CN1736536A - 外加与流动方向垂直电场的制备型电色谱分离设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种外加与流动方向垂直电场的制备型电色谱的分离设备，属于生物产品加工和分离技术领域。该设备为一种三腔室的矩形电色谱柱，由中央装填料的凝胶室和两侧的电极室组成，凝胶室8是两侧有对称的槽沟和中间为长方形中空的有机玻璃体；槽沟内设置具有截留分子量大于1000道尔顿的、可自由通过导电离子的膜板3；在凝胶室外两侧各有一个电极室9；电极室9内壁固定惰性铂电极5；电极室9与凝胶室8中充有包括乙酸盐、磷酸盐、碳酸氢盐或三羟甲基氨基甲烷－盐酸溶液。本发明的设备具有分离能力强、处理量大和适用范围广等优点，在蛋白质、核酸等生物大分子的分离与纯化中具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于分离蛋白质等生物大分子的、外加与流动方向垂直电场的制备型电色谱的分离设备，属于生物产品加工和分离技术领域。
背景技术
在制备型电色谱的放大过程中，除了要解决在色谱中引入稳定的电场外，必须解决由于外电场的引入而带来的诸多问题。其中最重要的是解决焦耳热和电解产物问题。大多数蛋白质在40℃左右就会快速变性，电色谱中焦耳热的产生和柱截面积及电压的平方成正比，在电色谱放大时，一方面，提高柱高需要增大柱两端的电压来维持柱内合适的电场强度；另一方面，增大柱直径将导致柱截面积的增大，从而使柱内产生的焦耳热大大增加。当柱内热量的产生超过其散热能力时将会引起柱内温度的升高，从而导致蛋白质的热损失。同时，产生的电解产物会污染洗脱液及产品，也会造成色谱操作不稳定。因此，有效移除焦耳热和电解产物便成为设计制备型电色谱的一个关键因素。目前，解决上述问题的主要途径是设计合适的柱结构。
已有技术中的制备型电色谱都属于轴向电场电色谱，即电场应用在色谱柱的轴向，缓冲液同时用做电极液。例如，1997年，Cole和Cabezas在《Journal of ChromatographyA》第760卷中报道了一种在柱塞内修整出一个隔离的电极室来引入外电场，并用截留分子量为6000～8000的渗析膜来隔离流动相和电极室(K.D.Cole and H.-Jr.Cabezas.Improved preparative electrochromatography column design.Journal of Chromatography A.1997，760，259-263)。这种设计使电色谱柱装凝胶部分和电极室部分分离开来，电解产物不会进入凝胶柱，这是它的一大优点。但在操作过程中，正负离子的持续定向迁移，会造成电极处异性电荷的升高，这将导致柱内电场强度的降低。同时也会有大量的蛋白质吸附在异性电极的隔离膜上，造成产品损失。另外，轴向电场电色谱的两个电极间的距离长，应用电压高，导致柱内焦耳热效应严重，冷却负荷大。本设备的另一个主要缺点是柱塞处结构太复杂；柱塞内散热困难，会造成附近区域的温度升高。2000年，Keim和Ladisch在《Biotechnology and Bioengineering》第70卷中报道了他们设计的一种新型端塞结构的电色谱柱，在端塞内引入电极，并采用径向进、出料的方式来避免缓冲液通过端塞。同时，利用截留分子量为500的超滤膜来隔离色谱柱的凝胶部分和端塞(C.Keimand M.Ladisch.New system for preparative electrochromatography of proteins.Biotechnologyand Bioengineering，2000，70，72-81)。这种设计的优点是简化了柱塞处的复杂结构，在柱的轴向引入外电场。但仍然具有轴向电场电色谱的缺点，即轴向电场电色谱的两个电极间的距离长，应用电压高，导致柱内焦耳热效应严重，冷却负荷大；在操作过程中，正负离子的持续定向迁移，依然会造成电极处异性电荷的升高而导致柱内电场强度的降低。同时也会有大量的蛋白质吸附在异性电极的隔离膜上，造成产品损失。
发明内容
本发明的目的在于针对制备型电色谱存在的严重热效应问题，提供了一种外加与液体流动方向垂直电场的制备型电色谱装置，该装置具有低能耗、高分离能力、大处理量的特点，可应用于蛋白质、核酸等生物大分子的规模化分离与纯化过程。
为实现上述目的，本发明提供了一种三腔室的矩形色谱柱，包括凝胶室8和两侧的电极室9构成，其特征在于：凝胶室8是两侧有对称的槽沟、槽沟内平台上有密封凹槽和中间为长方形中空的有机玻璃体；槽沟内设置具有截留分子量大于1000道尔顿的、可自由通过导电离子的膜板3；在凝胶室外两侧各有一个电极室9；电极室9内壁固定惰性铂电极5；电极室9与凝胶室8中充有包括乙酸盐、磷酸盐、碳酸氢盐或三羟甲基氨基甲烷-盐酸溶液。
上述的制备型电色谱分离设备的凝胶室8和电极室9的材料是有机玻璃、塑料或尼龙绝缘材料。
上述的制备型电色谱分离设备的电极5为一种与电源相连的金属铂的丝状或板状惰性电极。
