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化学において、透析とは、透析チューブなどの半透膜を介した拡散速度の違いによって溶液中の分子を分離するプロセスである。[ 1 ]
透析は、医療透析と同じ原理で動作する一般的な実験室技術です。生命科学研究の分野では、透析の最も一般的な用途は、タンパク質、 DNA 、多糖類などの大きな高分子から、塩、還元剤、色素などの不要な小分子を除去することです。[ 2 ]透析は、緩衝液交換や薬物結合研究にもよく使用されます。
透析の概念は、1861年にスコットランドの化学者トーマス・グラハムによって導入されました。[ 3 ]彼はこの技術を用いて、水溶液中のショ糖（小分子）とアラビアゴム溶質（大分子）を分離しました。彼は、拡散可能な溶質を結晶質、膜を通過しない溶質をコロイドと呼びました。[ 4 ]
この概念から、透析は、半透膜を通して懸濁コロイド粒子を溶解したイオンまたは小さな分子から自発的に分離するプロセスとして定義できます。最も一般的な透析膜は、セルロース、改質セルロース、または合成ポリマー（酢酸セルロースまたはニトロセルロース）でできています。[ 5 ]
透析はギリシャ語のδιά「通して」とλύειν「緩める」に由来する。 [ 3 ]
透析は、分子をサイズで分類することによって、サンプル中の分子のマトリックスを変化させるプロセスです。[ 6 ] [ 7 ]これは拡散に依存しており、拡散とは溶液中の分子のランダムな熱運動（ブラウン運動）であり、平衡に達するまで、分子が高濃度領域から低濃度領域へと正味移動します。膜の細孔サイズのため、サンプル中の大きな分子は膜を通過できず、サンプルチャンバーからの拡散が制限されます。対照的に、小さな分子は膜を自由に拡散し、溶液全体で平衡に達するため、サンプルと透析液中のこれらの分子の全体的な濃度が変化します（右の透析図を参照）。
浸透は、透析の仕組みを支えるもう一つの原理です。浸透とは、半透膜を介して水分濃度が高い領域から低い領域へと液体が移動し、平衡状態に達する現象です。透析では、余分な液体が膜を通して試料から透析液へと移動し、試料と透析液の液面が等しくなるまでこの過程が繰り返されます。
最後に、限外濾過とは、静水圧または浸透圧によって生じる圧力勾配に沿って水と溶解した溶質が対流する現象です。透析では、限外濾過によってサンプルから老廃物分子と余分な液体が除去されます。[ 6 ] [ 7 ]
例えば、透析は、セルロース製の袋に入れた試料を透析液に浸すことで行われます。透析中は、セルロース膜を通過できるのは小さな分子のみであり、大きな粒子だけが膜に残るため、試料と透析液の間で平衡状態が達成されます。
平衡状態に達すると、最終的な分子濃度は関係する溶液の量に依存し、平衡状態に達した透析液を新しい透析液と交換（または置換）すると（下記の手順を参照）、拡散によってサンプル中の小分子の濃度がさらに低下します。
透析は、小分子が膜を両方向に自由に通過できるため、試料に小分子を導入したり除去したりするのに利用できます。また、塩類を除去するためにも使用できます。このため、透析は様々な用途に有用な技術となっています。透析に使用される半透膜の歴史、特性、製造方法に関する詳細は、透析チューブの項を参照してください。
拡散透析は、分離を引き起こす駆動力として濃度勾配が働く自発的な分離プロセスです。エントロピーが増加し、ギブズ自由エネルギーが減少するため、熱力学的に有利です。拡散透析では、分離する化合物に応じて陰イオン交換膜（AEM）または陽イオン交換膜（CEM）を使用します。AEMは陰イオンの通過を許容しますが、共イオンの排除と電気的中性の維持により陽イオンの通過を阻害します。陽イオン交換膜ではその逆のことが起こります。[ 8 ]
電気透析は、イオン交換膜と電位を駆動力として利用する分離プロセスです。主に水溶液からイオンを除去するために使用されます。一般的に使用される電気透析プロセスには、ドナン透析、逆電気透析、電気電気透析の3種類があります。これらのプロセスについては以下で説明します。[ 9 ]
ドナン透析は、CEMまたはAEM膜で隔てられた2つの水溶液間でイオンを交換するために使用される分離プロセスです。酸性度の異なる2つの溶液を陽イオン交換膜で隔てた場合、プロトン（H + ）は膜を通過して酸性度の低い側に移動します。これにより電位差が生じ、酸性度の低い側に存在する陽イオンが酸性度の高い側へ移動します。H +の濃度変化が分離された陽イオンの濃度差と同じオーダーになった時点で、このプロセスは終了します。[ 10 ]
逆電気透析は、塩分濃度の異なる2つの水流を混合することで電気を得る膜ベースの技術です。一般的に陰イオン交換膜（AEM）と陽イオン交換膜（CEM）が使用されます。AEMは陰イオンの通過を許容し、陽イオンの通過を阻害するために使用され、CEMはその逆の働きをします。高塩分濃度の水中の陽イオンと陰イオンは低塩分濃度の水に移動し、陽イオンはCEMを通過し、陰イオンはAEMを通過します。この現象を電気に変換することができます。[ 11 ]
電気電気透析は、電気透析と電気分解を組み合わせた、3つのコンパートメントを利用する電気膜プロセスです。これは、AEM、CEM、および電気分解を使用して溶液から酸を回収するためによく使用されます。3つのコンパートメントは、イオン交換膜である2つのバリアによって分離されています。中央のコンパートメントには処理対象の水が入っています。両側のコンパートメントにはきれいな水が入っています。陰イオンはAEMを通過し、陽イオンはCEMを通過します。電気によって陰イオン側にH + 、陽イオン側にOH−が生成され、それぞれが対応するイオンと反応します。[ 9 ]
