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项目简介:  

本项目创立的计量置换理论(Stoichiometric displacement theory,SDT),揭示了发生在液-固界面上的一个普遍现象-溶质和溶剂之间的计量置换,用数学公式描述了组分之间固有的定量关系,并应用到许多科学和技术领域。

(1)提出了液-固界面上溶质和溶剂之间的计量置换概念,建立了液-固界面上吸附的物理图象,考虑了体系中存在的各种分子间相互作用,在后推导出不同于马丁-辛格分配色谱理论和蒂塞留斯的吸附色谱理论的计量置换保留模型(SDM-R)。还考虑了强溶剂和弱溶剂之间的竞争吸附作用,推导出了液相色谱(LC)中溶质的统一保留模型。经实验检验,该SDM-R适用于多种LC模式中小分子和生物大分子溶质的分离。(2)依据计量置换概念,将应用了一个多世纪的,一直成为大学教材中重要内容的,描述液-固吸附体系的经验弗仑德利希公式和朗格谬尔公式从理论上推导出来;并称之为计量置换吸附模型(SDM-A);(3)用SDT将描述组分在液-固吸附体系中的吸附机理和LC中溶质的保留机理统一起来。(4)提出了可用于表征LC和液-固吸附体系特性的11个新的表征参数,并且成功地运用于溶质、溶剂、固定相和吸附剂性质以及蛋白质分子构象变化的表征。

该成果受到了美国《分析化学》评论卷和国际上知名专家Snyder博士等的正面评价,并用其支撑他们所发表论文中的关键论点,获得了国内外同行的公认,并写入教育部推荐的研究生教材《现代分离科学理论导引》中。在SDT指导下,开发了用于蛋白复性与同时纯化的色谱饼,并成功应用于工业生产中。该项目发表论文150余篇,专著两部,发明专利1项,国际大会报告10余次,其中被SCI收录93篇,EI收录27篇,ISTP收录4篇。据SCI提供的数据,他引为376次。项目成果成功地应用于化学、化工、生物和药学等领域。

该项目曾获2006年陕西省科学技术奖壹等奖。

主要发现点:

(1)发现组分在液-固界面上的吸附和解吸附是以计量置换方式进行的。该过程表示为:当溶剂化溶质(或组分1)被溶剂化固定相(或吸附剂)吸附时,必然从液-固界面上释放出一定计量的溶剂分子(或组分2)。(色谱分析,胶体化学与界面化学;代表作1,2,3,4,5,10);

(2)发现液-固体系中存在的每一种组分都影响溶质的吸附。研究体系中分子之间的所有作用,如溶质在双组分溶液中被吸附时的5种和在多组分溶液中被吸附时的6种作用以及蛋白质分子构象变化,都会对溶质的吸附有贡献,并用物理图象表示了该相互作用的中间和最终状态。发现用热力学平衡方法,可将发生在液-固体系中分子之间的每种作用力及表征蛋白分子构象变化的平衡用分步平衡常数表示,其总的平衡常数包含了每步平衡常数,而分子之间所有作用对溶质吸附的贡献都可以用该一个总平衡常数表示。(色谱分析,胶体化学与界面化学;代表作1,2,3,4,5,10);

(3)从理论上推导出了LC中的计量置换保留模型(SDM-R)和表面物理化学中描述液-固吸附的计量置换吸附模型(SDM-A)以及他们的数学表达式。每个表达式表达了各种相互作用的定量关系。(色谱分析,胶体化学与界面化学;代表作1,2,3,4,5,10);

(4)在反相色谱(RPLC)中有机溶剂是置换剂,而在疏水相互作用色谱(HIC)中,水是置换剂,改变了盐是改变流动相表面张力的固有观念。(色谱分析;代表作1,3,4,5,10);

(5)除离子交换色谱(IEC)和亲合色谱(AFC)是由其他科学家完成外,我们完成了RPLC、HIC、正相色谱(NPC)、纸色层(PC)和薄层色谱(TLC)及在表面物理化学中多种吸附体系中的SDM。(色谱分析,胶体化学与界面化学;代表作1,2,3,4,5,10);

