第5章 离子交换层析

(2) 亲水性离子交换剂
与水亲和性较大，有纤维素、交联葡聚糖、交联琼脂 糖等。 ①纤维素离子交换剂 又称离子交换纤维素，是以微晶纤维素为基质，引入 电荷基团构成的。分为强酸性、弱酸性、强碱性及弱碱性离 子交换剂。纤维素离子交换剂中，最广泛使用的是二乙胺基 乙基(DEAE一)纤维素和羧甲基(CM一)纤维素。 近年来Pharmacia公司用微晶纤维素经交联作用，制成 了类似凝胶的珠状弱碱性离子交换剂(DEAE—Sephacel)，结 构与DEAE一纤维素相同，对蛋白质、核酸、激素及其他生物 聚合物都有同等的分辨率。
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 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
影响交换速度的因素
③螯合离子交换剂：
这类离子交换树脂具有吸附(或络合)一些金属离子而排 斥另一些离子的能力，可通过改变溶液的酸度提高其选择性。 由于它的高选择性，只需用很短的树脂柱就可以把欲测的金属 离子浓缩并洗脱下来。
疏水性离子交换剂含有大量的活性基团，交换容量大、流 速快、机械强度大，主要用于分离无机离子、有机酸、核苷酸 及氨基酸等小分子物质，也可用于从蛋白质溶液中除去表面活 性剂(如SDS)、去污剂(如TritonX—100)、尿素、两性电解质 等。
微晶纤维-又称纤维素胶或 结晶纤维素
性状：白色或几乎白色 的细小粉末，无臭，无味， 可压成自身粘合的小片，并 可在水中迅速分散，不溶于 水、稀酸、稀碱溶液和大多 数有机溶剂。 制法：将纤维性植物材 料与无机酸捣成浆状，经处 理使之降解后漂洗、研磨、 脱水、烘干、粉碎制成。
目前常用的纤维素交换剂
交换剂 类型 （简写） 磷酸纤维素 中强酸型阳离 （ P-C ） 子交换剂 磺酸乙基纤维素 强酸型阳离子 （ SE-C ） 交换剂 功能基团 — PO 3 2— (CH 2 ) 2 SO 3 交换容量 （毫克当量/g） 0.7~7.4 0.2~0.3 0.5~1.0 0.5~1.0 0.1~1.0 0.3~1.0 0.3~0.5 适宜 pH Ph<4 极低 pH>4 pH>8.6 pH<8.6
②阴离子交换剂
此类交换剂是在基质骨架上引入季胺[-N (CH3)3]、叔 胺[-N(CH3)2]、仲胺[-NHCH3]和伯胺[-NH2]基团后构成的。 依据胺基碱性的强弱，又可分为强碱性(含季胺基)、弱 碱性(含叔胺、仲胺基)及中强碱性(既含强碱性基团又含弱 碱性基团)三种阴离子交换剂。 它们与溶液中的离子进行交换时，反应式为：
疏水性离子交换剂（树脂）的命名
（D）①②③×④
（D）——大孔型 无——凝胶型 ①分类代号 0—强酸 1—弱酸 3—弱碱 4—螯合 5—两性 6—氧化还原活 性基团 ②骨架名称 0—苯乙烯系 1—丙烯酸系 2—酚醛系 3—环氧系 4—乙烯吡 啶系 5—脲醛系 6—氯乙烯系 ③顺序代号 用以区别交换基团或交联剂的差异。 ④交联度（%）
羟甲基纤维素 弱酸型阳离子 — CH 2 COO （ CM-C ） 交换剂 三乙基氨基乙基纤 强碱型阴离子 — (CH 2 ) 2 N + (C 2 H 5 ) 3 维素（ TEAE-C ） 交换剂 二乙氨基乙基纤维 弱碱型阴离子 — (CH 2 ) 2 N + H (C 2 H 5 ) 2 素（ DEAE-C ） 交换剂 氨基乙基纤维素 中等碱型阴离 （ AE-C ） 子交换剂 Ecteda 纤维素 （ ECTE-C ） — (CH 2 ) 2 N + H 2

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,与扩散系数增加有关 离子化合价：化合价越高，扩散速度小 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
离子交换层析的基本原理
若选择阳离子交换树脂，则带正电荷的物质与H+发生交换 而结合在树脂上。若选择阴离子交换树脂，则带负电荷的物 质可与OH-发生交换而结合在树脂上。 物质在树脂上结合的牢固程度有差异，选用适当的洗脱液 可将混合物中的组分逐个洗脱下来，达到分离纯化的目的。
影响离子交换选择性的因素
交换选择性影响亦大。

离子强度：越低越好；

在稀溶液中，强碱性树脂的各负电性基团的离子 结合力次序是：CH3COO–<F–<OH–<HCOO–<Cl–<Br– 有机溶剂：不利于吸附； <CrO42–<NO2–<I–<C2O42–< SO42–<柠檬酸根。 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 弱碱性阴离子交换树脂对各负电性基团结合力的 度小，膨胀度大，吸附量减少；<C1–<Br–=I–＝CH3COO–<MoO42–<PO43– 次序为：F– <AsO43–<NO3–<酒石酸根<柠檬酸根<CrO42–<SO42– 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； <OH–。


