离子交换层析及应用
离子交换柱层析的操作与应用
三、吸附柱层析的基本操作与应用
第四节 离子交换柱层析
• 一、原理与特点
离子交换层析是依据各种离子或离子化合物与离子交换剂 的结合力不同而进行分离纯化的。离子交换层析的固定相 是离子交换剂，它是由一类不溶于水的惰性高分子聚合物
基质通过一定的化学反应共价结合上某种电荷基团形成的。
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， 它能与溶液中其他的离子基团发生可逆的交换反应。平衡离 子带正电的离子交换剂能与带正电的离子基团发生交换作用， 称为阳离子交换剂；平衡离子带负电的离子交换剂与带负电 的离子基团发生交换作用，称为阴离子交换剂。
（三）依分离机理分 1.吸附层析 2.分配层析 3.凝胶过滤 4.离子交换层析 5.亲和层析 6.疏水层析
第二节 层析分离的基本操作技术
一、柱层析基本操作技术 （一）柱层析的基本装置 1、固定相 2、流动相 3、收集系统 4、检测系统 5、蠕动泵
（二）柱层析系统的基本操作技术
1.装柱 2.平衡 3.加样 4.洗脱 5.流速控制 6.分部收集 7.洗脱峰检测、合并收集 8.层析介质的再生
• 一、吸附层析的原理与特点 基本原理同吸附薄层色谱法。 • 二、吸附剂的选择 • 常用的吸附剂除氧化铝、硅胶和聚酞胺外， 还有活性炭。 • 吸附剂的种类很多，而对吸附剂的选择尚 无固定的法则，一般需通过小样实验来确 定。
离子交换柱层析原理
离子交换层析介质的应用离子交换层析分离纯化生物大分子的过程，主要是利用各种分子的可离解性、离子的净电荷、表面电荷分布的电性差异而进行选择分离的。
现已成为分离纯化生化制品、蛋白质、多肽等物质中使用最频繁的纯化技术之一。
子交换层析（Ion Exchange Chromatography 简称为IEC）是以离子交换剂为固定相，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的一种层析方法。
离子交换层析是目前生物化学领域中常用的一种层析方法，广泛的应用于各种生化物质如氨基酸、蛋白、糖类、核苷酸等的分离纯化。
1.离子交换层析的基本原理：离子交换层析是通过带电的溶质分子与离子交换层析介质中可交换离子进行交换而达到分离纯化的方法，也可以认为是蛋白质分子中带电的氨基酸与带相反电荷的介质的骨架相互作用而达到分离纯化的方法。
离子交换层析法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，具有较高的分离容量。
几乎所有的生物大分子都是极性的，都可使其带电，所以离子交换层析法已广泛用于生物大分子的分离、中等纯化及精制的各个步骤中。
由于离子交换层析法分辨率高，工作容量大，并容易操作，因此它不但在医药、化工、食品等领域成为独立的操作单元，也已成为蛋白质、多肽、核酸及大部分发酵产物分离纯化的一种重要的方法。
目前，在生化分离中约有75%的工艺采用离子交换层析法。
2.离子交换层析介质：离子交换层析的固定相是离子交换剂，它是由一类不溶于水的惰性高分子聚合物基质通过一定的化学反应共价结合上某种电荷基团形成的。
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。
平衡离子带正电的离子交换剂能与带正电的离子基团发生交换作用，称为阳离子交换剂；平衡离子带负电的离子交换剂与带负电的离子基团发生交换作用，称为阴离子交换剂。
离子交换层析的原理
离子交换层析的原理离子交换层析是一种常用的分离和富集技术，它利用离子交换树脂对离子进行选择性吸附和解吸，从而实现对离子的分离和富集。
其原理主要包括树脂的选择性吸附、离子交换和洗脱三个步骤。
下面将详细介绍离子交换层析的原理及其应用。
首先，树脂的选择性吸附。
离子交换树脂是一种聚合物材料，具有大量的离子交换基团，能够与溶液中的离子发生化学反应，形成离子交换平衡。
当溶液中的离子与树脂表面的离子交换基团发生反应后，被选择性吸附在树脂表面上，而其他离子则通过树脂层析柱，不被吸附。
这样就实现了对离子的选择性吸附。
其次，离子交换。
在选择性吸附的基础上，溶液中的离子与树脂上的离子发生交换反应，使得被吸附的离子逐渐被替换出来。
这个过程是可逆的，当树脂上的离子被替换出来后，树脂又可以重新吸附其他离子。
这样就实现了对离子的分离。
最后，洗脱。
经过离子交换后，树脂上被吸附的离子需要被洗脱下来。
