智能水凝胶在分离方面的应用.doc

智能水凝胶在分离方面的应用7.1简介在获得纯组分方面，分离作用是化学和生物处理过程中的重要组成部分。水凝胶已经广泛应用于生物分子的分离和其他一些方面。近来智能水凝胶的发展，使其在分离中显得更为有用。环境条件的微小改变会使水凝胶发生剧烈的变化，如PH值、温度、溶剂、盐的种类等条件的改变。在适当的条件下，在相对简单的处理过程中，智能水凝胶的这种特性已经应用于多种分子的分离。其中，温度敏感型水凝胶在分离方面应用的最广泛。智能水凝胶能以多种尺寸、形状和各种物理状态存在。对于在分离过程中容易发生变性或降解的蛋白质等多种分子，水凝胶用于分离时的相对温和的条件使其显得更加有用。本文叙述了水凝胶在化学和生物物质分离方面的多种应用。7.2水凝胶的描述水凝胶具有亲水聚合物的网络结构，可以吸收大量水分。这种三维空间网络结构由交联的聚合物链组成。这种交联可以通过共价键、氢键、范德华力、物理缠结或者疏水作用产生。在水溶液中的溶胀和消溶胀性能是水凝胶的显著特点。由于交联网络的亲水聚合物链溶解在水中而是水凝胶发生溶胀。水凝胶的吸水性能广泛应用于可控药物的输送和分离等多种领域。随着环境条件的改变而发生溶胀和消溶胀的水凝胶被称为智能水凝胶。溶胀或者消溶胀仅仅发生在环境条件改变片刻之间，这是智能水凝胶的独一无二的特性。例如：温度改变几度就足可以使智能水凝胶发生溶胀和消溶胀。水凝胶体积的变化可以达到几百倍。智能水凝胶的这种特性已经应用于生物分离。环境因素对水凝胶溶胀特性的影响如表-7.1所示。最常用的环境因素是温度和PH值，因为这两个变量相对比较容易改变。其他因素如：电场、离子、溶剂、光照和压力等。7.3水凝胶在分离方面的应用7.3.1 凝胶电泳分离蛋白质和DNA在分离蛋白质和DNA方面，交联的聚丙烯酰胺和琼脂糖是最常用的分离媒介。用交联的聚丙烯酰胺还是琼脂糖主要根据蛋白质或者DNA的尺寸和实验条件而定。交联的聚丙烯酰胺水凝胶主要应用于小于2000碱基对的DNA片段的高度分辨，而琼脂糖水凝胶可以有效的应用于几千到数十万碱基对的较大的DNA片段的分离。尽管聚丙烯酰胺水凝胶的制备简单，但是在实际应用过程中，丙烯酰胺单体对人神经的毒害作用成为其主要缺点。最近，很多新型水凝胶已经被应用于电泳过程中。其中，由于温度敏感性水凝胶具有常规水凝胶所没有的大量优点，因此这种水凝胶用的最广。温度的微小变化，就可以引起温度敏感性水凝胶发生溶胶-凝胶相变过程。因此，通过简单的降低温度，使这种水凝胶处于溶胶状态，它们就可以很容易的被装入毛细管中。此外，这种凝胶-溶胶转变可以使通过电泳发生分离的蛋白质重新恢复，如图-7.1所示。交联的聚N -异丙基丙烯，像常规的聚丙烯酰胺水凝胶那样，可以用于电泳分离。经过电泳分离之后，带有活性物质的分离带被切除，并被粉碎。最后，这种凝胶分别在37 和4经过收缩、吸水溶胀循环三次。在37，也就是在低临界温度以上，通过凝胶体的收缩，马的心脏肌球素和牛的血红蛋白有效地以接近100%的产率被回收出来。这种回收技术除了具有可以防止蛋白质变性的温和反应条件之外，还可以得到相对较高的回收产率。使用刺激敏感性水凝胶的电泳技术也可能适用于其他的蛋白质和DNA片段。据报道，在毛细管、板电泳技术中，热致可逆水凝胶可以用于双链DNA片段（<2000碱基对）的分离。低临界溶液温度聚合物的相转变行为可以用于改变粘度。Sassi等人研究过两种配方，凝胶微球悬浮液和非交联聚合物溶液。在他们的研究中，应用毛细管电泳技术，单碱基对和高达150碱基对的DNA片段被成功分离。这种技术的问题是将聚合物媒介装入毛细管中有些困难。如果在悬浮液或溶液中，在没有体相分离或聚合发生的情况下存在可逆的粘度转变，这种粘度的响应就可以有效地用于毛细管电泳技术。在温度敏感性微球体悬浮液中的粘度转变原理如图7.2所示。