离子交换

蛋白质离子交换分离的基本步骤
平衡 上样吸附 洗脱 再生

Equilibration
anion exchange bead
- - + + + - ++ -+
Sample application and wash
- + + +++ -+ -
Elution
-
- -- -- -
- - -- - - - - + + + + + + -+ +- + +-- + - -+
Regeneration
-- -- - - -- - - + -+ + -+ - -+ -+
Equilibration
Sample application and wash
Elution
Regeneration
- a n io n e x c h a n g e r b e a d
- - + + + - ++ -+

思考题
常用的离子交换树脂类型有哪些？ 影响离子交换速度的因素有来自百度文库些？ 用于蛋白质提取分离的离子交换剂有哪些 哪些特殊要求，主要有哪几类？

1
R0 为树脂颗粒半径
D1 为液相中的扩散系数 γ 为吸附常数
内部扩散控制
1 F 1 2 2e n 1n 6

i 2 2 D n t 2 r 0
影响交换速度的因素



颗粒大小：愈小越快 交联度：交联度小，交换速度快 温度：越高越快 离子化合价：化合价与高，交换越快 离子大小：越小越快 搅拌速度：在一定程度上，越大越快 溶液浓度：当交换速度为外扩散控制时， 浓度越大，交换速度越快
解吸附离子B+自树脂内部扩 散至树脂表面
B+离子从树脂表面扩散到溶 液中 交换速度的控制步骤是扩散 速度，不同的分离体系可能 由内部扩散或外部扩散控制.
交换速度方程
外部扩散控制
ln( 1 F ) K t 1
K1—外扩散速度常数
F—时间为t时，树脂的饱和度
3D K1 r0 r0
离子交换树脂的命名方法
离子交换树脂命名法中分类代号和骨架代号
代号
0
分类名称
强酸性
骨架名称
苯乙烯系
1
2 3 4 5 6
弱酸性
强碱性 弱碱性 螯合性 两性 氧化还原
丙烯酸系
酚醛系 环氧系 乙烯哌啶系 脲醛系 氯乙烯系
21.2离子交换树脂的制备

加聚法和缩聚法（依聚合方法分类） 加聚是指具有一个或一个以上双键的单体为原料， 在分散相中进行聚合；缩聚法是基于缩合反应的 聚合过程；

具体又可以分为：强阳、弱阳
强阴、弱阴
阳离子交换剂:对阳离子具有交换能力,活性基 团为酸性(带负电). 强酸性和弱酸性阳离子交换剂。 弱酸性阳离子交换剂在中性和碱性pH范围使用。
阴离子交换剂:对阴离子具有交换能力,活性基 团为碱性(带正电).强碱性和弱碱性阴离子交 换剂.弱碱性阴离子交换剂在中性和酸性pH 范围使用。
影响离子交换的主要因素
离子的水化半径 半径较小的离子易吸附 离子的化合价 化合价愈高愈易吸附 溶液的pH 要综合考虑树脂及被分离物质的酸碱稳定性 树脂的交联度 交联度大，膨胀度小的树脂选择性较好。
树脂选择的参考
被分离物质 强碱 弱碱 强酸 弱酸 树脂类型 弱酸型 强酸型 弱碱型 强碱型
分子量大
交联度低
式中 A1，A2——液相中的离子

A1 , A2 ——吸附的离子
Z1，Z2 —— A1，A2的价数


S , S ——液相和树脂相中的溶剂
ns —— 离子交换时，溶剂从树脂移入液相的毫摩尔数
离子交换机理
A+自溶液中扩散到树脂表面 A+从树脂表面进入树脂内部 的活性中心 A+与RB在活性中心上发生复 分解反应

强酸型阳离子交换树脂分离示例 Cl-, K+, Na+, Ag+ 的分离
游离状态
K：亲和力 H+ < Na+ < K+ < Ag+ H2O
交换反应
洗脱方式
离子交换完成后，将树脂吸附的物质重新 转入溶液的方法 洗脱方法 （1）改变溶液pH值 （2）改变溶液离子强度

