离子层析

在高分子离子交换树脂中，常用的为交联的聚苯乙 烯骨架上连接不同得功能团（可交换基团）： 离子交换剂的分类 阳离子交换剂：强酸型和弱酸型

可电离的基团
磺酸基（-SO3H） 磷酸基（-PO3H2） 羧酸基（-COOH） 酚羟基（-OH）
阴离子交换剂：强碱型和弱碱型
可电离的基团 伯胺基（-NH2） 仲胺基（-NHCH3 ） 叔胺基（-N(CH3)2） 季胺基（-N+(CH3) 3 ）
中性或碱性体系中：




多价金属离子与弱酸阳离子交换强，易洗 脱，与强酸阳离子交换弱； 弱酸通常不用弱碱树脂，但用强碱树脂； 弱碱体系中： 阳离子交换用弱酸阳离子树脂； 弱酸体系中： 弱酸中的阴离子用弱碱阴离子树脂；
2 树脂形式的选择



中性盐溶液，交换后生成盐： 盐型弱酸弱碱树脂； 当量相当的 游离、酸碱混合； 酸、碱条件下的离子： 游离碱或酸树脂； 盐中除酸、碱： 弱型树脂（强型会交换盐）；
酸碱处理的次序决定了离子交换剂携带反离子的类型。
强碱型阴离子交换树脂

商品型一般为Cl型。 4倍体积5－6％NaOH, 蒸馏水洗到中性。 4倍体积5－6％HCl,蒸馏水洗到中性。 6倍体积5－6％NaOH, 蒸馏水洗到中性。 OH型树脂最好现制现用，它吸附空气中 CO2。
弱酸型阳离子交换树脂 商品树脂一般为Na型。 处理可参照强酸型阳离子交换树脂。 弱碱型阴离子交换树脂处理参照强碱型阴离 子交换树脂法。

离子交换介质的选择原则
对pI=5的某酸性蛋白质 当蛋白质为阴离子时， 在pH5.5-9.0的范围内， 应首选DEAE纤维素； 当蛋白质为阳离子时， 在pH3.5-4.5的范围内， 应首选CM纤维素
蛋 白 质 净 电 荷
+
吸附阴离子交换 剂 p 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 H 吸附阳离子交换 剂 pH < pI（+） pH = pI（0） pH > pI （-） 等电 点
离子交换介质的基本性质
离子交换剂亦称离子交换介质，通常是一种不溶性 高分子化合物如树脂，纤维素，葡聚糖，醇脂糖 等； 含可交换离子 洗脱的可能性取决于交换反应平衡常数 吸附的蛋白质可以通过改变pH值，使蛋白 质 分子电性发生改变，而洗脱下来。 不同蛋白质形成离子键数目有差异的，及亲和 力不同。

常用的离子交换剂
离子交换树脂： 离子交换纤维素： 离子交换纤维素是携带功能基团纤维素衍生物，具 有松散的亲水性网状结构以及较大的表面积，大 分子可以自由通过，因而对生物大分子（如蛋白 质）的交换容量比离子交换树脂大。 阳离子型离子交换纤维素包括羟甲基纤维素（CM纤 维素）等 阴离子型离子交换纤维素包括二乙基氨基乙基纤维 素（DEAE纤维素）
常用的离子交换剂
离子交换琼脂糖： 离子交换琼脂糖是携带DEAE或CM基团的Sepharose CL-6B DEAE-Sepharose（阴离子型）和CM-Sepharose（阳离 子型）的离子交换介质具有硬度大、性质稳定，流速好，分 离能力强等优点。 尤其是介质受pH和离子强度的影响所引起的膨胀和收缩效应较 小，因此具有稳定的外形体积 对pH及温度的变化均较稳定，可在pH3～10和0～ 70℃范围内使用，改变离子强度或pH时，床体积变 化不大。
B 净化处理：乙醇－水－4mol/L HCl or NaOH-蒸馏水到（pH4-5 or 7-8);

强酸阳离子树脂 其商品多为Na型。用4倍体积5－6％盐酸 搅拌5h, 水洗到中性。然后4倍体积5－6％ Na or NaCl交换，水洗到无Na+。必要时可 重复1－2次。 如需使用H＋，接上步骤用6倍体积5－6 ％HCl交换，水洗到中性。
在pH＝7时可耐120℃的高热 适用于 2×105的蛋白质
常用的离子交换剂
常用的离子交换葡聚糖包括： 阳离子交换剂 CM-Sephadex C-25，CM-Sephadex C-50 Sephadex C-25，Sephadex C-50 阴离子交换剂 Sephadex A-50 QAE-Sephadex A-25，QAE-Sephadex A-50 DEAE-Sephadex A-25，DEAE-
-
1 种类选定

