一种高效分离生物大分子的方法及所用碟片式螺旋管柱与流程

本发明涉及化工分离领域，尤其涉及一种高效分离生物大分子的方法及所用碟片式螺旋管柱管柱。

背景技术：

逆流色谱技术是近30年发展起来的一种基于液液分配的色谱分离技术，其原理是利用多层缠绕的螺旋管分离柱在行星运动时产生的离心力，使互不相溶的两种液体在分离柱中保留其中的一相(固体相)，再利用恒流泵向分离柱连续输入另一相(流动相)。使得待分离的溶质在两相之间反复分配，溶质按分配系数的不同，被依次洗脱。这种仪器的优点在于能够完全避免传统柱色谱柱中固体填料的死吸附，具有分离量大、样品无损耗和回收率高等优点。该技术目前已广泛应用于生物、医药、环保等领域。

现有的逆流色谱仪按运动方式可以分为j型同步逆流色谱仪和正交轴色谱仪。其中正交轴色谱仪由于结构复杂，没有商业化。目前商业化的逆流色谱仪均为j型同步逆流色谱仪，其分离柱结构由绕管柱和绕制在其上的聚四氟乙烯管组成(图1)，将一根聚四氟乙烯管从绕管柱的一端以平铺方式一圏紧靠一圏,螺旋绕制到绕管柱的，绕满第一层再在第一层基础上，重叠于第一层上返回绕制第二层，按此类推，直到绕满绕管柱。

生物大分子例如多糖、蛋白肽类等化合物通常极性很大，易溶于水。而双水相是一种常用于分离大分子化合物的溶剂系统。具有高黏度、低界面张力特性，图1所示的分离柱结构在转动过程中产生的综合力场已不足以使双水相建立起良好的单向性流体动力平衡，使得双水相在管柱里的固定相保留率很低，不能很好地与生物大分子样品进行混合，进而造成分离柱效降低。因此现有的j型同步逆流色谱仪及其分离柱不适合生物大分子的分离。

技术实现要素：

为实现本发明的技术目的，本发明提供一种高效分离生物大分子的方法。针对j型同步逆流色谱仪的缺陷，对其原有的管柱结构进行结构改进，完美解决了现有分离柱不能很好地保留双水相的问题，实现了短时间内高效分离生物大分子的技术效果。

为实现本发明的技术目的，本发明提供一种高效分离生物大分子的方法，其采用包括内部具有多个平压腔体，且相邻平压腔体之间的空间呈角度排列的聚四氟乙烯管，以及将所述聚四氟乙烯管呈渐进式阿基米德螺线方式垂直缠绕在管柱上，叠加形成的多个片层结构叠加的碟片式螺旋管柱的逆流色谱装置实现，包括：

将生物大分子混合样品送入所述聚四氟乙烯管中进行进样洗脱，在所述聚四氟乙烯管的多个呈角度相邻的平压腔的作用下，使其中的生物大分子能够高效率地与流动相、固定相之间充分混合、传质；

随着所述碟片式螺旋管柱的自传与逆流色谱装置的公转所产生的由小及大的β值，所述碟片式螺旋管柱能够同时形成渐进式阿基米德力与旋转向心力，并通过碟片式结构叠加，因而使得分离系统的固定相有较多保留，使生物大分子成分被快速分离、洗脱，收集后得到高纯度的生物大分子。