洗脱
H+ < Na+ < K+ < Ag+
离子交换操作方法
树脂预处理 离子交换吸附 洗脱
实 验 室
树脂预处理
物理处理：水洗、过筛，去杂，以获得粒 度均匀的树脂颗粒； 化学处理：转型（氢型或钠型） 阳离子树脂 酸—碱—酸 阴离子树脂 碱—酸—碱 最后以去离子水或缓冲液平衡

离交操作方式
静态：操作简单、但是分批操作，交换不 完全 动态：离子交换柱，操作连续、交换完全， 适宜多组份分离 柱式固定床

共聚法和均聚法（以单体分类） 共聚是指两个或两个以上的单体进行聚合 均聚是指以一种单体进行聚合
几种主要的离子交换树脂制备方法
苯乙烯型离子交换树脂 单体：苯乙烯; 交联剂:二乙烯苯 酸性树脂引入磺酸基，碱性树脂引入季 铵，伯、 叔胺 丙烯酸-二乙烯苯羧基树脂 酚醛树脂 单体：水扬酸、苯酚、甲醛经缩聚而成 多乙烯多胺-环氧氯丙烷树脂
离子交换
21.1.基本概念

概念：利用离子交换树脂作为吸附剂，将 溶液中的待分离组分，依据其电荷差异， 依靠库仑力吸附在树脂上，然后利用合适 的洗脱剂将吸附质从树脂上洗脱下来，达 到分离的目的。
离子交换树脂的构成
离子交换树脂是一种不溶于酸碱和有机溶剂 的网状结构的功能高分子化合物. 具有三维空间离体结构的网络骨架 联接在骨架上的活性基团 活性基团所带的相反电荷的活性离子（可 交换离子）
被交换
影响离子交换选择性的因素


水合离子半径：半径越小，亲和力越大； 离子化合价：高价离子易于被吸附； 溶液pH：影响交换基团和交换离子的解离程度，但不 影响交换容量； 离子强度：越低越好； 有机溶剂：不利于吸附； 交联度、膨胀度、分子筛：交联度大，膨胀度小，筛 分能力增大；交联度小，膨胀度大，吸附量减少； 树脂与粒子间的辅助力：除静电力以外，还有氢键和 范德华力等辅助力；
弱碱性阴离子交换
常用的离子交换树脂

强酸性阳离子交换树脂：活性基团是-SO3H（磺酸 基）和-CH2SO3H（次甲基磺酸基）； 弱酸性阳离子交换树脂：活性基团有-COOH, -OCH2COOH, C6H5OH等弱酸性基团； 强碱性阴离子交换树脂：活性基团为季铵基团， 如三甲胺基(N(CH3)3或二甲基-ß-羟基乙基胺基； 弱碱性阴离子交换树脂：活性基团为伯胺或仲胺， 碱性较弱；
CMC Cation Exchanger
葡聚糖凝胶离子交换树脂 骨架为葡聚糖凝胶，如sepharose、sephadex， 根据功能基团的不同，亦可分为阳离子交换和 阴离子交换树脂
命名方法：交换活性基团+骨架+原骨架编号
特点：除了具有离子交换功能以外，兼有分子筛 的功能，提高了分离的效率 常用的葡聚糖凝胶离子交换树脂：CM-sephadex C-25、DEAE-sephadex A-25等

离子交换树脂的理化性能




外观：球形、浅色为宜，粒度大小为16~60目>90%； 机械强度：>90%； 含水量：0.3~0.7g/g 树脂； 交换容量：重量交换容量、体积交换容量、工作交换 容量或称表观交换容量（在某一条件下）； 稳定性：化学稳定性、热稳定性； 膨胀度：交联度、活性基团的性质与数量、活性离子 的性质、介质的性质和浓度、骨架结构； 湿真密度：单位体积湿树脂的重量； 孔度、孔径、比表面积



新型离子交换树脂

大孔离子交换树脂 大孔离子交换树脂具有和大孔吸附剂相同 的骨架结构，在大孔吸附剂合成后（加入 致孔剂），再引入化学功能基团，便可得 到大孔离子交换树脂
大孔离子交换树脂的优点


