大孔树脂吸附原理及应用.ppt

大孔树脂（Macroporous resin）又称全多孔树脂，聚合物吸附剂，它是一类以吸附为特点，对有机物具有浓缩、分离作用的高分子聚合物。大孔树脂是由聚合单体和交联剂、致孔剂、分散剂等添加剂经聚合反应制备而成。聚合物形成后，致孔剂被除去，在树脂中留下了大大小小、形状各异、互相贯通的孔穴。因此大孔树脂在干燥状态下其内部具有较高的孔隙率，且孔径较大，在100-1000nm之间，故称为大孔吸附树脂。,利用吸附剂对液体或气体某一组分选择性吸附的能力，使其富集在吸附剂表面的过程。,物理吸附：吸附作用力为分子间引力。无选择性、无须高活化能、吸附层可为多层或单层，吸附和解吸速度较快。化学吸附：吸附作用力为化学键合力。需要高活化能、只能以单层吸附、选择性强、吸附和解吸速度慢。,1.结构 大孔吸附树脂是近20余年发展起来的，它是一种新型非离子型高分子聚合物吸附剂，一般为白色球形颗粒，粒度为2060目。大孔树脂的宏观小球系由许多彼此间存在孔穴的微观小球组成。如果把一个宏观小球比做远看的一簇葡萄，那么每一个微观小球就相当于近看的一颗小葡萄，小葡萄间存在孔穴的总体积与一簇葡萄体积之比，称为孔度，小葡萄之间的距离称孔径。所有小葡萄的面积之和就是一簇葡萄的表面积，亦即树脂的表面积。如果以单位质量计算，将此表面积除以一簇葡萄的质量，即得比表面积(m2g)。,一、大孔树脂的结构、组成、原理、类型,吸附树脂的多数品种是由悬浮聚合法制得的。孔的形成是一个渐变的过程。聚合开始后，生成的高分子链溶解在单体与致孔剂组成的混合体系中。当高分子链逐步增大后，便会从混合体系中析出，这就是“相分离”。最初分离出的聚合物形成520nm的微胶核，微胶核又互相聚集成60500nm的微球。随着聚合反应的继续进行，微胶核与微胶核及微球与微球都互相连接在一起，而致孔剂（特别是不良溶剂）则最终残留在核与核或微球与微球之间的孔隙中。当致孔剂被去除之后，留下的空间便是孔。,根据以上孔的形成过程，可以想像孔的形状是不规则的，孔径大小也是不均匀的。,2.组成 大孔吸附树脂主要以苯乙烯、二乙烯苯等为原料，在0.5的明胶溶液中，加入一定比例的致孔剂聚合而成。其中，苯乙烯为聚合单体，二乙烯苯为交联剂，甲苯、二甲苯等作为致孔剂，它们互相交联聚合形成了大孔树脂的多孔骨架结构。,3.树脂的特性及分离原理 大孔吸附树脂是通过物理吸附从溶液中有选择地吸附有机物质，从而达到分离提纯的目的。其理化性质稳定，不溶于酸、碱及有机溶剂，对有机物选择性较好，不受无机盐类及强离子、低分子化合物存在的影响。大孔吸附树脂为吸附性和筛选性原理相结合的分离材料。由于其本身具有吸附性，能吸附液体中的物质，故称之为吸附剂。树脂吸附的实质是一种物体高度分散或表面分子受作用力不均等而产生的表面吸附现象。大孔树脂的吸附力是由于范德华力或产生氢键的结果。其中，范德华力是一种分子间作用力，包括定向力、色散力、诱导力等。同时由于树脂的多孔性结构使其对分子大小不同的物质具有筛选作用。因此，有机化合物根据吸附力的不同及分子量的大小，在树脂的吸附机理和筛分原理作用下实现分离。,4 大孔树脂的性质及类型 大孔树脂按其极性大小和所选用的单体分子结构不同，可分为非极性、中等极性、极性和强极性四种类型。