В химии диализ — это процесс разделения молекул в растворе за счет разницы в скоростях их диффузии через полупроницаемую мембрану, например, диализную трубку . [1]
Диализ — это распространенная лабораторная техника, которая работает по тому же принципу, что и медицинский диализ . В контексте исследований в области естественных наук наиболее распространенным применением диализа является удаление нежелательных малых молекул, таких как соли, восстановители или красители, из более крупных макромолекул, таких как белки , ДНК или полисахариды . [2] Диализ также обычно используется для буферного обмена и исследований связывания лекарственных средств.
Концепция диализа была введена в 1861 году шотландским химиком Томасом Грэхемом . [3] Он использовал эту технику для разделения растворов сахарозы (малая молекула) и гуммиарабика (большая молекула) в водном растворе. Он назвал диффундирующие растворы кристаллоидами, а те, которые не проходили через мембрану, коллоидами. [4]
Из этой концепции диализ можно определить как спонтанный процесс разделения взвешенных коллоидных частиц от растворенных ионов или молекул малых размеров через полупроницаемую мембрану. Наиболее распространенные диализные мембраны изготавливаются из целлюлозы, модифицированной целлюлозы или синтетического полимера (ацетата целлюлозы или нитроцеллюлозы). [5]
Слово «диализ» происходит от греческого διά — «через» и λύειν — «ослаблять». [3]
Диализ — это процесс, используемый для изменения матрицы молекул в образце путем дифференциации молекул по классификации размера. [6] [7] Он основан на диффузии , которая представляет собой случайное тепловое движение молекул в растворе ( броуновское движение ), которое приводит к чистому перемещению молекул из области более высокой концентрации в область более низкой концентрации до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие. Из-за размера пор мембраны крупные молекулы в образце не могут пройти через мембрану, тем самым ограничивая их диффузию из камеры для образца. Напротив, мелкие молекулы будут свободно диффундировать через мембрану и достигать равновесия во всем объеме раствора, тем самым изменяя общую концентрацию этих молекул в образце и диализате (см. рисунок диализа справа).
Осмос — еще один принцип, который заставляет диализ работать. Во время осмоса жидкость перемещается из областей с высокой концентрацией воды в области с низкой концентрацией воды через полупроницаемую мембрану до достижения равновесия. При диализе избыток жидкости перемещается из образца в диализат через мембрану до тех пор, пока уровень жидкости не станет одинаковым между образцом и диализатом.
Наконец, ультрафильтрация — это конвективный поток воды и растворенного вещества вниз по градиенту давления, вызванному гидростатическими силами или осмотическими силами. При диализе ультрафильтрация удаляет молекулы отходов и избыток жидкости из образца. [6] [7]
Например, диализ происходит, когда образец, содержащийся в целлюлозном мешочке, погружается в раствор диализата. Во время диализа достигается равновесие между образцом и диализатом, поскольку через целлюлозную мембрану могут пройти только небольшие молекулы, оставляя только более крупные частицы.
После достижения равновесия конечная концентрация молекул зависит от объемов используемых растворов, и если уравновешенный диализат заменить (или обменять) свежим диализатом (см. процедуру ниже), диффузия еще больше снизит концентрацию малых молекул в образце.
Диализ можно использовать для введения или удаления малых молекул из образца, поскольку малые молекулы свободно перемещаются через мембрану в обоих направлениях. Диализ также можно использовать для удаления солей. Это делает диализ полезным методом для различных применений. См. диализные трубки для получения дополнительной информации об истории, свойствах и производстве полупроницаемых мембран, используемых для диализа.
