全 文 ：文章编号 :100028551 (2009) 0120118205
径向流色谱分离技术原理及应用分析
姜慧燕　邵　平　孙培龙
(浙江工业大学生物与环境工程学院 ,浙江 杭州　310014)
摘 　要 :径向流色谱法是一种新型色谱分离纯化技术 ,采用径向流动特殊设计 ,在生物、食品领域应用逐
渐广泛 ,与传统的轴向色谱相比 ,该方法具有流速高、操作压力低、线性放大容易及样品处理量大等突出
优势。本文针对径向流色谱分离技术原理和特点作了详细论述 ,并简介了该技术的应用及发展前景。
关键词 :径向流色谱 ;轴向色谱 ;研究进展 ;综述
RESEARCH PROGRESS OF SEPARATION TECHNOLOGY
IN RADIAL FLOW CHROMATOGRAPHY
J IANG Hui2yan 　SHAO Ping 　SUN Pei2long
( College of Biological and Environmental Engineering , Zhejiang University of Technology , Hangzhou , Zhejiang 　310014)
Abstract :Progress of radial flow chromatography (RFC) was reviewed. As a new technique of chromatography purification , a
special radial flow design was applied in RFC , and RFC has been widely used in biological and food fields. The unique radial
flow design of the column makes RFC have some prominent advantages over conventional axial flow methods : high flow rate ,
low column pressure , easy to linear scale up , and large throughput . Detailed description of the theory and traits of the RFC
was presented , and its prospects of application and development were also discussed.
Key words :radial flow chromatography ;axial flow chromatography ;research progress ;review
收稿日期 :2008206226 　接受日期 :2008209224
基金项目 :国家高技术 863 项目 (2007AA10Z337) 和浙江省重大科技攻关资助项目 (2006C12048)
作者简介 :姜慧燕 (19832) ,女 ,浙江宁波人 ,硕士研究生 ,主要从事食用菌多糖高效分离技术研究。
通讯作者 :孙培龙 (19642) ,男 ,博士 ,浙江龙游人 ,教授 ,主要从事农产品资源高效利用研究。E2mail :sun
-
pl @zjut . edu. cn
　　目前 ,色谱分离技术已成为最主要最有效的分离
纯化技术之一。在传统的轴向色谱分离过程中 ,随着
色谱柱直径或柱长的增加 ,原来的色谱优化条件往往
不适宜 ,特别是进一步放大较高倍数时 ,结果更不能令
人满意。对于大规模生物样品的制备 ,迫切需要发展
新 型 色 谱 技 术。径 向 流 色 谱 法 ( Radial Flow
Chromatography ,RFC)是近十年来发展起来的一种新型
色谱分离分析技术 ,其独特的径向流动设计 ,可提高流
速 ,降低柱压 ,便于线性放大 ,在血液制品、基因工程产
品、生物样品和农产品等的分离纯化中已得到广泛应
用。
1 　径向流色谱技术的原理
径向流色谱的色谱分离原理与传统的色谱技术相
同 ,即利用物质在两相中的分配系数差异来进行分离 ,
当两相作相对移动时 ,被分离物质在两相间经反复多
次分配 ,原来微小的分配差异便会产生很大的效果 ,从
而使各组分分离[1 ] 。
径向流动色谱柱由两个多孔渗透树脂玻璃同心圆
筒及介于两者之间的色谱分离介质构成 ,主要包括内、
外树脂玻璃圆筒、分离介质、树脂玻璃顶板和底板、以
及不锈钢中心流体分布器等组件 ,其中填料厚度即为
