分离生物小分子的整体硅胶柱及其制备方法,和分离生物小分子的方法

摘要

本发明公开了分离生物小分子的整体硅胶柱，其具有硅胶基体和在该硅胶基体上形成的孔隙，该硅胶基体和孔隙在其表面已经用聚合物改性，使得表面改性的孔隙具有与要分离的生物小分子的分子大小相当的孔尺寸，该聚合物通过聚合单体组合物而得到，该单体混合物包括下式(1)所示的含磷酸胆碱类似基团的单体：

说明书

技术领域

本发明涉及分离生物小分子的整体硅胶柱(monolithic silica column)及其制备方法，和分离生物小分子的方法。

背景技术

为了分析生物小分子如神经递质和激素，广泛采用利用反相柱作为分离柱的高效液相色谱法(HPLC)。在生物样品如血浆、血清、唾液或尿液中，生物小分子以与蛋白质及大量盐的混合物的形式存在，蛋白质的分子量比生物小分子高。对生物样品中的生物小分子进行HPLC分析时，进行预处理操作，从而将蛋白质和盐从该生物样品中去除，之后将生物样品装入分离柱。如果未进行预处理操作，将生物样品直接装入分离柱，则生物样品中的蛋白质将吸附在分离柱的填料上，导致柱压增加或柱性能劣化，由此生物小分子将不能有效地被分离且分析灵敏度将会降低。

对于HPLC分析中能够获得高分离能力的分离柱，近年来已经发现整体硅胶柱作为现有填充微粒的柱的替代的效用(参见日本专利特开2003-075420号公报(下文称为专利文献1))。与现有填充硅胶微粒的柱不同的是，整体硅胶柱具有以下结构：三维网络形式的硅胶基体和其空隙集成在一起，该空隙也称为“直通孔”，“大孔隙”，“通孔(throughpore)”等。此外，在整体硅胶柱的硅胶基体中也存在细孔，称为“间隙孔(mesopore)”。通孔的孔尺寸可以单独控制在几个微米到几百个微米的范围内，而间隙孔的孔尺寸可以单独控制在几个纳米到几十个纳米的范围内。通过从这些存在的孔隙中可得到的分子筛效应，整体硅胶柱将生物小分子与蛋白质和盐分开。

对于用于分离来源于活体等的特定组分的分离材料，最近已经开发了在其表面具有磷酸胆碱类似基团的分离材料(参见日本专利特开2002-98676号公报(下文称为专利文献2))。已经发现含磷酸胆碱类似基团的聚合物由于源自生物膜的类似磷脂的结构而具有诸如血相容性、补体活性和对生物材料的非吸附性(non-adsorptivity)等性质。对于含磷酸胆碱类似基团的聚合物，近年来已经积极开发了利用这些功能的生物学相关的材料。使用专利文献2中披露的分离材料，据称可以通过控制分离材料表面上存在的磷酸胆碱类似基团的百分比等从源自身体的组分中分离“细胞”、“蛋白质”和“神经递质”之一(参见专利文献2的权利要求5)。然而，注意到没有关于用分离材料仅将特定物质(生物小分子)从例如“神经递质”中分离的讨论。

发明内容

为了允许高精度分析生物样品中的生物小分子如神经递质或激素，非常需要可防止在柱上吸附蛋白质的分离柱能选择性地分离目标生物小分子并且可以高产率地回收它们。

期望提供可以在柱中有效保留生物小分子(尤其是要分析的生物小分子)，同时防止在柱上吸附蛋白质的分离柱。

在本发明的一种实施方式中，由此提供分离生物小分子的整体硅胶柱，其具有硅胶基体(silica matrix)和在该硅胶基体上形成的孔隙，该硅胶基体和孔隙二者的表面已经用聚合物改性，使得表面改性的孔隙具有与要分离的生物小分子的分子大小相当的孔尺寸，该聚合物通过聚合单体组合物而得到，该单体组合物包括下式(1)所示的含磷酸胆碱类似基团的单体：