通常采用盐溶液或酸碱溶液进行洗脱，将被吸附的离子从树脂上彻底洗脱出来。
洗脱后的溶液中含有高浓度的目标离子，可以用于后续的分析或提纯。
离子交换层析技术在环境监测、食品安全、生物医药等领域有着广泛的应用。
例如，可以用于水质监测中对重金属离子的富集和分离，也可以用于生物样品中对蛋白质、核酸等生物大分子的富集和提纯。
由于其选择性强、操作简便、效果显著等特点，已成为分离和富集领域中不可或缺的重要技术手段。
总之，离子交换层析技术是一种重要的分离和富集技术，其原理简单清晰，应用广泛。
通过选择性吸附、离子交换和洗脱三个步骤，可以实现对离子的分离和富集，为后续的分析和提纯提供了重要的支持。
希望本文的介绍能够帮助大家更好地理解离子交换层析的原理及其应用。
离子交换层析实验报告
离子交换层析实验报告离子交换层析实验报告引言：离子交换层析是一种常用的分离和纯化技术，广泛应用于化学、生物、环境等领域。
本实验旨在通过离子交换层析技术，研究不同离子在固定相上的吸附行为，并探讨离子交换层析的应用潜力。
实验材料与方法：材料：离子交换树脂、不同离子溶液、蒸馏水。
仪器：离子交换层析柱、分光光度计。
方法：1. 准备不同离子溶液，浓度分别为10 mM。
2. 将离子交换树脂装入层析柱中，并用蒸馏水洗涤至平衡。
3. 将不同离子溶液分别加入层析柱，收集洗脱液。
4. 使用分光光度计测定洗脱液中离子的浓度。
结果与讨论：通过实验，我们观察到不同离子在离子交换层析柱上的吸附行为存在一定差异。
以Na+、K+、Ca2+、Mg2+为例，我们发现Na+和K+的吸附量较小，洗脱较快，而Ca2+和Mg2+的吸附量较大，洗脱较慢。
这是因为离子交换树脂中的功能基团与离子之间的亲和性不同所致。
进一步分析发现，离子交换层析技术在水处理、食品加工、药物制备等领域具有广泛应用潜力。
例如，在水处理中，离子交换层析可用于去除水中的重金属离子和有害物质，提高水质；在食品加工中，离子交换层析可用于去除食品中的杂质和有害物质，提高食品质量；在药物制备中，离子交换层析可用于纯化和分离药物成分，提高药物的纯度和效果。
此外，离子交换层析还可以与其他分离技术相结合，形成多重分离系统，提高分离效率。
例如，离子交换层析与凝胶过滤、逆流色谱等技术的结合，可实现对复杂混合物的高效分离。
结论：离子交换层析是一种重要的分离和纯化技术，具有广泛的应用前景。
通过本实验，我们深入了解了离子在离子交换层析柱上的吸附行为，以及离子交换层析技术的应用潜力。
未来，我们将进一步探索离子交换层析技术在不同领域的应用，为科学研究和工程实践提供更多可能性。
离子交换层析的原理和应用
离子交换层析的原理和应用1. 原理概述离子交换层析是一种常用的分离和纯化技术，基于离子交换剂与目标物质之间的相互作用。
其原理是利用交换剂固定在固定相上的活性基团与待分离物质之间的化学吸附和解析度差异来实现目标物质的纯化和富集。
2. 交换剂的选择在离子交换层析中，选择合适的交换剂对分离效果至关重要。
- 强酸型离子交换剂：适用于分离酸性物质。
- 强碱型离子交换剂：适用于分离碱性物质。
- 强酸型离子交换剂与强碱型离子交换剂的混合：适用于分离中性物质。
3. 实验步骤离子交换层析的实验步骤如下： 1. 样品预处理：将待分离物质从样品中提取出来并纯化。
2. 选择合适的离子交换剂：根据目标物质的特性选择合适的离子交换剂。
3. 准备固定相：将离子交换剂固定在合适的固定相上。
4. 填充层析柱：将固定相装填到层析柱中。
5. 样品加载：将样品溶液加载到层析柱上，目标物质与离子交换剂发生相互作用。
6. 洗脱：通过改变溶液条件，如浓度、pH值等，使目标物质与离子交换剂解离，从而洗脱出来。
4. 应用领域离子交换层析广泛应用于以下领域： - 生物制药：用于分离和纯化蛋白质、抗体、核酸等生物大分子。
- 环境监测：用于分离和富集水样中的有机和无机污染物。
- 食品工业：用于食品添加剂、色素、香料等的分离和纯化。
- 化学分析：用于分析样品中的离子和有机物质。
- 生命科学研究：用于研究生物大分子的性质和相互作用。
5. 优点和局限性离子交换层析具有以下优点： - 分离效果好：可以实现高纯度的目标物质。
-操作简单：实验步骤相对简单，易于操作。
- 高选择性：可以通过调整离子交换剂和溶液条件来实现目标物质的选择性分离。
然而，离子交换层析也存在一些局限性： - 样品负荷量有限：由于固定相的固定容量限制，样品负荷量较小。
- 洗脱效果难以调控：洗脱条件的调控比较复杂，对操作者要求较高。
