生物分离工程总复习题(5)

2019-03-09 13:44

65.分子筛色谱(凝胶色谱)的主要应用是生物大分子的初级分离,脱盐。

66.影响有机溶剂沉析的主要因素有_温度__ 、_搅拌速度 、溶液pH值、___离子强度__ 、_样品浓度_和__金属离子的助沉析作用。

67.根据膜材料的不同,常用的膜可分为__有机高分子膜__ 和 __无机材料膜__两类。 68.根据膜结构的不同,常用的膜可分为_对称性膜__ 、 _非对称膜_和 __复合膜__三类。 69.强制膜分离过程是指 _超滤__和 _反渗透_过程。

70.电泳系统的基本组成有__电泳槽_ 、 _电源_、__外循环恒温系统__、__凝胶干燥器__ 、_灌胶模具___ 、__电泳转移装置_ 、__电泳洗脱仪__ 和__凝胶扫描和摄录装置__ 。 71.电泳后,样品的主要染色方法有 _考马斯亮蓝R-250__和__银染色___。

72.SDS-PAGE电泳中,SDS的加入是为了消除不同样品分子间__形状__ 和_电荷_的差异;加入二硫叔糖醇的目的是_强还原剂使半胱氨酸残基之间的二硫键断裂。

73.电泳过程中,加入溴酚兰的目的是_以溴酚蓝作对照,因其有色,分子量小电泳速度快,待其前沿到达阳极底部即可停止电泳。 74.固体可分为 结晶和 无定形两种状态。

75.结晶过程包括过饱和溶液的形成、晶体的形成和晶体生长三个过程。 76.结晶的前提是_溶液达到过饱和状态;结晶的推动力是_过饱和度_____。

77.根据晶体生长扩散学说,晶体的生长包括_溶质穿过晶体表面的滞留层 、_溶质到达晶体表面__和__放热结晶三个过程。

78.影响晶体生长的主要因素有杂质、搅拌、温度。

79.Sephadex系列的离子交换树脂的载体是 葡聚糖 。

80.常用的液液萃取设备分为两大类,一类是混合澄清式萃取设备,另一类是塔式萃取设备,包括喷淋塔、转盘塔、筛板塔、脉冲筛板塔、填料塔、往复振动筛板塔等。 81.晶体质量主要指 晶体大小 、 晶体形状 和 晶体纯度 三个方面; 讨论题

1. 请结合图示简述凝胶排阻色谱(分子筛)的分离原理; 分子筛凝胶色谱原理

不同的化合物由于其大小差异,在流经GPC柱时,不同分子量的化合物流经体积不同(大分子不能或难以进入凝胶网格结构的内部,直接从凝胶颗粒之间穿过,保留时间短;而小分子恰恰相反,保留时间较长)而得以分离(如上图所示) 绘制结晶过程中饱和曲线和过饱和曲线图,并简述其意义;

结晶过程中的饱和温度曲线和不饱和温度曲线的简图如右图所示:S-S曲线为饱和温度曲线,在其下方为稳定区,在该区域溶液为不饱和溶液,不会自发形成结晶; T-T曲线为过饱和温度曲线,在其上方为不稳定区,能够自发形成结晶;S-S曲线和T-T曲线之间为亚稳定区,在该区域,溶液为过饱和溶液,但若无晶种存在,也不能自发形成结晶。

何谓亲和吸附,有何特点?

亲和吸附分离是利用溶质和吸附剂之间特殊的化学作用,从而实现分离。

特点 (a)效率高 (b)分离精度高 (c)但通用性较差,洗脱条件苛刻 简述结晶过程中晶体形成的条件;

形成新相(固体)需要一定的表面自由能。因此,溶液浓度达到饱和溶解度时,晶体尚不能析出,只有当溶质浓度超过饱和溶解度后,才可能有晶体析出。

首先形成晶核,由Kelvin公式,微小的晶核具有较大的溶解度。实质上,在饱和溶液中,晶核是处于一种形成—溶解—再形成的动态平衡之中,只有达到一定的过饱和度以后,晶核才能够稳定存在。

试比较常规聚丙稀酰胺凝胶电泳与SDS PAGE的分离原理;

由于聚丙烯酰胺凝胶电泳(PAGE)是多孔介质,不仅能防止对流,把扩散减少到最低;而且其孔径大小与生物大分子具有相似的数量级,能主动参与生物分子的分离,具有分子筛效应。 因此,在使用聚丙烯酰胺凝胶电泳进行蛋白质分离时,在电泳过程中不仅取决于蛋白质的电荷密度,还取决于蛋白质的尺寸和形状。