R¹，R²和R³相同或相异且各自代表氢原子，C_1-6烷基或C_1-6羟基烷基，R⁴代表C_1-6亚烷基，R⁵代表氢原子或甲基，和n代表1～4的整数。

采用该分离生物小分子的整体硅胶柱，可以因含磷酸胆碱类似基团的聚合物的高亲水性而防止蛋白质吸附在柱上，使用该聚合物对硅胶基体和在该硅胶基体中形成的孔隙在其表面进行改性。另外，该表面改性的孔隙的孔尺寸控制为与要分离的生物小分子的分子大小相当，由此，可以选择性地使目标生物小分子进入孔隙并且可以保留在那里。

在本发明的另一实施方式中，提供了分离生物小分子的方法，该方法包括使用所述分离生物小分子的整体硅胶柱。

在本发明的又一实施方式中，还提供了制备分离生物小分子的整体硅胶柱的方法，该方法包括如下步骤：提供整体硅胶柱，其具有硅胶基体和在该硅胶基体上形成的孔隙，该孔隙的孔尺寸根据要分离的生物小分子预先确定；提供聚合物，该聚合物通过聚合单体组合物而得到，该单体组合物包含下式(1)所示的含磷酸胆碱类似基团的单体，从而根据要分离的生物小分子的分子大小得到预先确定的分子量：

R¹，R²和R³相同或相异且各自代表氢原子，C_1-6烷基或C_1-6羟基烷基，R⁴代表C_1-6亚烷基，R⁵代表氢原子或甲基，和n代表1～4的整数，以及用该聚合物对所述整体硅胶柱的硅胶基体和孔隙二者的表面进行改性。

注意，本文使用的术语孔隙的“孔尺寸”指所述孔隙在已用含磷酸胆碱类似基团的聚合物改性的状态下的直径。还要注意，孔隙在它们没有用含磷酸胆碱类似基团的聚合物改性的状态下的直径简称为“孔直径”。

本发明实施方式提供可以在柱中有效保留生物小分子，特别是要分析的生物小分子，同时防止在柱上吸附蛋白质的分离柱。

附图说明

图1显示使用根据本发明实施方式的分离生物小分子的整体硅胶柱，从唾液溶液中分离和检测氢化可的松(cortisol)所获得的HPLC色谱图。

具体实施方式

参考附图，下文描述实施本发明的优选实施方式。然而，要注意的是，下文描述的实施方式说明本发明代表性实施方式的一些实例，不应该认为本发明的范围限于这些优选实施方式。以如下次序进行描述。

1.分离生物小分子的整体硅胶柱及其制备方法

(1)整体硅胶柱

(2)用MPC聚合物进行表面亲水化处理

(3)对要分析的生物小分子的优化

2.分离生物小分子的方法

(1)要分离的生物小分子

(2)要分离的溶液

(3)分离步骤

1.分离生物小分子的整体硅胶柱及其制备方法

(1)整体硅胶柱

为了分离生物小分子，本发明实施方式利用整体硅胶柱，该整体硅胶柱的结构为，在其中形成通孔的三维网络硅胶基体中形成间隙孔。对于该整体硅胶柱，可以使用市售的柱或者上述专利文献1中披露的已知方法所获得的柱等。通常，由有机硅烷形成HPLC的棒型整体硅胶柱。例如，由于过渡态有序结构(transitional ordered structure)的冻结形成硅胶基体结构，该过渡态有序结构通过有机硅烷在烷氧基硅烷和聚乙二醇(PEG)的乙酸水溶液中的水解-缩聚反应，通过基于亚稳相分离的相分离形成。水解-缩聚反应伴随着溶胶-凝胶转变(sol-gel transition)。另一方面，在形成硅胶基体之后通过氨水处理形成间隙孔。

整体硅胶中的通孔通过基于亚稳相分离的溶胶-凝胶转变形成。当通过进行氨水处理形成间隙孔时，可以独立地控制通孔和间隙孔的孔尺寸。具体而言，通过改变相分离的速率，缩聚的冻结速率，氨水处理的强度等，可以将通孔尺寸和间隙孔尺寸分别控制在几个微米至几百个微米的范围内和几个纳米至几十个纳米的范围内。在本发明实施方式中，如本文随后所描述的，提供并使用了整体硅胶柱，其具有形成在硅胶基体中的间隙孔，孔尺寸根据要分离的生物小分子的分子大小预先确定。