在固体粒子悬浮液中，向溶液中简单的加入粒子就可以增加粘度（如图7.2a所示）。在温度敏感性PNIAAm(异丙基丙烯酰氨)粒子悬浮液中，通过溶胀一定数量的微球体可以使粘度增加（如图7.2b所示）。此外，在电泳过程中，温度响应可以使筛选性能得到有效控制。温度敏感性聚合物，如：聚N,N-dimethy-lacrylamide和聚N,N-diethylacrylamide可以用于这种方法。通常，随着聚合物浓度的增加，解决方法也可以得到相应的改善。尽管如此，聚合物浓度越大，粘度越大，而毛细管的内经通常不超过100m，这样会使聚合物溶液的装入非常困难。然而，温度敏感性聚合物不存在这种特殊问题，因为溶液的粘度可以通过升高温度来降低。PEO-PPO-PEO三嵌段共聚物，在水溶液中具有独特的溶胶-凝胶性能，在低温和低浓度下，聚合物以单一链状态存在，因为低温下，PEO、PPO这两种嵌段都是水溶性的。温度的升高使PPO嵌段的疏水作用增加，这将导致胶束的形成。就单一分子链来说，PEO-PPO-PEO三嵌段共聚物的分子量相对较低。因此，即使在高浓度时，这种溶液也具有相对较低的粘度。二然而，在适当的温度和浓度条件下，也可以形成具有超分子结构的凝胶媒介。通过利用特殊的凝胶-溶胶性能，Wu及其合作者研究发现，PEO-PPO-PEO三嵌段共聚物在毛细管电泳中可以做为分离媒介。在4时，利用microsy-ringe（微量泵）可以将嵌段聚合物溶液装入毛细管中，然后升高温度到室温，聚合物溶液就成为凝胶。经过毛细管电泳处理，凝胶状嵌段共聚物分离媒介在4的低温时转变为溶液，这样可以便于从毛细管中除去。7.3.2基于脱水工艺的分离7.3.2.1生物浆液的脱水在生物浆液的处理过程中，水凝胶的大量吸水性可以用于脱水工艺。应为大多数生物浆液包含大量的水分，在进一步处理之前必须进行有效的脱水处理，如：运送，发酵，焚化等。目前，浆液脱水主要通过过滤来进行。由于有限的过滤面积、滤饼和缓慢的滤过率，使得过滤工艺效率低下。利用PVME(聚甲基乙烯基醚)作为脱水媒介的脱水工艺克服了普通脱水方法的缺点。PVME凝胶是一种具有温度敏感性溶胀性能的非离子型凝胶。球状PVME凝胶的温度-平衡体积关系如图7.3所示。在298、301、313K时的相应的凝胶照片也包含在图7.3中。温度在310K以上，凝胶的体积不变，在310K以下，随着温度的降低，凝胶的体积增加。在这种情况下，凝胶的溶胀-收缩转变温度为310K，温度从298升高到321K时，PVME凝胶的体积变化如图7.4所示。球状凝胶在298K（如图7.4A所示）时溶胀，在321K时（如图7.4B所示）收缩，温度降到298K时如图7.4C所示再次溶胀。在图7.4中，C点的凝胶平衡体积等于A点的初始值。由温度引起的凝胶体积变化是完全可逆的，并且，溶胀和收缩的速率也相对较快。PVME凝胶的多空和非离子结构，适用于要求快速溶胀和收缩而且不受离子影响的媒介。经过核算，应用球状PVME凝胶对过于活性的浆液进行脱水应该计算成本效益。应用PNIAAm凝胶对细粒煤泥浆脱水得到了相似的结果。在2个月内经过20次循环，凝胶可以有效的除去浆液中的70%的固体而没有恶化迹象。超强吸水剂在脱水工艺中也是非常有用的。研究表明，在半连续的分离方法中，利用一种超强吸水的亲水性高分子-水解接枝聚丙烯腈，在10分钟内，可以将起始含水量为30%乳液的含水量降低到3%。对于需要高能量的常规蒸馏而言，用于乳液脱水的凝胶将会成为一种代替的方法。然而，在表面活性机存在的条件下，快速移动的微小液滴趋于凝聚的速度快于被凝胶吸收的速度。因此，在乳液中的吸水速度要慢于没有表面活性剂存在的条件下。7.3.2温度敏感性水凝胶的浓度温度敏感性水凝胶可以在高浓度分子的溶液中溶胀，水凝胶吸水溶胀，同时，在吸水的过程中，分子尺寸小于水凝胶孔径的也被吸收到水凝胶中。