凝胶(gel)

凝胶(gel)又叫冻胶。一定浓度的高分子溶液或溶胶，在适当条件下，粘度逐渐增大，最后失去流动性，整个体系变成一种外观均匀，并保持一定形态的弹性半固体，这种弹性半固体称为凝胶。

长期以来，物理学、化学和生物学的研究人员都在研究各种各样的凝胶，但学术界对“凝胶是什么”至今尚没有统一的定义。

Jordan-Loyd在1926年做过著名的陈述：“胶体状态，即凝胶，是一种识别它比定义它要简单的东西。”“似乎只有一种准则适用于所有的凝胶，即它们必须由两种组分组成，其中一种组分在所考虑的温度范围内为液体，另外一种组分是真正发生凝胶化的物质，即通常所说的凝胶因子，为固体。凝胶本身具有固体的力学性能，即它可以在自身重力的作用下保持一定的形状，并且在机械应力作用下会产生应变现象。”

Flory和Stockmayer则通过微观结构标准如无限网状结构、三维结构、连续性等对凝胶进行定义。

Hermans在1949年给出的凝胶定义是：①至少由两种组分所组成的连续体系;②呈现出固体的力学性能;③分散组分和分散介质分别连续地贯穿于整个体系。

Richard和Pierre归纳凝胶是这么一种物质：①具有连续的微观结构，并且在分析实验的时间尺度上具有永久性的宏观尺寸;②尽管主要成分是液体，但是具有类似于固体的流变特性。

目前比较公认的凝胶的拓扑(结构)定义为：凝胶是一种由基本单元通过某种方式连接在一起所组成的，并被大量溶剂所溶胀的三维网状结构。

凝胶是一种软物质，人类社会中可以见到形形色色的凝胶，如：平时吃的果冻、橡皮糖，粘东西用的胶水，铺路用的沥青，甚至人体中流淌的血液，都属于凝胶。凝胶是广泛应用于人类社会的一类材料，在过去的半个多世纪里，随着科学技术的发展，凝胶已经成为科技研究的热点。

凝胶从其交联方式分又可分为化学凝胶和物理凝胶。

化学凝胶分子问的交联作用力是由共价键提供的，共价键一旦形成便很难破坏。因此，化学凝胶通常表现为溶胶一凝胶转变的单向性，即不可逆性。

物理凝胶分子问的交联作用力和化学凝胶的交联作用力相比则弱得多，通常是由分子问作用力(范德华力)、微晶和氢键等提供。这些物理作用力和共价键相比不稳定得多。因此，当外界条件(如温度、压力等)改变时，物理凝胶通常表现为溶胶-凝胶和凝胶-溶胶转变的双向性，即可逆性。

在各种各样的凝胶中，以橡胶为代表的化学凝胶的研究已经日趋成熟。物理凝胶因为随着外界条件的改变会发生溶胶-凝胶和凝胶-溶胶的可逆转变，这种独特性质使其具有了巨大的应用价值。化学凝胶多作结构材料来使用，物理凝胶常用作智能材料来实现某方面的功能。随着社会对智能材料的关注与需求的提高，物理凝胶的研究正获得越来越多的重视。

Flory从凝胶的微观结构出发，将凝胶分为四大类：

1、非常有序的层状结构。如：黏土、肥皂、以及类似的中问相。

2、通过共价键连接起来的聚合物网络。完全无序。

3、由螺旋或微晶结构等物理作用单元把分子链连接起来所形成的聚合物网络。整体无序，局部有序。

4、由微粒组成的无序的凝胶。如：纤维或絮状沉淀物凝胶、球状蛋白凝胶等。

对于第一类凝胶，静电力或分子问作用力(范德华力)对凝胶的形成起了重要的作用。比如ABA三嵌段共聚物(B嵌段不溶于溶剂)就属于此种类型。

对于第二类凝胶，交联网络结构靠共价键(原子作用力)来维持。这一类凝胶通常称为化学凝胶并且非常常见，如各种各样的橡胶。橡胶的硫化过程就是通过化学反应将聚合物分子问通过化学键进行交联，从而形成三维网状结构。化学交联一旦形成就很难破坏，因此通过添加填充剂，橡胶可以获得很好的力学性能。