Диффузионный диализ — это спонтанный процесс разделения, в котором движущей силой, которая производит разделение, является градиент концентрации. Он имеет увеличение энтропии и уменьшение свободной энергии Гиббса , что означает, что он термодинамически выгоден. Диффузионный диализ использует анионообменные мембраны (AEM) или катионообменные мембраны (CEM) в зависимости от разделяемых соединений. AEM позволяет проходить анионам, в то время как он препятствует прохождению катионов из-за отталкивания коионов и сохранения электронейтральности. Обратное происходит с катионообменными мембранами. [8]
Электродиализ — это процесс разделения, который использует ионообменные мембраны и электрический потенциал в качестве движущей силы. Он в основном используется для удаления ионов из водных растворов. Существует три процесса электродиализа, которые обычно используются — диализ Доннана, обратный электродиализ и электроэлектродиализ. Эти процессы описаны ниже. [9]
Диализ Доннана — это процесс разделения, который используется для обмена ионами между двумя водными растворами, которые разделены мембраной CEM или AEM. В случае катионообменной мембраны, разделяющей два раствора с разной кислотностью, протоны (H + ) проходят через мембрану на менее кислую сторону. Это индуцирует электрический потенциал, который вызовет поток катионов, присутствующих на менее кислой стороне, на более кислую сторону. Процесс завершится, когда изменение концентрации H + будет того же порядка величины, что и разница в концентрации разделенного катиона. [10]
Обратный электродиализ — это технология, основанная на мембранах, которая получает электричество из смешивания двух потоков воды с разной соленостью . Обычно она использует анионообменные мембраны (AEM) и катионообменные мембраны (CEM). AEM используются для пропуска анионов и препятствуют прохождению катионов, а CEM используются для противоположного. Катионы и анионы из воды с высокой соленостью перемещаются в воду с низкой соленостью, катионы проходят через CEM, а анионы — через AEM. Это явление можно преобразовать в электричество. [11]
Электроэлектродиализ — это электромембранный процесс, использующий три отсека, который объединяет электродиализ и электролиз . Он обычно используется для восстановления кислоты из раствора с использованием AEM, CEM и электролиза. Три отсека разделены двумя барьерами, которые являются ионообменными мембранами. В отсеке посередине находится вода, подлежащая очистке. Отсеки, расположенные по бокам, содержат чистую воду. Анионы проходят через AEM, в то время как катионы проходят через CEM. Электричество создает H + на стороне анионов и OH − на стороне катионов, которые реагируют с соответствующими ионами. [9]
Разделение молекул в растворе с помощью диализа — относительно простой процесс. Помимо образца и буфера диализата, все, что обычно требуется, это:
Типичная процедура диализа образцов белка выглядит следующим образом:
Общий объем образца и диализата определяет конечную равновесную концентрацию малых молекул по обе стороны мембраны. Используя соответствующий объем диализата и многократные замены буфера, концентрацию малых загрязняющих веществ в образце можно снизить до приемлемых или незначительных уровней. Например, при диализе 1 мл образца против 200 мл диализата концентрация нежелательных диализируемых веществ будет снижена в 200 раз при достижении равновесия. После двух дополнительных замен буфера по 200 мл каждая уровень загрязняющих веществ в образце будет снижен в 8 x 10 6 раз (200 x 200 x 200).
Хотя диализ образца является относительно простым процессом, универсальная процедура диализа для всех случаев не может быть предоставлена из-за следующих факторов:
Кроме того, конечная точка диализа несколько субъективна и специфична для приложения. Поэтому общая процедура может потребовать оптимизации.
Диализные мембраны производятся и характеризуются в соответствии с пределами отсечки молекулярной массы (MWCO). Хотя мембраны с MWCO в диапазоне от 1 до 1 000 000 кДа имеются в продаже, наиболее часто используются мембраны с MWCO около 10 кДа. MWCO мембраны является результатом количества и среднего размера пор, созданных во время производства диализной мембраны. MWCO обычно относится к наименьшей средней молекулярной массе стандартной молекулы, которая не будет эффективно диффундировать через мембрану во время длительного диализа. Таким образом, диализная мембрана с MWCO 10K обычно удерживает более 90% белка, имеющего молекулярную массу не менее 10 кДа. [12] [13]
Важно отметить, что MWCO мембраны не является четко определенным значением. Молекулы с массой, близкой к пределу MWCO мембраны, будут диффундировать через мембрану медленнее, чем молекулы, значительно меньшие, чем MWCO. Для того чтобы молекула быстро диффундировала через мембрану, она обычно должна быть как минимум в 20–50 раз меньше, чем рейтинг MWCO мембраны. Поэтому нецелесообразно разделять белок 30 кДа от белка 10 кДа с помощью диализа через диализную мембрану с рейтингом 20 К.