分子尺寸大于水凝胶孔径的被排除在外。达到溶胀平衡以后，从溶液中取出水凝胶，放到另一种溶液中。通过温度的微小变化，可以使完全溶胀的水凝胶消溶胀。消溶胀过程可以释放先前吸收到水凝胶中的小分子。由于水凝胶体积的突然减小，消溶胀过程也被称为collapse。经过消溶胀以后的水凝胶可以再次利用。随着水凝胶的吸水，容器中水溶液的体积减少，这样会导致大分子在溶液中的富集。通过改变环境温度使溶胀的水凝胶消溶胀，从而可以除去水凝胶中吸收的小分子。与常规分离方法相比，在处理过程中改变温度，可以使生物分离更容易实现。对于含有易于离子化基团（如：羧基或氨基）的水凝胶，PH值也可以用来控制溶胀性能。Cussler及其合作者，将尺寸选择萃取技术应用到大豆蛋白分离过程。这个过程应用了温度敏感型PNIAAm凝胶粒子。首先，在5时，将收缩的PNIAAm凝胶粒子置于脱脂蛋白溶液中。大约40%的水分在溶胀过程中被凝胶粒子吸收，通过离心处理，将溶胀的水凝胶粒子除去，剩余物稀释到起始体积。应用其他的收缩水凝胶粒子重复脱水过程。最后，剩余物不再稀释，而是通过喷雾干燥来浓缩。这种分离过程可以从100kg脱脂大豆片中得到45kg含有白蛋白的分离蛋白。此外，这种方法可以获得较多的很好的天然蛋白质，而且可以除去不需要的成分，如：大量存在时有毒的phytins（菲汀）。由以上例子可知，在温和的条件下，在不对生物分子（如蛋白质）产生有害影响的条件下，尺寸选择性分离可以浓缩溶液。除蛋白质外，酶，小溶质，聚合物乳胶粒子，甚至病毒都可以通过尺寸选择性处理方法进行分离。在其他环境条件方面，如离子强度，PH值，压力，或者处理过程中的媒介剪切条件，温度敏感性水凝胶不需要其发生任何较大的变化。由于大多数温度敏感性水凝胶的低临界溶液温度在50以下，因此，处理过程需要较低的能量。7.3.2.3有机混合溶剂的化学选择性分离在许多工业操作工程中，去除有机溶液中含有的少量水是一个非常重要的环节。然而，要完全除去共沸混合物中的水是十分复杂困难的。像用共沸蒸馏或是萃取蒸馏这些传统的分离方法，都要求其有很高的回流率和大量的分级。现在我们可以用一种以具有化学选择性的聚合物凝胶为基础的分离方法来取代原有那些耗能大、成本高的分离方法。有人已经提出用玉米渣（粗玉米粉）这类通过多糖吸收剂的吸水作用应用于工业上乙醇气体的脱除。多糖类吸收剂可通过100-110的压缩空气再生。一种磺酸基类的阳离子交换树脂被应用于液相中有机-水分离的吸收剂。在30下，运用分段平衡化实验来测定吸收平衡。在初始阶段，由于了水与树脂的离子耦合作用阻断了树脂的水合作用，水趋向于溶解f反离子和固定官能团，就像盐在溶剂里溶解一样。由于树脂的化学交联，聚合物不溶解，其在溶解力和渗透力及聚合物网络自身弹力的共同作用下达到平衡态。该种树脂对水有高度的选择性和相当大的吸着能力。这种选择性和吸着能力主要是依靠树脂的离子形式以及有机溶剂的性质。7.3.3水凝胶膜的分离作用相对于其他方法，膜技术的发展是分离过程变得更简单、高效。有人曾提出将酶固定到一种温度敏感性复合膜上，使其可以在反应过程中实现从底物中直接分离出产品。这种温度敏感性复合膜是以无纺的聚酯为载体，在其上面附有PNIAAm基的水凝胶铸塑而成。通过与丙烯腈-丁二酰胺共聚物中的高活性酯基反应形成共价键，我们可以将-淀粉酶国定到膜上。制成的这种复合膜是温度敏感性的，它可以水解可溶性淀粉，并可以通过逐步改变温度的方法将其从水解产物中分离出来。提高产品分离率的机理主要依靠膜微孔的张/合。当温度低于PNIAAm的最低临界溶解温度时，由于温度敏感性水凝胶层的溶胀作用，聚合物膜上产生越来越多的可溶解产品的溶剂。另一方面，当温度高于PNIAAm的最低临界溶解温度时，水凝胶层将大量脱落，并会堵塞膜微孔，导致产物熔剂的减少。