对于第三类凝胶，交联网络结构是靠物理作用力来维持。一旦条件改变，用来维持交联结构的物理作用力就会消失，凝胶就会重新变成溶胶，这种凝胶通常具有可逆性。

对于第四类凝胶，分子问作用力是凝胶形成的主要因素，主要由具有大的几何形状的微粒组成。从广义的角度来讲，它和第一类凝胶，连同第三类凝胶一起都应属于物理凝胶的范畴。而第三类凝胶与第一类及第四类凝胶的区别在于，第三类凝胶有着与第二类凝胶类似的由长分子链组成的三维网状结构，而第一类和第四类凝胶则没有类似的结构。

溶液或固体(干凝胶)都能形成凝胶。从固体制备凝胶比较简单，干胶吸收液体膨胀即成，通常为弹性凝胶。从溶液制备凝胶须满足两个基本条件：

①降低溶解度，使固体物质从溶液中成“胶体分散态”析出;

②析出的固体质点既不沉降，也不能自由移动，而是搭成骨架形成连续的网状结构。

凝胶的制备方法可以有：

①冷却胶体溶液，产生过饱和溶液。如0.5%琼脂溶液冷到35℃就形成固体状胶冻;

②加入非溶剂，例如果胶水溶液加入酒精后就形成凝胶;

③加入盐类，适量的电解质加入到胶粒的亲水性较强尤其是形状不对称的疏液溶胶中，即可形成凝胶，如五氧化二钒、氢氧化铁等;

④化学反应，利用化学反应产生不溶物，并控制反应条件可得凝胶，如硅胶的制备。

在为数众多的凝胶中，最引人注目的就是聚合物凝胶。聚合物凝胶是聚合物分子链(通常是具有较大分子量的长链)，通过大量连接点形成的三维网络结构，这种连接是通过共价键或物理相互作用(如：螺旋结构、微晶结构、氢键或静电力等)形成的，分别称之为聚合物化学凝胶和聚合物物理凝胶，即分别对应于上述Flory分类中的第二类和第三类凝胶。

聚合物物理凝胶除了具有一定的可逆性外，某些凝胶体系在发生相变时，体积可以突然增加为原有体积的数百倍。温度、溶剂组成、酸度、盐度、离子力或电场力的微小改变，就足以导致凝胶体积发生巨大的变化。

水凝胶即是最典型的体积溶胀凝胶，在20世纪50年代，Wichterle和Lim首次合成了可以应用到药物释放的生物水凝胶材料。这一类体积溶胀凝胶在医学方面有着非常重要的应用，比如：有些药物在酸性条件下可能被破坏，一进入胃液便会失去作用。

为此，科学家们应用这种体积溶胀聚合物凝胶，使之在酸性条件下收缩，而在碱性条件下膨胀。如果将药物装入其中，就可以保证药物在呈弱碱性的肠道内再释放出来，使得药物能够有效地被人体吸收。还有一些凝胶在发生相变时体积并不溶胀，但是，他们的物理性质会发生很大的变化，比如：当温度或者亮度改变的时候，某些凝胶的透光率会发生变化，这种凝胶可以用作温室的玻璃窗来调节亮度。

如果能设计出一些凝胶体系，让他们能够按照需要改变体积或者其他物理性质，那么，这一类智能凝胶就会有着非常广泛的应用(如：传感器、可控药物释放系统、人造肌肉、光学开关、分子分级系统、玩具、装修涂料、衣料、粘合剂、可循环的吸收剂、包含固定酶的生物反应器、生物测定系统、显示设备等)。

由于聚合物物理凝胶内部结构及其形成机理非常复杂，要有目的地获得特定结构和性能的聚合物凝胶材料还是相当困难的。因此，深入研究聚合物物理凝胶的形成机理、结构及性能之问的定性与定量关系，不仅能促进聚合物凝胶新材料的开发和应用，而且对软物质科学的发展具有重要意义。

凝胶层析又称分子筛过滤、排阻层析等。凝胶层析是利用凝胶分子筛对大小、形状不同的分子进行层析分离。凝胶层析具有设备简单、操作方便、分离迅速及不影响分子生物学活...[查看全部]

气凝胶，又称为干凝胶。当凝胶脱去大部分溶剂，使凝胶中液体含量比固体含量少得多，或凝胶的空间网状结构中充满的介质是气体，外表呈固体状，这即为干凝胶，也称为气凝胶。

1931年美国斯坦福大学的Kistler首次合成了气凝胶材料，并创造了“aerogel”这一概念。Kistler最初设想湿凝胶中包含有与其形状和大小相似的固体网络结构，最终通过超临界干燥技术实现了这一想法，得到了块状无裂纹、透明、低密度、高孔隙率、与湿凝胶具有相同外形的SiO2气凝胶。

