凝胶_百度百科
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又称溶胶或溶液中的胶体粒子或高分子在一定条件下互相连接形成空间网状结构结构空隙中充满了作为分散介质的液体在干凝胶中也可以是干凝胶也称为这样一种特殊的分散体系称作凝胶没有流动性内部常含有大量液体例如血凝胶琼脂的含水量都可达99%以上可分为弹性凝胶和脆性凝胶弹性凝胶失去分散介质后体积显著缩小而当重新吸收分散介质时体积又重新膨胀例如明胶等脆性凝胶失去或重新吸收分散介质时形状和体积都不改变例如硅胶等由溶液或溶胶形成凝胶的过程称为胶凝作用gelation外文名gelate定&&&&义特殊的分散体系
生物分子下游纯化的对象一般包括蛋白酶重组蛋白单抗抗体及抗原肽类病毒核酸等纯化前首先需要测定生物分子的各物理和化学特性然后通过实验选择出最有效的纯化流程[1]
1.测定分子量PI
当目标蛋白的物理特性如分子量PI等都不清楚时可用PAGE电泳方法或层析方法加以测定分离范围广阔的Superose HR预装柱很适合测定未知蛋白的分子量用少量离子交换介质在多个含不同PH缓冲液的试管中可简易地测出PI并选择纯化用缓冲液的最佳PH
2.选择层析方法
若对目标蛋白的特性或样品成分不太了解可尝试几种不同的纯化方法
一 使用最通用的凝胶过滤方法选择分离范围广阔的介质如SuperoseSephacryl HR依据分子量将样品分成不同组份
二 用含专一配体或抗体的亲和层析介质结合目标蛋白亦可用各种活化偶联介质偶联目标蛋白的底物受体等自制亲和介质再用以结合目标蛋白一步即可得到高纯度样品
三 体积大的样品往往使用离子交换层析加以浓缩及粗纯化高盐洗脱的样品可再用疏水层析纯化疏水层析利用高盐吸附低盐洗脱的原理洗脱样品又可直接上离子交换等吸附性层析两种方法常被交替使用于纯化流程中
3.纯化大量粗品
处理大量原液时为避免堵塞柱子一般使用sepharose big beadssepharoseXLsepharose fast flow等大颗粒离子交换介质扩张柱床吸附技术利用多种STREAMLINE介质直接从含破碎细胞或组织萃取物的发酵液中俘获蛋白将离心超滤初纯化结合为一提高回收率缩短纯化周期
4.纯化硫酸氨样品
硫酸氨沉淀方法常被用来初步净化样品经处理过的样本处于高盐状态下很适合直接上疏水层析若作离子交换需先用Sephadex G-25脱盐疏水层析是较新技术随着介质种类不断增多渐被融入各生产工艺中利用Hitrap HIC Test Kit 和RESOURCE HIC Test Kit可在八种疏水介质中选择最适合介质及最佳的纯化条件低盐洗脱的样品可稍加稀释或直接上其它吸附性层析
5.纯化糖类分子
固化外源凝订素如刀豆球蛋白花生大麦等凝集素可结合碳水化合物的糖类残基很适合用作分离糖化细胞膜组份细胞甚至亚细胞细胞器纯化糖蛋白等两种附上外源凝集素的Sepharose 6MB亲和层析介质专为俘获整个细胞或大复合物如膜囊等
6.纯化膜蛋白
膜蛋白分离常使用去污剂以保持其活性离子性去污剂应选用与目标蛋白相反电荷者避免在作离子交换时和目标蛋白竞争交换介质籍此除去去污剂非离子性去污剂可以疏水层析除去
7.纯化单抗抗原
单抗多为IgG.来源主要是腹水和融合瘤培养上清液在培养前除去IgG.重组蛋白A介质Mabselect和rProtein A Sepharose FF对IgG有更高的载量和专一性基团脱落更少脱落的rProtein A用离子交换Q Sepharose HP或凝胶过滤Superdex 200很容易去除
疏水层析Phenyl Sepharose HP亦很适合纯化IgG.宿主抗体和污染IgG可用凝胶过滤Superdex 200在精细纯化中去除
纯化IgG抗原最有效的方法是用活化偶联介质如CNBrNHs activated Sepharose FF偶联IgG再进一步获取IgG抗原
HiTrap IgM是用来纯化融合瘤细胞培养的单抗IgM结合量达5mg IgM.HiTrap IgY是专门用来纯化IgY结合量达100mg纯IgY.
