生物分离分析教程

生命科学是当代发展快、受关注的学科之一，其交叉领域非常广泛。进入21世纪以来，生命科学与生物工程和生物技术的发展进入了快车道，为社会经济的可持续发展提供了有力支持和保障，并与人类健康和生物资源及环境保护的关系密不可分。

生物医药行业是国家重点发展的战略性新兴产业，也是未来高精尖发展的重要行业之一。生物分离分析和检测技术是相关科学研究和实际应用必不可少的方法和技术，也是生物医药相关专业的学生应该的基础知识和基本技能。

生命科学相关的生物工程和生物技术的研究和应用中涉及大量的生物物质的分离分析方法及检测技术，它们是生物学、生物工程、生物技术、化学、化学工程和制药工程等专业重要的教学内容。现有的“生物分离工程”教材除基础知识外，涉及大量化学工程的应用，更适合具有工科基础的化学工程与技术、生物工程专业的学生使用。而针对非工科基础的学生，适合的教材很少。随着生命科学的快速发展，一些新的分离分析方法和技术正在生物医药研发和生物分析检测应用等企事业单位迅速普及，目前的本科教材也需要不断更新以满足人才培养的需求。

本书中的生物分离分析和检测技术的基本原理，涵盖了生物学、生物工程、生物技术、生物制药、生物检测等领域和行业的基础研究和应用的主要方面。两位作者屈锋担任北京理工大学生命学院本科生的生物技术和生物工程专业“生物分离工程”课程主讲教师十五年、吕雪飞任教五年。本书各章节是在我们多年的本科教学内容基础上，调整了原有的工科教材内容，并根据非工科专业学生的特点进行编写。书中内容包含了过滤和离心、细胞破碎、沉淀、萃取、膜分离、吸附分离、液相色谱、电泳等生物分离工程课程的核心部分，并在“液相色谱”一章增加了超高效液相色谱、多维液相色谱、制备型液相色谱和其它液相色谱（整体柱色谱、固相萃取、高速逆流色谱）内容。此外，还增加了磁分离、免疫分析、微芯片分析三章的内容。这些新技术的普及应用发展很快，书中也给出了一些应用实例。增加新的分离分析技术相关内容，有助于扩展学生的知识面和科研视野，提高对科研工作的认识，满足其求学深造和进入社会对新知识和新技术的需求。

本书面向生物学、生物技术、生物工程、化学、化学工程与技术以及与生物分离分析技术相关学科的本科生使用，也适用于部分研究生和从事研发的在职人员和高职人员。 

本书于2018年开始准备相关的素材形成初稿，2019年4月获批北京理工大学“十三五”规划教材立项。两年来，我们对每个章节都认真撰写、反复修改，平均每章都有四版修改。每行文字，每个图表都付出了大量的时间和心血，力求使其完美。即便如此，在编著过程中也难免出现不妥和疏漏之处，在此敬请读者批评指正！

屈锋  吕雪飞     

北京理工大学     

2020年9月6日   

本书重点在生物样品的处理与分析方法，包括生物样品的制备，分离、沉淀、吸附，色谱、电泳、结晶与干燥等。注重理论与实际操作，基本方法介绍、基本原理、仪器设备的操作与维护、问题分析。主题包括过滤、离心、沉淀、萃取、膜分离、吸附与离子交换、液相色谱、电泳分离分析技术，同时增加了近年来兴起的磁分离、免疫分析和微芯片分析前沿分析技术。适合生物及化学等相关专业研究生和本科生阅读，以及作为相关专业技术知识普及的参考书。

屈锋，北京理工大学，教授，研究方向为生物医学分析检测和生物分离。研究内容涉及：蛋白质与核酸分析及相互作用；核酸适配体筛选；蛋白质组学分析方法；细胞活性分析及毒性物质评价；微生物特性及分析检测。主持和承担的主要项目科研项目有：973《蛋白质分析鉴定新技术与新方法》；科技部“十一五”科技支撑计划《高通量蛋白质分离检测系统的研制与开发》；国家自然科学基金面上项目《基于模式病原菌全细胞核酸适配体的毛细管电泳筛选方法研究》等。

