В химии диализ — это процесс разделения молекул в растворе за счет разницы в скорости их диффузии через полупроницаемую мембрану, например диализную трубку . [1]
Диализ – это распространенный лабораторный метод, который действует по тому же принципу, что и медицинский диализ . В контексте исследований в области медико-биологических 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 широко используется для замены буфера и исследований связывания лекарств.
Понятие диализа было введено в 1861 году шотландским химиком Томасом Грэмом . [3] Он использовал этот метод для разделения сахарозы (малая молекула) и растворенных веществ гуммиарабика (крупная молекула) в водном растворе. Он назвал диффундирующие растворенные вещества кристаллоидами, а те, которые не проходят через мембрану, коллоидами. [4]
Исходя из этой концепции, диализ можно определить как процесс самопроизвольного отделения взвешенных коллоидных частиц от растворенных ионов или молекул небольших размеров через полупроницаемую мембрану. Наиболее распространенные диализные мембраны изготавливаются из целлюлозы, модифицированной целлюлозы или синтетического полимера (ацетата целлюлозы или нитроцеллюлозы). [5]
Диализ происходит от греческого διά «сквозь» и λύειν «ослаблять». [3]
Диализ — это процесс, используемый для изменения матрицы молекул в образце путем дифференциации молекул по размеру. [6] [7] Он основан на диффузии , которая представляет собой случайное тепловое движение молекул в растворе ( броуновское движение ), которое приводит к чистому движению молекул из области с более высокой концентрацией в область с более низкой концентрацией до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие. Из-за размера пор мембраны крупные молекулы в образце не могут пройти через мембрану, что ограничивает их диффузию из камеры для образца. Напротив, небольшие молекулы будут свободно диффундировать через мембрану и достигать равновесия по всему объему раствора, тем самым изменяя общую концентрацию этих молекул в образце и диализате (см. рисунок диализа справа).
Осмос – еще один принцип, благодаря которому диализ работает. Во время осмоса жидкость перемещается из областей с высокой концентрацией воды в области с более 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 в образце и диализате не станет одинаковым.
Наконец, ультрафильтрация — это конвективный поток воды и растворенных веществ по градиенту давления, вызванный гидростатическими или осмотическими силами. При диализе ультрафильтрация удаляет из образца молекулы отходов и избыточной жидкости. [6] [7]
Например, диализ происходит, когда образец содержится в целлюлозном мешке и погружается в раствор диализата. Во время диализа достигается равновесие между образцом и диализатом, поскольку только небольшие молекулы могут пройти через целлюлозную мембрану, оставляя после себя только более крупные частицы.
Как только равновесие достигнуто, конечная концентрация молекул зависит от объемов задействованных растворов, и если уравновешенный диализат заменяется (или заменяется) 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. Для удаления солей также можно использовать диализ. Это делает диализ полезным методом для различных применений. См. раздел «Диализные трубки» для получения дополнительной информации об истории, свойствах и производстве полупроницаемых мембран, используемых для диализа.
Диффузионный диализ представляет собой процесс спонтанного разделения, в котором движущей силой разделения является градиент концентрации. Он имеет увеличение энтропии и уменьшение свободной энергии Гиббса , что означает, что он термодинамически выгоден. В диффузионном диализе используются анионообменные мембраны (АЕМ) или катионообменные мембраны (КЕМ) в зависимости от разделяемых соединений. АЭМ обеспечивает прохождение анионов и препятствует прохождению катионов из-за отторжения коионов и сохранения электронейтральности. С катионообменными мембранами происходит обратное. [8]
Электродиализ — это процесс разделения, в котором в качестве движущей силы используются ионообменные мембраны и электрический потенциал . В основном его используют для удаления ионов из водных растворов. Обычно используются три процесса электродиализа: диализ Доннана, обратный электродиализ и электроэлектродиализ. Эти процессы объяснены ниже. [9]
Диализ Доннана — это процесс разделения, который используется для обмена ионов между двумя водными растворами, разделенными мембраной CEM или AEM. В случае катионообменной мембраны, разделяющей два раствора с разной кислотностью, протоны (Н + ) переходят через мембрану на менее кислую сторону. Это индуцирует электрический потенциал, который вызовет поток катионов, присутствующих в менее кислой стороне, в более кислую сторону. Процесс завершится, когда изменение концентрации Н + станет того же порядка, что и разница концентрации выделившегося катиона. [10]
Обратный электродиализ — это технология, основанная на мембранах, которая получает электричество за счет смешивания двух потоков воды разной солености . Обычно используются анионообменные мембраны (АЕМ) и катионообменные мембраны (КЕМ). AEM используются для пропуска анионов и препятствия прохождению катионов, а CEM используются для обратного. 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 с использованием трех отделений, который сочетает в себе электродиализ и электролиз . Его обычно используют для извлечения кислоты из раствора с использованием AEM, CEM и электролиза. Три отсека разделены двумя барьерами, которые представляют собой ионообменные мембраны. В отсеке посередине находится вода, подлежащая очистке. В отсеках, расположенных по бокам, находится чистая вода. Анионы проходят через АЭМ, а катионы — через КЕМ. 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 буфера для образца и диализата, обычно требуется только:
Типичная процедура диализа образцов белка выглядит следующим образом:
Общий объем образца и диализата определяют конечную равновесную концентрацию малых молекул по обе стороны мембраны. Используя соответствующий объем диализата и многократную замену буфера, концентрацию мелких примесей в образце можно снизить до приемлемого или незначительного уровня. Например, при диализе 1 мл образца против 200 мл диализата концентрация нежелательных диализуемых веществ снизится в 200 раз при достижении равновесия. После двух дополнительных замен буфера по 200 мл каждый уровень загрязнения в образце снизится в 8 x 10 6 (200 x 200 x 200).