8.纯化重组蛋白
重组蛋白在设计构建时应已融入纯化构想样品多夹杂了破碎细胞或溶解产物扩张柱床吸附技术STREAMLINE便很适合做粗分离Amersham biosciences提供三个快速表达一步纯化的融合系统
一 GST融合载体使要表达的蛋白和谷胱甘肽S转移酶一起表达然后利用Glutathione Sepharose 4B作亲和层析纯化再利用凝血酶或因子Xa切开
2. 蛋白A融合载体使要表达的蛋白和蛋白A的IgG结合部位融合在一起表达以IgG Sepharose 6 FF纯化
二 含组氨酸标记Histidine-tagged的融合蛋白可用Chelating Sepharose FF螯合Ni2+金属在一般或变性条件8M尿素下透过组氨酸螯合融合蛋白HisTrap试剂盒提供整套His-Tag蛋白的纯化方法
9.纯化包涵体蛋白
包涵体蛋白往往需溶于6M盐酸胍或8M尿素中一般包涵体蛋白样品的纯度越高复性效果越好SOURCE 30 RPC反相层析介质很适合纯化复性前的粗品并可以1MnaOH重生此方法纯化后的包涵体蛋白复性回收率明显提高
10.包涵体蛋白固相复性
许多文献报导将包涵体蛋白在变性条件下固定吸附在层析介质上一般用各种Sepharose FF离子交换层析介质而且无需大量稀释样品并将复性和初纯化合二为一大大节省时间及提高回收率
固相复性方法也被用于以HiTrap Chelating金属螯合层析直接复性及纯化包涵体形式表达的组氨酸融合蛋白以HiTrap Heparin肝素亲和层析直接复性及纯化包涵体形式表达的含多个赖氨酸的融合蛋白两种亲和层析预装柱均可反复多次重复使用比一般试剂盒更方便耐用
11.纯化中草药有效成分
中药的化学成分极其复杂例如用甲醇分离黄酮甙三糖甙先被洗下来二糖甙其次单糖甙随后最后是甙元Sephadex LH-20可使用水醇丙酮氯仿等各种试剂广泛用于各种天然产物的分离包括生物碱甙黄酮醌类内脂萜类甾类等
生物碱在酸性缓冲液中带正电成为盐HiTrap SP阳离子交换层析柱可以分离许多结构非常近似的生物碱相反黄酮蒽醌皂甙有机酸等可溶于偏碱的缓冲液中在HiTrap Q阴离子交换柱上分离效果良好
一般多糖纯化大多使用分子筛如SephadexSephacryl.若分子量在600KD以下并需更高分辨率可选择新一代的Superdex.一般植物可能含水溶性酸溶性碱溶性多种多糖SOURCE51530RPC反相层析也很适合各种中药有效成分的检测分离和放大制备由于中药的成分非常复杂SOURCE反相层析可用范围为PH1-14 并可用1M NaOH1M HCL清洗再生比传统硅胶反相层析更易于工艺优化及在位清洗寿命也更长
12.纯化肽类
肽类的来源有天然萃取合成肽和重组肽三种肽容易被酶降解但可从有机溶剂或促溶剂中复性所以多以高选择性的反相层析如SOURCE 30RPCSOURCE 15RPCSOURCE 5RPC或离子交换MinibeadsMonobeads作纯化Superdex Peptide HR是专为肽分子纯化设计的凝胶过滤预装柱能配合反相层析做出更精美的肽图肽分子制备可用离子交换配合凝胶过滤Superdex 30 PG医学都市多功能
13.纯化核酸病毒
核酸的纯化用于去除影响测序或PCR污染物等研究核酸可大致上分为质粒DNA噬菌体DNA和PCR产物等病毒也可视作核酸大分子和质粒DNA一样可用分离大分子的Sephacry S-1000 SFSuperose或Sepharoce 4FF凝胶过滤介质去除杂蛋白再配合离子交换如Mono Q SOURCE Q分离核酸