我们做了这样一个实验，让被固化了的酶水解后的淀粉通过两层渗透槽，渗透槽中间有一复合膜。过程中，让水解的可溶性淀粉在供体部位，并在接收器一边收集水解产物。从反应的角度来看，反应容器应在高温环境下进行操作，以提高反应率。但另一方面，我们又要限制温度低于最低临界溶解温度，以使产物可以更好的转移到接收器中。另外，温度敏感性水凝胶膜还可以用于混合物中大小不同的分子的连续分离。如一种交联的异丙基丙烯酰胺和甲基丙烯酸丁酯共聚物（95：5mol%）可用于分子量376的荧光素钠、小分子右旋葡萄糖及大分子右旋葡萄糖的连续分离。我们可以通过改变温度来控制水凝胶筛孔的大小。当温度降低时，膜的筛目增大，使大分子可以扩散通过膜。使用该种分离方法，我们可以重获高纯度的分离化合物。该方法的缺点就是需要时间太长（100-460h）。在这一点上，这种方法与渗析、膜式过滤这类传统的分离方法相似，另外它们都难于大规模应用。Nonaka和他的同事发现了薄而强度高的PVA-g-NIAAm共聚物可以用作分离膜。他们发现不论PVA-g-NIAAm的组成还是PVA的分子量的变化，该种共聚物的最低临界溶解温度几乎都和PNIAAm水凝胶的相同。这说明我们可以通过改变温度来控制PVA-g-NIAAm共聚物溶胀后形成凝胶的孔径。在30时，亚甲基蓝渗透通过膜的增长速率迅速。但是，在40时其增长速率微乎其微。Figure 7.5 Changes in concentration of MeB on the left side of the membrane with stepwisechanging of the temperature between 30 and 40.图7.5说明在程序升温过程中亚甲基蓝的浓度发生了不连续的变化，即亚甲基蓝的浓度在40时基本不发生变化，而在30是变化明显。7.3.3.全蒸发全蒸发被认为是一种有效的分离方法，它广泛应用于液体混合物的分离和回收。全蒸发是在液相与气相间强加一层膜，物质通过选择性传质作用并穿过膜进入到气相中的过程。该过程之所以被称为全蒸发，是因为液体分子的选择渗透性蒸发。膜上，渗透作用的驱动力来源于在下游侧抽真空来降低渗透区的渗透化合物的活性。整个过程主要包括膜对液体混合物的选择性吸着、扩散（渗透）通过膜和在下游侧膜上的蒸发三个阶段。该方法可以实现分离，主要是因为膜对不同组分的运输能力不同。由于全蒸发过程中有液相到气相的相转变，所以从本质上说全蒸发过程是一个吸热（耗能）过程。然而，全蒸发方法可以带来可观的经济效益，并可以使分离过程高效化，简单化。这种技术轻松的集合了蒸馏和萃取过程，它甚至可以取代它们。因此，如果我们能得到具有高选择性、高可扩散性的膜，我们相信全蒸发会成为一种膜分离技术中的基础方法。最近，很多科研组织已经致力于研究使用放射性或等离子-接枝化合物膜、阳离子/阴离子互穿网络聚合物、聚电解质膜、高浓度乳液制备的复合膜、二甲基硅氧烷-硅氧烷共聚物膜和有机硅烷接枝的-Al2O3等应用于水-油体系的全蒸发。Sakohara已经研究了酮/水混合物的分离，他使用的是由丙烯酰胺凝胶膜制备成的薄的无机非金属膜。凝胶膜放出大量的水，其在上游富酮区（95%）具有相当高的分离因数。这么高的分离因数主要是因为含有高浓度酮的凝胶的体积变化，这种变化限制阻碍了酮分子的扩散。目前，有水选择渗透性和酮选择渗透性两种水-酮选择渗透性膜。其中，水选择渗透性膜应用更为广泛。这主要是因为膜物质与水之间的氢键的强度可以轻松的用于调节水凝胶的聚合。由于水的渗透选择性，所以膜应该是亲水性的，它可以充分的从萃取进料中吸收水。另外，人们已经证明还有离子基团的膜有更好的选择渗透性。但是，强的亲水性往往会导致在于含水的萃取进料相互作用时膜力学性能的下降，甚至是不溶。为了获得高强度的膜，我们在基体上交联或接枝聚合物分子，这样我们得到具有高力学性能或力学性能可控的复合膜材料。