迄今为止，“气凝胶”这一概念没有明确、统一的定义和理解。Kistler最初描述气凝胶为：在湿凝胶中的固体骨架基本不收缩的情况下，其中的液体被气体取代后得到的一种固体材料。

根据Kistler的表述，气凝胶应具备以下特征：①由湿凝胶干燥得到;②干燥过程中湿凝胶无明显收缩、碎裂，典型气凝胶具备完整无裂纹的外观;③具有较高的孔隙率。因此本文主要阐述对象为典型的块状气凝胶。

气凝胶种类繁多，一般可根据其成分将气凝胶分为无机气凝胶、有机气凝胶和有机/无机杂化气凝胶。另外还可以根据基体种类分为氧化物气凝胶、碳化物气凝胶、有机气凝胶、炭气凝胶等。虽然气凝胶的种类众多、制备工艺千差万别，但都包括两个必需的步骤，凝胶的制备(即溶胶-凝胶过程)和凝胶的干燥。

不同气凝胶的溶胶-凝胶过程实现途径也不尽相同。另外，根据具体情况气凝胶的制备还需要老化、表面改性、溶剂置换等辅助过程。对于炭气凝胶和碳化物气凝胶，还需热处理过程。

气凝胶材料是一种具有纳米多孔结构的干凝胶。采取传统的低温溶胶-凝胶法制得，多采用超临界干燥法进行干燥。通常所得的气凝胶保留湿凝胶阶段的多孔结构不坍塌。气凝胶具有高的比表面积、低密度及低导热率等特性。

合成氧化硅气凝胶主要含有3个步骤：溶胶凝胶的制备、老化(为了防止干燥过程引起孔洞收缩)和干燥(采取特

水凝胶是以水为分散介质的凝胶。具有网状交联结构的水溶性高分子中引入一部分疏水基团和亲水残基，亲水残基与水分子结合，将水分子连接在网状内部，而疏水残基遇水膨胀的交联聚合物。水凝胶是一种高分子网络体系，性质柔软，能保持一定的形状，能吸收大量的水。

水凝胶是能够吸收及保持大量水分而又不溶于水的三维交联网络结构材料。其网络由大分子主链和亲水性官能团构成，是一类集吸水、保水于一体的功能高分子材料。自20世纪40年代以来，水凝胶的物理化学性质已得到广泛的关注，其中Flory从热力学角度出发提出了凝胶弹性理论，为水凝胶的分子设计和功能化构筑提供了理论基础。

水凝胶网络的交联可以是共价键、离子键、范德华力、氢键或者是物理缠结。溶胀程度和力学性能与聚合物网络的交联密度密切相关。一般交联密度越高，水凝胶的溶胀程度越低，而力学性能越高。水凝胶自身的结构使其同时具备固体和液体的性质，即力学上表现出类固体性质，然而热力学上却表现出类液体行为。

根据制备水凝胶的原料：

根据制备水凝胶的原料可分为合成高分子水凝胶和天然高分子水凝胶。

用于制备水凝胶的合成高分子包括聚乙二醇、聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸羟乙酯、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸和聚丙烯酰胺等。

用于制备水凝胶的天然高分子包括胶原/明胶、透明质酸、纤维蛋白、海藻酸、纤维素、琼脂糖和壳聚糖。

根据水凝胶对外界刺激的响应：

根据水凝胶对外界刺激的响应情况，水凝胶可以分为传统水凝胶和智能水凝胶。

传统水凝胶对环境变化不敏感，而智能水凝胶对外界温度、光、电、磁、pH、压力等条件变化具有响应性。

温敏水凝胶的分子含有一定比例的亲水和疏水基团，温度变化可以影响这些基团的亲水性、疏水性以及氢键作用，导致溶胀率变化。

pH敏感水凝胶的网络结构中都含有酸性(如羧基)或者碱性基团(如胺基)，环境pH或者离子强度变化会改变水凝胶结

凝胶剂是近年来为满足临床需要而发展起来的一种新型医院制剂。凝胶剂是利用一些新型的高分子药用辅料将药物制成凝胶，从而达到提高药物局部浓度、延长药物的释放或扩散过程，具有比其他剂型生物利用度高、稳定性好，不良反应少等优点。