14.纯化寡核苷酸寡酸苷酸
多应用在反义anti-senseDNARNA测序PCR和cDNA合成等研究合成后含三苯甲基的寡核苷酸以阴离子交换的Mono Q或快速低反压的SOURCE Q在PH12下可除副产物并避免凝集和保护基的脱落载量大大高过反相层析可用做大量制备不含三苯甲基的失败序列可用反相柱ProRPC去除
15.脱盐小分子去除
使用凝胶过滤介质Sephadex G10G15G25G50等去除小分子效率高处理量可达床体积30%.只需在进样后收集首1/3-1/2柱体积的洗脱液HiPrep Desalting26ml可在数分钟为多至10ml样品脱盐
16.疫苗纯化
使用凝胶过滤介质Sepharose 4FF纯化疫苗去除培养基中的杂蛋白处理量可大于床体积10%.柱高一般40-70cm整个过程约半至一小时使用此法生产的疫苗品种有乙肝狂犬出血热流感肺结核小儿麻痹疫苗等分子量较小的疫苗可使用Sephacryl S-500HR如甲肝疫苗等
17.抗生素聚合物分析
中国药典从2000年版起要求抗生素头孢曲松钠需要找出聚合物占产品的白分比规定使用Sephadex G10凝胶过滤法测定
18.纯化-基因治疗用病毒载体
SORRCE 15Q
19.纯化-基因治疗用质粒
Q Sepharose XLSOURCE 15QSTREAMLINE QSephacryl S500Plasmidselect 在下游纯化中可应用不同层析技术在纯化生物分子的同时去除各种污染物1.去除内毒素
内毒素又称热原含脂肪A糖类和蛋白是带负电的复合大分子
内毒素的脂肪A部份有很强的疏水性但在高盐下会凝集无法上疏水层析利用疏水层析试验盒17-1349-01可选择结合目标蛋白的介质而去除内毒素
内毒素与阴离子交换介质Q或DEAE Sepharose Fast Flow有较强结合可在洗脱目标蛋白后用高盐缓冲液或NaOH去除
利用CNBr或NHS Sepharose FF可偶联内毒素底物如LALPMB自动成亲合层析介质结合内毒素内毒素经常是多聚体可有效地将之去除
2.去除蛋白中的核酸
大量核酸增加样本黏度令区带扩张反压增加降低分辨率和流速药审和食检对核酸含量也有严格限制
胞内表达蛋白的核酸问题尤其严重核酸带阴电荷在初步纯化时利用阳离子交换介质如STREAMLINESPSP Sepharose Big BeadsSP或CM Sepharose FFSP SepharoseXL结合目标蛋白可除去大量核酸
核酸在高盐下会和蛋白解离疏水层析介质很适合用来结合目标蛋白在纯化蛋白的同时去除核酸
利用核酸酶将核酸切成小片断用凝胶过滤做精细纯化时便很容易去除了
3.去除病毒和微生物
病毒和微生物可成为病原应尽量减除结合不同层析技术使用注射用水用NaOH定期进行仪器和凝胶的在位消毒和在位清洗皆可避免污染物增加
病毒大都有脂外壳可用与目标蛋白电荷相反的S/Dsolvent/detergent处理使病毒失活如Triton和Tween.再用适当的离子交换介质如CM Sepharose FF结合目标蛋白去除S/D.
其它污染物可以改变pH和离子强度使其从目标分子中解离或失活凝胶过滤介质Superdex及多种吸附性介质SOURCE都是很好的精细纯化介质可去除多种微量污染物凝胶是指大小在1埃到10埃之间的高分子溶液和某些在适当的条件下整个体系会转变成一种弹性的半固体状态的稠厚物质失去流动性这种现象称为胶凝作用,所形成的产物叫做凝胶或冻胶.
