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從糖到鹽的分層秘密：為什麼不同的鹽類和聚合物會形成雙相系統？
在當今生物技術和化學工業中，水性雙相系統（ABS，或稱水性兩相系統）正逐漸成為傳統有機溶劑提取系統的潔淨替代方案。這些系統不僅能夠高效地分離生物分子，還能在不使用揮發性有機化合物的情況下操作。ABS 是由兩種聚合物、一種聚合物與一種穩定鹽（kosmotropic salt），或者兩種鹽（其中之一為混亂鹽，chaotropic salt，另一個則為穩定鹽）以適當的濃度或溫度混合而成的。
ABS 的獨特之處在於它們可以用於金屬離子的分離，例如汞和鈷，環境修復，金屬冶煉以及作為反應介質。
引言
1896年，Beijerinck 首次注意到在明膠或可溶性澱粉的溶液中，當混合水溶性聚合物如瓊脂時會出現所謂的“不相容性”，進而形成兩個不可混合的相。隨後的研究確認了許多其他的水性雙相系統，其中聚乙二醇（PEG）- 糖苷（dextran）系統是最廣泛研究的。其他形成水性雙相的系統還包括 PEG - 碳酸鈉或 PEG 與磷酸鹽、檸檬酸鹽或硫酸鹽的組合。
在生物技術和化學工業的下游處理中，水性雙相系統已成為常見的應用。
兩個相的特性
我們常見的情況是，當將油和水倒入同一容器時，它們會分成兩個不同的相或層次，因為它們是不可混合的。一般來說，水基溶液由於極性，與非極性有機溶劑（如食用油、氯仿、甲苯、己烷等）不相容，形成雙相系統。
然而，在 ABS 中，兩個不可混合的組件都是水性溶液。相的分層受 pH 值、溫度和兩個組件的離子強度影響，當聚合物的含量超過某一極限濃度時，即會發生分離。
PEG–糖苷系統
在 PEG–糖苷系統中，“上相”是由更疏水的聚乙二醇（PEG）組成，而“下相”則由更親水且密度較高的糖苷溶液組成。儘管 PEG 本身比水更密，但它佔據了上層，這被認為是由於其“有序化”特性，排除了過剩水，創造了一個低密度的水環境。
PEG 的聚合度也會影響相的分離及分子的分配。
優勢
ABS 是從粗細胞提取蛋白質、酶和其他不穩定生物分子的優秀方法。這一技術經常用於酶技術，支持酶在工業或實驗室中的生產流程。其優勢包括：
- 提供不會損害或變性不穩定生物分子的溫和環境。
- 相界面應力遠低於水-有機溶劑系統，對提取分子造成的損害更小。
- 聚合物層穩定提取出的蛋白質分子，促進期望蛋白質在一個層中的濃度增高。
- 可通過改變溫度、聚合度和某些離子的存在等因素，專門設計系統以促進特定化合物的富集。
這些系統還可與離子交換樹脂同時使用以提高提取效率。相的分離與化合物的分配發生迅速，這使得我們能在內源性蛋白酶破壞之前提取到所需的分子。
熱力學建模
除了實驗研究，擁有良好的熱力學模型來描述和預測液-液平衡條件在工程和設計中也至關重要。要獲得全球可靠的熱力學模型參數，通常需要相平衡數據。由於聚合物，電解質和水的存在，各類不同的相互作用需被考慮。到目前為止，已經使用了多種模型，如 NRTL、Chen-NRTL、Wilson、UNIQUAC、NRTL-NRF 和 UNIFAC-NRF，所有這些模型在再現聚合物/鹽水相系的綑綁線數據上都非常成功。
然而，儘管這些系統展現出多種優勢和潛力，但成本因素仍然是一個不容忽視的挑戰。尤其是高純度的糖苷材料的價格不菲，雖然還有其他低成本的替代選擇可供選擇，如低純度糖苷和高鹽溶液。
對於未來的研究，這樣的雙相系統是否能在更廣泛的應用中發揮其潛力，並降低操作成本，成為技術實現的關鍵挑戰？