Nakabayashi和他的同事发明了一种可以简便分离CO2的运送膜，这种膜可以达到非常高的选择性。这种简单的运送过程发生在含有可逆络合剂的膜上，这种膜被称作载体(如图7.6a)。载体与上游侧不溶的CO2相互作用形成一种CO2-载体络合物。然后，这种络合物渗透通过膜，并在膜的下游侧释放出CO2。工程如此，但是由于不稳定性和低的渗透率使这种简便的CO2运送方法没有应用于工业生产。为了获得一个稳定性高、可渗透性强的简便灵活体系，他们使用一种乙烯醇/乙烯基丙烯酸共聚物膜作为液体膜的载体。水溶张的凝胶膜的稳定性被提高到30天以上。另外，通过添加一种冠醚类似物使其渗透性和选择性都大大的提高了。Figure 7.6 Facilitated transport membrane for carbon dioxide separation using a hydrogelmembrane.7.3.4吸附、脱附分离7.3.4.1表面活性剂的分离在废水中，可以用聚合物絮凝剂较容易的回收离子型表面活性剂。但是，这很难用于脱除其中的非离子表面活性剂。我们可以通过温度微小变化来控制吸附/脱附现象，进而将此现象应用于那些用温度敏感性聚合物来分离有机物质的分离方法。有人曾设想据此发明一种新的分离技术，这种技术使用多孔性PVME凝胶来分离有机物质，特别是用来回收水溶剂中的非离子表面活性剂。PVME是一种广为人知的温度敏感性材料，在38时它将发生相转变。在室温下，PVME就可以充分的溶胀，在高于其最低临街溶解温度时，随着温度的不断升高PVME将逐渐瘪下去。这是由于温度的提升引起了凝胶疏水性能的增加。因此，随着温度的升高，PVME凝胶被去水合化而变成疏水剂，这种变化也使PVME与有机物质（非离子表面活性剂）之间的疏水作用随着温度的升高而增强。聚氧化乙烯基壬基苯是一种常用的非离子表面活性剂。在较低的温度下，它仅被PVME微量吸收，但在高温下可以被PVME大量吸收。而且，通过降低温度我们可使被吸附的表面活性剂从凝胶中释放到溶剂中。聚氧化乙烯基壬基苯非离子表面活性剂可以从这类表面活性剂中被选择性分离，主要是因为其氧化乙烯基数目的不同。这表明，该分离过程伴随着以有机物质疏水性为机制的吸附/脱附过程。7.3.4.2温度敏感性色谱柱法Kanazawa曾提出一种以色谱法为基础的选择性分离方法。这种方法利用了一种含有恒定含水流动相的温度-感应性（N-isopropylacrylamide-co-butyl methacrylate）这种半遥爪聚合物是一种温度-感应性共聚物。通过活性酯氨的耦合反应将其接枝到硅表面上。有人已经研究使用聚合物-改性硅作为填充材料用于甾族化合物和蛋白质的分离。随着聚合物-改性硅的疏水性的增加，其对甾族化合物的容量因子和保留时间都增大了。如图7.7所示，五个甾族化合物和苯的保留时间都很大程度上依靠温度。疏水型甾族化合物如甾酮的保留时间的变化远明显于用PNIAAm-改性硅填充的色谱柱中的其亲水型对应物及苯的保留时间的变化。胰岛素A、胰岛素B及-内啡肽的保留时间均不到15min，即使在25下也不超过30min。由于色谱柱的疏水性是由温度的升高而造成的，因此控制温度是这种色谱柱技术的主要控制因素。我们只需要在5-35小范围控制温度变化，且没有必要改变含水流动相。温度-感应性色谱柱技术可以用于分离没有使用有机溶剂的溶质。该方法可以在预处理的液相色谱柱中用于对蛋白质及保持生物活性的肽键化合物进的分离。Figure 7.7 Retention times of the five steroids on the temperature-responsive column, benzene, hydrocortisone, prednisolone, dexamethasone, hydrocortisone7.3.5含水两相体系在分离上的应用当两种互不相容的聚合物，或是一种聚合物和一种无机盐以适当的浓度在水中混合时可以形成含水两相体系。