是指为的如等固凝胶有等液凝胶就是呈的胶体如胶体 食品级Gum Konjac-GM
葡甘露胶又称系一种新型多用途微粒状可这里推出之葡甘露胶是以优质中提取的葡萄甘露聚糖为原料保持或强化了葡萄甘露聚糖所具有的降糖降脂减肥等保健功能大大拓宽了魔芋应用的范围价格低廉使用方便
葡甘露胶能广泛用于日用化工科研等领域作为琼脂果胶海藻胶等的替代产品价格低廉且使用时无需改变原有的设备及能大幅度降低添加剂的使用成本是一种理想的新型凝胶添加剂为满足不同产品开发的需要
一凝胶果冻型
能与各种天然果汁及良好混合作为广谱凝胶赋型剂是制作水晶软糖等的极佳原料也可作为培养基支持体且不需再添加其它任何胶类或成份凝胶条件随意脱杯完整凝胶高韧性大 用量0.7～0.9%用法在适量温水中溶胀3～5分钟煮沸冷至70度左右时加入及各种冷却至室温即成
二培养基型
用作替代琼脂作为及其它进行组织培养的组培苗根粗苗壮使用效果理想成本大幅降低用量0.5～0.6%用法在温水中溶胀3～5分钟煮沸后冷却即可
三果肉茶饮料型
作为与悬浮剂替代琼脂和等广泛用于粒粒橙等异相等或混合饮料中防止沉淀或分层 用量0.15～0.25%左右用法在适量温水中充分后加入物料中
四冷冻制品型
用于等各种冷冻制品可增大膨胀减少提高抗热融性使产品更加爽口 用量0.15到0.25%左右用法在适量温水中充分溶胀然后加入物料中
用于制品中可增大提高改善赋型和口感是进口洋槐豆胶的理想替代物 用量0.2～0.3%左右用法在适量温水中充分溶胀后加入物料中在凝胶糖果生产制造中怎样才能够合理使用复配胶呢首先我们应该弄清相关的凝胶糖果制造的基本机理和凝胶剂之间的协同增效作用其次是如何选择具有协同增效作用的凝胶剂进行合理的复配否则只将会事倍功半甚至于会产生凝胶剂之间的拮抗作用阻碍凝胶的形成也就谈不上凝胶糖果的生产制造
凝胶糖果可以看作是一种糖果溶液的凝胶体而凝胶体的形成取决于凝胶剂的因此所有用于糖果的凝胶剂都必须是亲水性的胶体当胶体分子的亲水基-OH-COOH等吸持一定量的水份而形成水合作用水作为溶剂分子覆盖其上形成水化层同时胶体分子的非亲水基-CH3-CH2等产生分子间的相互吸引力有助于将单一胶粒形成线状分子并进而聚集成束状胶团如果在形成凝胶状态的时候我们将熬煮浓缩成一定浓度的糖浆加入则糖类物质多种碳水化合物的浓缩糖浆均匀地填满充实在凝胶错综复杂的网络空隙里并使之固定化下来从而形成一种非常稳定的含糖的凝胶即使给予它较大的外来压力也不会将其糖分子或水分子析出如果我们再将其放置在一定的温湿度的环境中让体系内水分子进一步扩散逃逸蒸发我们将得到的是质构非常坚固与紧密的含糖的凝胶体凝胶糖果不同的凝胶糖果的制造其影响因素工艺条件很多成因又非常的复杂这主要是因为不同凝胶剂的类型分子结构的性质都有很大的差异优选复配胶的最佳组合和它们最佳的组合比例
现以琼脂凝胶糖果为例在许多的凝胶剂中槐豆胶角豆胶黄原胶和明胶均与琼脂之间存在着协同增效作用只是它们的增效程度和最佳添加比例范围不同而瓜尔胶和果胶都与琼脂之间会产生拮抗作用这主要是由于它们的分子结构所决定的槐豆胶角豆胶都是构成以甘露糖残基为主链平均每隔4个毗邻的甘露糖残基就连接一个半乳残基支链但支链倾向于连接在一系列连续的甘露糖残基上形成手发链段和光秃链段与琼脂双螺旋结合交联产生叠加增效效应在淀粉型糖果配料中如果添加0.05%的黄原胶可以改进加工性能即在熬煮好混合糖液后便可以立即急剧冷却成凝胶大大缩短了凝胶形成时间为改变传统的烘房干燥工艺创造了良好的条件如果将明胶和魔芋甘露胶按3～4:1进行复配制造凝胶糖果则可制得口感柔润咀嚼性好富有弹性更光亮透明的明胶凝胶糖果Native-PAGE原理
非变性聚丙烯酰胺凝胶电泳(Native-PAGE)是在不加入SDS 疏基乙醇等变性剂的条件下 对保持活性的蛋白质进行聚丙烯酰胺凝胶电泳常用于同工酶的鉴定和提纯未加SDS的天然聚丙烯酰胺凝胶电泳可以使生物大分子在电泳过程中保持其天然的形状和电电泳后将凝胶切成两半一半用于活性染色对某个特定的生物大分子进行鉴定另一半用于所有样品的染色以分析样品中各种生物大分子的种类和含量非和变性sds-page电泳在操作上基本上是相同的只是非变性聚丙烯酰胺凝胶的配制和电泳缓冲液中不能含有变性剂如SDS等
一般蛋白进行非要先分清是碱性还是酸性蛋白分离碱性蛋白时候要利用低pH凝胶系统分离酸性蛋白时候要利用高pH凝胶系统
酸性蛋白通常在非 变性凝胶电泳中采用的pH是8.8的蛋白会带蛋白会相阳极移动而碱性蛋白通常电泳是在微酸性环境下进行蛋白带正电荷这时候需要将阴极和阳极倒置才可以电泳分离酸性蛋白1.40%胶贮液(Acr:Bis=291