其中，所述由小及大的β值为0.3-0.8。

本发明所称的β值是本领域常用的术语，是指线圈自转半径与线圈公转半径的比值。

其中，所述将待分离的生物大分子样品进行进样洗脱之前，包括：

将待分离生物大分子溶解到双水相分离体系中，设置所述逆流色谱装置的洗脱参数，当所述逆流色谱平衡后，再将待分离的生物大分子样品注入仪器，进行洗脱。

其中，所述聚四氟乙烯管的相邻平压腔的空间排列角度为0-180°。

优选地，所述排列角度为0°-90°

进一步优选的，所述排列角度为30°-90°。

进一步优选地，所述排列角度为45°-70°。

尤其是，所述在管柱上形成的多个片层结构的聚四氟乙烯管只有一条，保证了洗脱的连续性，以及分离质量。

其中，所述聚四氟乙烯管的内径为1.0-5.0mm。

进一步优选地，所述聚四氟乙烯管的的内径为1.6mm。

其中，所述压痕形成的平压腔的长度为5-20mm，优选地为15mm。

作为优选地，所述压痕形成的平压腔的高度为1-4mm，进一步优选地高度1mm。

其中，所述管柱包括：

与所述逆流色谱装置连接的管柱支撑；

设置于管柱支撑上的用于使所述聚四氟乙烯管形成多个片层结构的多个平行挡板；以及位于相邻的所述挡板之间，用于缠绕放置所述ptfe管形成的片层结构的定位槽。

其中，所述片层结构的层数为5-17层。

其中，所述一个片层结构上聚四氟乙烯管缠绕在管柱上的圈数为5-12圈。

其中，所述多个片层结构产生的螺距为2-5mm。

其中，所述生物大分子为分子量为多糖或肽类化合物。

为实现本发明的技术目的，本发明再提供一种高效分离生物大分子的高速逆流色谱柱管柱，其特征在于，包括：

其内部具有多个平压腔且相邻平压腔之间的空间呈角度排列的聚四氟乙烯管；

使所述聚四氟乙烯管呈渐进式阿基米德方式缠绕，并在其垂直方向叠加形成多个片层结构的管柱。

其中，所述聚四氟乙烯管的相邻平压腔的空间排列角度为0-180°。

优选地，所述排列角度为0°-90°

进一步优选的，所述排列角度为30°-90°。

进一步优选地，所述排列角度为45°-70°。

尤其是，所述在管柱上形成的多个片层结构的聚四氟乙烯管只有一条，保证了洗脱的连续性，以及分离质量。

其中，所述聚四氟乙烯管的内径为1.0-5.0mm。

进一步优选地，所述聚四氟乙烯管的的内径为1.6mm。

其中，所述压痕形成的平压腔的长度为5-20mm，优选地为15mm。

作为优选地，所述压痕形成的平压腔的高度为2-4mm，进一步优选地高度1mm。

其中，所述管柱包括：

与所述逆流的色谱装置连接管柱支撑；

设置于管柱支撑上的用于使所述聚四氟乙烯管叠加形成多个片层结构的多个平行挡板；以及位于相邻的所述挡板之间，用于缠绕放置所述聚四氟乙烯管形成的片层结构的定位槽。

其中，所述片层结构的层数为5-17层。

其中，所述一个片层结构上聚四氟乙烯管缠绕在管柱上的圈数为5-12圈。

其中，所述多个片层结构产生的螺距为2-5mm。

特别是，所述生物大分子为分子量为多糖或肽类化合物。

特别是，所述管柱用于j型高速逆流色谱仪。

为实现本发明的技术目的，本发明还提供一种高效分离生物大分子的高速逆流色谱仪，其具有上述的管柱结构。

特别是，所述高速逆流色谱仪适用于八种洗脱模式，包括l-i-t、l-i-h、l-o-t、l-o-h、u-i-t、u-i-h、u-o-t和u-o-h。其中l和u分别表示双水相的下相和上相，i和o分别表示从管柱片层的内层和外层进样，t和h分别表示“ptfe管的进样从尾端到首端，和聚四氟乙烯管的进样从首端到尾端的洗脱模式。

有益效果：

1、本发明提供的分离生物大分子的方法，采用包括内部具有多个压痕形成的平压腔体且相邻平压腔体之间呈空间角度排列的聚四氟乙烯管，样品在平压腔体的管路里面会产生翻转，使高粘度的生物大分子在管路中更加充分、彻底地与固定相、流动相混合，解决了生物大分子不能在双水相中很好的混合及保留的技术问题。

2、本发明提供的分离生物大分子的方法，采用了可将聚四氟乙烯管呈渐进式阿基米德方式缠绕的管柱，使β值分布、叠加产生一个渐进式阿基米德力，能够使双水相的固定相得到较多的保留，提高了生物大分子的分离效率，缩短分离时间。

3、本发明提供的分离方法及装置可以通过调整聚四氟乙烯管的总体积，缠绕圈数、管柱层数，甚至一个平压腔体积或螺距距离来控制分离时间和分离效果，使用方便，适用范围广。

附图说明

图1是现有技术中的管柱结构；

图2是本发明提供的碟片式螺旋管柱结构示意图，图2a为逆流色谱主机；图2b为聚四氟乙烯管在管柱上以阿基米德螺旋方式缠绕形成的呈碟片式结构；图2c为管柱支撑；图2d为聚四氟乙烯管压痕形成的平压腔的结构示意图。

图中，1、管柱，11、呈角度排列的相邻平压腔；2、聚四氟乙烯管，21、管柱支撑，22、平行挡板，23、定位槽。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，下列实施例中未注明具体结构的，通常采用常规结构，未注明具体实验条件的实验方法，通常按照文献常规条件。

实施例1碟片式螺旋管柱

如图2所示，本发明提供的碟片式螺旋管柱包括：聚四氟乙烯管1；和使所述聚四氟乙烯管以一定螺距方式，呈渐进式阿基米德方式缠绕，并在其垂直方向使聚四氟乙烯管形成多个片层结构的管柱2。