中性盐体系： 阴阳离子的脱除用强酸强碱树脂 微量杂质的脱除也要强型树脂
强碱树脂分有I 和 II 型：I 型碱型强于II I型 ： 易与硅酸等弱酸作用，再生差； II型： 不与比乙酸更弱的酸作用；
交换能力强的离子： 用弱碱性或弱酸性离子交换树脂； 如一般有机碱交换能力都强，多价金属离 子、生物碱、链霉素等都用弱酸性离子交 换树脂，既容易吸附又容易洗脱。
离子交换层析
离子交换层析的基本原理 离子交换介质的基本性质 离子交换介质的选择原则 离子交换层析的基本操作
离子交换层析的基本原理
离子交换层析是以离子交换剂为固定相， 以含特定离子的溶液为流动相，利用离子交换 剂上的可交换离子与溶液中离子发生交换作用 ，由于不同的离子交换能力不一样，待分离的 各种离子在树脂柱中随流动相的移动速度也不 一样，而将混合物中不同离子进行分离的技术 。
离子交换亲和力
离子交换反应和其他化学反应一样，完全 服从质量作用定律。 树脂对离子亲合力的大小用平衡常数来 代表，它与离子的水合离子半径大小和带 电荷的多少有关。
强离子交换剂的电离率基本不受pH值影响， 离子交换作用的pH范围宽 弱离子交换剂的电离率受pH影响很大，离 子交换作用的pH范围小 弱酸性阳离子交换剂在pH值降低时，其电离 率逐渐降低，离子交换能力逐渐减弱 弱碱性阴离子交换剂在pH值升高时，其电离 率逐渐降低，离子交换能力逐渐减弱

甲基丙烯酸和二乙烯苯基聚合，功能Leabharlann Baidu羧 基(-COOH)。
根据活性基团离解出H+能力的大小不同， 阳离子交换树脂分为强酸性和弱酸性两种。 例如含 -SO3 的为强酸性阳离子交换树脂， 常用 R-SO3H 表示 (R 表示树脂的骨架 ) ，含 COOH 和 -OH 的弱酸性阳离子交换树脂， 分别用R-COOH和R-OH表示。 强酸性阳离子交换树脂应用较广泛，弱 酸性阳离子交换树脂的H+不易电离，所以 在酸性溶液中不能应用，但它的选择性较 高而且易于洗脱。

2 柱的操作



装柱：树脂高度一般约为柱高的90%。为防止加 试液时树脂被冲起，在柱的上端亦应铺一层玻璃 纤维（或隔板）。装好后，再用蒸馏水洗涤（不 少于2倍柱体积），备用。 上样：阳离子树脂可达交换容量的50％，阴离子 一般为10-20%。小于5％床体积（1％分析）。 洗脱：用蒸馏水洗去多余的（没吸附的）样品， 然后用洗脱液（缓冲液，pH,离子强度）淋洗，方 法有等度，梯度等。
二、离子交换树脂的选择
一般原则： 被分离物质所 酸性物质用阴离子交换剂分离 带的电荷性质 碱性物质用阳离子交换剂分离 ◆反离子 :强酸、碱性用H+，OH-,弱用Na+ Cl 氨基酸、核苷酸、蛋白质等两性电解质， 可根据其pI值及离子化曲线来选择。 活性分子：亲水性基质的交换树脂 具体：种类，离子形式、交换量、颜色、 交联度、理化性质等。
交换容量


每克干树脂所含活性基团的物质的量，而实际交 换容量是指在实验条件下，每克干树脂能交换离 子的物质的量。 称取干树脂1克，置于250mL锥形瓶中、准确加 入0.1mol/LNaOH标准溶液100mL,振荡后放置过 夜，用移浓管吸取上层清液25mL，加酚酞指示剂 1滴，用0.1mol/L标准HCl溶液滴定至红色消失， 设用去标准HCl溶液14mL，树脂的交换容量可以 计算为5.6 mmol/g。

