离子交换法优秀课件
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1
生物分离过程的一般流程
原料液
细胞分离(离心，过滤)
路线一 细胞－胞内产物
路线二 清液－胞外产物
路线一B 包含体 溶解(加盐酸胍、脲)
复性
细胞破碎 碎片分离
路线一A
粗分离(沉淀/膜过滤/萃取)
纯化(离子交换/层析/吸附
脱盐(凝胶过滤、超滤) 浓缩(超滤)
精制(结晶、干燥)
2
本章内容
❖ 什么是离子交换？ ❖ 离子交换的机理是什么？ ❖ 离子交换树脂的分类？ ❖ 离子交换树脂的理化性质有哪些？ ❖ 离子交换的选择性受哪些因素影响？ ❖ 基本的离子交换操作过程是怎样的？
❖ 我国在1950年以后开始离子交换树脂的研究， 1956年何炳林提出并合成了大孔型离子交换树脂 1958年，离子交换树脂在国内正式投入工业化生
8
离子交换法概述
离子交换树脂的结构
其结构由三部分组成： ❖ 1.不溶性的三维空间网状结构构成的树脂骨架
（基质），使树脂具有化学稳定性和机械强度； ❖ 2.是与骨架相联的功能基团（电荷基团）； ❖ 3.是与功能基团带相反电荷的可移动的离子，
++++++
Starting buffercounter-ions
Substances to be separated
Gradient ions
15
离子交换剂通常是一种不溶性高分子化合物， 如树脂，纤维素，葡聚糖，琼脂糖等，它的分子中 含有可解离的基团，这些基因在水溶液中能与溶液 中的其它阳离子或阴离子起交换作用。
在第二次世界大战中，美国获得了苯乙烯系和丙 烯酸系加聚型离子交换树脂合成的专利。它开创 了当今离子交换树脂制造方法的基础。
7
离子交换法概述
离子交换树脂的发展
❖ 50年代以后，开展了膜状离子交换树脂的研究,开辟了 电化学的新领域。
❖ 50年代末，60年代初期, 又研制出耐压、耐磨、高交 换速度、能交换或吸着高分子量化合物的大孔离子交 换树脂。70年代以后，出现了各种大孔吸附树脂及特 种树脂。
❖ 带同种电荷的不同离子虽都可以结合到同一介 质上，但由于带电量不同，与介质的结合牢度 不同，改变洗脱条件可依次被洗脱而达到分离 的目的。
14
离子交换法概述
离子交换层析原理
①
开始
-
-
-
+-
+
-
-
②
吸附
解 吸
③
剂 解吸
④
解吸结束
再
生 剂
⑤
再生
样 品
-
-
+++-+++
-
+++++++
+++++++
Hale Waihona Puke Baidu
++++++
4
离子交换基团不但可结合到纤维上，还可结合 到交联葡聚糖（Sephadex）和琼脂糖凝胶 （Sepharose）上。此法广泛应用于很多生化物质 (例如氨基酸、多肽、蛋白质、糖类、核苷和有机 酸等)的分析、制备、纯化，以及溶液的中和、脱 色等方面。
5
它们的优点是: ⑴具有开放性支持骨架，大分子可以自由进入和迅 速扩散，故吸附容量大。 ⑵具有亲水性，对大分子的吸附不大牢固，用温和 条件即可以洗脱，不致引起蛋白质变性或酶的失活。 ⑶多孔性，表面积大、交换容量大，回收率高，可 用于分离和制备。
6
离子交换法概述
离子交换树脂的发展
离子交换树脂的出现已有近80年的历史. 离子交换树脂发展史上的3个重要阶段 ❖ 1933年Adams和Hofms发明了缩聚类酚醛型阳、阴
离子交换树脂, ❖ 二战及二战后期离子交换树脂大发展
1939年德国法本公司和1941年美国的树脂产品和 化学品公司先后开始工业生产，
3
一、离子交换法概述
离子交换层析（Ion Exchange Chromatography IEC） 是在以离子交换剂为固定相，液体为流动相的系统 中进行的，依据流动相中的组分离子与交换剂上的 平衡离子进行可逆交换时的结合力大小的差别而进 行分离。离子交换作用是指一个溶液中的某一种组 分离子与一个固体中的另一种具有相同电荷的离子 互相调换位置，即溶液中的离子跑到固体上去，把 固体上的离子替换下来。
12
离子交换法概述
二、离子交换层析原理
❖ 离子交换法是通 过带电的溶质分 子与离子交换剂 中可交换的离子 进行交换而达到 分离纯化的方法。
13
离子交换法概述
离子交换层析原理
❖ 主要依赖电荷间的相互作用，利用带电分子中 电荷的微小差异而进行分离。
❖ 选择适当条件可使一些溶质分子变成离子态， 通过静电作用结合到离子交换剂上，而另一些 物质不能被交换，这两种物质就可被分离。
17
对于生物大分子而言，作用原理是带电的生物大 分子和离子交换色谱填料上的离子基团进行交换而 被分离纯化。
生物大分子电荷性不同，与离子交换层析介质的 离子基团间的作用力强弱也存在差异；
当使用高浓度盐溶液进行洗脱时，与离子交换层 析介质结合力弱的待分离分子先被洗脱下来，而结 合力强的分子后被洗脱下来，从而达到分离纯化的 目的。
16
