文獻回顧

2-1 雙水相系統

2-1-1 雙水相系統簡介

在 1970 年，由學者 Albertsson 提出雙水相系統的概念[32]，將兩 種特定不同結構的親水性高分子聚合物以適當比例溶到同一水溶液 中，此時在溶液中因為彼此的結構差異不同，使得彼此間較相似的結 構會有比較強的吸引力，逐漸地就產生分層的現象，也就形成所謂的 雙水相系統。常用的高分子-高分子雙水相系統，有聚乙二醇（PEG）

-葡聚醣（Dextran）[33]、聚丙二醇-PEG[34]和甲基纖維素-Dextran 等 系統。

在近代，又發現 PEG 與特定鹽類以適當的比例混合，也可以形 成類似的雙水相系統[35]。原理是 PEG 碳鏈上氧原子的孤對電子會取 代水分子，與鹽類所解離的陽離子進行類似水合反應，也就是陽離子 會被 PEG 外圍所包住，而鹽類所解離的陰離子，則因為本身的高電 荷密度，會與PEG 碳鏈上氧原子的孤對電子產生排斥效應，加上 PEG 本身的立體障礙，使得高分子內部形成一個不含鹽的區域，稱為排鹽 現象(salt-depletion) 。這種現象以多價陰離子表現較為明顯，因此在 此類雙水相的分相系統中，所使用的鹽類絕大多數都採用多價陰離子，

如 磷 酸 鹽 ， 硫 酸 鹽 或 檸 檬 酸 鹽 。 常 見 的 高 分 子- 鹽 類 系 統 有 PEG-Potassium phosphate、PEG-Ammonium sulfate、PEG-Magnesium sulfate[33]以及 PEG-Potassium citrate[36]，本研究是選用高分子-鹽類 的雙水相系統，PEG-K₂HPO₄所配製而成的雙水相系統，分層後會形 成 PEG 濃度較高的上層相水溶液，以及 K₂HPO₄濃度較高的下層相

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水溶液。

2-1-2 雙水相系統相圖

在配製雙水相系統時，相圖扮演很重要的角色，它提供許多重要 的資訊。圖2-1為典型的相圖[37]，首先，在C、K、D點上的雙節曲線 ( binodal curve)，也稱為臨界線，相圖因為此臨界線而分為上下兩區 域，當配製的雙水相系統，其鹽類與PEG濃度對應到相圖的點，如果 是在臨界線以下，則此比例的系統是不會有分層的現象產生，必須在 臨界線以上才能形成雙水相系統。而由C、B、D所組成的線稱為節線

（tie line），在同一條節線上的各個點有一個共同的特性，雖然彼此 平衡後所形成的雙水相系統，其上下層相的體積比例是不同的，但是 彼此上下層相的濃度都是相同的。

圖2-1雙水相相圖

此雙水相系統為PEG (M.W. 3350) + potassium phosphate+ water, pH=7, T = 25°C。雙節曲線(binodal curve)與節線(tie line)都必須由實驗 結果而得，實驗數據越多越精準。

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2-1-3 雙水相系統萃取原理

雙水相系統萃取與水-有機相萃取的原理很相似，都是依據物質 在兩相間的選擇性分配。當樣品進入到雙水相系統後，由於表面性質、

電荷作用和各種作用力(如疏水作用力、氫鍵和離子鍵)的存在與環境 因素的影響，使其分佈在上、下層相中的濃度不同。物質在雙水相系 統中分配係數K可用下式表示：

K= C_u/ C_l （2-1）

其中K為分配係數，C_u和C_l分別為被分離物質在上層相與下層相的濃 度。

分配係數K等於物質在兩相的濃度比，由於各種物質的K值不同，可 利用雙水相系統萃取對物質進行分離。由於樣品在雙水相系統中和上 下層相組成物之間的相互作用是個複雜的現象，包含氫鍵、電荷作用 力、凡得瓦力、疏水作用力以及空間立體效應等，影響樣品在雙水相 系統兩相間的分配，主要參數有形成雙水相聚合物的種類、分子量和 總濃度、無機鹽的種類和濃度、pH 值、溫度等。

2-1-4 使用雙水相系統萃取的優勢

雙水相系統作為一種分離技術，對生物物質、天然物、抗生素等 的萃取、純化表現出以下優勢[38]：

(1) 含水量高(70％-90％)，在接近生理環境的體系中進行萃取，不會 引起生物活性物質失活或變性。

(2) 可以直接從含有菌體的發酵液和培養液中萃取所需的蛋白質，還 能不經過破碎直接萃取細胞內的酶，省略了破碎或過濾等步驟。

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(3) 分相時間短，自然分相時間一般為1 min～15 min。

(4) 界面張力小，有助於兩相之間的質量傳遞，界面與試管壁形成的 接觸角幾乎是直角。

(5) 不存在有機溶劑殘留問題，聚合物一般是揮發性低的物質，對人 體無害。

(6) 操作條件溫和，整個操作過程在常溫常壓下進行。

(7) 價格便宜，操作簡單，對環境毒性較低，符合綠色化學。

2-1-5 雙水相系統的應用

雙水相系統萃取技術已廣泛應用於生物化學、細胞生物學、生物 化工和食品化工等領域，並取得了許多成功的範例，主要是分離蛋白 質，酶，病毒，脊髓病毒和腺病毒的純化，核酸，DNA 的分離，干 擾素，細胞組織，抗生素，多醣，色素，抗體[39-45]。

文獻[39]提到，使用衍生化後的 PEG，與 Dextran 形成的雙水相

系統成功用來純化人類抗體IgG。在倉鼠卵巢細胞上清液中進行萃取，

IgG 的回收率可達到 93%，且選擇性比原本使用沒有衍生化的 PEG 提高了60 倍。

文獻[40]中，在 PEG-Dextran 雙水相系統條件下，使用雙親和性 萃取的方法，用來純化質體DNA(Plasmid DNA)。在萃取結果中，此 方法可移除絕大部分的RNA、基因組 DNA(Genomic DNA)和超過 75%的蛋白質，此方法總回收率為 27%。

在文獻[41]中，使用了 Alcohol-Salt 的雙水相系統，來純化類鼻 疽桿菌(B. pseudomallei)中的脂肪酶(lipase)，研究結果純化因子為 13.5

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且回收率達到99%。

而文獻[42]中，使用 PEG-Sodium sulfate 雙水相系統，對雞蛋白 中的溶菌酶(Lysozyme)進行萃取分離，結果顯示，有 70%的溶菌酶會 從雞蛋白中被萃取出來。

在文獻[43]中，使用 PEG-Phophate 雙水相系統，萃取蕃薯(sweet potato

)

而文獻[44]中，使用 PEG-Salt 雙水相系統，萃取廢水中的酚與鄰 甲基酚(o-cresol)進行偵測，並使用形成錯合物的方法達到濃縮的效果，

結果顯示，線性範圍為1.50-500 ug / kg (R≥0.9997; n = 8)，各別偵測 極限為1.27 ug / kg 和 1.88ug / kg，回收率各別為 95.7%和 107%。

在文獻[45]中，使用 Copolymer L35-Lithium sulfate 雙水相系統，

對Ni-Cd 電池中的元素 Ni 與 Cd 進行分離，結果顯示，99.2%的 Cd 會被萃取到上層相，而90.4%的 Ni 會停留在下層相，達到兩者分離 的效果。

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