部、另一端与带有气囊的样品疏导管上端连通；所述的分离器上端开口处塞入活塞、底端带有出口，并且所述的活塞内固定与分离器内腔连通的连通管，最上层的分离器上的连通管的上端与位于上方的所述的样品疏导管的下端连通；上一层的分离器的出口通过连接管与下一层的分离器的连通管连通；位于最底层的分离器底端的连接管作为输出管，并在所述的输出管上设置止水夹；所有的分离器从上到下依次安装在所述的多层支架的相应位置上；
所述的样品输出管为倒U型结构；
所述的分离器内底面铺设滤纸，除了位于最上层的分离器内填充用于吸附待测样品中的杂质的离子交换树脂之外，其余的下层的分离器均填充用于吸附待测样品的离子交换树脂；
整个装置设置2个分离器，其中上层的分离器内填充与待测样品携带基团相反电性的离子交换树脂、下层的分离器内填充用于吸附待测样品的离子交换树脂；
所述的多层支架通过支撑板从上到下分隔为4层，第一层固定样品容器、第二层固定样品疏导管、第三层为填充用于吸附杂质的离子交换树脂的分离器、第四层为填充用于吸附待测样品的离子交换树脂的分离器。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于：位于气囊下方的所述的样品疏导管上设置控速开关。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于：所述的分离纯化装置为立方体，长为63.5cm，宽为21cm，高为74.5cm，有效的液体柱高是65cm；所述的多层支架高度为74.5cm；所述的样品输出管、样品疏导管、连接管、输出管以及控速开关均为静脉输液管，其直径是3.5mm；而塞入活塞的连通管的直径是4mm；所述的分离器为注射器管，所述的分离器的开口处外翻的突出帽檐卡在多层支架的支撑板上的安装孔内，所述的分离器通过突出帽檐悬挂在多层支架相应的位置上。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于：所述的分离器的直径2.0cm，高度9.5cm，体积25cm3；所述的活塞底部直径1.8cm、顶部直径2.2cm、高度2.0cm；所述的连通管长度是4cm；所述的支撑板上均匀分布多个安装孔，并且所述的安装孔的直径与所述的分离器的直径匹配。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于：所述的分离器内填充的离子交换树脂的质量为2～5g，下层的分离器内填充的离子交换树脂的体积占分离器总体积的1/4，并且最上层的分离器内填充的离子交换树脂的量大于下层的分离器内填充的离子交换树脂的量，并且整个分离过程中液体的下滴速度为1～2秒/滴。
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