上述的制备型电色谱分离设备的膜板3是一种亲水性薄膜或填充聚丙烯酰胺凝胶的多孔刚性板，其孔径和截留能力根据分离组分的分子尺寸来选择。
上述的制备型电色谱分离设备的膜板3是一种由支撑或保护作用的多孔支撑板来支撑的亲水性的渗析膜或超滤膜。
上述的制备型电色谱分离设备的膜板3是一种填充聚丙烯酰胺凝胶的多孔陶瓷板或多孔玻璃板。
本发明的横向电场电色谱和轴向电场电色谱相比具有许多优点，例如，由于采用膜板隔离的三腔室色谱柱结构，在色谱柱的横向引入了电场，电极产生的电解气被完全限制在电极室，并可稳定地被循环的电极液带走，而色谱柱中产生的焦耳热可被轴向的、压力驱动的、冷却的流动相带走；柱侧向的距离远小于其轴向距离，施加较小的电压就可以在得到较高的柱内电场强度，从而避免使用高压电源，降低了能耗；同时，低电压的使用还会带来柱内低焦耳热效应及柱内电场稳定等优点；三腔室的矩形色谱柱的分割结构使样品上样、洗脱等步骤在电场下可持续进行；另外，该设备适用性强，可用于不同的色谱操作模式，如体积排阻、离子交换电色谱、亲和电色谱等，在凝胶室内装填相应的色谱填料即可。
附图说明：
图1是本发明装置的电色谱柱整体结构示意图。
图2是凝胶室结构示意图。
图3是图2的A-A向剖视图。
图4是电极室结构示意图。
图5是图4的B-B向剖视图。
图中，1是缓冲液进出色谱柱的导管，2是端塞，3是膜板，4是电极液出口导管，5是电极，6是螺栓和螺母，7是凝胶室和电极室间大垫片，8是凝胶室，9是电极室，10是电极液入口导管，11是端塞口，12是螺孔，13是装填料的腔室，14是凝胶室上长方形槽沟，15是螺孔，16是电极线，17是电极液进出口，18是电极室上长方形槽沟。
具体实施方式：
在具体实施过程中，通过螺栓螺母6依次将凝胶室8、膜板3、电极室9和各自垫片连接成整体色谱柱。由于膜板3的隔离，中间凝胶室8(20.0×0.5×1.2cm)的长方形中空结构便形成矩形的色谱柱用来装填各种类型的色谱填料，而两侧的电极室(20.1×0.8×0.8cm)上的长方形沟槽便形成了两个对称的、与凝胶室对应的电极室空间用来引入外电场。铂金电极5固定在电极室的四周并与电源相连，用于产生电色谱分离用的横向电场。整体装置尺寸为28.5×6.5×6.0cm。该装置使用流程为，电极液由柱下端的电极液入口10进入，从柱上端的电极液出口4流出。电极室出口的电极液被输送到电极液贮罐冷却，然后再输送到电极室循环使用。在电场作用下，在色谱柱的轴向，液相由压力驱动；在横向上，溶质受横向电动传递的影响。这样，利用样品组分的电动传递和色谱分离机理的双重作用达到分离目的。进行电色谱分离时，根据色谱操作模式的不同而采用恒定洗脱(如体积排阻电色谱等)或梯度洗脱(如离子交换电色谱等)。在恒定洗脱操作过程中，柱入口流动相在原料液和缓冲液间切换。在梯度洗脱过程中，柱入口流动相在原料液、清洗液和洗脱液等不同用途的缓冲液间切换。分离过程中，柱出口的蛋白质经过紫外检测仪测量其紫外吸收值，检测仪给出吸收值变化信号，此信号记录在紫外检测仪的记录仪上，产品收集器的信号与此信号一一对应，则产品收集器所收集的即为分离得到的目标产品。
Claims (6)
1一种外加与液体流动方向垂直电场的制备型电色谱分离设备，该设备包括凝胶室(8)和两侧的电极室(9)构成，其特征在于：凝胶室(8)是两侧有对称的槽沟、槽沟内平台上有密封凹槽和中间为长方形中空的有机玻璃体；槽沟内设置具有截留分子量大于1000道尔顿的、可自由通过导电离子的膜板(3)；在凝胶室外两侧各有一个电极室(9)；电极室(9)内壁固定惰性铂电极(5)；电极室(9)与凝胶室(8)中充有包括乙酸盐、磷酸盐、碳酸氢盐或三羟甲基氨基甲烷-盐酸溶液。
2按照权利要求1所述的电色谱分离设备，其特征在于，凝胶室(8)和电极室(9)的材料是有机玻璃、塑料或尼龙绝缘材料。
3按照权利要求1所述的电色谱分离设备，其特征在于，电极(5)为金属铂的丝状或板状惰性电极。
4按照权利要求1所述的电色谱分离设备，其特征在于，膜板(3)是亲水性薄膜或填充聚丙烯酰胺凝胶的多孔刚性板。
5按照权利要求4所述的电色谱分离设备，其特征在于，膜板(3)是由支撑或保护作用的多孔支撑板来支撑的亲水性的渗析膜或超滤膜。
6按照权利要求4所述的电色谱分离设备，其特征在于，膜板(3)是填充聚丙烯酰胺凝胶的多孔陶瓷板或多孔玻璃板。
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Country Status (1)
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| CN111265914A (zh) * | 2020-03-13 | 2020-06-12 | 刘楷 | 电场色谱柱 |
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2005
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