SDS是一种阴离子去污剂,作为变性剂和助溶性试剂,能断裂分子内和分子间的氢键,使分子去折叠,破坏蛋白质分子的二级、三级结构;而强还原剂,如二硫苏糖醇、β-巯基乙醇能使半胱氨酸残基之间的二硫键断裂。

因此,在样品和凝胶中加入SDS和还原剂后,蛋白质分子被解聚为组成它们的多肽链,解聚后的氨基酸侧链与SDS结合后,形成带负电的蛋白质-SDS胶束,所带电荷远远超过了蛋白质原有的电荷量,消除了不同分子间的电荷差异;同时,蛋白质-SDS聚合体的形状也基本相同,这就消除了在电泳过程中分子形状对迁移率的影响。 简述生物分离过程的特点;

产品丰富:产品的多样性导致分离方法的多样性; 2、绝大多数生物分离方法来源于化学分离; 3、生物分离一般比化工分离难度大:(1)成分复杂(2)悬液中的目标产物浓度低(3)生物活性,条件相对温和(4)生物产品要求高质量(5)获得高纯度的干燥产品(6)卫生

因此,生物分离过程往往成本很高,在某些产品的生产过程中,分离成本可能占到总成本的80%以上。因此必须仔细考虑和设计产品的回收和纯化过程。 生物亲和作用的本质及其影响亲和作用的主要因素;

本质:参与亲和作用的两个分子(或物质)中,其中之一为蛋白质的情况占绝大多数,或者两者均为蛋白质。一般认为,蛋白质的立体结构中含有某些参与亲和结合的部位,这些结合部位呈凹陷或凸起的结构,能与该蛋白质发生亲和作用的分子恰好可以进入到此凹陷结构中,或者该蛋白质的凸起部位恰好能够进入与其发生亲和作用的分子(一般也是蛋白质)的凹陷部位,就象钥匙和锁孔的关系一样。

影响因素:离子强度、pH、抑制氢键形成的物质、温度、离液离子、螯合剂 简述超临界流体萃取的原理及其特点;

利用超临界流体的特殊性质,使其在超临界状态下,与待分离的物料接触,萃取出目的产物,然后通过降压或升温的方法,使萃取物得到分离。其特点是安全、无毒、产品分离简单,但设备投资大。

何谓反胶团,反胶团萃取?其特点有哪些?

反胶团 是分散于连续有机相中、由表面活性剂所形成的稳定的纳米尺度的聚集体。

反胶团萃取是利用表面活性剂在有机溶剂中形成的反胶团,从而在有机相内形成分散的亲水微环境,使生物分子在有机相(萃取相)内存在于反胶团的亲水微环境中,消除了生物分子,特别是蛋白质类生物活性物质难溶解在有机相中或在有机相中发生不可逆变性的现象。 特点1.成本低,溶剂可反复使用;2.萃取率高;3.反胶团是透明的、热稳定的体系;4.极性“水核”具有较强的溶解能力;5.生物大分子由于具有较强的极性,可溶解于极性水核中,防止与外界有机溶剂接触,减少变性作用。6.由于“水核”的尺度效应,可以稳定蛋白质的立体结构,增加其结构的刚性,提高其反应性能。

何谓色谱的理论塔板数,如何计算?

反应不同时刻溶质在色谱柱中的分布以及分离度与柱高之间的关系 理论塔板数的计算方法:

N?5.54(?RW1/2)2N?16(?RW)2

N---理论塔板数 θR---保留时间 W1/2---半峰宽 Wb---峰底宽度 理论塔板高度:

H?LNL---柱长

简述疏水色谱的原理,并说明基本操作步骤;

原理: 高浓度盐溶液中,亲水性较强的物质,分子内部的疏水基团外露,便可与疏水的固定相以疏水作用力相结合(吸附)。由于这种作用力大小不同,可以通过改变极性流动相的离子强度(由高到低)使其依次解吸附。即高浓度的盐溶液可将吸附力弱(小)(极性大)的物质先洗脱下来,而低浓度的盐则使吸附力强(大)(极性小)的物质被后洗脱下来。

注意: 只有对极性很强的物质,才需在流动相中添加有机溶剂,以降低极性,使其解吸附。此时,须注意防止有效成分变性。 操作:

1. 色谱柱和吸附剂的选择 色谱柱规格:类似普通色谱。

当被分离样品量较大时、被分离物与杂质间的疏水性差异较大时,选用体积较大的柱子(h:d≤3)。

固定相选择:根据要分离物质的特点,结合吸附剂的性能进行选择。

2. 装柱 先将吸附剂悬浮于乙醇溶液中→浸泡离心→弃上清,收沉淀→50%(m/V)浓度悬浮于样品缓冲溶液中装柱(同常规)。

3. 加样:样品预处理:补加盐→混匀→放置(片刻)上柱→吸附(0.5~ 1h)。

4. 洗脱:平衡液洗涤浓度由高→ 低。即先用高离子强度的平衡液洗涤,再用低离子强度的平衡液洗脱。

同时,收集和检测。

5. 柱再生:用8mol/L的脲素溶液(或其缓冲溶液)洗涤(除杂)→平衡缓冲液平衡。 12. 简述等电点色谱的基本原理;