(2)用MPC聚合物进行表面亲水化处理

为了防止样品中的蛋白质吸附在整体硅胶上，对整体硅胶柱在其三维网络硅胶基体的表面(基体中空隙形式的通孔的表面)和在该硅胶基体中形成的孔隙的表面(间隙孔的表面)赋予亲水性。

亲水性的赋予可以通过用含磷酸胆碱类似基团的聚合物化学改性整体硅胶的表面而进行。该含磷酸胆碱类似基团的聚合物因归因于其源自生物膜的类似磷脂的结构的亲水性而显示出高度防止蛋白质吸附的作用。

所述含磷酸胆碱类似基团的聚合物可以通过聚合包含下式(1)所示的含磷酸胆碱类似基团的单体的单体组合物而获得：

R¹，R²和R³相同或相异且各自代表氢原子，C_1-6烷基或C_1-6羟基烷基。C_1-6烷基的实例包甲基、乙基、丙基、丁基、戊基、己基、环己基等。C_1-6羟基烷基的实例包括羟基甲基、2-羟基乙基、3-羟基丙基、4-羟基丁基、5-羟基戊基、6-羟基己基等。此外，R⁴代表C_1-6亚烷基，R⁵代表氢原子或甲基，和n代表1～4的整数。

说明性的式(1)所示的含磷酸胆碱类似基团的单体为2-((间)丙烯酰氧基)乙基-2′-(三甲基铵基)乙基磷酸盐、3-((间)丙烯酰氧基)丙基-2′-(三甲基铵基)乙基磷酸盐、4-((间)丙烯酰氧基)丁基-2′-(三甲基铵基)乙基磷酸盐、5-((间)丙烯酰氧基)戊基-2′-(三甲基铵基)乙基磷酸盐、6-((间)丙烯酰氧基)己基-2′-(三甲基铵基)乙基磷酸盐、2-((间)丙烯酰氧基)乙基-2′-(三乙基铵基)乙基磷酸盐、2-((间)丙烯酰氧基)乙基-2′-(三丙基铵基)乙基磷酸盐、2-((间)丙烯酰氧基)乙基-2′-(三丁基铵基)乙基磷酸盐、2-((间)丙烯酰氧基)乙基-2′-(三环己基铵基)乙基磷酸盐、2-((间)丙烯酰氧基)乙基-2′-(三苯基铵基)乙基磷酸盐、2-((间)丙烯酰氧基)丙基-2′-(三甲基铵基)乙基磷酸盐、2-((间)丙烯酰氧基)丁基-2′-(三甲基铵基)乙基磷酸盐、2-((间)丙烯酰氧基)戊基-2′-(三甲基铵基)乙基磷酸盐、2-((间)丙烯酰氧基)己基-2′-(三甲基铵基)乙基磷酸盐等。这些当中，从易于获得的角度出发，优选2-((间)丙烯酰氧基)乙基-2′-(三甲基铵基)乙基磷酸盐(也称为″2-甲基丙烯酰氧基乙基磷酸胆碱″，下文简称″MPC”)。

这些含磷酸胆碱类似基团的单体可以通过已知方法制备。例如，它们可以依照日本专利特开昭54-63025号公报(下文称为专利文献3)(下文称为专利文献3)，日本专利特开昭58-154591号公报等公开的已知方法制备。作为具体的方法，将环状磷化物和(甲基)丙烯酸2-羟基乙酯在脱氢卤化剂(dehydrohalogenation agent)存在下相互反应，然后和三甲基胺反应，导致开环，从而获得目标单体。关于MPC，其制备方法描述在专利文献3中。

含磷酸胆碱类似基团的聚合物是通过聚合包含上述含磷酸胆碱类似基团的单体和任选在需要时混合有另一种单体(例如，疏水单体或亲水单体)的单体组合物获得的。可以例举以下单体作为另一种单体。

疏水单体的实例包括：线性或者支化的烷基(甲基)丙烯酸酯如(甲基)丙烯酸甲酯、(甲基)丙烯酸乙酯、(甲基)丙烯酸丁酯、(甲基)丙烯酸2-乙基己酯、(甲基)丙烯酸月桂基酯和(甲基)丙烯酸硬脂基酯；(甲基)丙烯酸环烷基酯如(甲基)丙烯酸环己酯；芳族(甲基)丙烯酸酯如(甲基)丙烯酸苄基酯和苯氧基乙基(甲基)丙烯酸酯；疏水聚亚烷基二醇(甲基)丙烯酸酯如聚丙二醇(甲基)丙烯酸酯；苯乙烯类单体如苯乙烯、甲基苯乙烯和氯甲基苯乙烯；乙烯醚单体如甲基乙烯基醚和丁基乙烯基醚；乙烯基酯单体如乙酸乙烯酯和丙酸乙烯酯；等等。它们可以单独使用或组合使用。