这种体系给我们提供了一种高效的、条件温和的分离方法。该分离方法适用于多种生物分子的分离(如蛋白质、氨基酸）,甚至可以用于多孔微粒的分离（如细胞、细胞器）。同时，该方法易于操作，而且可以大规模使用。与以往那些主要依靠在不同相中溶解能力的差异，而在大量相和界面相中实现分离的可溶性微粒不同，该体系中的微粒正常位置或静止位置都是界面层。这是因为微粒可以降低界面张力。如图7.8所示，在大多数情况下，在顶层和界面层上的细胞会出现分离。细胞的这种分离现象主要是依靠它们的表面性质。最常用的细胞分离体系是PEG/右旋葡萄糖和PEG/盐体系。其相中都含有大量的水，且表面张力都很低。但由于这类聚合物回收困难使体系成本较高，限制了这种体系在生物技术上的广泛应用。Figure 7.8 Schematic presentation of partitioning of cells. PEG and D indicate PEG-rich phaseand dextran-rich phase, respectively. Known quantities of cells are added to thephases, mixed and centrifuged to settle. At the end of settling an aliquot is with-drawn from the top phase, and the cell quantity is determined.作为改进，我们现在使用一种含有PEG基的羟丙基淀粉衍生物作为替代。多种不同种类的羟甲基淀粉体系（具有不同的程度的取代）已经被成功制备-ReppalÒ PES.由于 ReppalÒ PES成本适宜，其已经在商业上广泛应用。而且，与PEG/盐体系相比，它的操作条件更温和。但是，它有较强的离子键，这可能会导致生物活性物质的变性。虽然有诸多优点，但新体系仍然在聚合物回收方面和从萃取后的无聚合物溶液中获取目标蛋白质方面有限制，这是因为一个重量分数为10%的PEG溶液在水中的浊点将近是120，若温度降低，则相分离过程不能实现。综上可知，该体系可以应用于高温下生物分子的变性或重组后的选择应用。现在，以PEO-PPO共聚物为基础，已经有越来越多的商用体系被发明(UconÒ 50-HB-5100, Union carbide)。UconÒ 50-HB-5100是一种非离子无规共聚物，它含有50%的环氧乙烷（EO）和50%的环氧丙烷（PO），重均分子量为4000。由于它又较低的浊点（低于60），因此可以在较低温度下使用。这给我们提供了跟可以接受的温和的操作环境。在Ucon/Reppal PES 体系中，其顶层中富含PPO-PEO共聚物。我们将PPO-PEO共聚物层分离到一个单独的容器中，然后随着温度的逐渐升高和逐渐添加低浓度盐会形成另外一个分离相。在这歩中，顶层水相中已经不含聚合物，目标物质在水相中，而聚合物可以重新回收利用。但该种体系的广泛应用还需要在多相间的分配效应、降低浊点的盐效应及大规模应用方面做更多的探索。曾报道过利用Ucon/右旋葡萄糖体系，用于蜕皮激素的分配和再生及牛血清蛋白与溶菌酶分配过程中的离子效应。和温度降低相分离法一样，含水两相的分相也是一种快捷、简便、成本低的技术。它可以从原材料、萃取和提纯蜕皮激素。Figure 7.9 Schematic representation of extraction and purification of ecdysteroids fromspinach leaves using aqueous two-phase partitioning and temperature-inducedphase separation.7.4实现高分离效率因素的控制7.4.1聚合条件合成的PNIAAm水凝胶是很难达到的。