- 耗时较长：由于样品加载和洗脱等步骤的需要，离子交换层析需要较长的时间。
离子交换层析法
五、缓冲液的选择
缓冲液酸碱度的选择，决定于被分离物质的等电点、稳定 性、溶解度和交换剂离子的pK值。使用阴离子交换纤维时要选 用低于pK值的缓冲液，若欲分离的物质属于酸性，则缓冲液的 pH值要高于该物的等电点；用阳离子交换纤维时要选用高于 pK值的缓冲液，目的物属于碱性物质的话，缓冲液要低于该物 等电点的pH值。 缓冲液离子以不干扰分离物活性测定、不影响待测物溶解 度、不发生沉淀为原则，如使用UV吸收法测样品，那么 pyridine或barbital这类会吸收UV的物质就不适用。
三、树脂的选择
最常见的离子交换树脂材质是聚苯乙烯苯二乙烯（polystyrenedivinylbenzene）， 它是由苯乙烯（styrene）和苯二乙烯 （divinylbenzene）聚合产生的三维网状结 构，举例来说，Dow化学公司所生产的树脂 Dowex 50×8，表示含8%苯二乙烯。 具体的，根据交换树脂的性能，树脂可分 为阳离子与阴离子交换树脂：
1. 阳离子交换树脂 分为强酸型、中强酸型和弱酸型三类，强酸型树脂含有－R－ SO3H，中强酸型树脂含有－PO3H2、－PO2H2或－O－PO2H2， 弱酸型树脂含有－COOH或－OH。 阳离子交换树脂进行的反应 如下：
2. 阴离子交换树脂 分为强碱型、中强碱型和弱碱型三类，含有铵盐，四级铵盐 [ － N+(CH3)3] 为强碱型树脂，三级以下铵盐 [－N(CH3)2]、[ － NHCH3]、[ －NH2] 都属弱碱型树脂；同时具有强碱和弱碱型基 团的，为中强碱型的树脂。阴离子交换树脂进行的反应如下：
洗脱馏份的分析按一定体积（5-10ml/管）收集的洗脱液可 逐管进行测定，得到层析图谱。依实验目的的不同，可采用适 宜的检测方法（生物活性测定、免疫学测定等）确定图谱中目 的物的位置，并回收目的物。
离子交换层析的原理及应用
离子交换层析的原理及应用原理离子交换层析（Ion Exchange Chromatography）是一种常用的分离和纯化技术，基于离子交换原理进行操作。
其原理可以概括为将待分离物质溶液与具有离子交换功能的固体材料接触，在一定条件下，通过离子间的相互吸附和解吸实现对混合物中不同成分的分离。
离子交换材料通常是高分子化合物，具有特定的固定相功能基团，例如负离子交换树脂中的胺基或二甲胺基，正离子交换树脂中的磺酸基或醋酸基。
这些功能基团与待分离物质中的离子发生相互作用，实现对呈离子状态的物种的吸附和解吸。
离子交换层析可以根据离子交换材料的性质和操作条件的不同，实现不同类型的分离。
常见的离子交换层析包括阴离子交换层析和阳离子交换层析。
阴离子交换层析用于分离带负电的离子，阳离子交换层析用于分离带正电的离子。
应用离子交换层析广泛应用于各个领域的分析和制备过程中。
以下列举了离子交换层析的一些常见应用：1.食品行业：离子交换层析可用于食品中有害离子的分离和检测。
例如，可以使用阴离子交换层析材料对水中的重金属离子进行分离和测定。
2.制药行业：离子交换层析在制药工艺中常用于纯化药物和去除杂质离子。
例如，可以使用阳离子交换层析将药物分离纯化。
3.环境分析：离子交换层析可用于对环境样品中的离子进行分离和测定。
例如，可以使用离子交换层析材料对水和土壤样品中的阴阳离子进行分离纯化，并用于环境监测。
4.生物学研究：离子交换层析在生物学研究中被广泛应用于分离和纯化生物大分子。
例如，可以使用阴离子交换层析将蛋白质分离纯化。
5.水处理：离子交换层析是一种常用的水处理技术，可用于去除水中的有害离子和杂质离子。
例如，可以使用阳离子交换层析材料对水中的硬度离子进行去除。
除上述应用外，离子交换层析还可用于其他领域的离子分离和分析，例如电子行业、石油化工、环境监测等。
总结离子交换层析是一种基于离子交换原理的分离和纯化技术。
其原理基于离子交换材料和待分离物质中的离子之间的相互吸附和解吸。
离子交换层析法阳离子交换剂吸
离子交换层析法阳离子交换剂吸
离子交换层析法是一种常见的分离和纯化技术，其中阳离子交
换剂被用于吸附和分离带正电荷的离子或分子。
这种技术的原理是
利用固定在固体支持物上的功能基团与待分离物质之间的离子交换
作用来实现分离。
阳离子交换剂通常具有负电荷的功能基团，比如
硫酸基团或羧基团，能够吸附和固定带正电荷的离子或分子。
在离子交换层析法中，样品溶液首先被通过固定有阳离子交换