亲水单体的实例包括其各自包含选自以下亲水基团的单体等：羟基、羧基、磺酸基、酰氨基、氨基、二烷基氨基、三烷基胺盐、三烷基鏻盐和聚氧化乙烯基团。具体实例包括含羟基的(甲基)丙烯酸酯如(甲基)丙烯酸2-羟基乙酯、(甲基)丙烯酸2-羟基丁酯和(甲基)丙烯酸4-羟基丁酯；羧酸如丙烯酸和甲基丙烯酸；含离子基团的单体如苯乙烯磺酸、(甲基)丙烯酰氧基乙基磷酸盐和2-羟基-3-(甲基)丙烯酰氧基丙基三甲基氯化铵；含氮单体如(甲基)丙烯酰胺、氨基乙基甲基丙烯酸酯和二甲基氨基乙基(甲基)丙烯酸酯；聚乙二醇(甲基)丙烯酸酯。它们可以单独使用或组合使用。

含磷酸胆碱类似基团的聚合物可以根据常规自由基聚合方法通过聚合包含上述含磷酸胆碱类似基团的单体和任选在需要时混合有另一种单体的单体组合物获得。通常，含磷酸胆碱类似基团的聚合物的分子量可以为，例如重均分子量5,000至5,000,000。在本发明实施方式中，如本文后面描述的，根据要分离的生物小分子的分子大小，将含磷酸胆碱类似基团的聚合物聚合至预定的分子量。

用含磷酸胆碱类似基团的聚合物改性通孔和间隙孔的表面可以通过将含磷酸胆碱类似基团的聚合物与整体硅胶表面存在的硅烷醇基团化学结合而进行。通过用含磷酸胆碱类似基团的聚合物改性，在硅胶基体中形成的各间隙孔的孔尺寸降到和含磷酸胆碱类似基团的聚合物的表面改性膜的厚度差不多。用含磷酸胆碱类似基团的聚合物改性引起的间隙孔尺寸的下降取决于该改性聚合物的分子量，分子量越大，间隙孔尺寸越小。

(3)对要分析的生物小分子的优化

根据分子筛效应仅仅允许生物小分子进入间隙孔并将其保留在那里，来进行整体硅胶柱对生物小分子和生物样品的分离，所述分子筛效应依赖于通孔和间隙孔之间的孔尺寸差异。此时为了有效地将生物小分子保留在间隙孔中，期望目标生物小分子的分子大小和间隙孔的孔尺寸彼此一致，由此与要分离的生物小分子不同的生物小分子和较大分子大小的蛋白质均不能进入间隙孔。

因此，在本发明实施方式中，具有根据要分离的生物小分子的分子量预先确定的尺寸的间隙孔的表面用含磷酸胆碱类似基团的聚合物进行改性，该聚合物已经聚合至基于生物小分子分子量的预定的分子量。结果，用含磷酸胆碱类似基团的聚合物表面改性的间隙孔的孔尺寸变得与要分离的生物小分子的分子大小相当。换句话说，调节整体硅胶柱的间隙孔尺寸和含磷酸胆碱类似基团的聚合物的分子量，从而使得通过间隙孔尺寸减去表面改性的含磷酸胆碱类似基团的聚合物的膜厚度得到的孔尺寸与要分离的生物小分子的分子大小一致。

具体而言，当期望分离生物小分子氢化可的松时，可以将间隙孔尺寸设为12nm左右，同时可以将含磷酸胆碱类似基团的聚合物的分子量设为例如30,000Da左右。在这种情况下，由于改性各间隙孔表面的含磷酸胆碱类似基团的聚合物的膜厚度变为几个纳米左右，因此间隙孔尺寸可以通过间隙孔尺寸(12nm)减去膜厚(几个纳米)来确定，亦即，间隙孔尺寸可以为10nm左右。此间隙孔尺寸与分子大小相当(长：宽：)。由此，可以允许分子大小显著小于该间隙孔尺寸的氢化可的松进入间隙孔，同时防止较大分子大小的蛋白质杂质进入间隙孔。