离子交换纤维素
离子交换纤维素
常用的离子交换剂
离子交换葡聚糖： 离子交换葡聚糖是葡聚糖经环氧氯丙烷交联后形成的具有 多孔三维空间网状结构和离子交换功能基团的多糖衍生物（ Sephadex G） Sephadex的优点如下： 亲水性强、不会引起生物分子的变性和失活，母链对蛋 白质、核酸及其它生物分子的非特异性吸附能力小 电离基团在母体上取代程度高，交换容量大，装柱方便 ，流速快既有离子交换作用，又有分子筛效应 因而Sephadex是一类广泛应用的色谱分离介质
离子交换剂的分类
强离子交换剂的电离率基本不受pH值影响，离子交换作用的pH 范围宽 弱离子交换剂的电离率受pH影响很大，离子交换作用的pH范 围小
弱酸性阳离子交换剂在pH值降低时，其电离率 逐渐降低，离子交换能力逐渐减弱
弱碱性阴离子交换剂在pH值升高时，其电离率逐渐降低 ，离子交换能力逐渐减弱
三、离子交换柱的操作
第 四节 离子交换色谱
Lujiang Yuan School of Pharmaceutical Science Southwest University
离子交换色谱的发展
• 1903年，泡沸石（天然硅铝酸盐 • •
•
Na2A12Si4O12· nH2O)来软化硬水。 Na2Z + Ca2+ ＝CaZ + 2Na+ 1933年，合成了酚醛类型的阴阳离子树脂。 1945年，美国人，D.Alelio, 聚苯乙烯型强酸性阳 离子树脂，聚丙稀酸型阳离子交换树脂的合成。 此外，纤维素和多糖上引入交换基形成的离子交 换剂。
以强酸性阳离子交换树脂分离K+和Na+为例 交换 R- H+ + K+ = R- K+ + H+ R- H+ + Na+ = R- Na+ + H+ 洗脱 R- K++ H+=R- H+ + K+ R- Na+ + H+ =R- H+ + Na+
1 树脂的处理
A 过筛分：得均一颗粒，也可溶胀后筛分； 商品树脂20－80目，可将其干燥、 粉碎 、过筛或沉降、浮选处理。
离子交换树脂的结构和性质


离子交换树脂是具有网状结构的复杂的有机高分 子聚合物。网状结构的骨架部分一段很稳定，不 溶于酸、碱和一般溶剂。在网状结构的骨架上有 许多可被交换的活性基团。根据活性基团的不同、 离子交换树脂可分为阳离子交换树脂和阴离子交 换树脂两大类。 合成：高分子化学加聚反应，先合成骨架，然后 在骨架上添加功能基团。如合成过程中加入致孔 剂，可得大孔离子交换树脂，否为凝胶型。
一、阳离子交换树脂
1 强酸型阳离子交换树脂 阳离子交换树脂具有酸性基团，如应用 最广泛的强酸性磺酸型聚苯乙烯树脂，它是以苯 乙烯和二乙烯苯聚合，经浓硫酸磺化而制得的聚 合物。 化学性质稳定， 5 － 10 年，耐强酸、强碱、 氧化剂和还原剂,不溶于酸、碱及常见的有机溶剂。 耐热超过100°C。
2 弱酸型子交换树脂
3、颗粒、交联度和稳定性
A 颜色：浅色便于看色带，使用后色深、杂质多色 变深。 B 颗粒：20－80目，200－400目。 C 交联度：聚苯乙烯树脂交联度1－20％，常用8％， 交联度高，选择性好，交换速度小。孔度与交联 度关系密切。 D密度：0.4-0.8g/ml E稳定性：一般而言，聚苯乙烯树脂稳定 阳比阴稳定 盐比酸碱稳定
补充
平衡



柱子装好后，要用所需的缓冲液（有一定 的pH和离子强度）平衡柱子。用恒流泵在 恒定压力下走柱子（平衡与洗脱时的压力 尽可能保持相同）。 离子强度和pH的选择首先要保证各个待分 离物质如蛋白质的稳定。使各个待分离物 质与离子交换剂有适当的结合 。 有时柱子平衡好后，还要进行转型处理。
二、阴离子交换树脂


与阳离子交换树脂具有同样的有机骨架，只是所联的活性 基团为碱性基团。 季胺(-N(CH3)3) H+不易电离，强碱性阴离子交换树脂； 伯胺基 (-NH2) 、仲胺基 (-NHCH3) 和叔胺基 (-N(CH3)2)的树 脂为弱碱性阴离子交换树脂。 水化: R-NH3OH、R-NH2CH3OH、R-NH(CH3)2OH 和RN(CH3)3OH ,OH-可被阴离子交换和洗脱。,
阴离子交换树脂的化学稳定性及耐热性能都不如阳离子 交换树脂稳定。
交联度

树脂中所合交联剂的百分率称为重量交联 度。 例如强酸性阳离子交换树脂:苯乙烯聚合而 成为长的链状分子,二乙烯苯把各链状分子 联成立体型的网状体。如果二乙烯苯在原 料总量中占10%。则称该树脂的交联度为 10％。
交联度
树脂的交联度越大，则网眼越小，交换时 体积大的离子进入树脂便受到限制。但提 高了交换的选择性：另外，交联度大时， 形成的树脂结构紧密，机械强度高。但是 如果交联度过大则对水的膨胀性能差( 一般 要求 1 克干树脂在水中能膨胀至 1.5-2cm3 为 宜 ) ，交换反应的速度慢，因此要求树脂的 交联度一般为4-14％。