Мембраны для диализа в лабораторных условиях обычно изготавливаются из пленки регенерированной целлюлозы или эфиров целлюлозы. См. ссылку для обзора целлюлозных мембран и производства. [14]
Диализ обычно выполняется в обрезанных пакетах диализных трубок или в различных форматных диализаторах. Выбор используемой установки для диализа во многом зависит от размера образца и предпочтений пользователя. Диализная трубка является старейшим и, как правило, наименее дорогим форматом, используемым для диализа в лаборатории. Трубка разрезается и запечатывается зажимом на одном конце, затем заполняется и запечатывается зажимом на другом конце. Трубка обеспечивает гибкость, но имеет повышенные проблемы с обращением, герметизацией и извлечением образца. Диализная трубка обычно поставляется либо влажной, либо сухой в рулонах или гофрированных телескопических трубках.
Широкий выбор диализных устройств (или диализаторов) доступен от нескольких поставщиков. Диализаторы разработаны для определенных диапазонов объема образца и обеспечивают большую безопасность образца и улучшенную простоту использования и производительность для экспериментов по диализу по сравнению с трубками. Наиболее распространенными предварительно отформатированными диализаторами являются линейки продуктов Slide-A-Lyzer, Float-A-Lyzer и Pur-A-lyzer/D-Tube/GeBAflex Dialyzers.
Диализ имеет широкий спектр применения. Их можно разделить на две категории в зависимости от типа используемого диализа.
Ниже описаны некоторые применения диффузионного диализа.
Ниже описаны некоторые применения электродиализа.
Диализ имеет как преимущества, так и недостатки. Следуя структуре предыдущего раздела, плюсы и минусы обсуждаются в зависимости от типа используемого диализа. Преимущества и недостатки обоих методов, диффузионного диализа и электродиализа, изложены ниже.
Главным преимуществом диффузионного диализа является низкое энергопотребление установки. Эта мембранная технология работает при нормальном давлении и не имеет изменения состояния. Следовательно, требуемая энергия значительно снижается, что снижает эксплуатационные расходы. Также есть низкая стоимость установки, простота эксплуатации, стабильность и надежность процесса. Еще одним преимуществом является то, что диффузионный диализ не загрязняет окружающую среду. [8]
Недостатком является то, что диффузионный диализатор имеет низкую производительность и низкую эффективность обработки. Существуют другие методы, такие как электродиализ и обратный осмос, которые могут достичь лучшей эффективности, чем диффузионный диализ. [8]
Главным преимуществом электродиализа является высокая степень восстановления, особенно при восстановлении воды. Другим преимуществом является тот факт, что не применяется высокое давление, что подразумевает, что эффект загрязнения незначителен и, следовательно, не требуются никакие химикаты для борьбы с ними. Более того, слой загрязнения не является плотным, что приводит к более высокой степени восстановления и длительному сроку службы мембраны. Также важно, чтобы обработка проводилась для концентраций выше 70 000 ppm, что устраняет предел концентрации. Наконец, энергия, необходимая для работы, низкая из-за отсутствия фазового перехода. Фактически, она ниже по сравнению с необходимой в процессах многоэффектной дистилляции (MED) и механической компрессии пара (MVC). [20]
Главным недостатком электродиализа является ограничение плотности тока, процесс должен работать при более низкой плотности тока, чем максимально допустимая. Дело в том, что при определенном приложенном напряжении диффузия ионов через мембрану нелинейна, что приводит к диссоциации воды, что снижает эффективность операции. Другим аспектом, который следует учитывать, является то, что хотя для работы требуется низкая энергия, чем выше концентрация подачи соли, тем выше будет необходимая энергия. Наконец, в случае некоторых продуктов следует учитывать, что электродиализ не удаляет микроорганизмы и органические загрязнители, поэтому необходима последующая обработка. [20]