主要原因是PNIAAm分子链的低临界共溶温度接近通常的聚合温度。在聚合反应中局部或整体温度的提高可能引起阶段性性分离和复杂结构的形成。因此，在蛋白质分离时，聚合技术对PNIAAm水凝胶的性质影响非常大。PNIAAm水凝胶胶体在零下18度形成时是同类的，而在稍高些温度显示多种多样的结构。可以观察到在18摄氏度或稍低些胶体是透明的，在稍高温度形成的胶体是不透明的。因此从胶体的折射率指数的三维空间不均一性可以看出光散射是胶体浑浊的直接结果，同时也表明在高温下水分子从PNIAAm网络中脱除。PNIAAm水凝胶的不同制备期导致了不同的溶胀比率。胶体在高于30度制备显示出松散的结构且增大了其溶胀比。不同的分离效率在浓缩青霉素时也可以观察到作为胶体制备温度。用本体聚合得到的水凝胶比溶液聚合得到水凝胶具有更高的水吸收能力和溶胀比率，尽管胶体在同样实验条件下制备的。通过r射线照射制备的PVME胶体是另外一个例子，在分离效率方面不同聚合方法的影响。它们也显出高度多孔性和迅速的溶胀比率，因此他们被用在生物泥浆的除水过程。这种结果归于大孔结构，而这种结构是由于在照射过程中聚合物溶液发生相分离引起的。7.4.2胶体的成分 聚丙烯酰胺水凝胶的网状结构很大程度受N,N亚甲基二丙烯酰胺和丙烯酰胺二者的浓度比。增加N,N亚甲基二丙烯酰胺可以减少网络的有效孔尺寸。胶体吸收酒精的量会随着N,N亚甲基二丙烯酰胺在单体中加入量的增加而增加。被认为是网络的多样化而不是孔尺寸起作用在酒精渗透到胶体中。另一方面，N,N亚甲基二丙烯酰胺在单体中达到百分之二时，在浓度为0.08时制得的胶体持有酒精的能力小于浓度为0.04时。因此，网络的有效孔尺寸和胶体的同质性被认为是酒精和水混合物分离的关键因素。在BIS交联聚丙烯酰胺水凝胶时，网络的缺点会随着交联剂的量增加而越明显。交联效率会随着交联剂浓度的增加而逐渐下降，并且聚合物的体积分数在达到溶胀平衡时会达到一定高度在交联剂浓度为7%时。BIS的规整分布和分子内环化被提出。如果发现了一个激进分子，通过环化作用，一个具有很低可能性的未知的乙烯基基团，分子内环化的形成对于无效率网络的形成贡献非常小。随着交联剂浓度在单体中增加到7%时，形成永久的分子内环化的可能性变得很重要。交联反应效率的提高主要是由于在网络形成时的低环化。胶体的同质性是决定其物理性质的最重要因素。同质，透明的胶体甚至在高单体浓度通过低反应速率可以得到。低的反应温度是实现这一目的的最有效方法，因此反应热可以局部地加速胶体的形成。反应热的扩散和反应速率对温度的依赖可能决定空间的复杂性。7.4.3水凝胶的孔尺寸分离过程的选择性可以通过改变胶体网络的尺寸来控制，分离程度受溶剂的形态和尺寸的影响。胶体分离分子的机理还不清楚。最显著的因素是溶剂尺寸。胶体可明显的从小分子物质中分离大分子物质。排除尺寸影响可以通过想象使胶体作为一个扩大的孔更合理。小分子可以很容易穿过网孔，但是大分子不能。聚合物网络的孔尺寸，与溶胀的体积和定义为交联度的交联点之间分子链均方末端距的平方根有关。是一个重要的因素，等于溶胀体积的立方根，是交联点间分子链均方末端距的平方根。是特征比或重要因素对于聚合物。是交联点间聚合物分子链的分子量，是重复单元的有效分子量，它取决于共聚物组分中两个单体分子量的平均值。L代表碳碳键长0.154nm，数值表示所有乙烯基聚合物。交联度或交联密度定义如下：v是聚合物的具体体积。另外，理论的交联密度，可以通过交联点间聚合物链理论分子量计算出，可以通过假设乙烯基在交联过程中大量反应没有杂质的交联。理论上的交联率，被定义为交联剂的摩尔数与单体摩尔数的比值。