通过在合成时加入惰性致孔剂，克服了普通凝 胶树脂由于溶胀现象，产生的“暂时孔”现象， 从而强化了离子交换的功能； 减少了凝胶树脂在离子交换过程中的“有机污 染”现象（大分子不易洗脱）； 可以通过致孔剂选择调整孔径大小、树脂的比 表面积，以适应不同的分离要求。 常用的致孔剂有：良溶剂（能与单体互溶的） 甲苯、四氯化碳；不良溶剂 长链醇（碳4-10） 煤油；高分子聚合物 聚苯乙烯、聚丙烯酸酯
其它离子交换树脂类型
两性树脂：同时含有酸、碱两种基团的树脂； 均孔型离子交换树脂：主要是阴离子型凝

胶离子交换树脂，孔径均匀，交换容量高、机 械强度好； 螯合树脂：树脂上含有具有螯合能力的集团， 既可以形成离子键，又可以形成配位键；主要 用于脱除金属离子； 多糖基离子交换树脂：固相载体为多糖类 物质，亲水性强、交换空间大、对生物大分子 物致变性作用

离子交换容量：单 位质量的干离子交 换剂或单位体积的 湿离子交换剂所能 吸附的一价离子的 物质的量(mmol)。
滴定曲线：以单位质量 干离子交换剂加入 NaOH或HCl的量 （mmol）为横坐标，以 平衡值为纵坐标.

离子交换过程

离子交换过程是可逆多相化学反应 1 1 1 1 A A ns S A A nsS 1 2 1 2 Z Z Z Z 1 2 1 2
+ + +++ -+
-
- -- -- -
-
- -- -- - - - - -- - - - - + + - + -+ + + + + -+ + -+ +- + +- - - +- + - -+ -+
常用于蛋白质提取分离的离子交换剂
要求：良好的亲水性、具有较大的均匀网 格结构、粒度越小分辨率越高 种类：多糖类 离子交换纤维素 交联葡聚糖 交联琼脂糖 聚乙烯醇类 Mono系列 Amersham Pharmacia

多糖基离子交换树脂
离子交换纤维素 树脂骨架为纤维素，根据活性基团的性质可分为阳 离子交换纤维素和阴离子交换纤维素两类
特点：骨架松散、亲水性强、表面积大、交换容量大、 吸附力弱、交换和洗脱条件温和、分辨率高
常用的离子交换纤维素有： 甲基磺酸纤维素、羧甲基纤维素、二乙基氨基乙 基纤维素
DEAE anion exchanger
离子交换的选择性

离子交换常数：交换势或交换系数
[RB ][ A ]s K [RA ][ B ]s
B A
[R-A]、[R-B]表示结合在树脂上的A离子和B离子浓度 [A]S、[B]S表示溶液中A离子和B离子
[ R B ]/[ R A ] K [ B ] A ] s /[ s
B A
B 越大B越易 KA
离子交换树脂的结构 骨架 酚醛树脂
带有活性基团的网状高分子聚合物
OH + CH2O
C H =C H 2
C H =C H 2
交联剂
聚乙烯树脂 活性基团 酸性基团
+ C H =C H 2
—SO3H —COOH
碱性基团 —N+R3 —NR2
特殊基团
树脂的网络骨架
离子交换的分类

按活性基团分类，可分为阳离子交换树脂 (cation exchange)（含酸性基团）和阴 离子交换树脂(anion exchange)（含碱性 基团）。
前 一 状 态
C
Na+
K+
Ag+ 淋洗曲线 t
树脂再生
是指是离子交换树脂重新具有交换能力的 过程 酸性阳离子树脂 酸-碱-酸-缓冲溶液淋洗 碱性阴离子树脂 碱-酸-碱-缓冲溶液淋洗 方式有：顺流再生和逆流再生

离子交换应用实例
软水和无盐水的制备 抗生素的提取
蛋白质的纯化
离子交换法提取蛋白质 较无机离子的离子交换平衡复杂，其吸附 行为与离子间的静电引力、氢键、疏水作 用以及范德华力有关 蛋白质是生物大分子物质，因此，其扩散 行为也较无机离子复杂