剂的柱子或床层，带正电荷的离子或分子会与交换剂上的负电荷功
能基团发生离子交换，被吸附在固相上，而不带电荷或带负电荷的
物质则会通过柱子流出。
随后，通过改变溶液的pH值或者使用盐溶
液来洗脱被吸附的阳离子，从而实现对目标物质的纯化和分离。
离子交换层析法在生物化学、药物制备、环境监测等领域有着
广泛的应用。
它可以用于分离和纯化蛋白质、核酸、药物等生物大
分子，也可以用于水处理、废水处理、土壤污染物分析等环境领域。
采用不同类型的阳离子交换剂，可以实现对不同种类离子或分子的
选择性吸附和分离，因此具有很高的应用灵活性和可塑性。
总的来说，离子交换层析法作为一种有效的分离和纯化技术，
阳离子交换剂在其中起着至关重要的作用，通过离子交换作用实现对带正电荷离子或分子的选择性吸附和分离，具有广泛的应用前景和重要的科学意义。
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概述
离子交换长期用于水的处理和金属的回收。
在生物工业中，经典的离子交换剂，即离子交换
树脂，广泛用于提取抗生素、氨基酸、有机酸等
小分子物质，特别是抗生素工业。
由于离子交换法具有成本低、设备简单、操 作简便，以及不用和少用有机溶剂等特点，已成 为提取抗生素的有效方法之一。
但是，离子交换法也有其缺点。如生产周期 长，成品质量有时较差，在生产过程中，PH变化 较大故不适用于稳定性较差的抗生素，以及不一 定能找到合适的树脂等。
树脂，101—200为弱酸阳离子交换树脂，201—300号为强碱阴离
子树脂，301—400号为弱碱阴离子交换树脂。
例如弱酸101x4，强酸1x3，弱碱327。“x”表示交联度，
即二乙烯苯的含量。
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1997年我国石化部颁布了新的规范化命名法。 离子交换树脂的型号由三位阿拉伯数字组成。
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1.4 交联度
螯合树脂
强碱型 —N+(CH3)3Cl- pH <12
弱碱型
—N+H3 OH—N+H2R OH-
pH < 4
—N+HR2 OH-
含有特殊螯合基团的树脂
两性交换树脂
电子交换树脂，含有氧化还原功能基团
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离子交换树脂的骨架（载体） －－活性功能团的支持介质
1、苯乙烯型树脂： 由苯乙烯（单体）和二乙烯苯（交联剂）的
它是指在实际操作条件下单位体积（或重量）树脂中
实际参加交换的活性基团。它的大小不是固定不变的，而
1.2.3 强碱性阴离子交换树脂
有两种强碱性阴离子交换树脂。一种是三甲氨基称为强碱Ⅰ型， 另一种含二甲基-β-羟基-乙基胺基团，称为强碱Ⅱ型
CH3 C2H4OH
N CH3
N CH3
CH3 CH3
Ⅰ型的碱性比Ⅱ型强，但再生比较苦难， Ⅱ型的稳定性比较差。
和强酸一样，强碱性树脂使用的PH没有限制。
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1.2 离子交换树脂的分类
1.2.1 强酸性阳离子交换树脂
一般以磺酸基— SO3H作为活性基团，由于是强酸性基团，其
电离程度不随外界溶液的PH大小而变化，所以使用时的PH一般没有限
制。通式用R表示熟知的骨架。
此外还以磷酸基—PO(OH)2和次磷酸基—PHO(OH)作为活性基 团的树脂具有中等强度的酸性
1.5 交换容量Q
交换容量 Q ：
是表示单位质量（每克）干树脂所能交换的离子（相 当于一价离子）的物质的量。其标志离子交换树脂交换能 量的大小，是衡量离子交换树脂性能的重要的参数。
可分为总交换容量和工作交换容量
总交换容量：是指离子交换剂所能提供交换离子的总量，
工作交换容量：在一定操作条件下实际测得的交换容量称 为。
1.2.4 弱碱性阴离子交换树脂
功能团可以是伯氨基—NH2，仲氨基 NH等。和弱酸树脂一样，其交
换能力随PH变化而变化，PH越低其交换能力越大。
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弱碱性阴离子交换树脂 具有弱碱性的活泼基团：-CH2NH3+Cl -
-CH2NH2(CH3)+Cl -
-C此H2N类H(树CH3脂)2+的Cl交- 换能力受酸度的影响较大。