,1、吸附树脂的预处理原因：吸附树脂的孔体积一般来说小于其合成时所用致孔剂的体积。这就是说在生产过程或去除致孔剂的过程中出现了缩孔现象。吸附树脂也不宜干燥，原因是易引起缩孔，使树脂吸附性能下降。商品吸附树脂都是含水的，在储存过程中有可能会因失水而缩孔。另一方面，商品吸附树脂在出厂前也未进行彻底清洗，不可避免地会残留一些原料或副产物，因而在使用前必须进行预处理，以去除树脂所含的杂质，合理的处理方法还可使树脂的孔得到最大限度的恢复。,二、吸附树脂的使用方法,方法：吸附树脂的预处理应在树脂柱中进行。一般是将树脂装至柱高的2/3处，用水进行反洗，使树脂层松散、展开，将树脂的微细粉末及一些机械杂质洗去。然后放出水，至水面略高于树脂的层面。接着，用酒精以适当的流速淋洗，至流出的酒精中无油溶性杂质为止。最后用水洗出酒精即可使用。这样可洗出小分子有机物。有时因长期存放变干，或要求更严格的清洗，可用水乙醇甲苯乙醇水依次淋洗，这样不仅能洗出有机杂质，还可洗出线型聚合物。对于变干缩孔的吸附树脂还能使其孔结构恢复至最佳状态。,（1）静态吸附 可在带搅拌的釜或槽中进行。溶液黏度较大，悬浮物较多或分配比较大时可用此方式。如果加入吸附树脂后不进行搅拌，这时靠近吸附树脂的色素逐渐被吸附，离吸附树脂较远的色素逐渐向吸附树脂附近扩散，这种静止的扩散较慢，吸附树脂的吸附速度和水的颜色变浅的速度也就较慢。若进行适当的搅拌（这仍然称为静态吸附），吸附的速度会大大加快。,（2）固定床吸附装置 该装置实际上是一种常规的离子交换柱，常用的为几百升至几百立方米的不锈钢或搪瓷柱，下部或上、下部装有80目的滤网（实验室则常用玻璃柱）。这种吸附树脂是固定的，溶液是流动的，因而被称为动态吸附。固定床因装填的不均匀性、气泡、壁效应或沟流的存在，吸附饱和层面的下移常是不整齐的，即存在所谓“偏流”现象。并且当吸附过程临近结束，部分吸附质从柱子随溶剂漏出时，柱子底部的树脂层尚未达到吸附平衡，因而柱式吸附时树脂的负载量可能会有些变化。,1.应用范围广 大孔吸附树脂的应用范围比离子交换树脂广，表现在:其一，许多生物活性物质对pH较为敏感，易受酸碱作用而失去活性，限制了离子交换法的应用，而采用大孔吸附树脂，既能选择性吸附，又便于溶剂洗脱，整个过程pH不变；其二，对于存在有大量无机盐的发酵液，离子交换树脂受严重阻碍无法使用，而大孔树脂却能从中分离提取抗菌素等物质。2 理化性质稳定 大孔树脂稳定性高，机械强度好，经久耐用，且又避免了溶剂法对环境的污染和离子交换法对设备的腐蚀等不良影响。,3分离性能优良 大孔树脂对有机物的选择性良好，分离效能高，且脱色能力强，效果不亚于活性炭。4.使用方便大孔树脂一般系小球状，直径在0.20.8mm之间，因此流体阻力小于粉状活性炭，使用方便。5.溶剂用量少 溶剂法是液液萃取，溶剂消耗大，回收较难，而大孔树脂吸附法仅用少量溶剂洗脱即达到分离目的，不仅溶剂用量少，而且又避免了严重的乳化现象，提高了效率。6.可重复使用，降低成本大孔吸附树脂再生容易，一般用水、稀酸、稀碱或有机溶剂如低浓度乙醇、丙酮对树脂进行反复清洗，即可再生重复使用。大孔吸附树脂价格较贵，吸附效果易受流速和溶质浓度的影响；品种有限，不能满足中药多成分、多结构的需求；操作较为复杂，对树脂的技术要求较高,在运用大孔树脂进行分离精制工艺时，其大致操作步骤为：树脂预处理树脂上柱药液上柱树脂的解吸树脂的清洗、再生。