2.4×分离胶Buf(1.5 MpH 8.8)18.2 g Trisbase 溶于ml 水用浓HCl调pH 8.8加水定容到100ml4℃贮存
3. 4×堆积胶Buf(0.5 M Tris-HClpH 6.8)6g Trisbase 溶于80ml 水用浓HCl调pH 6.8加水定容到100ml4℃贮存
4.10×电泳BufpH8.8 Tris-Gly:30.3 g Trisbase 144g 甘氨酸加水定容到L4℃贮存
5.2×溴酚蓝上样Buf:1.25ml pH6.8, 0.5M Tris-Cl3.0ml甘油.2ml 0.5% 溴酚蓝5.5ml dH2O -20℃贮存
7. 0.25%考马斯亮蓝染色液:Coomassie blue R-250 2.5g甲醇mlHAc 100ml, dH2O 450ml
8.考马斯亮蓝脱色液:100ml甲醇100冰醋酸800ml dH2O
电泳胶的配制及电泳条件上槽电极为负下槽电极为正
1. 碱性非变性胶 17%分离胶(10 ml) 4%堆积胶(5 ml)
2. 40%胶贮液(40%T,3.3%C 4.25ml 0.5ml
3. 4×分离胶Buf(1.5 M Tris-HClpH 8.8)2.5ml
4. 4×堆积胶Buf(0.5 M Tris-HClpH 6.8) 1.25ml
5. 水 3.2ml
6. 10%APS 35ul
7. TEMED 15 ul
8. 10×电泳BufpH8.8 Tris-Gly:100ml稀释到L
电泳条件:100V恒压约20min指示剂进入浓缩胶改换160V恒压当指示剂移动到胶板底部时停止电泳整个过程约80min
染色和脱色:取出胶板于0.25%考马斯亮蓝染色液中染色约30min倾出染色液加入考马斯亮蓝脱色液缓慢摇动注意更换脱色液直至胶板干净清晰背景也可以用银染或者活性染色
分离碱性蛋白
要用低pH凝胶系统并使用以下缓冲液体系
1. 分离胶0.06M KOH0.376M AcpH4.37.7% T2.67% C
2. 堆积胶0.06M KOH0.063M AcpH6.83.125% T25% C
3. 电泳缓冲液0.14M 2-丙氨酸0.35M AcpH4.5
将正负电极倒置用甲基绿0.002%为示踪剂
实验操作同分离酸性蛋白非变性凝胶电泳也称为天然凝胶电泳与非变性凝胶电泳最大的区别就在于蛋白在电泳过程中和电泳后都不会变性最主要的有以下几点
1. 凝胶的配置变性凝胶不能加入SDS而变性凝胶的有SDS
2. 电泳载样缓冲液中非变性凝胶的不仅没有SDS也没有巯基乙醇
3. 在非变性凝胶中蛋白质的分离取决于它所带的电荷以及分子大小不像电泳中蛋白质分离只与其分子量有关
4. 非变性凝胶电泳中酸性蛋白和碱性蛋白的分离是完全不同的不像SDS-PAGE中所有蛋白都朝正极泳动非变性凝胶电泳中碱性蛋白通常是在微
酸性环境下进行蛋白带正电荷需要将阴极和阳极倒置才可以电泳
5. 因为是非变性凝胶电泳所有的电泳时候电流不能太大以免电泳时产生的热量太多导致蛋白变性而且步骤都要在0-4度的条件下进行这样才可以保持蛋白质的活性也可以降低蛋白质的水解作用这点跟变性电泳也不一样
所以与SDS-PAGE电泳相比非变性凝胶大大降低了蛋白质变性发生的机率1. 非变性聚丙烯酰胺凝胶电泳时预电泳是怎么回事的预电泳时要加6×DNA上样缓冲液吗电泳1－2小时再加结合反应产物吗
预电泳是除去凝胶中没有聚合的单体和双体和聚合引发剂提高分辨率不加任何物质一般30－60分钟后加样电泳
2. 银染的步骤是什么银染的关键因素是什么
1 固定10%冰乙酸min
2 清洗双蒸水冲洗凝胶次每次1min
3 染色染色液1g硝酸银.5mL37%甲醛1L双蒸水现配染色30min
4 清洗迅速洗凝胶次
5 显影30g碳酸钠1.5mL37%甲醛200uL 10mg/L硫代硫酸钠显影至清晰带纹出现
成功银染的关键因素包括
6 用超纯水比如NANOpure或Milli-Q纯化或者是双蒸水作银染
7 用提供的碳酸钠或者ACS试剂级的碳酸钠
8 在染色后水清洗所用时间的长短很重要用不超过5-10秒的时间清洗胶然后放入显色溶液中一般在水里浸一下就好
9 甲醛和硫代硫酸钠ul/1ml在使用前及时加入到显色液中
10 在使用前及时配染色液
3. 变性PAGE的上样缓冲液配方如何准备上样的蛋白是将细胞用超声破碎,还是用细胞裂解液,大多细胞裂解液中均含有SDS,不知有没有用于非变性
PAGE的裂解液.具有操作步骤是什么?