蛋白质在等电点下的溶解度最低,根据这一性质,在溶液中加入一定比例的有机溶剂,破坏蛋白质表面的水化层和双电层,降低分子间斥力,加强了蛋白质分子间的疏水相互作用,使得蛋白质分子得以聚集成团沉淀下来。 简述有机溶剂沉析的原理;

1.降低了溶质的介电常数,使溶质之间的静电引力增加,从而出现聚集现象,导致沉淀。 2.由于有机溶剂的水合作用,降低了自由水的浓度,降低了亲水溶质表面水化层的厚度,降低了亲水性,导致脱水凝聚。 14. 简述盐析原理及现象;

水溶液中蛋白质的溶解度一般在生理离子强度范围内(0.15~0.2mol/Kg)最大,而低于或高于此范围时溶解度均降低。蛋白质(酶)等生物大分子物质在高离子强度的溶液中溶解度降低,产生沉淀的现象称为盐析。 1.生物大分子在水溶液中的存在状态

两性电解质,由于静电力的作用,分子间相互排斥,形成稳定的分散系 蛋白质周围形成水化膜,保护了蛋白质粒子,避免了相互碰撞 2.中性盐加入蛋白质分散体系时有两种情况 “盐溶”现象—低盐浓度下,蛋白质溶解度增大 “盐析”现象—高盐浓度下,蛋白质溶解度随之下降 3.电解质影响蛋白质溶解度的机理

低盐浓度时,蛋白质吸附盐离子后,带电层使蛋白质分子间相互排斥,蛋白质与水分子间作用加强,溶解度增大。

随着离子强度的增大,蛋白质表面的双电层厚度降低,静电排斥作用减弱;同时盐的水化作用,使蛋白质脱去水化膜,疏水区暴露,由于疏水区的相互作用导致沉淀。 4.离子强度对盐析过程的影响

当离子强度较强时,溶解度的对数与离子强度之间呈线性关系

结合SDS PAGE电泳的分离原理说明未知蛋白质分子量的测定方法;

1. SDS-PAGE 的原理:SDS是一种阴离子去污剂,作为变性剂和助溶性试剂,能断裂分子内和分子间的氢键,使分子去折叠,破坏蛋白质分子的二级、三级结构;而强还原剂,如二硫苏糖醇、β-巯基乙醇能使半胱氨酸残基之间的二硫键断裂。因此,在样品和凝胶中加入SDS和还原剂后,蛋白质分子被解聚为组成它们的多肽链,解聚后的氨基酸侧链与SDS结合后,形成带负电的蛋白质-SDS胶束,所带电荷远远超过了蛋白质原有的电荷量,消除了不同分子间的电荷差异;同时,蛋白质-SDS聚合体的形状也基本相同,这就消除了在电泳过程中分子形状对迁移率的影响。

2. 未知蛋白质分子量的测定:基于上述SDS-PAGE的原理介绍,我们可以利用SDS-PAGE电泳进行未知蛋白质的分子量测定;以不同分子量的标准蛋白进行SDS-PAGE电泳得到不同标准蛋白的电泳迁移率,制作标准校正曲线,然后对未知蛋白在相同条件下进行SDS-PAGE电泳,测定迁移率,从标准曲线得到相应的分子量;

16. 请说明在进行SDS PAGE电泳之前,样品的处理方法,并解释其原因;

样品的处理方法:1、尽可能的提高样品的溶解度,抽提最大量的样品,减少样品的损失; 减少对样品的人为修饰; 破坏样品与其他生物大分子的相互作用,并样品处于完全变性状态。杂质的存在会影响电泳的效果,其他大分子还有可能阻塞凝胶孔径。2、选择合适的样品缓冲液,因为不同的样品有不同的最适缓冲液;3、确定合适的样品浓度(1~2mg/L,考染),加样(溴酚蓝-用来染色)。

简述载体两性电介质梯度等电聚焦(IEF)的分离原理;

载体两性电解质pH梯度等电聚焦就是在支持介质中加入载体两性电解质,通以直流电后在两极之间形成稳定、连续和线性的pH梯度,当带电的蛋白质分子进入该体系时,便会产生移动,并聚集于相当于其等电点的位置。 何谓反渗透膜分离,其特点是什么? 反渗透(RO):以压力差为推动力,从溶液中分离出溶剂的膜分离操作,孔径范围在0.0001~0.001 μm之间;由于分离的溶剂分子往往很小,不能忽略渗透压的作用,故而称为反渗透;RO膜无明显的孔道结构。

结晶的必备条件是什么?