进一步地，聚四氟乙烯管1内部具有多个呈角度排列的平压腔11。

进一步地，所述管柱包括：与所述逆流的色谱装置连接管柱支撑21；设置于管柱支撑上的用于使所述聚四氟乙烯管形成多个片层结构的多个平行挡板22；以及位于相邻的所述挡板之间，用于缠绕放置所述聚四氟乙烯管形成的片层结构的定位槽23。

其中，所述管柱为圆柱形。

其中，所述聚四氟乙烯管是由市售的聚四氟乙烯管经过压制获得。

本发明巧妙地将聚四氟乙烯管呈碟片式地以阿基米德螺旋螺旋方式缠绕在管柱支撑上，由于管柱支撑上的聚四氟乙烯管的多层排列中的每层排列都以阿基米德螺旋方式缠绕，因此每层的阿基米德螺旋缠绕都产生由小及大的β值，当待分离样品经过管柱的每层缠绕都会在由小及大的β值范围内发生分配，即在小β值的柱体系时，中间溶剂的流体动力学特征同亲水性溶剂相近，能使疏水性溶剂体系的单向性流体动力学分布反向；反之，在大β值的柱体系时，中间溶剂的流体动力学特征同疏水性溶剂相近，导致亲水性溶剂体系的单向性流体动力学分布反向。因此，每一次经过多层的分配后，分离时间被极大地缩短，相对于传统的聚四氟乙烯缠绕方式的分离时间，缩短了一倍以上的时间。

此外，本发明同时巧妙地将常用的聚四氟乙烯管进行了处理，使聚四氟乙烯管内部形成多个平压腔体，且相邻平压腔之间呈角度排列，当待分离样品流经聚四氟乙烯管中的每个平压腔中都会产生方向变化，促使待分离样品中的形成生物大分子与流动相之间充分混合、传质，使生物大分子较多的保留在流动相中，极大的提高了分离效率。

将本发明采用了处理的聚四氟乙烯管，以本发明的缠绕方式缠绕在管柱支撑上，不仅打破了现有技术中的分离时间记录，还将现有技术的分离效果提高了3倍以上，取得了非常显著的技术效果，为本领域技术做出了极大的贡献，市场效益巨大。

实施例2

采用内径1.6毫米的聚四氟乙烯管制得本发明的管线，总体积300ml。管柱支撑半径为8厘米，β值＝0.2-0.5，平压腔长度为3毫米，宽度为2毫米，高度为1毫米，所述相邻平压腔体的空间角度为45°。管路螺距为2.4毫米，每层缠绕5圈，总共5层的上述实施例1的结构进行多糖分离、分析，多糖具体分离操作方法如下：

以peg1000/k2hpo4/kh2po4(14％peg1000,16％k2hpo4，和14％k2hpo4,wt％)作为双水相分离系统。20mg葡聚糖t10(分子量1万)、20mg葡聚糖t50(分子量5万)溶解于5ml上相与下相混合液中作为分离样品。以上相作为固定相，下相为流动相，管柱转速500rpm。采用“l-i-h”洗脱模式，洗脱流速为2.0ml/min。系统平衡好以后，将分离样品进样洗脱。每10ml收集1管，采用硫酸苯酚法在490nm检测，确定多糖成分是否洗脱下来；采用激光多角度检测器确定被洗脱的多糖分子量，统计并计算分离时间、葡聚糖t50的理论塔板数、葡聚糖t50的理论塔板数、分离度，计算结果如表1所示。

实施例3

采用内径1.6毫米的聚四氟乙烯管制得本发明的管线，管柱支撑半径为10厘米，β值＝0.3-0.6。平压腔距离为10毫米，宽度为2毫米，高度为1毫米，所述相邻平压腔体的空间角度为45°。管路螺距为3.6毫米，每层缠绕8圈，总共15层的上述实施例1的结构进行多糖分离分析，多糖具体分离操作方法同实施例2。

实施例4

采用内径3.0毫米的聚四氟乙烯管制得本发明的聚四氟乙烯管，总体积500ml。管柱支撑为10厘米，β值＝0.3-0.6，平压腔长度为5毫米，宽度为2毫米，高度为1毫米，所述相邻平压腔体的空间角度为45°。管路螺距为3.6毫米，每层缠绕12圈，总共17层的上述实施例1的结构进行多糖分析，多糖具体分离操作方法同实施例2，洗脱速度为5.0ml/min，其他参数相同。

实施例5

仪器结构与参数与实施例1完全相同，用于分离二肽。以正丁醇–乙酸–水(4:1:5,v/v/v)作为分离系统。25mg色氨酸-酪氨酸、100mg缬氨酸-酪氨酸二肽混合物溶解于10ml上相与下相混合液中作为分离样品。以上相作为固定相，下相为流动相，转速500rpm。采用“l-i-h”洗脱模式，洗脱流速为2.0ml/min。系统平衡好以后，分离样品进样洗脱。每10ml收集1管，采用硫酸苯酚法在490nm检测，确定多糖成分是否洗脱下来；采用激光多角度检测器确定被洗脱的多糖分子量，统计并计算分离时间、dextrant50的理论塔板数、dextrant50的理论塔板数、分离度，计算结果如表1所示。