非变性的PAGE buffer就是0.5xTBE,上样缓冲液可以用普通的loading buffer含有Tris,溴以及甘油即可甘油是主要的沉淀作用成分都可以自己
配细胞超声即可超声后离心取上清.也有配NATIVE-PAGE gel所用buffer为1*TBE,用的running buffer也是1*TBE还有一点就是要在配gel时考虑能使蛋
白多聚体稳定的因素
4. 做了naive---PAGE没有条带蛋白质是纯品分子量很大怎么回事呢
因为分子量很大8%的胶浓度较合适加样时加个marker可以检测胶制备是否有问题银染方法比较灵敏如果蛋白是一种酶且可使某种底物显色的话可以用活性染色试试更灵敏1. 非变性聚丙烯酰胺凝胶电泳的过程中蛋白质的迁移率不仅和蛋白质的等电点有关还和蛋白质的分子量以及分子形状有关其中蛋白质的等电点是最重要
的影响因子要根据蛋白质的等电点来选择对应的电泳缓冲系统
2. 非变性聚丙烯酰胺凝胶电泳的过程中要注意电压过高引起发热而导致蛋白质变性所以最好在电泳槽外面放置冰块以降低温度
3. 蛋白质的分子量较大则电泳时间可以适当延长以使目的蛋白质有足够的迁移率和其它的蛋白质分开反之亦然;
4. 变性样品的离子强度不能太高I&0.1mM调整样品的PH在4.0左右这对于能否做好非变性样品非常重要上样BUFFER 中没有SDS之外加入样品后不能加热.从多年生百合科芦荟的肉汁部分所得的(经加工)主要有芦荟蒽酮多种等组成为淡黄绿色为0.98～1.024～6主要用于(完美芦荟胶中的保护用品具有防晒防臭防肥胖皮肤止痒防等功效也可用于和中气凝胶aerogels没有明确而固定的定义气凝胶通常是指以纳米量级超微颗粒相互聚集构成纳米多孔网络结构并在网络孔隙中充满气态分散介质的轻质纳米固态材料
的S.S.Kistler首先用水玻璃通过溶胶-凝胶方法及超临界干燥技术制得SiO2气凝胶
气凝胶因其半透明的色彩和超轻重量有时也被称为固态烟或冻住的烟这种新材料看似脆弱不堪其实非常坚固耐用不同成份的气凝胶可以承受不同的温度常见的氧化硅气凝胶可以在绝对零度到650℃的范围内使用有些类型的气凝胶最高能承受1400℃的高温气凝胶的这些特性在航天探测上有多种用途和平号空间站和勇气号火星探测器上都用到了气凝胶材料
气凝胶是里最轻的固体不同气凝胶的制备方法也不相同但是其制备历程大同小异一般是采用溶胶-凝胶法制备湿凝胶wet gel湿凝胶经溶剂置换和超临界工作得到相应的气凝胶(1)孔隙率很高可高达99.8%科学家们表示因为它有数百万小孔和皱摺所以如果把1立方厘米的气凝胶拆开它会填满一个有足球场那么大的地方它的小孔不仅能像一块一样吸附污染物还能充当研究人员认为一些形式的由制成的气凝胶能用于加速水解及的产生这样的话气凝胶就能用来生产以氢为基础的
(2)纳米级别孔洞(~20nm)和三维纳米骨架颗粒(2~5nm)
(3) 高比表面积可高达1000m2/g
(4) 低密度可低至0.003g/cm3
5气凝胶独特的结构决定了其具有极低的热导率常温下可以低至0.013W/(m·K)比空气的导热系数还低