凝胶剂是指药物与凝胶材料混匀成混悬或乳状液型的稠厚液体或半固体制剂。

凝胶剂具有生物相容性好、吸收起效快、生物利用度高、制备工艺简单、稳定性好、质地均匀、涂展性好、易于使用、不污染衣物、外形美观等特点。

部分凝胶剂还具有缓释、控释作用。根据用药后产生吸收作用或局部作用，凝胶剂可分为全身用和局部用凝胶剂;按使用部位可分为皮肤用、口腔用、眼用、鼻用、阴道用、直肠用凝胶剂;按药物分散状态可分为溶液型、混悬型、乳状液型凝胶剂。混悬型凝胶剂可有触变性，静止时形成半固体，而搅拌或振摇时成为液体。

临床应用中多以水凝胶为基质。水性凝胶基质通常由西黄芪胶、明胶、纤维素衍生物、聚羧乙烯、淀粉和海藻纳等加水、甘油或丙二醇等制成，此外常用基质还有聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、琼脂等;油性凝胶的基质常由液体石蜡与聚氧乙烯或脂肪油与胶体硅或铝皂、锌皂构成。制备凝胶剂时应根据药物的理化性质和结构特点选择合适的凝胶剂基质。

凝胶剂制备：

凝胶剂的制备比较简单，卡波姆一般先与甘油、丙二醇等在乳钵中研磨细腻后，再加水适量使其充分溶胀，再与其它药物及辅料研磨均匀，最后缓慢加入乙醇、蒸馏水至全量，搅匀即可;以PVA为基质时，将事先精制的PVA在90℃水浴中加热溶解，放冷后再加入到主药溶液中即可;以CMC-Na为基质制备凝胶时，先加入适量乙醇润湿CMC-Na，搅拌成糊状，加热蒸馏水适量，再加入主药及其他辅料即可。

凝胶剂质量控制：

目前制备成凝胶剂的药物，多以紫外分光光度法或一阶导数光谱法即可进行主药的含量测定，一阶导数光谱法可以消除凝胶基质及其他辅料对主药

凝胶电泳通常用于分析用途，但也可以作为制备技术。凝胶电泳在采用某些方法(如质谱(MS)、聚合酶链式反应(PCR)、克隆技术、DNA测序或者免疫印迹)检测之前部分提纯分子。常见的凝胶电泳有琼脂糖凝胶电泳、聚丙烯酰胺凝胶电泳以及脉冲场凝胶电泳。

琼脂糖凝胶电泳是用琼脂糖作支持介质的一种电泳方法。其分析原理与其他支持物电泳的最主要区别是：它兼有“分子筛”和“电泳”的双重作用。

琼脂糖凝胶具有网络结构，物质分子通过时会受到阻力，大分子物质在涌动时受到的阻力大，因此在凝胶电泳中，带电颗粒的分离不仅取决于净电荷的性质和数量，而且还取决于分子大小，这就大大提高了分辨能力。但由于其孔径相当大，对大多数蛋白质来说其分子筛效应微不足道，现广泛应用于核酸的研究中。

蛋白质和核酸会根据pH不同带有不同电荷，在电场中受力大小不同，因此跑的速度不同，根据这个原理可将其分开。电泳缓冲液的pH在6~9之间，离子强度0.02~0.05为最适。常用1%的琼脂糖作为电泳支持物。

琼脂糖凝胶约可区分相差100bp的DNA片段，其分辨率虽比聚丙烯酰胺凝胶低，但它制备容易，分离范围广。普通琼脂糖凝胶分离DNA的范围为0.2-20kb，利用脉冲电泳，可分离高达10^7bp的DNA片段。

聚丙烯酰胺凝胶电泳简称为PAGE，是以聚丙烯酰胺凝胶作为支持介质的一种常用电泳技术。是以聚丙烯酰胺凝胶作为支持介质的一种常用电泳技术，用于分离蛋白质和寡核苷酸。聚丙烯酰胺凝胶由单体丙烯酰胺和甲叉双丙烯酰胺聚合而成，聚合过程由自由基催化完成。催化聚合的常用方法有两种：化学聚合法和光聚合法。

化学聚合以过硫酸铵(APS)为催化剂，以四甲基乙二胺(TEMED)为加速剂。在聚合过程中，TEMED催化过硫酸铵产生自由基，后者引发丙烯酰胺单体聚合，同时甲叉双丙烯酰胺与丙烯酰胺链间产生甲叉键交联，从而形