2.分离生物小分子的方法

(1)要分离的生物小分子

在本发明实施方式中，要分离的生物小分子为神经递质、激素等。实例可以为儿茶酚胺如肾上腺素和多巴胺，生理活性肽如催产素和内啡肽，以及激素如卵泡激素、黄体激素、雄激素、胰岛素、胰高血糖素、促性腺激素、促卵泡激素、黄体生成素、生长激素、肾上腺皮质激素、甲状腺激素、甲状旁腺激素、催乳素、促甲状腺激素和促皮质素；以及它们的代谢产物、衍生物、中间体等。此外，要分离的生物小分子也可以是促甲状腺激素(TSH)、三碘甲腺原氨酸(T3)、二甲-4-羟色胺(T4)、绒毛膜促性腺激素(HCG)和人类胎盘促乳素(HPL)；以及它们的代谢产物等。

(2)要分离的溶液

含有要分离的生物小分子的溶液可以是体液，其稀释液等，但对此没有特定限制。本文中使用的术语“体液”应包括充满动物体脉管或组织间或细胞间的所有液体以及从身体中释放或分泌到体外的液体，说明性的有血液、血浆、血清、淋巴液、泪液、脊髓等。在根据本发明实施方式的分离生物小分子的整体硅胶柱中，由于高亲水性而防止蛋白质吸附在柱上，该亲水性是改性硅胶基体的表面和在该硅胶基体中形成的孔隙的表面的含磷酸胆碱类似基团的聚合物所具有的。因此，可以从甚至含有大量蛋白质的溶液如体液中高产率地分离和收集生物小分子。

含有要分离的生物小分子的溶液例如也可以是水溶液、含有一种或多种有机溶剂的溶液，通过将水溶液和一种或多种有机溶剂一起混合获得的混合溶液等，而不是体液或类似物。

(3)分离步骤

根据本发明实施方式分离生物小分子的方法，使用上述整体硅胶柱从溶液中分离目标生物小分子。具体而言，将包含要分离的生物小分子的溶液(下文称为“样品溶液”)装载到整体硅胶柱上，从而使生物小分子保留在间隙孔中。在样品溶液装载之前，可以将缓冲液或水(其称为“流动缓冲液”)泵送通过柱。流动缓冲液的泵送一停止，就将样品溶液装载到柱上，或者将样品溶液和流动缓冲液一起装载到柱上。

由于相比现有填充微粒的柱，整体柱具有较大的通孔，此时样品溶液可以在低压下装载到柱上。另外，在根据本发明实施方式的整体柱中，通过用含磷酸胆碱类似基团的聚合物化学改性来赋予通孔和间隙孔的表面以亲水性，从而即使当使用其中含有大量蛋白质的样品溶液如体液或其稀释液时，蛋白质也几乎不吸附在整体硅胶上。因此，可以抑制柱压增加，从而在较低的压力下装载样品溶液。

低压装载的可行性使得在分离能力相同的条件下，可以通过使柱直径小于现有柱的直径来减少柱体积。因此可以降低生物小分子的分散和损失。甚至从少量样品溶液中分离生物小分子也变得可能了。

在根据本发明实施方式的整体硅胶柱中，用含磷酸胆碱类似基团的聚合物表面改性的间隙孔的孔尺寸控制得与要分离的生物小分子的分子大小相当。由此，可以防止其他生物小分子和较大分子量的蛋白质进入间隙孔中。因此，可以仅仅选择性地允许目标生物小分子进入间隙孔并保留在那里。

然后将缓冲液(洗脱缓冲液)泵送通过其上已经装载样品溶液的整体硅胶柱，从而洗脱出生物小分子。也可以使用上述流动缓冲液作为该洗脱缓冲液。当一停止流动缓冲液的泵送之后就将样品溶液装载到柱上时，由于分子筛效应，恢复流动缓冲液的泵送首先导致蛋白质洗脱，接着是目标生物小分子的洗脱。另一方面，当样品溶液和流动缓冲液一起装载在柱上时，首先洗脱出蛋白质，接着洗脱目标生物小分子。收集后面洗脱出的和包含所述生物小分子的缓冲液级分，由此可以高产率地收集已经选择性允许进入间隙孔并保留在那里的生物小分子。