6强度低脆性大由于其比表面积和孔隙率很大密度很低导致其强度很低如SiO2气凝胶杨氏模量不到10MPa抗拉强度只有16KPa断裂韧度只有0.8kPa·m1/21)孔隙率很高可高达99.8%材料的热传导由气态传导固态传导和热辐射传导决定由于气凝胶材料具有纳米多孔结构,因此常压下气态热导率λg很小,真空下热传导由固态传导和热辐射传导决定同玻璃态材料相比,纳米多孔材料由于高孔隙限制了稀疏骨架中链的局部激发的传播,使得固态热导率λs仅为非多孔玻璃态材料热导率的1/500左右Nilsson等检测室温下气凝胶热导率为0.013~0.016W/(m·K),静态空气的热导率为0.024W/(m·K),即使在800℃的高温下其导热系数才为0.043W/(m·K),是目前隔热性能最好的固态材料
1太阳能热水器
太阳能热水器及其他集热装置的高效保温成了能否进一步提高太阳能装置的能源利用率和进一步提高其实用性的关键因素将应用于热水器的储水箱管道和集热器将比现有太阳能热水器的集热效率提高1倍以上而热损失下降到现有水平的30%以下
2在热电池上应用
可延长热电池的工作寿命,防止生成的热影响热电池周围的元器件
3军事及航天领域
与传统绝热材料相比纳米孔气凝胶可以用更轻的质量更小的体积达到等效的隔热效果这一特点使其在航空航天应用领域具有举足轻重的优势如果用作航空发动机的隔热材料既起到了极好的隔热作用又减轻了发动机的重量作为外太空探险工具和交通工具上的超级绝热材料也有很好的应用前景
凝胶在航天中的应用远不止这些美国国家宇航局的星尘号空间探测器已经带着它在太空中完成了一项十分重要的使命收集彗星微粒科学家认为彗星微粒中包含着太阳系中最原始最古老的物质研究它可以帮助人类更清楚地了解太阳和行星的历史2006年星尘号飞船将带着人类获得的第一批彗星星尘样品返回地球
但收集彗星星尘并不是件容易的事它的速度相当于步枪子弹的6倍尽管体积比沙粒还要小可是当它以如此高速接触其它物质时自身的物理和化学组有可能发生改变甚至完全被蒸发如今科学家有了气凝胶这个问题就变得很简单了它就像一个极其柔软的可以轻轻地消减彗星星尘的速度使它在滑行一段相当于自身长度200倍的距离后慢慢停下来在进入气凝胶手套后星尘会留下一段胡萝卜状的轨迹由于气凝胶几乎是透明的科学家可以按照轨迹轻松地找到这些微粒
4工业及建筑绝热领域
在工业及民用领域纳米孔超级绝热材料有着广泛和极具潜力的应用价值首先,在电力石化化工建材行业以及其他工业领域热工设备普遍存在工业节能中,纳米孔超级绝热材料也起着非常重要的作用,其中有些特殊的部位和环境由于受重量体积或空间的限制,急需高效的超级绝热材料SiO2气凝胶具有极高的比表面积和孔隙率,已经被广泛应用于Cerenkov探测器中,以探测高能带电粒子和在太空中捕集陨石微粒的介质材料SiO2气凝胶也曾一度被用于等离子体研究中作为惯性限制熔融试验体目标组分因其具有低的表观密度和热导率,极好的耐高温性能,气凝胶作为高效隔热消音材料很有前途
由轻原子量元素组成的低密度微孔分布均匀的SiO2气凝胶对氖具有良好的吸附性能,因而为实验研制高增益靶提供了一个新途径,这对于利用受控热核聚变反应来获得廉价清洁的能源具有重要意义气凝胶也正走进我们的日常生活运动器材公司(Dunlop)已经研制出一系列用气凝胶加固的和球拍据说这种能释放更大的力量比如诺丁汉66岁的鲍勃·斯托克尔拥有了一套用气凝胶隔热的房子他也因此成为拥有这种房子的第一位英国人他说保温效果大大改善了我把自动调温器调低了5度这真是一个不可思议的变化
登山者也开始从气凝胶中受益比如位英国登山者安妮·帕曼特尔穿上带气凝胶鞋垫的靴子爬上就连睡袋也加有这种材料她说我唯一的问题就是我的脚太热这对一名登山者来说是一个大难题