凝胶成像是对DNA或RNA胶进行切胶、拍照、观察、分析，凝胶成像系统可以应用于分子量计算、密度扫描、密度定量、PCR定量等生物工程常规研究。

凝胶成像由CCD摄像系统和暗箱组成的硬件和不断发展的计算机软件组成。

1、硬件的发展

(1)CCD影像系统：这是凝胶成像分析系统的核心装置。CCD是一种矽晶片，能将光的影像元素转换为电子量，使影像数值化以后作为电脑影像处理或储存。

CCD有video CCD相机和高性能CCD相机两种。前者即电视规格摄像机，通常用于一般影像分析，但无数值影像处理功能。后者为科学用CCD系统，可以获得高解析度，高动态范围，低噪声的影像，特别是近几年使用的冷却式CCD摄像系统，大大降低了暗电荷，几乎达到无噪声的境界。其分辨率可以从几十万达到几百万个图像元素。

(2)暗箱：现代已由简单的紫外线UV透射暗箱发展成为多功能的暗箱，箱内双侧安装白灯，可以进行反射分析，也可以安装254nm反射UV灯，用于TLC板分析，黑板上搁置白板，可以进行白光透射的测量。

2、软件的发展

针对生命科学的多种实验要求，不断发展升级的计算机软件，是凝胶成像系统成为当代生物化学与分子生物学实验研究必不可少的主要设备原因。

(1)1D区带分析：一维软件可分辨50多条区带，根据峰图显示，可以准确的选定峰值，删除泳带的拖尾现象，获得比较准确的积分吸光度，进行定量计算。

(2)分子量(MW)与迁移率(RF)的计算：电泳和层析形成的区带和斑点，其RF值可以自动进行测定计算。蛋白质和核酸(DNA和RNA)的MW，在有标准分子量的区带存在下，可以直接自动计算。蛋白质的标准分子量一般有高、中、低三种。DNA的标准分子也有多种。

(3)斑电的分析有圆形和矩形分析两种方法。根据斑点大小，可以调整半径、长短边，获得每个斑点面积上的积分光密度。

(4)2D点密度分析

凝胶层析又称分子筛过滤、排阻层析等。凝胶层析是利用凝胶分子筛对大小、形状不同的分子进行层析分离。凝胶层析具有设备简单、操作方便、分离迅速及不影响分子生物学活性等优点。目前已被广泛应用于各种生化产品的分离和纯化。

凝胶层析法适用于分离和提纯蛋白质、酶、多肽、激素、多糖、核酸类等物质。分子大小彼此相差25%的样品，只要通过单一凝胶床就可以完全将它们分开。利用凝胶的分子筛特性，可对这些物质的溶液进行脱盐、浓缩、去热源和脱色。

凝胶是一类多孔性高分子聚合物，每个颗粒犹如一个筛子。当样品溶液通过凝胶柱时，相对分子质量较大的物质由于直径大于凝胶网孔而只能沿着凝胶颗粒间的孔隙，随着溶剂流动，因此流程较短，向前移动速度快而首先流出层析柱。

反之，相对分子质量较小的物质由于直径小于凝胶网孔，可自由地进出凝胶颗粒的网孔，在向下移动过程中，它们从凝胶内扩散到胶粒孔隙后再进入另一凝胶颗粒，如此不断地进入与逸出，使流量增长，移动速率慢而最后流出层析柱。

而中等大小的分子，它们也能在凝胶颗粒内外分布，部分进入颗粒，从而在大分子物质与小分子物质之间被洗脱。这样，经过层析柱，使混合物中的各物质按其分子大小不同而被分离。

Vt=Vo+Vi+Vg

Vt=πR2h

Vo简称为外水体积，Vo等于被完全排阻的大分子的洗脱体积。可以用一个已知相对分子质量远超过凝胶排阻极限的有色分子，如常用的蓝色葡聚糖-2000溶液通过柱床，即可测出柱床的外水体积Vo。

Vi简称内水体积，可由g·Wr求得(g为干凝胶质量，单位为g，Wr为凝胶吸水量，以mL/g表示)。Vi也可以从洗脱一种完全不受凝胶微孔排阻的小分子溶质(如重铬酸钾)的洗脱体积Ve计算，即

Ve=Vo+Vi

对某物质在凝胶柱内洗脱体积Ve、Vo和Vi之间的关系可用下式表示：

Ve=Vo+Kd×Vi

式中Ve为脱体积，它包括自