由于每一个操作单元都会影响到树脂的分离效果，因此对树脂的精制工艺和分离技术的要求就相对较高。,四、大孔吸附树脂吸附分离技术要求,1.树脂的预处理 除去未聚合单体、致孔剂、分散剂、防腐剂等有机残留物，提高树脂洁净度。经预处理的树脂方可使用。预处理方法：取市售大孔树脂，加丙酮或甲醇浸泡24h，加热回流洗脱（或用改良索氏提取器加热洗脱），视树脂中可溶性杂质的多寡，一般为34d，甚至长达78d，洗至洗脱液蒸干后无残留物，溶剂挥尽后保存备用。检查：取干树脂0.5g，加70乙醇5ml振摇，滤液蒸干不得有残留物。,2.装柱 以蒸馏水湿法装柱，并用乙醇在柱上流动清洗，检查流出的乙醇与水混合不呈白浊色为止（取lml流出液加5ml水），然后以大量蒸馏水洗去乙醇，注意少量乙醇的存在会大大降低树脂的吸附力。,3.药液的上柱吸附（1）泄漏曲线与吸附容量的考察 大孔吸附树脂的吸附作用主要是通过表面吸附、表面电性或氢键等，有一定吸附容量。当吸附量达到饱和时，其对化学物质吸附减弱甚至消失，此时化学成分即泄漏流出，故需要考察树脂的泄漏曲线，为预算树脂用量与可上柱药液量提供依据。有人用大孔树脂D1300精制当归煎液时，对其泄漏曲线作了如下考察研究。,取D1300树脂100ml置树脂床上，加入浓度为0.51g/ml的药液，并控制药液上样流速为241000(V/min，V为树脂床体积)，径高比为1:40，每2.0ml收集一份，薄层检测后，选择不同馏分定量测定当归煎液中有效成分5-HMF(5-HMF为方中熟地黄成分)斑点的峰面积，见图1，泄漏曲线见图2。,扫描结果显示，第111分峰面积高于110分峰7.48倍，明显表现出泄露现象，按每2.0mL计算，总上样体积220.0mL相当于110.0g生药量，由计算公式：树脂吸附容量泄露点前上柱样品体积(m1)X样品浓度(mgL)可得出该树脂对当归煎液的吸附容量，即每lml树脂最大吸附量为1.10g生药。,（2）.药液上柱前的预处理 为避免大孔树脂被污染堵塞，药液上柱前一般需经过滤，除去较多的悬浮颗粒杂质，保证树脂的使用完全、顺利。（3）.上柱工艺条件的筛选 影响树脂吸附性能的因素有诸多方面，其中最基本的是树脂自身因素，包括树脂的骨架结构、功能基性质及其极性等。此外，样品浓度、pH、吸附柱径高比及上样流速等条件，均不同程度地影响树脂的吸附性能。上样溶液pH值对吸附和分离效果至关重要，根据化合物结构特点，灵活改变溶液pH值，可使提纯工作达到理想效果。一般情况下，酸性化合物在适当酸性溶液中充分被吸附，碱性化合物则在适当碱性条件下较好地被吸附，中性化合物可在大约中性的条件下被吸。药液浓度、流速及树脂柱径高比等因素也直接影响了大孔吸附树脂的吸附性能。,4、树脂的解吸 解吸时，通常先用水，继而以醇水洗脱，逐步加大醇的浓度，同时配合适当理化反应和薄层层析(如硅胶薄层层析、纸层析、聚酰胺薄层层析及HLPC等)作指导，洗脱液的选择及其浓度、用量对解吸效果有着显著影响。如在赤芍总苷生产工艺条件研究时发现，在用大孔吸附树脂进行分离、解析时，先用水洗脱至还原糖反应显阴性(Molish反应检测)，改用10、20、30、50、95浓度的乙醇梯度洗脱，结合高效液相色谱法检测，发现10、20乙醇洗脱液中均含有芍药苷，而30以上浓度的乙醇中未检出，故选用30乙醇洗脱，即可将柱上的芍药苷全部解吸。