不过它还没能征服时尚界Hugo Boss公司推出了一系列用这种材料制成的冬季夹克但在消费者纷纷抱怨这种衣服太热之后不得不下架
在及方面纳米结构的气凝胶还可作为新型过滤 与其它材料不同的是该材料孔洞大小分布均匀气孔率高是一种高效气体过滤材料由于该材料特别大的比表而积气凝胶在作为新型催化剂或催化剂的载体方而亦有广阔的应用前景在储能器件方而有机气凝胶经过烧结工艺处理后将得到碳气凝胶 这种导电的多孔材料是继纤维状活性碳以后发展起来的一种新型碳素材料它具有很大的(6001000 m2/g)和高(10~25 s/cm)而目密度变化范围广(0.05~1.0 g/cm3)如在其微孔洞内充人适当的电解液可以制成新型可充电它具有储电容量大内阻小重量轻充放电能力强可多次重复使用等优异特性初步实验结果表明碳气凝胶的充电容量达3×104/kg2功率密度为7 kw/kg反复充放电性能良好氢能具有很高的热值燃烧释能后的产物是水对环境无污染此外氢能为可再生能源不会枯竭
因而被誉为21世纪的绿色新能源美国Lawrence Livermore国家实验室和研究表明炭气凝胶具有高比表面积低密度连续的网络结构且孔洞尺寸很小又与外界相通具有优良的吸放氢性能于2005年专门设立了机构研究掺杂金属的炭气凝胶贮氢并给予财政资助气凝胶还可以用作吸附材料例如吸附CO2气体吸附一些化学有毒蒸汽吸附炸药废水等1凝胶会降低硫化橡胶的强度 2会使配合剂分散不良 3会影响加工性能会使胶料表面粗糙边缘不规整自粘性差
防止凝胶共混时候要严格控制温度调整配方加入防老剂阻止凝胶生成混炼后应充分冷却对于已经产生凝胶的胶料可采用小辊距小容量在开炼机上精炼并可分段进行有利于消除凝胶国际上关于气凝胶材料的研究工作主要集中在的维尔茨堡大学BASF公司美国的劳伦兹·利物国家实验室桑迪亚国家实验室的蒙彼利埃材料研究中心高能物理国家实验室美国aspen公司美国宇航局等国内主要集中在同济大学固体物理实验室国防科技大学纳诺高科埃力生等作为新兴纳米材料世界能工业生产的企业不多国际上较知名的有的ASPEN和CABOT国内进行气凝胶商业化的企业有绍兴的纳诺高科股份有限公司的埃力生亚太电子有限公司天然凝胶是存在于植物凝胶海和陆地的植物动物凝胶高山凝胶矿物等大自然中是自然界存在的粘质但又具有它们各自的特性从这些天然物质中提炼出来的全新凝胶成分多种凝胶成分相互组合让肌肤体验一种从未有过的感觉
从纤维素植物种子和矿物天然物质中提炼出来的全新凝胶成分将其中的粘质体通过生化工程合成肌肤中真正需要的细胞间脂质
深海凝胶 含丰富的维他命微量矿物元素有效预防老化
植物凝胶 促进皮肤的再生具有消炎镇静的功能
高山凝胶 具有杀菌防腐的功能和良好的吸附能力
动物凝胶 活化增加的弹性及保湿能力
针对皮肤干燥问题以及挥之不去的肌肤烦恼迄今为止的化妆品主要是补充水分和油分并没有满足肌肤真正需要人的皮肤细胞中与自然界凝胶有着同样的保湿功能这就是凝胶重要的品质因素天然凝胶具有良好的透气性来实现滋润与锁水让肌肤保持持久的亲肤性
凝胶以其天然安全无油无添加而风靡日本美容界如纯美尚秀的细胞源原装进口系列产品在凝胶护肤品处于刚刚起步阶段比较知名的如jeru肌如凝胶护肤品但可以预见在不远的将来凝胶护肤品将受到越来越多中国爱美人士的青睐
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