第1章 绪论

1.1  生物技术的发展与生物分离 001

1.1.1  生物分离工程的概念 001

1.1.2  生物分离技术的发展历程 002

1.2  生物分离产品的特点 003

1.3  生物分离技术的基本原理 004

1.4  生物分离流程和技术的多样性 006

1.5  生物分离效率评价 006

1.6  生物分析检测技术 008

1.7  生物分离分析技术的发展趋势 009

思考题 009

第2章 过滤和离心

2.1  概述 010

2.2  过滤 011

2.2.1  传统过滤 011

2.2.2  新型膜过滤 016

2.3  离心 016

2.3.1  概述 016

2.3.2  离心法 017

2.3.3  离心机 024

思考题 027

第3章 细胞破碎

3.1  细胞的结构 028

3.1.1  细菌细胞壁 028

3.1.2  酵母细胞壁 029

3.1.3  植物细胞壁 029

3.2  细胞破碎方法 030

3.2.1  机械破碎法 031

3.2.2  非机械破碎法 033

3.3  细胞破碎方法比较及选择 036

思考题 037

第4章 沉淀分离

4.1  概述 038

4.2  蛋白质的表面特性和沉淀 039

4.3  沉淀分离法 040

4.3.1  盐析法 040

4.3.2  有机溶剂沉淀法 044

4.3.3  等电点沉淀法 046

4.3.4  亲和沉淀 046

4.3.5  其它沉淀法 047

4.3.6  选择性变性沉淀法 048

4.4  沉淀分离法的应用实例 049

思考题 051

第5章 萃取分离

5.1  萃取和反萃取 052

5.1.1  萃取 052

5.1.2  反萃取 053

5.2  分配定律 054

5.3  有机溶剂萃取 055

5.3.1  物理萃取和化学萃取 055

5.3.2  有机溶剂萃取的影响因素 056

5.3.3  溶剂萃取操作方式 057

5.4  液-固萃取 060

5.4.1  索氏提取 060

5.4.2  快速溶剂萃取 061

5.4.3  微波辅助萃取 061

5.4.4  超声萃取 063

5.5  超临界流体萃取 065

5.5.1  超临界流体的概念及特点 065

5.5.2  超临界流体萃取剂 065

5.5.3  超临界流体萃取方式 067

5.5.4  超临界流体萃取的特点 067

5.5.5  超临界流体萃取的应用 068

5.6  双水相萃取 069

5.6.1  双水相体系的发现 069

5.6.2  双水相体系的形成 069

5.6.3  双水相体系的组成 070

5.6.4  双水相体系的相图 070

5.6.5  双水相中的分配平衡 071

5.6.6  影响分配平衡的因素 072

5.6.7  双水相萃取分离的优势 074

5.6.8  双水相萃取的工艺 074

5.6.9  双水相萃取的应用 075

5.6.10  双水相萃取技术的发展 077

5.7  液膜萃取 079

5.7.1  液膜的概念及分类 080

5.7.2  液膜的分离机理 082

5.7.3  液膜的组成及对萃取的影响 084

5.7.4  影响液膜萃取效率的其它因素 085

5.7.5  液膜萃取操作 086

5.7.6  液膜萃取的应用 088

5.8  反胶团萃取 090

5.8.1  胶团与反胶团 090

5.8.2  反胶团萃取 092

5.8.3  反胶团萃取的方式 095

5.8.4  反胶团萃取的应用 096

思考题 097

第6章 膜分离

6.1  膜分离概述 098

6.1.1  膜分离技术发展历史 098

6.1.2  膜分离的概念及特点 099

6.2  膜分离法及原理 100

6.2.1  透析 100

6.2.2  反渗透 100

6.2.3  纳滤 101

6.2.4  超滤和微滤 102

6.2.5  电渗析 103

6.2.6  渗透气化 103

6.3  膜材料及其特性 104

6.3.1  膜材料 104

6.3.2  膜结构及特性 105

6.4  膜组件结构和特点 108

6.4.1  管式膜组件 108

6.4.2  平板式膜组件 109

6.4.3  螺旋卷式膜组件 109

6.4.4  中空纤维式（毛细管式）膜组件 109

6.5  影响膜分离速度的主要因素 110

6.5.1  液流方向和流速 110

6.5.2  压力 111

6.5.3  料液浓度 111

6.6  膜污染与清洗 111

6.6.1  膜污染的原因和危害 111

6.6.2  膜污染的清洗 112

6.7  膜分离的应用 113

6.7.1  菌体细胞分离 113

6.7.2  小分子物质的回收 113

6.7.3  蛋白质的回收、浓缩与纯化 113

6.7.4  功能膜过滤 114

6.7.5  膜生物反应器 114

思考题 115