811　 核 农 学 报　2009 ,23 (1) :118～122Journal of Nuclear Agricultural Sciences
床层高度[2～5 ] 。径向流色谱柱采用了径向流动技术 ,
流动相携带样品沿径向迁移 ,不同于传统轴向色谱柱
的流体在柱内从一端流向另一端 (图 1) 。在径向柱
内 ,流动相和样品可以从色谱柱的周围流向柱圆心 ,也
可以从柱心流向柱的周围。Gu 等[6 ] 研究表明 ,向心式
和离心式径向流动模式中流体输运行为存在差别。理
论和实践都证实 ,由于柱外效应的影响 ,样品从柱外流
向柱内有利于提高分离效果和收集样品。流动相在径
向流色谱柱内的线速度不同于传统轴向色谱 ,它沿径
向随其所在位置而变化。因此 ,在研究流速与柱效之
间的关系时 ,一般采用体积流速这一参量 ,而不用线速
度。
图 1 　轴向色谱 (a)和径向流色谱 (b)示意图
Fig. 1 　Comparison of liquid flow through the
axial column (a) and radial column (b)
2 　径向流色谱法的特点
与传统的轴向色谱相比 ,由于独特的径向流动设
计 ,径向流色谱显示了操作压力低、线性放大容易、分
离效率高及样品处理量大等突出优势。
211 　反压降较低
由于色谱柱的表面积一般大于其横截面积 ,在流
动相保持较高体积流速的同时 ,径向流流动相的线速
度并不高 ,因此其反压降也较低。Peter R Levison[3 ] 研
究表明 ,在相同的体积流速下 ,尤其是当体积流速较高
时 ,径向流色谱柱的柱压比传统轴向柱的柱压低得多
(如表 1) 。较低的反压降 ,使径向流色谱可用较高的
流动相速度 ,从而样品出峰较快 ,同时对设备的要求也
较低 ,只需通常的低压色谱系统即可满足要求。因此 ,
径向流色谱的分离速率可以得到大量提升。
212 　便于线性放大
在制备色谱分离纯化生物样品的研究中 ,难点之
一就是色谱柱及分离条件的放大问题。为增加样品制
备量 ,一般需要对柱结构和尺寸进行相应的调整 :一是
保持色谱柱的长度不变 ,增加色谱柱的直径 ;二是保持
色谱柱的直径不变 ,增加色谱柱长度[4 ] 。但在传统轴
向色谱柱中 ,随着色谱柱长度的增加 ,柱压相应增加 ,
样品保留时间延长 ,对柱子的要求也增加 ,同时还给实
际分离操作带来诸多不便。而径向流色谱由于特殊的
径向流动设计 ,在只增加柱长、保持色谱柱直径不变的
情况下 ,即可线性增大样品处理量 ,即样品处理规模可
在保持相似色谱条件下直接放大 ,各组分保留时间及
分辨情况基本相同。因为保持径向流色谱柱的直径不
变时 ,样品通过色谱柱内填料的途径也未改变 ,因此分
离过程基本保持一致 ;同时 ,由于色谱柱的长度增加 ,
色谱柱的柱容量也增加 ,从而样品处理量就线性增大。
另外 ,如需进一步将样品处理量放大至工业生产规模 ,
还可以通过将多支径向流色谱柱串联或并联使用来实
现。
表 1 　径向流色谱与轴向色谱分离蛋清蛋白时柱压比较 [ 3]
Table 1 　Comparison of pressure for separation of hen
egg2white proteins by axial and radial flow chromatography
流速
flow2rate
(mlΠmin) 柱 压 pressure (p . s. i . )DE52 柱DE52 column QA52 柱QA52 column
轴向 axial 径向 radial 轴向 axial 径向 radial
5 1 — 1 1
15 5 1 5 4
25 14 1 17 4
50 > 45 1 > 45 4
100 — 6 — 18
150 — 6 — 20
213 　分离效率高
与轴向色谱相比 ,径向流色谱的一个典型特征就
是在相同的柱压下有更高的体积流速。由于径向流色
谱为样品流动提供了较大的横截面积 ,所以即使在较
低的线速度下 ,样品体积流速也能达到柱自身体积的
15 倍Πh ,由于样品在柱内暴露时间短 ,不仅有利于生物
活性物质快速分离纯化 ,而且能提高样品的回收率和
最终产物的浓度[7 ] 。另一方面径向流色谱使得样品在
上样过程中能充分与填料结合 ,即使在高流速下 ,样品
仍能在柱内较好的扩散 ,从而得以充分地吸附在填料
上 ,因此在一定范围内提高上样流速及洗脱流速并不
影响分离效果。
研究表明[3 ] ,柱体积越大时 ,径向流色谱表现出的
优点越明显。但在色谱柱体积较小 ( < 100ml) ,流速较
911　1 期 径向流色谱分离技术原理及应用分析