虽然交换反应都是平衡反应，但在层析柱上进 行时，由于连续添加新的交换溶液，平衡不断按正 方向进行，直至完全。因此可以把离子交换剂上的 离子全部洗脱下来。同理，当一定量的溶液通过交 换柱时，由于溶液中的离子不断被交换而浓度逐渐 减少，因此也可以全部被交换并吸附在树脂上。
如果有两种以上的成分被交换吸着在离子交换剂 上，用洗脱液洗脱时，被洗脱的能力则决定于各自 离子交换反应的平衡常数。
待交换分子：在吸附阶段可与活 性离子交换，与骨架上的功能基 团结合
11
离子交换法概述
离子交换树脂结构的简单表示：
R－SO3－ H＋(Na＋)
阳离子交换树脂
高分子基质; 固定离子基团；反离子（活性离子）
R－SO3－骨架； SO3－ H＋(Na+) 化学功能基团。
活性离子为阳离子，称阳离子交换树脂， 与阳离子发生交换 活性离子为阴离子，称阴离子交换树脂， 与阴离子发生交换
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离子交换剂可以分为三部分：高分子聚合物基质、 电荷基团和平衡离子。电荷基团与高分子聚合物共 价结合，形成一个带电的可进行离子交换的基团。 平衡离子是结合于电荷基团上的相反离子，它能与 溶液中其它的离子基团发生可逆的交换反应。
称为活性离子（反离子），它在树脂骨架中的 进进出出，就发生离子交换现象。
9
离子交换法概述
离子交换树脂的结构-网络骨架
苯乙烯系、丙烯酸系、酚醛系、环氧系 10
离子交换法概述
离子交换树脂结构
骨架：接有功能基团，本身是惰性
功能基团：连接在骨架 上，可与 相反离子结合
活性离子：与功能基团所带电荷相 反的可移动的离子
生物分离过程的一般流程
原料液
细胞分离(离心，过滤)
路线一 细胞－胞内产物
路线二 清液－胞外产物
路线一B 包含体 溶解(加盐酸胍、脲)
复性
细胞破碎 碎片分离
路线一A
粗分离(沉淀/膜过滤/萃取)
纯化(离子交换/层析/吸附
脱盐(凝胶过滤、超滤) 浓缩(超滤)
精制(结晶、干燥)
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本章内容
❖ 什么是离子交换？ ❖ 离子交换的机理是什么？ ❖ 离子交换树脂的分类？ ❖ 离子交换树脂的理化性质有哪些？ ❖ 离子交换的选择性受哪些因素影响？ ❖ 基本的离子交换操作过程是怎样的？
❖ 我国在1950年以后开始离子交换树脂的研究， 1956年何炳林提出并合成了大孔型离子交换树脂 1958年，离子交换树脂在国内正式投入工业化生
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离子交换法概述
离子交换树脂的结构
其结构由三部分组成： ❖ 1.不溶性的三维空间网状结构构成的树脂骨架
（基质），使树脂具有化学稳定性和机械强度； ❖ 2.是与骨架相联的功能基团（电荷基团）； ❖ 3.是与功能基团带相反电荷的可移动的离子，
++++++
Starting buffercounter-ions
Substances to be separated
Gradient ions
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离子交换剂通常是一种不溶性高分子化合物， 如树脂，纤维素，葡聚糖，琼脂糖等，它的分子中 含有可解离的基团，这些基因在水溶液中能与溶液 中的其它阳离子或阴离子起交换作用。
在第二次世界大战中，美国获得了苯乙烯系和丙 烯酸系加聚型离子交换树脂合成的专利。它开创 了当今离子交换树脂制造方法的基础。
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离子交换法概述
离子交换树脂的发展
❖ 50年代以后，开展了膜状离子交换树脂的研究,开辟了 电化学的新领域。
❖ 50年代末，60年代初期, 又研制出耐压、耐磨、高交 换速度、能交换或吸着高分子量化合物的大孔离子交 换树脂。70年代以后，出现了各种大孔吸附树脂及特 种树脂。
❖ 带同种电荷的不同离子虽都可以结合到同一介 质上，但由于带电量不同，与介质的结合牢度 不同，改变洗脱条件可依次被洗脱而达到分离 的目的。
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离子交换法概述
离子交换层析原理
①
开始
-
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-
+-
+
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②
吸附
解 吸
③
剂 解吸
④
解吸结束
再
生 剂
⑤
再生
样 品
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+++-+++
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+++++++
+++++++