使用现有的柱，此时为了洗脱蛋白质和生物小分子需要使用含有有机溶剂的流动缓冲液。因此，在收集的生物小分子溶液中含有有机溶剂，在一些情形中，在随后的分析中产生问题。当使收集的生物小分子溶液进行亲和性分析如ELISA时，例如，和生物小分子如抗体或适配体的亲和性根据生物小分子溶液中有机溶剂的浓度而变化，从而产生潜在的影响分析结果精确性和/或再现性的问题。使用本发明实施方式的整体硅胶柱，蛋白质和生物小分子的吸附几乎不会发生，因此可以使用不含有机溶剂的缓冲液(或者含有低浓度有机溶剂的缓冲液)。结果，后续的分析将不会到受包含在收集的生物小分子溶液中的有机溶剂的影响。

实施例

1.使用分离生物小分子的整体硅胶柱分离氢化可的松

(1)整体硅胶柱的制备

用MPC聚合物(分子量：约30,000Da)表面改性市售的整体硅胶柱(通孔尺寸：2μm，间隙孔尺寸：12nm，柱尺寸：0.53mm直径(外径：0.66mm)×60mm)。在将含有90％MPC单元和10％3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷的MPC溶液(0.03％乙醇溶液)作为表面处理溶液泵送至所述柱120分钟或更长，从而将其铺展到通孔和间隙孔的表面之后，使反应在60℃进行30分钟以进行表面处理。在冷却至室温之后，将乙腈泵送通过该柱几分钟，从而冲洗去未反应的表面处理剂。

(2)HPLC分析

将如此制备的分离生物小分子的整体硅胶柱与UV检测器连接以组装HPLC体系(“SHISEIDO NANOSPACE”)，分离并检测加入至5％唾液水溶液的氢化可的松。使用超纯水作为流动缓冲液，将在5％唾液水溶液中的5μM氢化可的松水溶液的等分试样(aliquot)(1μL)以50μL/min的流速进行HPLC分析。通过测量242nm波长下的吸光度来检测氢化可的松。

为了比较，使用市售的预处理分离柱(“CAPCELL PAK MF Ph-1，”Shiseido Co.，Ltd.的产品；2.0mm I.D.×35mm)由另一在5％唾液水溶液中的5μM氢化可的松水溶液的等分试样(1μL)同样进行氢化可的松的分离和检测。注意，该市售的柱的分析在200μL/min流速下进行。

图1显示分离生物小分子的整体硅胶柱和市售的预处理分离柱获得的色谱图。使用分离生物小分子的整体硅胶柱，在大约6分钟的洗脱时间时观察到氢化可的松的峰(见色谱图中的字母A)。另一方面，使用市售的预处理分离柱，在大约4分钟的洗脱时间时观察到峰(见字母B)。如色谱图中所示，显然使用分离生物小分子的整体硅胶柱观察到较高的氢化可的松峰，与使用市售的预处理分离柱相比，以较高产率成功地分离出氢化可的松。

根据本发明实施方式的分离生物小分子的整体硅胶柱，低压装载是可行的，而且，甚至可以使用较小体积的柱从少量样品溶液中以较高浓度分离生物小分子。因此，本发明实施方式可以在μ-TAS领域如利用微芯片的医学诊断生物芯片中用于高灵敏度检测少量样品溶液中的生物小分子，并且可以有助于该装置的小型化。

根据本发明实施方式的分离生物小分子的整体硅胶柱，可以在不含任何有机溶剂的溶液中回收生物小分子。当在μ-TAS领域通过生物传感器等进行高灵敏度检测时，本发明实施方式可由此避免需要从生物小分子溶液中除去有机溶剂的工作，从而有助于促进分析体系的自动化。

本申请包括2009年2月16日提交日本专利局的日本优先权专利申请JP 2009-032548的公开内容有关的主题，其全部内容引入本文作为参考。

本领域的技术人员应当理解，依据设计需要和其它因素，可以作出各种修改、组合、次组合和变换，这些均在权利要求书或其等价物的范围内。