溶液中の分子を透析によって分離するのは比較的簡単なプロセスです。試料と透析液バッファー以外に、通常必要なものは以下のとおりです。
タンパク質サンプルに対する一般的な透析手順は以下のとおりです。
試料と透析液の総量によって、膜の両側の低分子の最終平衡濃度が決まります。適切な量の透析液を使用し、緩衝液を複数回交換することで、試料中の低分子汚染物質の濃度を許容レベルまたは無視できるレベルまで低減できます。例えば、1mLの試料を200mLの透析液で透析すると、平衡状態に達した時点で、不要な透析対象物質の濃度は200分の1に減少します。さらに200mLずつ2回緩衝液を交換すると、試料中の汚染物質濃度は800万分の1（200×200×200）に減少します。
サンプルを透析することは比較的簡単ですが、以下の変数があるため、すべての用途に適用できる普遍的な透析手順を提供することはできません。
さらに、透析の終了基準はやや主観的で、用途によって異なる。そのため、一般的な手順には最適化が必要となる可能性がある。
透析膜は、分子量カットオフ（MWCO）の限界に基づいて製造および特性評価されます。MWCOが1～1,000,000 kDaの膜が市販されていますが、MWCOが10 kDa付近の膜が最も一般的に使用されています。膜のMWCOは、透析膜の製造中に形成される細孔の数と平均サイズによって決まります。MWCOは通常、長時間の透析中に膜を効果的に拡散しない標準分子の最小平均分子量を指します。したがって、10K MWCOの透析膜は、一般的に、少なくとも10kDaの分子量を持つタンパク質の90%以上を保持します。[ 12 ] [ 13 ]
膜のMWCO値は明確に定義された値ではありません。膜のMWCO限界に近い質量を持つ分子は、MWCOよりもかなり小さい分子よりも膜を透過するのに時間がかかります。分子が膜を迅速に透過するためには、通常、膜のMWCO値の少なくとも20～50分の1の質量である必要があります。したがって、20K定格の透析膜を用いて透析を行い、30kDaのタンパク質と10kDaのタンパク質を分離することは現実的ではありません。
実験室用透析膜は通常、再生セルロースまたはセルロースエステルのフィルムでできています。セルロース膜とその製造に関するレビューについては、参考文献を参照してください。[ 14 ]
透析は一般的に、クリップで留めた透析チューブのバッグ、または様々な形状の透析器で行われます。使用する透析装置の選択は、主にサンプルのサイズと使用者の好みに左右されます。 透析チューブは、研究室での透析に使用される最も古く、一般的に最も安価な形式です。チューブは切断され、片端がクリップで密封され、もう一方の端がクリップで密封されます。チューブは柔軟性がありますが、取り扱い、密封、およびサンプル回収に関して懸念事項が多くなります。透析チューブは通常、ロール状またはプリーツ状の伸縮チューブで、湿潤状態または乾燥状態で供給されます。
様々なメーカーから多種多様な透析装置（ダイアライザー）が販売されています。ダイアライザーは特定のサンプル量範囲に合わせて設計されており、チューブ式透析装置に比べてサンプルの安全性が高く、使いやすさと性能が向上しています。最も一般的な既製ダイアライザーとしては、Slide-A-Lyzer、Float-A-Lyzer、およびPur-A-lyzer/D-Tube/GeBAflex Dialyzersシリーズが挙げられます。
透析には幅広い用途がある。これらは、使用される透析の種類に応じて2つのカテゴリーに分類できる。
拡散透析の応用例を以下に説明する。
電気透析のいくつかの応用例を以下に説明する。
透析には長所と短所の両方があります。前節の構成に倣い、透析の種類に基づいて長所と短所を考察します。拡散透析と電気透析の両方の長所と短所を以下に概説します。
拡散透析の主な利点は、装置のエネルギー消費量が少ないことです。この膜技術は常圧下で動作し、状態変化を伴いません。その結果、必要なエネルギーが大幅に削減され、運転コストが削減されます。また、設置コストが低く、操作が容易で、プロセスの安定性と信頼性が高いという利点もあります。さらに、拡散透析は環境を汚染しないという利点もあります。[ 8 ]
拡散透析器の欠点は、処理能力と処理効率が低いことである。電気透析や逆浸透などの他の方法では、拡散透析よりも高い効率を達成できる。[ 8 ]
電気透析の主な利点は、特に水の回収において高い回収率が得られることです。もう1つの利点は、高圧がかからないため、ファウリングの影響が小さく、結果としてファウリング対策に化学薬品が不要になることです。さらに、ファウリング層が緻密ではないため、回収率が高くなり、膜の寿命が長くなります。また、処理濃度が70,000 ppmを超えるため、濃度制限がなくなることも重要です。最後に、相変化がないため、運転に必要なエネルギーが低くなります。実際、多重効用蒸留（MED）や機械式蒸気圧縮（MVC）プロセスで必要なエネルギーと比較して低くなっています。[ 20 ]
電気透析の主な欠点は電流密度の制限であり、プロセスは最大許容電流密度よりも低い電流密度で実行する必要があります。実際、特定の電圧を印加すると、膜を通るイオンの拡散は線形ではなく、水の解離につながり、操作の効率が低下します。考慮すべきもう1つの側面は、操作に必要なエネルギーは少ないものの、塩供給濃度が高いほど必要なエネルギーが高くなることです。最後に、一部の製品の場合、電気透析では微生物や有機汚染物質が除去されないため、後処理が必要であることを考慮する必要があります。[ 20 ]