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聚苯乙烯型磺酸基阳 离子交换树脂
图中以波形线条代表树 脂的骨架，活性基团 磺酸基（—SO3-）,活性 离子H+。
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特点：
强酸性苯乙烯型阳离子交换树脂
❖ 淡黄色球状颗粒；
❖ 化学稳定性好，耐磨性好； ❖ 在酸性、碱性和中性介质中都可使用； ❖ 交换反应速度快； ❖ 无机、有机阳离子均可交换。
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110树脂：丙烯酸甲酯与二乙烯苯聚合而成。 724树脂：它是由甲基丙烯酸、甲基丙烯酸甲
酯和二乙烯苯三元共聚而得 。
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常用离子交换树脂特性表
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1.3 树脂的命名
在资本主义国家里，树脂的生产为几家加大公司所垄断，
生产的树脂往往以该公司的名称或者商业名称来表示。
我国的树脂命名方法为。从1—100号为强酸阳离子交换
共聚物为骨架，再引入所需的酸性基或碱性基。
如：聚苯乙烯磺酸型阳离子交换树脂
再引入磺化-----强酸树脂 或氯甲基化后引入季胺基-----强碱树脂
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2、丙烯酸型阳离子交换树脂
将丙烯酸甲酯与二乙烯苯以过氧化苯甲酰作为 引发剂，聚合后再水解即得到树脂。
特点：活性基因存在于单体，交换容量大。
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1.2.2 弱酸性阳离子交换树脂
功能团可以为羧基—COOH，酚羟
基—OH等。这种树脂的电离程度小，其交
换性能和溶液的PH有很大关系。在酸性溶
液中，这类树脂几乎不发生交换反应，交
换能力随溶液的PH增加而提高。对于羧基
树脂，应该在PH>7的溶液中操作，而对于
酚羟基树脂，溶液的PH>9。
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离子交换树脂具有不溶解性是由于它的
三元网状结构。要得到网状结构，必须以二乙烯
化合物作为交联剂，其中最常用的是二乙烯苯。
一般来讲，交联度越小，膨胀度越大， 树脂的机械强度越差。
交联度
W
P%
d
100 %
Wm
式中：
W d — 工业二乙烯苯的重量
P % — 工业二乙烯苯的含量
W — 单体相重量
m
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第一章 1 基本概念 1.1 离子交换树脂
离子交换树脂是一种不溶于酸、碱和有机溶 剂的高分子化合物，它的化学稳定性良好，具有 离子交换能力。
其巨大的分子可以分为两部分：一部分是不 能移动的、多价的高分子集团，构成树脂的骨架， 使树脂具有上述的溶解性和稳定性；另一部分是 可以移动的离子，称为活性离子（活性集团）， 它在树脂骨架中进进出出 ，就发生离子交换现 象。
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离子交换树脂的结构 带有活性基团的网状高分子聚合物
骨架
活性基团
酸性基团 —SO3H —COOH
酚醛树脂 聚乙烯树脂
OH + CH2O
C H =C H 2 +
C H =C H 2
C H =C H 2
交联剂
碱性基团
—N+R3 —精N品R课2件
特殊基团
树脂的网络骨架
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离子交换树脂三维空间立体结构
用Na2CO3、 NH4OH等进行 再生。
大孔弱碱性苯乙烯型阴离子交换树脂
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离子交换树脂的分类
阳离子交换树脂
交换基为酸性， H+与阳离子交换
强酸型 弱酸型
依据活性基团的种类
—SO3H —COOH —OH
ห้องสมุดไป่ตู้
使用 pH 范围 pH > 2 pH > 7
pH >10
阴离子交换树脂 交换基为碱性， 阴离子发生交换