低的情况下 ,径向流色谱的分离效果较轴向色谱差 ,因
为这时轴向色谱的理论塔板数较多 ,因此更有利于样
品的分离纯化。
3 　径向流色谱柱的分离介质
选择适宜的色谱柱分离介质是取得良好分离效果
的最根本保证。选择何种填料 ,一方面要考虑填料的
性质 ,包括其分离范围、理化稳定性和强度等 ;另一方
面还要考虑分离目的和样品的性质。径向流色谱可用
的填料种类有离子交换、疏水、反相及亲和色谱等 ,可
根据分离目的及分离对象性质不同选用不同的填料。
从已发表的文献来看 ,径向流色谱使用的分离介质主
要是离子交换型[8～14 ]和亲和型填料[15 ] ,这与现在生物
样品的分离纯化所用填料的趋势一致。由于样品和流
动相流经色谱柱的路径较短 ,因此径向流色谱柱应采
用高选择性的填料来弥补这一缺点 ,进一步发挥其速
度快 ,处理量大的优点。而离子交换树脂和亲和型填
料这两种介质具有高选择性和高稳定性的特点 ,正符
合这一要求。
离子交换色谱因为填料的容量高而价格低 ,并有
利于尽可能早地减小样品体积 ,既能提高后续分离步
骤的选择性 ,又可降低成本 ,故适用于对大量的初步提
取液进行浓缩及粗纯化。径向流色谱一般可采用
Sepharose Fast Flow 或 Sepharose Big Beads 等离子交换
介质 ,根据目标成分的性质选择强阳 S、SP ,强阴 Q、
QAE ,或弱阳 CM ,弱阴 CM 等介质进行粗分离。
此外 ,也有许多特殊设计的径向流色谱柱填料 ,如
膜填料[16 ,17 ]和连续床层填料[18～21 ] 可作为其分离介质。
膜填料径向流色谱柱是通过接枝聚合等反应在基质上
引入能与生物大分子作用的官能团 ,如 DEAE、QAE、
CM和 SP 等 ,获得径向流色谱填料 ,再将其绕一中心
孔道缠绕多层 ,然后置于事先设计好的色谱柱中。它
的特点是容量和负荷量大 ,操作方便 ,可原位再生和高
压消毒 ,已被广泛用于生物大分子的分离。
连续床层填料又称整体固定相填料 ,其内部有高
度连接的多孔结构 ,由大孔、小孔和微孔组成 ,其中大
孔保证了整体固定相的对流传质特征 ,比传统颗粒填
料的扩散传质速率高出几个数量级 ;而中孔及微孔为
整体固定相提供了足够的活性位点 ,赋予其一定的色
谱分离能力。因此 ,流动相流经连续床层填料时表现
出低流动阻力及高传质速率等特性 ,具有在高流速下
的高分离效率及高渗透率。由于整体固定相所表现出
的高分辨率及高吸附量 ,且不依赖于流速 ,以及高流速
操作时背压适中等特性 ,使其适合于蛋白质、多肽、低
聚核甘酸等生物大分子的制备分离。
4 　径向流色谱机理研究
径向流色谱技术是 20 世纪 80 年代末才发展起来
的一种新型色谱分离柱系统 ,但早在 1947 年 , Hopf[22 ]
发明的一种借助离心力分离液体的装置中 ,就采用了
径向流色谱的原理和方法。随后的一些学者对这种方
法作了改进 ,发明了径向流气相色谱装置 ,但由于流速
分布等问题 ,结果并不理想。Rice 等人[23～27 ] 对柱型和
填料结构加以改进 ,采用特殊设计解决了流体在床层
中的分布问题 ,使径向流色谱在上样量、分离速度等诸
多方面的优势明显地表现出来 ,推动了径向流动色谱
技术的产业化进程。
Rachinskii [28 ]在平衡色谱条件下 , 忽略分子扩散的
影响 , 研究出溶质的保留与其在固定相上吸附等温线
的关系。Kalinichev[29 ]以及 Inchin[30 ]的研究中考虑了分
子扩散的影响。Huang 等[31 ]对径向流色谱中的传质过
程进行了初步的理论探讨 ,分别针对分子扩散作用可
以忽略和不能忽略等不同的情况建立了相关的理论模
型 ,并与轴向色谱进行了比较。Tsaur 等[32 ]也对比指出
了径向流色谱和轴向色谱中流体输运特征的不同。
Munson[33 ]对流体在颗粒填充径向柱中的流动行为进
行理论研究 ,同时探讨了提高分离效率的可能途径。
Charlotte Cabanne 等[2 ] 详细比较了径向流色谱柱和轴
向色谱柱的性能 ,揭示了径向流色谱在分离大分子缀
合物方面的优势。张维冰等[34 ] 在线性分配条件下 ,基
于溶质在径向流色谱柱内输运的质量平衡方程 ,进一
步研究了分离过程溶质在柱内的分布 ,并说明了柱结
构、流速等因素对分离效果的影响。
从目前的研究报道来看 ,径向流色谱分离技术主
要还是集中在离子交换径向流分离纯化蛋白质和核酸
方面[35～39 ] 。我国在径向流色谱设计和应用方面主要
侧重于蛋白质类化合物高效分离和色谱填料的合成 ,
