毫克级钆离子与铽离子的环形自由流等速电泳分离

《ELECTROPHORESIS》：Fractionation of Milligram Quantities of Gadolinium and Terbium Ions by Annular Free-Flow Isotachophoresis

本研究针对高效分离化学性质相近的镧系离子（Gd/Tb）的挑战，开发了一种环形自由流等速电泳（ITP）新方法，并利用COMSOL模拟快速优化了缓冲液条件。实验实现了毫克级Gd/Tb的高效分馏，回收率分别达95.07%和99.13%，为医疗同位素生产等应用提供了无固体基质吸附的纯化新策略。

　　

在生命科学与核医学领域，镧系元素扮演着越来越重要的角色。特别是钆（Gd）和铽（Tb）的分离，对于生产用于癌症治疗的医用放射性同位素（如Tb-161）至关重要。然而，这对相邻的镧系元素化学性质极为相似，传统分离方法如离子交换色谱或液-液萃取，虽然能够实现分离，但往往涉及复杂的步骤、使用昂贵的固相材料，并且可能导致目标产物因吸附而损失。因此，开发一种高效、可扩展且无需固相吸附的分离技术，成为了一个重要的研究方向。电泳技术，特别是等速电泳（Isotachophoresis， ITP），凭借其基于离子迁移率差异进行分离的特性，理论上为这一挑战提供了优雅的解决方案。但在该研究之前，电泳法分离Gd和Tb仅限于微克甚至纳克级的微流控或毛细管系统，难以满足毫克级以上制备规模的需求。为了填补这一空白，并探索电泳在大规模镧系元素分离中的应用潜力，由A. E. Rickel, J. M. B. B. T. 等人组成的研究团队在《ELECTROPHORESIS》上发表了一项创新性工作。

本研究主要采用了环形自由流涡流稳定电泳（vortex-stabilized annular free-flow electrophoresis） 技术平台，实现了毫克级样品的连续分离。研究人员首先利用COMSOL Multiphysics软件进行数值模拟，快速筛选和优化了以铵离子为前导离子、水合氢离子为终止离子，α-羟基异丁酸（HIBA）和乙酸为络合配体的缓冲液体系。实验在特制的VortopHor装置中进行，该装置通过产生涡旋以抑制分散和对流，从而在较大的分离室（25.4 cm）内实现稳定分离。在分离过程中，溴酚蓝-牛血清白蛋白复合物被用作可视化示踪染料，以监测样品区带的位置。分离后的组分通过沿分离柱设置的端口进行分级收集，并使用电感耦合等离子体发射光谱法（ICP-OES） 对各组分中的Gd和Tb含量进行定量分析。

结果与讨论

COMSOL模拟辅助缓冲液设计

研究人员开发了一个一维COMSOL模拟，基于Nernst–Planck方程（npe），输入了Gd³⁺、Tb³⁺及其与HIBA、乙酸盐络合物的电泳迁移率和络合物稳定常数（Log β）。模拟快速筛选了多种缓冲液组成，并预测了选定条件下（前导电解液：15 mM乙酸铵，5 mM乙酸，3.5 mM HIBA，pH 4.9；终止电解液：15 mM谷氨酸，5 mM乙酸，3.5 mM HIBA，pH 3.1）Gd和Tb的分离行为。模拟结果显示，在5小时电泳后，两者可形成分离良好的区带。

毫克级分离的实现与优化

实验验证了模拟的预测。在初始负载量为~14.15 mg（~7.077 mg Gd, ~7.074 mg Tb），施加2 kV电压进行5小时电泳后，成功实现了Gd和Tb的分馏。84.08%的Tb质量在前7个级分中被回收，而86.51%的Gd质量在后续的11个级分中回收，总体回收率分别高达95.07%和99.13%。与此前微流控电泳（约10^-5mg级负载量）相比，本次研究的负载量提升了约6个数量级。

负载量与回收率及分离度的影响

研究考察了不同负载量（9.17 mg, 14.15 mg, 28.46 mg）对分离的影响。结果表明，随着负载量增加，总回收率下降（从>99.99%降至52.3%），且分离峰形从尖锐的“峰”形变为宽而平的“平台”形，这是峰展宽效应增强的体现。过高的负载还会导致溶液电导率激增，触发高压电源的过流保护，从而限制操作电压。因此，14.15 mg的负载量被确定为在最大化处理量与保持高回收率之间的最佳平衡点。

实验与模拟结果的对比

实验测得的Gd和Tb浓度分布与5小时电泳后的COMSOL模拟结果高度吻合（见正文图1）。然而，实验中的分离进程（2-5小时，见正文图3）比模拟预测的（1-4小时，见正文图2）大约慢1小时，且实验峰略宽。研究人员认为，这种差异可以通过调整模拟中的色散系数来校正，以更精确地匹配实际电泳系统中的流体动力学行为。

结论与展望

本研究成功证明了利用环形自由流等速电泳（ITP）技术，结合HIBA/乙酸盐缓冲体系，可以有效分馏毫克级的相邻镧系离子钆（Gd）和铽（Tb）。所建立的简化一维COMSOL模拟能够有效预测分离终点，为快速筛选和优化电泳缓冲液条件提供了有价值的工具。这项工作的重要意义在于：

1. 1.
   实现了从分析级到制备级的跨越：将Gd/Tb的电泳分离规模从传统的纳克/微克级提升至毫克级，证明了自由流电泳在制备规模金属离子分离中的巨大潜力。
2. 2.
   提供了一种“绿色”替代方案：与依赖固相吸附的色谱法相比，此电泳过程完全在溶液中进行，避免了目标物在固定相上的吸附损失，简化了产物回收流程（仅需收集缓冲液），并有可能减少化学废物。
3. 3.
   为医用同位素纯化开辟新路径：该技术为分离用于靶向放射治疗的Tb-161等同位素提供了一种无需色谱树脂的新方法，可能有助于提高产物的化学纯度和回收率，降低生产成本。
4. 4.
   展示了模拟驱动实验的可行性：研究表明，即使经过高度简化的计算机模拟，也能有效指导复杂电泳分离的实验设计，加速研发进程。

未来工作可专注于通过优化模拟参数（如扩散和色散系数）提高其预测分离动力学的准确性，并探索将该技术应用于其他镧系元素对或更高负载量的分离，进一步推动其在工业规模分离纯化中的应用。