(6)该SDM是我们所知的唯一一个不仅能分别统一上述两种领域中的多个保留和吸附模型,而且能统一该两种领域中的保留和吸附模型的一个理论。(色谱分析,胶体化学与界面化学;代表作1,2,3,4,5,10);(7)发现在SDT中的11个新的参数不仅可用于表示溶质吸附和保留的本质特征,而且还可用来表示溶质、吸附剂和液相各自的特征。(色谱分析,胶体化学与界面化学;代表作1,2,3,4,5,9)。(8)用SDT建立了收敛点的方程,从理论上解释液相色谱中的收敛现象。(色谱分析;代表作8, 9);(9)依据SDT,研究了生物大分子的色谱热力学量;提出了蛋白折叠机理。(色谱分析;代表作6,8);(10)发现在液、固吸附体系中的一个规律,即无论溶质和吸附剂之间的不同,也无论在吸附剂表面上多么的不均匀,其溶质更为合理的吸附机理是溶质对溶剂的计量置换。(色谱分析,胶体化学与界面化学;代表作1,2,3,4,5,10)

主要完成人:

1.  耿信笃

(1)他在美国普度大学担任客座教授期间与Fred E Regnier 教授合作发表的两篇论文(代表作(4,5))中,提出计量置换概念,设计和完成了在RPLC中二元流动相体系中的全部实验,从理论推导出SDM-R并撰写论文初稿(论文3,4)。(2)在1984年他回国后,他作为他在西北大学的学术团队的带头人,花了20余年的时间带领他的学术团队将其研究和发展到适用范围更宽,系统组成更复杂的HPLC中多组成的流动相体系的统一的SDM-R,以及适用于液-固吸附的SDM-A,提出11个新的表征参数并将SDM-R与SDM-A统一起来,他设计总体研究思路、参与制定实验方案,解决科学和技术难题、理论处理、撰写论文等,除做实验以外的所有工作。工作量为60%

2.  白泉

本人对发现点(8)和(9)作出了创造性贡献。从1994年,本人一直研究小分子溶质和生物大分子的色谱热力学。用SDT研究了生物大分子在HIC中的温度收敛以及蛋白在HIC中的折叠机理,并用实验进行了验证。(代表作8和6)。工作量为55%

3.  卫引茂

本人对发现点(7)和(8)作出了创造性贡献。从1994年,本人一直用小分子研究HIC中的保留机理。以小分子溶质验证了HIC中的SDM-R,研究了参数Z和logI与溶质结构、van der Waal表面面积、van der Waal体积、疏水片段指数和温度的关系,以及HIC中的浓度收敛和碳数收敛,并用实验进行了验证。此外,他还合成了多种支持SDT的HIC色谱填料。(代表作9)。工作量为55%

4.  郭立安

本人对发现点(5)作出了创造性贡献,是疏水色谱中的计量置换保留模型的实验验证者(代表作1和7)。

10篇代表性论文:

1.   Study of the Retention Mechanism of Proteins in Hydrophobic Interaction Chromatography/ J. Chromatogr.

2.   A Stoichiometric Displacement Model of Solute Adsorption in Liquid-solid System/ Science in China(Ser.B)

3.   Retention Model for Proteins in Reversed-phase Liquid Chromatography/ J. Chromatogr

4.   Stoichiometric Displacement of Solvent by Non-polar Solutes in Reversed-phase Liquid Chromatography/ J. Chromatogr.

5.   A Stoichiometric Dispacement Model for Retention of Solute in Liquid Chromatogrpahy with Multi-component System/ Science in China (Ser. B)

6.   Mechanism of simultaneously refolding and purification of proteins by hydrophobic interaction chromatographic unit and applications/ Science in China (Ser. B)

7.   Studies on the correlation of chromatographic behavior of biopolymers between reversed-phase and hydrophobic interaction chromatography - testing the stoichiometric displacement between biopolymer and

8.   The temperature convergence of biopolymers in reversed-phase liquid chromatography/ Chromatographia

9.   Influences of the Mobile Phase Composition and Temperature on the Retention Behavior of Aromatic Alcohol Homologues in Hydrophobic Interaction Chromatography/ Chromatographia

10.  A unified retention model of solute in liquid chromatography /Chinese Chemical Letters

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