结晶过程包括过饱和溶液的形成、晶核的形成及晶体的生长三个过程,其中溶液达到过饱和状态是结晶的前提,过饱和度是结晶的推动力。

请绘制典型的物料干燥速率曲线简图,并说明恒速干燥阶段及降速干燥阶段的特点; 1、恒速干燥阶段:湿物料表面为非结合水所湿润,物料表面温度是该空气状态下的湿球温度;此时,传热推动力(温度差,△T)以及传质推动力(饱和蒸汽压差,△PV)是一个定值;因此,干燥速率也是一个定值;实际上,该阶段的干燥速率决定于物料表面水分汽化的速率、

决定于水蒸气通过干燥表面扩散到气相主体的速率。因此,又称为表面汽化控制阶段。此时的干燥速率几乎等于纯水的汽化速度,和物料湿含量、物料类别无关;影响因子主要有:空气流速、空气湿度、空气温度等外部条件。

2、降速干燥阶段:物料湿含量降至临界点以后,便进入降速干燥阶段。在降速干燥阶段,非结合水以及被蒸发,继续进行干燥,只能蒸发结合水。结合水的蒸气压恒低于同温下纯水的饱和蒸汽压,传质、传热推动力逐渐减小,干燥速率随之降低;干燥空气的剩余能量被用于加热物料表面,物料表面温度逐渐升高,局部干燥。

在这一阶段,干燥速率取决于水分和蒸汽在物料内部的扩散速度。因此,亦称为内部扩散控制阶段,与外部条件关系不大。

主要影响因素为物料结构、形状和大小

干超临界萃取的原理及SC-CO2萃取的优点。

燥CO2 的Tc接近常温,Pc较低,临界点容易达到,速临界含所以操作温度比较低,接近于常温,而且 CO2 是率水量惰性气体,对一些热敏性物质无降解变质作用。 CO2是一种非极性溶剂,对非极性化合物有较高

含水量的亲和力,能够从天然物质中选择性地分离回收

有效成分或脱除某种成分。

CO2的化学稳定性好,无毒、无色、无味、不污染提取物和环境,不存在残留溶剂问题。 CO2价廉易得,技术工艺简单,效率高,能耗低,不易燃易爆,使用安全。

膜分离技术的类型和定义?

膜分离法包括微滤、超滤、反渗透、纳滤、透析、电渗析和渗透气化等,定义:利用膜的选择性(孔径大小),以膜的两侧存在的能量差作为推动力,由于溶液中各组分透过膜的迁移率不同而实现分离的一种技术。

怎样进行离子交换树脂的预处理及转型。

物理处理:水洗、过筛,去杂(4mol/L HCl溶液浸泡1-2天,然后用蒸馏水洗至中性),以获得粒度均匀的 树脂颗粒;

化学处理:转型(氢型或钠型)

阳离子树脂 酸—碱—酸; 阴离子树脂 碱—酸—碱 ,最后以去离子水或缓冲液平衡 转型:实际使用上,常将这些树脂转变为其他离子型式运行,以适应各种需要。例如常将强酸性阳离子树脂与NaCl作用,转变为钠型树脂再使用。工作时钠型树脂放出Na+与溶液中的Ca2+、Mg2+等阳离子交换吸附,除去这些离子。反应时没有放出H+,可避免溶液pH下降和由此产生的副作用(如蔗糖转化和设备腐蚀等)。这种树脂以钠型运行使用后,可用盐水再生(不用强酸)。又如阴离子树脂可转变为氯型再使用,工作时放出Cl-而吸附交换其他阴离子,它的再生只需用食盐水溶液。氯型树脂也可转变为碳酸氢型(HCO3-)运行。强酸性树脂及强碱性树脂在转变为钠型和氯型后,就不再具有强酸性及强碱性,但它们仍然有这些树脂的其他典型性能,如离解性强和工作的pH范围宽广等。 试述柱层析的基本操作过程。

1,装住:①干法装住②湿法装住。注意:湿法装住中柱内预留一部分水,防止气泡产生,装住过程要连贯、平衡。2,加样:①干法加样②湿法加样。注意:加样过程中,要防止产生飞溅,量要适中。3,洗脱:以设定好的流速加入洗脱剂,可以是单一溶剂,也可以梯度洗脱。注意:不使柱表面的溶液流干,柱上端保留一层溶液。4,收集:每隔10mL收集一试管,使用层析的手段或紫外检测器进行实时的检测,合并具有相同物质的流份。 电场强度是如何影响电泳分离。


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