第7章 吸附与离子交换

7.1  吸附的分类 116

7.1.1  物理吸附 116

7.1.2  化学吸附 117

7.1.3  离子交换吸附 117

7.2  吸附分离介质 117

7.2.1  吸附剂 117

7.2.2  离子交换剂 118

7.3  吸附与离子交换的基本理论 121

7.3.1  吸附等温线 121

7.3.2  影响吸附的主要因素 122

7.3.3  离子交换平衡理论 123

7.4  生物分子的吸附类型 125

7.5  吸附分离工艺 126

7.5.1  分批式与连续式吸附 126

7.5.2  固定床吸附 127

7.5.3  流化床吸附 128

7.5.4  膨胀床吸附 128

7.6  膨胀床技术的应用 131

思考题 132

第8章 液相色谱

8.1  液相色谱分离概述 134

8.1.1  液相色谱的基本概念 134

8.1.2  液相色谱法分类 137

8.1.3  液相色谱的加样和洗脱 138

8.2  液相色谱分离原理 139

8.2.1  离子交换色谱 139

8.2.2  疏水作用色谱 142

8.2.3  反相色谱 143

8.2.4  凝胶过滤色谱 146

8.2.5  亲和色谱 150

8.3  高效液相色谱 158

8.3.1  基本原理与特点 158

8.3.2  高效液相色谱仪 158

8.3.3  超高效液相色谱 161

8.3.4  多维液相色谱 163

8.3.5  制备型液相色谱 166

思考题 182

第9章 电泳

9.1  电泳发展简史 183

9.2  电泳分离基本原理及影响因素 184

9.2.1  电泳分离基本原理 184

9.2.2  电泳分离的影响因素 185

9.3  电泳法分类和分离模式 187

9.3.1  区带电泳 187

9.3.2  等电聚焦电泳 188

9.3.3  等速电泳 188

9.3.4  凝胶电泳 189

9.3.5  双向电泳（二维电泳） 195

9.3.6  毛细管电泳 196

9.3.7  自由流电泳 200

思考题 201

第10章 磁分离

10.1  物质的磁性 202

10.1.1  顺磁性 202

10.1.2  反磁性 202

10.1.3  铁磁性 203

10.2  分离用磁性纳米粒子的结构和特性 203

10.2.1  磁性纳米粒子概述 203

10.2.2  磁性纳米粒子的结构和特性 203

10.3  磁性纳米粒子的制备方法 204

10.4  磁分离方法及应用 206

10.4.1  磁分离在生物分离中的应用 206

10.4.2  磁分离在环境工程中的应用 209

思考题 211

第11章 免疫分析

11.1  抗原和抗体的性质及来源 212

11.1.1  抗原和半抗原 212

11.1.2  抗体的性质和来源 213

11.1.3  抗体的纯化和表征 214

11.1.4  抗原抗体反应特点及影响因素 216

11.2  酶联免疫吸附分析法 216

11.2.1  基本原理 216

11.2.2  ELISA方法分类 217

11.2.3  ELISA中的信号放大 219

11.2.4  ELISA的应用 220

11.3  侧流免疫分析 220

11.3.1  侧流免疫分析试纸条的组成 221

11.3.2  胶体金侧流免疫分析的原理 222

11.3.3  胶体金侧流免疫分析的应用 225

思考题 230

第12章 微芯片分析

12.1  生物芯片 232

12.1.1  生物芯片分析原理 232

12.1.2  生物芯片的特点 233

12.1.3  生物芯片分类 233

12.1.4  生物芯片的应用 234

12.2  微流控芯片 235

12.2.1  微流控芯片发展历程 235

12.2.2  微流控芯片中微流体的特性 236

12.2.3  微流控芯片材料 237

12.2.4  微流控芯片的应用 237

思考题 241

参考文献 242

本书重点在生物样品的处理与分析方法，包括生物样品的制备，分离、沉淀、吸附，色谱、电泳、结晶与干燥等。注重理论与实际操作，基本方法介绍、基本原理、仪器设备的操作与维护、问题分析。主题包括过滤、离心、沉淀、萃取、膜分离、吸附与离子交换、液相色谱、电泳分离分析技术，同时增加了近年来兴起的磁分离、免疫分析和微芯片分析前沿分析技术。适合生物及化学等相关专业研究生和本科生阅读，以及作为相关专业技术知识普及的参考书。

屈锋，北京理工大学，教授，研究方向为生物医学分析检测和生物分离。研究内容涉及：蛋白质与核酸分析及相互作用；核酸适配体筛选；蛋白质组学分析方法；细胞活性分析及毒性物质评价；微生物特性及分析检测。主持和承担的主要项目科研项目有：973《蛋白质分析鉴定新技术与新方法》；科技部“十一五”科技支撑计划《高通量蛋白质分离检测系统的研制与开发》；国家自然科学基金面上项目《基于模式病原菌全细胞核酸适配体的毛细管电泳筛选方法研究》等。