,对非极性大孔树脂，洗脱剂极性越小，洗脱能力越强；对于中性大孔树脂和极性较大的化合物来说，则用极性较大的溶剂洗脱较为合适。为达到满意的效果，可设几种不同浓度的洗脱剂，确定洗脱浓度。实际工作中，甲醇、乙醇、丙酮应用较多，流速一般控制在0.55mlmin为好。根据吸附力强弱选用不同的洗脱剂及浓度。对弱碱性化合物，如生物碱类，则用酸性洗脱剂，解吸效果较为理想。例、如小檗碱的洗脱，分别以50、70甲醇与含0.5硫酸的50甲醇洗脱，用薄层色谱法检测，表明后者有较好的洗脱、解吸能力。,解吸效果的评价：根据洗脱曲线，选择洗脱峰最集中的条件，如喜树碱的不同洗脱剂的洗脱曲线见图。,5、树脂的再生 大孔吸附树脂的一大优点就是可再生供重复使用。由于树脂再生后的性能影响到下一轮的纯化分离，故需建立评价树脂再生是否合格的指标与方法，证明树脂经多次反复再生后其纯化效果保持一致。树脂再生的方法 一般用无水乙醇或95乙醇洗脱至五色后，树脂柱即已再生。然后用大量水洗去醇，可用于相同植物成分的分离。若树脂颜色变深，可试用稀碱或稀酸溶液洗脱，最后水洗至中性。如果柱上方沉积有悬浮物，影响流速，可用水或醇从柱下进行反洗，以便把悬浮物顶出。树脂经多次使用，有时柱床挤压过紧或树脂颗粒部分破碎而影响流速，可自柱中取出树脂盛于烧杯中用水漂洗去太小的颗粒和悬浮的杂质，再重新装柱使用。大孔树脂应湿态保存，若部分颗粒暴露在空气中，在进行水溶性杂质分离时，失水后被空气填充的颗粒会悬浮于水面，此时将上浮树脂用乙醇处理，将树脂内部的空气排出后使用。,1、大孔树脂规格的选择 正确选择和使用符合规格要求的大孔树脂是实现分离纯化目的要求的首要条件。在筛选大孔树脂型号与规格时，要求供应方提供树脂有关技术要求的资料，并结合以下因素考虑树脂的合理选择。,五、大孔树脂吸附法在天然产物提取分离中的应用,(1)吸附物质的性质与树脂极性的关系 遵从类似物吸附类似物的原则，根据吸附物质的极性大小选择不同类型的树脂。极性较大的化合物一般适用于在中极性的树脂上分离；极性小的化合物适用于在非极性的树脂上分离。极性大小是一个相对概念，要根据分子中极性基团(如羟基、羰基等)与非极性基团(如烷基、苯环、环烷母核等)的数量与大小来确定；对于未知化合物，可通过一定的预试验及TLC、PC而大致确定。如甜叶菊苷分子中含有极性部分葡萄糖基，同时含有非极性部分二萜母核，这样的结构使其在水中有一定的溶解度，同时疏水性二萜母核的存在，使其在非极性大孔吸附树脂上较好的被吸附，而极性较大的葡萄糖则难以在非极性树脂上被吸附，从而实现了甜菊苷的分离，故现在多采用Dl01大孔吸附树脂来纯化甜菊苷。又如茶多酚由于含有多个酚羟基，故选用含有酚羟基的大孔树脂有利于其吸附分离。,(2)吸附质的分子大小与树脂孔径的关系 大孔吸附树脂是多孔性物质，其孔径特性可用比表面积(S)、孔体积(V)和计算所得的平均孔半径(r)来表征。假定孔道为圆柱形，则三者关系r2V/S。吸附质通过树脂的孔道面扩散到树脂的内表面被吸附，其吸附能力大小除取决于比表面积外，还与吸附质的分子量和构型有关。树脂孔径的大小，直接影响不同大小的分子自由出入，从而使树脂具有选择性。因此，只有当孔径对于吸附质足够大时，比表面积才能充分发挥作用。