对于径向流色谱分离体系、工艺条件与目标产物之间
的内在关系缺乏清晰认识。
5 　径向流色谱法的应用研究
生物制品的分离与纯化技术已成为生物医药高新
技术产业化的关键 ,集中了大部分的人力、物力和财
力 ,而色谱技术是实验室与工业生产上分离和纯化生
物大分子的最有效和常用的方法之一。自上世纪八十
021 核　农　学　报 23 卷
年代以来 ,径向流色谱由于样品处理量大、操作压力
低、线性放大容易等特点 ,在生物样品的制备、复杂样
品的初分离等方面较传统的轴向色谱有明显的优势 ,
在生物制药、食品等许多领域正发挥着越来越重要的
作用 (如表 2) ,尤其被广泛用于蛋白质大分子的分离
纯化。
表 2 　径向流色谱在生物制药、食品中的应用
Table 2 　Application of radial flow chromatography
in biopharmaceutical and food industry
应用领域
application fields
应用实例
application examples
生物制药
biopharmaceutical
血浆净化 plasma purification
血液不同成分分离 isolation of various from blood
疫苗纯化 purification of vaccines
蛋清中分离免疫球蛋白
separation of imunoglobulins from egg white
氨基酸分离纯化 purification of amino acid
食品工业
food industry
无乳糖牛乳生产 lactose free milk products
无杀虫剂、无苦味果汁生产
pesticide free and bitterness free juices
天然风味物质及色素分离
isolation of natural flavors and colors
张正光等[10 ] 用国产 CM2100 ,CM2250 径向阳离子
交换柱从 CL2CD1 细胞培养上清中分离纯化尿激酶原
(pro2urokinase ,Pro2UK) 。分离结果表明 ,Pro2UK比活性
提高了 4413 倍 ,蛋白质含量下降 98 %以上 ,体积缩小
至 1Π7 ,回收率达 8717 %。刘传暄等人[11 ] 用 CM250 径
向流色谱柱 ,以分泌表达霍乱毒素 B 亚单位的工程大
肠杆菌为对象 ,探索了分泌性细菌的培养物上清的径
向柱纯化 ,成功地对重组霍乱毒素 B 亚单位进行了分
离纯化。
郭立安等人[12 ] 利用径向离子交换色谱技术从促
性腺激素 (Human menopausal gonadotropin ,HMG) 的粗提
物中分离纯化了促卵泡激素 ( Follicle stimulating
hormone ,FSH) ,得到很好的分离结果。同时比较了径
向离子交换色谱与经典离子交换色谱在纯化工艺放大
过程中的分离效果 ,证实径向流色谱比经典色谱更适
合于促卵泡激素的纯化 ,并建立了适合大规模纯化的
新工艺。孙涛等人[8 ]利用国产膜径向离子交换色谱柱
分离纯化了 Nitschmann 组分中的凝血酶 Ⅲ中的凝血酶
原复合物 ,并对上样流速、洗脱流速、上样量等参数进
行了优化。
Per2Erik Gustavsson[15 ]采用径向流亲和色谱柱成功
地从牛心脏乳酸脱氢酶粗提液中提纯牛乳酸脱氢酶 ,
且对于 100ml 的粗提液分离纯化时间只需 68min。刘
国诠[4 ]利用 CM 径向柱分离小牛血清的结果经 SDS2
PAGE ( Sodium dodecyl sulfate2polyacrylamide gel
electrophoresis)证实 ,所分离的牛血清白蛋白基本为纯
品 ,总蛋白回收率大于 90 %。同时 ,他将牛血清上样
量增加 6 倍后 ,所得分离结果几乎完全相同。
6 　展望
作为一种新型高效的色谱分离技术 ,径向流色谱
法因操作压力低、线性放大容易及样品处理量大等突
出优势 ,目前已在生物制品分离纯化方面得到很好的
应用 ,在工业现代化进程中具有广阔的发展与应用前
景。相应的理论研究可深化对径向流色谱法的认识 ,
并指导实际应用 ;采用优质价廉、高效、合理的填料 ,及
优化分离条件是径向流色谱分离纯化的关键所在 ,也
是今后研究的重点。随着科学技术的不断发展 ,鉴于
其本身所具有的优势 ,径向流色谱技术必将在更多领
域展现更好的应用前景。
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