膠體過濾法（Gel filtration）

一、基本原理

凝膠過濾法（gel filtration）也稱為排阻層析（exclusion chromatography）、凝膠層析（gel chromatography）或分子篩層析（molecular sieve chromatofraphy），它是在1960年後發展出來的技術。

凝膠是由膠體溶液凝結而成的固體物質，內部具有網狀篩孔，利用球狀凝膠內的篩孔，使分子流過填充凝膠的管柱時，大分子無法進入凝膠篩孔，而只流經凝膠及管柱間的孔隙，很快就可以流出管柱，較小的分子因為進入凝膠內的篩孔，故在管柱內的停留時間較長，由此區分大小不同的分子，亦可與已知大小的分子作比較而定出一分子的分子量。一般狀況下，凝膠不會吸附成份，所有欲分離物質都會被洗出，這是凝膠層析法與其它層析法不同的地方。

二、凝膠類型

目前常用的凝膠包括3個主要類型：

1.Polydextran

Polydextran的商品名稱是Sephadex，它幾乎不溶於溶劑中，親水性強，能迅速在水和電解質溶液中膨脹，在鹼性的環境中十分穩定，所以可以用鹼去除凝膠上的污染物。Sephadex依其吸水量有不同型號，如 G-25、G-75、G-100或是G-200，G 後面的數字為凝膠吸水量再乘以10，以G-25為例，表示1克乾燥的G-25凝膠可以吸水2.5 ml 。

2.Polyacrylamide
Polyacrylamide是一種合成凝膠，商品名Bio-Gel P，乾粉顆粒狀，在溶劑中自動溶成膠體，依膠的分離範圍不同，分成Bio-Gel P-2至Bio-Gel P-300，P後面的數字乘以1000為最大過濾限度。Polyacrylamide的化學性質不活潑，但它在極端的pH 下會被水解，水解後產生的COOH-具有離子交換的性質，因此pH 值應盡量控制在2-10之間。

3.Agarose
商品名Separose，屬於天然凝膠，依凝膠中乾膠的百分含量，分為Sepharose 2B，4B和6B。Agarose gel 是一種大孔凝膠，主要用於像核酸或病毒這些分子量400,000以上的物質，因其顆粒軟，在分離過程有時會阻塞管柱，造成流速減慢，又因其在攝氏50度以上會融化，故需於較低溫的環境中進行層析。Agarose 做成beads後不能再脫水乾燥，所以要在溼態中保存。


三、凝膠和管柱的選擇

凝膠的材質需為化學惰性，與分離物不能產生變性（denature）或是其它化學反應，最好具有能長期反覆使用的穩定性，並可以在較大的pH和溫度範圍內使用。由於凝膠上的離子交換基團會吸附帶電荷的物質，產生離子交換的效果，所以凝膠上最好不具有離子交換的基團。此外，凝膠要有一定的機械強度，在層析過程中才不會變形，增加機械強度也可使層析在較高壓力的環境進行，縮短分離時間。

凝膠顆粒的粗細與分離效果有直接關係，顆粒細的分離效果好，但流速慢而費時，因此要依據實際的需要來選擇。對於分子量較小的物質，一般採用polydextran或polyacrylamide材質的凝膠，大分子物質則使用agarose。

以Sephadex為例，Sephadex G-50可用於區分分子量1,500~30,000之分子，而Sephadex G-75 凝膠可區分分子量3,000~70,000之分子，所以若要分離分子量10,000及20,000之分子，兩種都適用。

如果要分離的分子大小相差很多，則可選用柱高：直徑＝5：1~15：1的管柱，且管柱體積要大於4~15倍的樣品體積；如果要分離的物質之間分子量差異不大，則要選用柱高：直徑＝20：1~100：1的管柱，且管柱體積要大於25~100倍的樣品體積。


四、凝膠的處理

商品凝膠一般是乾燥的顆粒，使用前要先泡在欲使用的沖洗液中，使它充份膨脹，否則有引起凝膠柱破裂的危險。熱脹法是常用的前處理法，即把浸於沖洗液中的凝膠加熱，讓它膨脹並除去氣泡，溫度夠高的話（加溫至近沸騰）也可消毒殺菌。凝膠處理過程不能劇烈攪拌，如此易使顆粒破裂，影響流速。

將凝膠裝入管柱的方法有很多種，實驗室常用的方法是先在柱中加入約1/3 體積的沖洗液，邊輕輕攪伴邊將凝膠懸浮液倒入其中，等到底部沉積約1~2公分的凝膠後，打開下方出口讓水流出，上面不斷加入懸浮液，等到沉積到離頂部約3~5公分處停止，讓3~5倍柱床體積的緩衝液流過層析柱。若用polydextran的凝膠，可放入有顏色的蛋白質（如cytochrome c）流過管柱，看看色帶是否均勻下降，不均勻或出現氣泡，凝膠均需倒出重新填裝。

衝洗緩衝液僅需留高於柱床2 公分左右，多餘的可用滴管吸去，再將出口打開使衝洗液流到距表面1~2公釐，關閉出口，用滴管緩緩加入樣品再打開出口，樣品完全滲入凝膠內後，加入約4公分衝洗液，出口處接上收集瓶開始層析。

由於polydextran 和agarose都屬於多醣類，一旦微生物生長過多，分泌的酶會水解凝膠使其性質改變，為了防止這種情況發生，凝膠最好採用真空或低溫保存，但溫度不能過低使凝膠凍結。加入抑菌劑（chlohexidine, chlorbutol, phenylmercuric salts, NaOH等）也是常用的方法。長時間不用的凝膠可用乾燥保存法，也就是把使用過的凝膠用水除去碎顆粒和雜質，再用不同濃度的酒精，由70%、90%到95%逐步脫水，在攝氏60~80度下烘乾，不能加熱的Sepharose則用乙醚洗滌乾燥。