可以通过对聚合物水凝胶的溶胀研究中测出，相当与得到了孔的尺寸。在水凝胶的制备过程理论交联度的微小变化会导致得到不同孔尺寸的水凝胶。随着理论交联率的增加，孔的尺寸和网络的溶胀比都会减小。在溶胀和塌陷状态间水凝胶的孔尺寸变化很大通过改变环境条件如温度和pH值。对于阳离子聚合以丙烯酰胺为基础且交联程度不同的聚合物，孔尺寸的分布是可以被测量的。测量方法基于混合溶质排除方法，这种方法用右旋糖苷或聚乙二醇为探针。孔尺寸分布会移到较低尺寸随着交联剂与单体比率的增加。对于新型胶体的设计，预测尺寸排除曲线是很可取的，尤其体积分数这一功能。这些 预测能为有特殊应用的胶体的合成提供指导，这些应用中孔排除是很重要的。然而，预测名义上交联率对尺寸排除曲线的影响仍然有待于进一步研究。7.4.4电荷密度因为尺寸选择性分离依赖于溶质尺寸和孔尺寸二者的关系，影响孔尺寸的因素都可以导致不同的排除行为。胶体中可电离单体的含量可影响溶胀和排除的程度。聚合物电解质的排除行为高度依赖与和溶质的相互作用。由于溶质和水凝胶的电荷密度不同产生热力学划分可以影响分离的效率或选择性。一种带阴离子的溶质像五氯苯芬钠可以几乎完全的被排除，通过部分水解的聚丙烯酰胺，一种pH值敏感的水凝胶，然而对于在溶液中不分离的PNIAAm水凝胶它的分离是可以忽略的。用聚合电解质分离电荷溶质时，唐南平衡应该考虑到。当我们假设水凝胶是带负电荷的，以钠离子作为反离子，唐南平衡可由以下来解释。Na+i A-i = Na+0 A-0 (3)A-i和A-0分别是胶体内外一价阴离子溶质的浓度。胶体外钠离子浓度必须等于阴离子的浓度由于电子守恒。胶体内钠离子浓度必须与A-i所带负电荷和胶体本身相平衡。因此，可以得到以下关系： (RCOO- + A-i)A-i = A-o2 (4)RCOO-代表胶体中一体积溶胀的胶体的电荷浓度。我们可以解此二次方程来得出A-i，因此胶体内部阴离子溶质的浓度与胶体电荷浓度是有关的。在0.5mol/L的氯化钠溶液中电荷对右旋糖酐硫酸盐的排除的影响加入这种共聚物就可实现。在这溶液中，共聚物的溶胀比率可以作为这一功能，可电离单体量几乎是一常数由于高浓度的电解液。然而，右旋糖酐硫酸盐在R-SO3-H摩尔浓度为10%的离子共聚物胶体中比在非离子的PNIAAm胶体中排除的多。唐南平衡造成了阴离子共聚物胶体消极电荷溶质的强大的排除。 聚合电解质可电离的固定的电荷基团产生了重要的电机械和溶胀的影响对蛋白质的运输与分离。来自聚合电解质的固定电荷基团静电溶胀力的变化将会导致大尺寸和微观结构的变化。发现了四种机理在控制溶质流过聚合物膜通过化学和电的控制。那些是膜的机械变形，溶质在膜内运动使电渗透和电泳增加，带电溶质成为带电膜产生了静电分区。在特定的分离过程中选择性的变化可以实现通过那些机理的结合。基于尺寸和溶质的电荷可以获得选择性的变化。电的选择性变化也被证明了由一个21回合的变化在相对流速贴标签的血清蛋白和核糖核酸酶A。7.5水凝胶在生物分离的前景智能水凝胶很多方面的性能有待于提高为在生物分离有更广的利用。理想的水凝胶在应用于浓缩蛋白质应该显示出迅速的溶胀和吸水速度和高的溶胀能力，胶体应该排除所有的蛋白质分子，也就是说分离效率是100%。此外，水凝胶的物理化学性能，生物分子与水凝胶的相互作用，和分离条件是很重要的对于成功生物分离用水凝胶分离时。这些改进可能会增加智能水凝胶在生物分离的应用。生物分离产业迅速扩大，下游处理主要是生物大分子产品。智能水凝胶在下游分离过程中用途非常大由于对环境的微小变化有很敏感的相转变。用物理方法的新分离技术将会取代基于化学方法的传统分离方法。因为主要的化学成分没有变化，大量其它杂质被除去。我们希望在不久的将来看到智能水凝胶在分离方面其他的应用。水凝胶分离仅仅是个开始，它将会推动生物技术和其在生物技术方面的应用进一步发展与进步。