Хотя диализ образца относительно прост, универсальную процедуру диализа для всех случаев обеспечить невозможно из-за следующих переменных:
Кроме того, конечная точка диализа несколько субъективна и зависит от применения. 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 коммерчески доступны, чаще всего 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 10К обычно удерживает более 90% белка, имеющего молекулярную массу по меньшей мере 10 кДа. [12] [13]
Важно отметить, что MWCO мембраны не является четко определенной величиной. Молекулы с массой, близкой к границе MWCO мембраны, будут диффундировать через мембрану медленнее, чем молекулы, значительно меньшие, чем MWCO. Чтобы молекула могла быстро диффундировать через мембрану, она обычно должна быть как минимум в 20–50 раз меньше, чем рейтинг MWCO мембраны. Следовательно, нецелесообразно отделять белок массой 30 кДа от белка массой 10 кДа с помощью диализа через диализную мембрану с номинальной прочностью 20 К.
Диализные мембраны для лабораторного использования обычно изготавливаются из пленки регенерированной целлюлозы или эфиров целлюлозы. См. ссылку для обзора целлюлозных мембран и производства. [14]
Диализ обычно проводится в обрезанных мешках с диализными трубками или в диализаторах различных форматов. Выбор используемой диализной установки во многом зависит от размера образца и предпочтений пользователя.Трубки для диализа — самый старый и, как правило, самый дешевый формат, используемый для диализа в лаборатории. Трубку разрезают и герметизируют зажимом на одном конце, затем наполняют и герметизируют зажимом на другом конце. Трубки обеспечивают гибкость, но вызывают повышенные требования к обращению, герметизации и извлечению проб. Трубки для диализа обычно поставляются влажными или сухими в рулонах или гофрированных телескопических трубках.
Широкий выбор устройств для диализа (или диализаторов) доступен от нескольких поставщиков. Диализаторы предназначены для определенных диапазонов объемов проб и обеспечивают большую безопасность проб, а также повышенную простоту использования и производительность при проведении экспериментов по диализу через трубки. Наиболее распространенными предварительно отформатированными диализаторами являются Slide-A-Lyzer, Float-A-Lyzer и линейки продуктов Pur-A-lyzer/D-Tube/GeBAflex Dialyzers.
Диализ имеет широкий спектр применения. Их можно разделить на две категории в зависимости от типа используемого диализа.
Некоторые применения диффузионного диализа объяснены ниже.
Некоторые применения электродиализа объяснены ниже.
Диализ имеет как преимущества, так и недостатки. Следуя структуре предыдущего раздела, обсуждаются плюсы и минусы в зависимости от типа используемого диализа. Преимущества и недостатки диффузионного диализа и электродиализа изложены ниже.
Основным преимуществом диффузионного диализа является низкое энергопотребление аппарата. Эта мембранная техника работает при нормальном давлении и не имеет изменения состояния. Следовательно, требуемая энергия значительно снижается, что снижает эксплуатационные расходы. Также следует отметить низкую стоимость установки, простоту 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 обработки и низкую эффективность обработки. Существуют и другие методы, такие как электродиализ и обратный осмос, которые могут обеспечить большую эффективность, чем диффузионный диализ. [8]
Основным преимуществом электродиализа является высокая степень извлечения, особенно при извлечении воды. Еще одним преимуществом является то, что применяется небольшое давление, что означает, что эффект загрязнения незначителен и, следовательно, для борьбы с ним не требуется никаких химических веществ. Кроме того, слой загрязнения не является плотным, что приводит к более высокой степени восстановления и увеличению срока службы мембраны. Также важно, чтобы обработка проводилась при концентрациях выше 70 000 частей на миллион, что исключает предел концентрации. Наконец, энергия, необходимая для работы, невелика из-за отсутствия фазового перехода. Фактически, она ниже по сравнению с необходимой в процессах многокорпусной дистилляции (MED) и механического сжатия пара (MVC). [20]
Основным недостатком электродиализа является ограничение плотности тока, процесс необходимо вести при плотности тока ниже максимально допустимой. Дело в том, что при определенном приложенном напряжении диффузия ионов через мембрану не является линейной, что приводит к диссоциации воды, что снижает эффективность работы. Еще один аспект, который следует учитывать, заключается в том, что, хотя для работы требуется мало энергии, чем выше концентрация соли в питании, тем выше будет необходимая энергия. Наконец, в случае с некоторыми продуктами необходимо учитывать, что электродиализ не удаляет микроорганизмы и органические загрязнения, поэтому необходима последующая обработка. [20]