如Na+<Ca2+<Al3＋<Si4＋。如 原子价数相同，交换量则随 交换离子的原子序数的增加 ＋ ＋ ＋ 水合离子半径：半径越小，亲和力越大；而增大，如Li <Na <K <Pb＋。在稀溶液中适用。 离子化合价：高价离子易于被吸附； 1、竞争；2、增加蛋白 质的水合作用，降低吸 溶液pH：影响交换基团和交换离子的解离程度，不但影响交换容量；对 附和交换速度。
②交联葡聚糖离子交换剂
交联葡聚糖离子交换剂是以交联葡聚糖G–25和G–50 为基质，通过化学方法引入电荷基团而制成的。 交换剂G–50型适用于相对分子质量为3×104～3×106 的物质的分离，交换剂G–25型能交换相对分子质量较小 (1×103～5×103)的蛋白质。 交联葡聚糖离子交换剂的性质与葡聚糖凝胶相似， 在强酸和强碱中不稳定，在pH＝7时可耐120℃的高热。它 既有离子交换作用，又有分子筛性质，可根据分子大小对 生物高分子物质进行分级分离，但不适用于分级分离相对 分子质量大于2×105的蛋白质。
两性离子如蛋白质、核苷酸、氨基酸等与离子交换剂的 结合力，主要决定于它们的理化性质和特定的条件下呈现 的离子状态。当pH<pI时，能被阳离子交换剂吸附，反之， 当pH>pI时，能被阴离子交换剂吸附。若在相同pI条件下， 且pI>pH时，pI越高，碱性越强，就越容易被阳离子交换剂 吸附。 离子交换层析就是利用离子交换剂的荷电基团，吸附溶 液中相反电荷的离子或离子化合物，被吸附的物质随后为 带同类型电荷的其他离子所臵换而被洗脱。由于各种离子 或离子化合物对交换剂的结合力不同，因而洗脱的速率有 快有慢，形成了层析层。
第五章
离子交换层析
离子交换层析是利用离子交换剂上的可交换离 子与周围介质中被分离的各种离子间的亲和力不同， 经过交换平衡达到分离的目的的一种柱层析法。 离子交换层析具有灵敏度高，重复性、选择性 好，分析速度快等优点，是当前最常用的层析法之 一。
1848年，Thompson 等人在研究土壤碱性物质交换过 程中发现离子交换现象。本世纪40年代，出现了具有稳定 交换特性的聚苯乙烯离子交换树脂。50年代，离子交换层 析进入生物化学领域，应用于氨基酸的分析。目前离子交 换层析仍是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。
一、离子交换剂的类型
根据离子交换剂中基质的组成及性质，可将其分成两 大类：疏水性离子交换剂和亲水性离子交换剂。 (1)疏水性离子交换剂 是一种与水亲和力较小的人工合成树脂，最常见的是 由苯乙烯与交联剂二乙烯苯反应生成的聚合物，在此结构 中再以共价键引入不同的电荷基团。由于引入电荷基团的 性质不同，又可分为阳离子交换树脂、阴离子交换树脂及 螯合离子交换树脂。
+ +
+
+ —
+ + + + + + +
+ +
+
— + —
1.平衡阶段:离子交 换剂与反离子结合 2.吸附阶段：样品 与反离子进行交换 3、4. 解吸附阶段： 梯度缓冲溶液先洗下 弱吸附物质，后洗下 强吸附物质 5.再生阶段：用原始 平衡液进行充分洗涤 ，既可重复使用
第二节
离子交换剂的分类及性质
第一节 基本原理
离子交换剂
特性
在水中呈不溶解状态，能释放出反离子。同时它 与溶液中的其他离子或离子化合物相互结合，结合后 不改变本身和被结合离子或离子化合物的理化性质。
离子交换反应
离子交换剂与水溶液中离子或离子化合物的反应
主要是以离子交换方式进行。所进行的离子交换反应 是可逆的。假定以RA代表阳离子交换剂，在溶液中解 离出来的阳离子A+与溶液中的阳离子B+可发生可逆的 交换反应，反应式为：
中等碱型阴离 — (CH 2 ) 2 N + (C 2 H 4 OH) 3 子交换剂
离子交换纤维素适用于分离大分子多价电解质。 特点： 结构疏松，对生物高分子物质(如蛋白质和核酸 分子)有较大的穿透性； 表面积大，因而有较大的吸附容量； 基质是亲水性的，避免了疏水性反应对蛋白质 分离的干扰； 电荷密度较低，与蛋白质分子结合不牢固，在 温和洗脱条件下即可达到分离的目的，不会引起蛋白 质的变性。 但纤维素分子中只有一小部分羟基被取代，结 合在其分子上的解离基团数量不多，故交换容量小， 仅为交换树脂的1/10左右。