对比例1

所述相邻平压腔体的空间角度为90°，其它结构及具体分离方法均与实施例2相同，测得结果如表1所示。

对比例2

除采用常规的聚四氟乙烯管外，其它结构及具体分离方法均与实施例2相同，测得结果如表1所示。

对比例3：

除采用每层缠绕3圈，总共3层外，其它结构及具体分离方法均与实施例2相同，测得结果如表1所示。

对比例4：

除采用每层缠绕15圈，总共17层外，其它结构及具体分离方法均与实施例2相同，测得结果如表1所示。

对比例5：

除采用管柱为传统圆柱形结构(见图1)外，其它结构及具体分离方法均与实施例2相同，测得结果如表1所示。

对比例6：

除采用管柱为圆柱形结构(见图1)、聚四氟乙烯管为传统的没有经过处理的聚四氟乙烯外，其它结构及具体分离方法均与实施例2相同，测得结果如表1所示。

对比例7：

除采用管柱为圆柱形结构(见图1)、聚四氟乙烯管为传统的没有经过处理的聚四氟乙烯外，其它结构及具体二肽的分离方法均与实施例5相同，测得结果如表1所示。

表1分离效果表(n＝5)

*实施例5与对比例7的样品为色氨酸-酪氨酸和缬氨酸-酪氨酸，其他样品为葡聚糖t10和葡聚糖t50。

从表1的数据可见，通过上述技术方案，本发明的逆流色谱仪管柱能够在较短的时间(82-99分钟)产生较好的多糖分离效果(分离度1.53-2.59)，在105分钟可以产生较好的二肽分离效果(分离度1.51)。

根据表1中实施例3和实施例4可以看出，不同平压腔长度、不同层数及圈数都会对分离效果产生影响，但是相对于现有技术的管柱(例如对比例5)的分离时间显著缩短，而分离度显著提高。

将表1中实施例2与对比例1的数据进行比较可知，只使用本发明的管柱结构，虽然采用本发明的带有平压腔的聚四氟乙烯管，但是空间平压腔角度为90°虽然分离时间仅需要89min，但是其分离度只有0.85，仅为本发明实施例2的一80％。

将表1中实施例2与对比例2的数据进行比较可知，只使用本发明的管柱结构，而不采用本发明的带有平压腔的聚四氟乙烯管，分离时间为117min，其分离度只有0.56，仅为本发明实施例2的一半。

将表1中实施例2与对比例3、对比例4比较可知，改变每层的圈数与缠绕的层数也会影响分离时间与分离效果，圈数及层数过少或过多都不会得到本发明的技术效果，例如对比例3仅缠绕3层，每层3圈，其分离时间虽然只要74min，但是分离度只有0.34，而对比例4缠绕17层，每层15圈其分离度相较于对比例2虽然有所提高，达到0.66，但是其分离时间长达115min，可见，在一定的聚四氟乙烯容积范围内，设置不同缠绕层数及每层的圈数对分离效果及分离效率是有帮助的，超过一定限度，则不会提高分离效果及效率。

将表1中实施例2与对比例5的数据进行比较可知，将本发明的聚四氟乙烯管应用于传统的管柱，虽然分离度可以达到0.84，但是其分离时间长达222min，是本发明实施例2所用时间的2.4倍。

将表1中实施例2与对比例6的数据进行比较可知，采用传统的分离柱，其分离时间长达218min，分离度只有0.77，但是，是本发明实施例2所用时间的2.36倍。

将表1中实施例5与对比例7的数据进行比较可知，采用传统的分离柱，其分离二肽时间长达201min，分离度只有0.83，但是，是本发明实施例5所用时间的1.9倍。

本发明的特点在于：

1、采用内部具有多个平压腔体，且相邻平压腔体之间呈空间角度排列的聚四氟乙烯管；

2、采用具有使所述聚四氟乙烯管形成多个片层结构的圆环状挡板，以及位于相邻的挡板之间，用于缠绕放置所述聚四氟乙烯管形成片层结构的定位槽的管柱支撑结构；

3、将聚四氟乙烯管以阿基米德螺旋螺旋方式在管柱上进行多层缠绕的缠绕方式。

上述特点是本发明人基于大量聚四氟乙烯管结构、管柱结构以及聚四氟乙烯管在管柱上的缠绕方式等多方面进行的实验研究和验证才得以实现本发明的技术效果，本申请采用上述特点打破了传统的分离方法及管柱结构，实现了高效率分离生物大分子的技术目的，分离效率是现有技术的三倍以上。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。