Hale Waihona Puke Baidu
++++++
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离子交换基团不但可结合到纤维上，还可结合 到交联葡聚糖（Sephadex）和琼脂糖凝胶 （Sepharose）上。此法广泛应用于很多生化物质 (例如氨基酸、多肽、蛋白质、糖类、核苷和有机 酸等)的分析、制备、纯化，以及溶液的中和、脱 色等方面。
5
它们的优点是: ⑴具有开放性支持骨架，大分子可以自由进入和迅 速扩散，故吸附容量大。 ⑵具有亲水性，对大分子的吸附不大牢固，用温和 条件即可以洗脱，不致引起蛋白质变性或酶的失活。 ⑶多孔性，表面积大、交换容量大，回收率高，可 用于分离和制备。
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离子交换法概述
离子交换树脂的发展
离子交换树脂的出现已有近80年的历史. 离子交换树脂发展史上的3个重要阶段 ❖ 1933年Adams和Hofms发明了缩聚类酚醛型阳、阴
离子交换树脂, ❖ 二战及二战后期离子交换树脂大发展
1939年德国法本公司和1941年美国的树脂产品和 化学品公司先后开始工业生产，
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一、离子交换法概述
离子交换层析（Ion Exchange Chromatography IEC） 是在以离子交换剂为固定相，液体为流动相的系统 中进行的，依据流动相中的组分离子与交换剂上的 平衡离子进行可逆交换时的结合力大小的差别而进 行分离。离子交换作用是指一个溶液中的某一种组 分离子与一个固体中的另一种具有相同电荷的离子 互相调换位置，即溶液中的离子跑到固体上去，把 固体上的离子替换下来。
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离子交换法概述
二、离子交换层析原理
❖ 离子交换法是通 过带电的溶质分 子与离子交换剂 中可交换的离子 进行交换而达到 分离纯化的方法。
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离子交换法概述
离子交换层析原理
❖ 主要依赖电荷间的相互作用，利用带电分子中 电荷的微小差异而进行分离。
❖ 选择适当条件可使一些溶质分子变成离子态， 通过静电作用结合到离子交换剂上，而另一些 物质不能被交换，这两种物质就可被分离。
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对于生物大分子而言，作用原理是带电的生物大 分子和离子交换色谱填料上的离子基团进行交换而 被分离纯化。
生物大分子电荷性不同，与离子交换层析介质的 离子基团间的作用力强弱也存在差异；
当使用高浓度盐溶液进行洗脱时，与离子交换层 析介质结合力弱的待分离分子先被洗脱下来，而结 合力强的分子后被洗脱下来，从而达到分离纯化的 目的。
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虽然交换反应都是平衡反应，但在层析柱上进 行时，由于连续添加新的交换溶液，平衡不断按正 方向进行，直至完全。因此可以把离子交换剂上的 离子全部洗脱下来。同理，当一定量的溶液通过交 换柱时，由于溶液中的离子不断被交换而浓度逐渐 减少，因此也可以全部被交换并吸附在树脂上。
如果有两种以上的成分被交换吸着在离子交换剂 上，用洗脱液洗脱时，被洗脱的能力则决定于各自 离子交换反应的平衡常数。
待交换分子：在吸附阶段可与活 性离子交换，与骨架上的功能基 团结合
11
离子交换法概述
离子交换树脂结构的简单表示：
R－SO3－ H＋(Na＋)
阳离子交换树脂
高分子基质; 固定离子基团；反离子（活性离子）
R－SO3－骨架； SO3－ H＋(Na+) 化学功能基团。
活性离子为阳离子，称阳离子交换树脂， 与阳离子发生交换 活性离子为阴离子，称阴离子交换树脂， 与阴离子发生交换
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离子交换剂可以分为三部分：高分子聚合物基质、 电荷基团和平衡离子。电荷基团与高分子聚合物共 价结合，形成一个带电的可进行离子交换的基团。 平衡离子是结合于电荷基团上的相反离子，它能与 溶液中其它的离子基团发生可逆的交换反应。
称为活性离子（反离子），它在树脂骨架中的 进进出出，就发生离子交换现象。
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离子交换法概述
离子交换树脂的结构-网络骨架
苯乙烯系、丙烯酸系、酚醛系、环氧系 10
离子交换法概述
离子交换树脂结构
骨架：接有功能基团，本身是惰性
功能基团：连接在骨架 上，可与 相反离子结合
活性离子：与功能基团所带电荷相 反的可移动的离子