以头孢素C为例，用AmberliteXAD-4和SIP7300型进行比较，尽管前者比表面积高，但平均孔径小，因此吸附速度较慢，解吸不够集中，杂质的分离效果也较差。(3)树脂的强度 大孔吸附树脂强度与孔隙率有直接关系，也和制备工艺有关。这类树脂在酸碱中体积变化不大，在溶媒中则有一定程度的溶胀。一般树脂孔隙率越高，孔体积越大，则强度越差。树脂的强度直接影响了树脂的使用寿命，从而影响着树脂法工艺的成本。(4)根据方药的功能主治需要和成分性质选择树脂的种类、型号。,综上所述，大孔树脂的选择，必须根据所分离化合物的大致结构特征来确定。首先，要知道所需分离化合物分子体积的大小，如多糖类、皂苷类、取代苯类等，它们分子体积的大小相差明显，一般通过预试验或文献资料查阅可获得所选用的适当孔径的树脂；其次，要知道分子中是否存在酚羟羧基或碱性氮原子，由此确定树脂的型号。,2.树脂纯化效果的因素及工艺条件的考查(1)树脂性质 如前所述，树脂的理化性质对吸附的影响很大，一般要求吸附容量大，吸附速度快和机械强度好。由于树脂的孔度、孔径、比表面积及极性不同，故性质亦异，使用时必须根据情况加以选择。凡要吸附分子量小的物质，则选择比表面积高及孔径较小的吸附剂。(2)药液pH值 由于pH值影响某些药物的解离度，亦即影响该化合物与溶剂的亲和力，从而影响到被大孔树脂吸附的难易程度。一般情况下，酸性物质易在酸性溶液中被吸附，碱性物质在碱性溶液中被吸附。(3)药液浓度 吸附量与药液浓度符合Frendich和Angmur经典吸附式，即药液浓度增加吸附量增加，但药液浓度增加有一定限度，即不能超过树脂的吸附容量。,(4)上柱液温度 由于吸附过程为一放热反应，温度太高会影响吸附效果，经实践证明，室温对实验几乎无影响，超过50摄氏时，吸附量明显下降，故应注意上柱液温度。(5)盐浓度 无机盐的加入降低了吸附质在介质内的溶解度，从而有利于大孔树脂的吸附。有人通过静态吸附量的实验比较，认为无机盐的浓度为3.5(W/V)时，大孔树脂对人参总皂苷的吸附能力最强。(6)树脂柱径高比 树脂柱内径与其柱高的比例也是影响树脂吸附效果的因素之一。合适的径高比可为分离提供较高的柱效，从而更有利于大孔树脂的吸附与分离。(7)树脂柱的清洗 化合物经树脂吸附后在树脂表面或内部残留有许多非极性物质，或吸附杂质成分，必须在清洗过程中洗除，非吸附性成分一般用水即可洗除，而吸附性杂质根据情况可用一定浓度的酸或碱液除去(0.1lmolL氢氧化钠或盐酸)，一般情况下洗至近无色即可。(8)洗脱液的选择及解吸 根据被吸附物的性质及吸附环境选择适宜的洗脱液进行洗脱和解吸。,常用的方法是用低级醇、酮或其水溶液解吸，如甲醇、乙醇、丙醇、丙酮、水等等。所选用的溶剂应符合两种要求：一种要求溶剂应能使大孔网状吸附剂溶胀，这样可减弱溶质与吸附剂之间的吸附力；另一种则要求所选用的溶剂应容易溶解吸附物。因为解吸时不仅需克服吸附力，而且当溶剂分子扩散到吸附中心后，应能使溶质很快溶解。对弱酸性物质可用碱来解吸，对弱碱性物质则宜在酸性溶剂中解吸。吸附若在高浓度盐类溶液 中进行时，则常常仅用水洗就能解吸。对于易挥发溶质可用热水或蒸汽解吸。,总结与展望,Thank You!,请老师和同学们多提意见！,Your advice，my progress！,