原子转移自由基聚合法制备接枝型琼脂糖介质

及接枝对吸附性能影响的研究

报告人：王宏燕导　师：史清洪报告日期： 2013.9.7

主要内容

Ⅰ研究背景和意义 色谱是重要的纯化手段，色谱介质研究是核心

吸附容量高传质速率快

介质：

多孔介质

大孔 /超大孔

接枝修饰

Ⅰ研究背景和意义• 接枝型介质： 三维吸附空间 增大目标产物与配基的接触面积 长链的柔韧性减少空间位阻

研究接枝型介质并解释接枝影响介质吸附性能的机理，从而将其更好地用于生物分离纯化过程具有重要意义

意义：

Ⅱ研究现状和存在问题接枝修饰方法：

研究现状和存在问题• 2007年，本课题组的王冬梅用硝酸铈胺 (ce4+)引发自由基聚合，

将 GMA接枝到超大孔纤维素介质的骨架上，制备触角式超大孔纤维素介质，用 DEAE基团将介质修饰成阴离子吸附剂

（ D.-M. Wang, Y. Sun. Biochemical Engineering Journal, 37 (2007) 332–337）

Ion exchanger DEAE-G-SC DEAE-SC

Ion capacity(µmol/ml) 133±5 97±6

qm(mg/ml wet bead) 71.4 33.1

Dp (m2/s) 1.92 × 10−11 2.00× 10−11

问题：自由基聚合的不足：单体自聚集、链终止，聚合物链长度不一，分子量不可控

Langmuir parameters of lysozyme adsorptionDe/D0values

研究现状和存在问题

Q.-H. Shi et al. J. Chromatogr. A 1217 (2010) 5084–5091

• 2010年，本课题组 Shi等在超孔琼脂糖色谱介质表面进行葡聚糖接枝改性，并磺酸化制得阳离子交换介质

问题：• 葡聚糖分子量较大，羟基的反应活性也不高，很难得到接枝量非常高的接枝介质

• 离子交换基团同时存在于葡聚糖链和琼脂糖基质，无法单独研究接枝层的影响

研究现状及存在问题• 2013 年，本课题组的余林玲将 PEI 接枝于琼脂糖介质

Sepharose FF 中，合成 10 种具有不同离子交换容量（ IC）的 PEI 接枝型介质

L.-L. Yu et al. J.Chromatogr. A 1305 (2013) 76– 84

研究 IC （ PEI 接枝密度）对吸附和传质的影响发现存在一个临界离子交换容量（ cIC）

研究 IS的影响，发现 PEI 接枝介质的吸附容量对盐浓度的敏感程度低，两种 IC>cIC 的 PEI 接枝介质在很宽的盐浓度范围内均保持了较高的吸附容量和较高的传质速率，具有良好的 NaCl耐受能力。

余林玲 . 天津：天津大学， 2013.

液相平衡浓度为 1.5 mg/mL时不同介质的固相 BSA 吸附密度随盐浓度变化曲线

问题：•PEI多位点结合，形态不一，部分活性位点被包埋

•以 IC作为接枝量的表征，对于接枝量没有精确的控制和表征，无法排除离子交换基团分布的影响

•未从微观解析接枝影响介质吸附性能的机理

研究构想采用新接枝方法，使接枝链长度均一，接枝密度、高度可控

研究接枝密度、高度对介质性能的影响，并解析机理

蛋白在单个介质粒子内部的传质现象及机理解释

新技术——原子转移自由基聚合法 (ATRP)

近年发展起来的一种新型聚合技术，

聚合物链相对分子量分布极窄，相对分子量可控，结构明晰可聚合的单体多，反应条件温和易控制，易实现工业化生产

Ⅲ研究内容和方案

研究内容

1.接枝型介质的制备－ ATRP方法

• （甲基）丙烯酸（酯）类 如 GMA

monomer

SPM

MAA

O

O

O

O

NN

O

OS OK

DOBEMA

研究内容2.测定介质的理化性质，如离子交换容量、湿

密度、总孔隙率、有效孔隙率、粒径等

3.吸附平衡实验和吸附动力学实验：研究接枝

对介质吸附容量和传质速率的影响

4.单个接枝介质内部的微观传质研究－共聚焦激光扫描显微镜 CLSM

拟解决的关键科学问题

• 实现对介质孔道结构的精确控制—— ATRP 接枝

• 揭示接枝聚合物对介质吸附性能的影响，从而选取更好的接枝单体及接枝量以获得更优秀的介质。

• 聚合物接枝的介质粒子内部传质的微观现象及机理解释。

创新点

• 采用 ATRP法合成聚合物链接枝的介质，实现对介质孔道结构的精密控制

• 研究多种单体进行接枝修饰得到的介质

• 采用 CLSM不仅可以观测到蛋白分子在介质孔道轴向上的传质行为，亦可研究径向上的传质现象

研究计划

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天津大学， 2013.[4]Müller E. Comparison between mass transfer properties of weak-anion-exchange resins with

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