離子交換層析(ionexchangechromatography)是利用離子交換劑上的可交換離子與周?chē)橘|(zhì)中被分離的各種離子間的親和力不同，經(jīng)過(guò)交換平衡達(dá)到分離的目的的一種柱層析法。該法可以同時(shí)分析多種離子化合物，具有靈敏度高，重復(fù)性、選擇性好，分析速度快等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前最常用的層析法之一。
(一)基本原理
離子交換層析對(duì)物質(zhì)的分離通常是在一根充填有離子交換劑的玻璃管中進(jìn)行的。離子交換劑為人工合成的多聚物，其上帶有許多可電離基團(tuán)，根據(jù)這些基團(tuán)所帶電荷不同，可分為陰離子交換劑和陽(yáng)離子交換劑。含有欲被分離的離子的溶液通過(guò)離子交換柱時(shí)，各種離子即與離子交換劑上的荷電部位競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合。任何離子通過(guò)柱時(shí)的移動(dòng)速率決定于與離子交換劑的親和力、電離程度和溶液中各種競(jìng)爭(zhēng)性離子的性質(zhì)和濃度。
離子交換劑是由基質(zhì)、荷電基團(tuán)和反離子構(gòu)成，在水中呈不溶解狀態(tài)，能釋放出反離子。同時(shí)它與溶液中的其他離子或離子化合物相互結(jié)合，結(jié)合后不改變本身和被結(jié)合離子或離子化合物的理化性質(zhì)。
離子交換劑與水溶液中離子或離子化合物所進(jìn)行的離子交換反應(yīng)是可逆的。假定以RA代表陽(yáng)離子交換劑，在溶液中解離出來(lái)的陽(yáng)離子A+與溶液中的陽(yáng)離子B+可發(fā)生可逆的交換反應(yīng)，反應(yīng)式如下：
RA+B+ RB+A+
該反應(yīng)能以極快的速率達(dá)到平衡，平衡的移動(dòng)遵循質(zhì)量作用定律。
離子交換劑對(duì)溶液中不同離子具有不同的結(jié)合力，結(jié)合力的大小取決于離子交換劑的選擇性。離子交換劑的選擇性可用其反應(yīng)的平衡常數(shù)K表示：
K＝[RB][A+]/[RA][B+]。
如果反應(yīng)溶液中[A+]等于[B+]，則K＝[RB]/[RA]。若K>I，即[RB]>[RA]，表示離子交換劑對(duì)B+的結(jié)合力大于A+；若K=1，即[RB]＝[RA]，表示離子交換劑對(duì)A+和B+的結(jié)合力相同；若K<1，即[RB]<[RA]，表示離子交換劑對(duì)B+的結(jié)合力小于A+。K值是反映離子交換劑對(duì)不同離子的結(jié)合力或選擇性參數(shù)，故稱(chēng)K值為離子交換劑對(duì)A+和B+的選擇系數(shù)。
溶液中的離子與交換劑上的離子進(jìn)行交換，一般來(lái)說(shuō)，電性越強(qiáng)，越易交換。對(duì)于陽(yáng)離子樹(shù)脂，在常溫常壓的稀溶液中，交換量隨交換離子的電價(jià)增大而增大，如 Na+ 兩性離子如蛋白質(zhì)、核苷酸、氨基酸等與離子交換劑的結(jié)合力，主要決定于它們的理化性質(zhì)和特定的條件下呈現(xiàn)的離子狀態(tài)。當(dāng)pHpI時(shí)，能被陰離子交換劑吸附。若在相同pI條件下，且pI>pH時(shí)，pI越高，堿性越強(qiáng)，就越容易被陽(yáng)離子交換劑吸附。
離子交換層析就是利用離子交換劑的荷電基團(tuán)，吸附溶液中相反電荷的離子或離子化合物，被吸附的物質(zhì)隨后為帶同類(lèi)型電荷的其他離子所置換而被洗脫。由于各種離子或離子化合物對(duì)交換劑的結(jié)合力不同，因而洗脫的速率有快有慢，形成了層析層。
(二)離子交換劑類(lèi)型及選擇
1．離子交換劑的類(lèi)型
根據(jù)離子交換劑中基質(zhì)的組成及性質(zhì)，可將其分成兩大類(lèi)：疏水性離子交換劑和親水性離子交換劑。
(1)疏水性離子交換劑
此類(lèi)交換劑的基質(zhì)是一種與水親和力較小的人工合成樹(shù)脂，最常見(jiàn)的是由苯乙烯與交聯(lián)劑二乙烯苯反應(yīng)生成的聚合物，在此結(jié)構(gòu)中再以共價(jià)鍵引入不同的電荷基團(tuán)。由于引入電荷基團(tuán)的性質(zhì)不同，又可分為陽(yáng)離子交換樹(shù)脂、陰離子交換樹(shù)脂及螯合離子交換樹(shù)脂。
①陽(yáng)離子交換劑 陽(yáng)離子交換劑的電荷基團(tuán)帶負(fù)電，反離子帶正電，故此類(lèi)交換劑可與溶液中的陽(yáng)離子或帶正電荷化合物進(jìn)行交換反應(yīng)。依據(jù)電荷基團(tuán)的強(qiáng)弱，又可將它分為強(qiáng)酸型、中強(qiáng)酸型及弱酸型三種，各含有以下可解離基團(tuán)：
這些交換劑在交換時(shí)，氫離子為外來(lái)的陽(yáng)離子所取代，如下式所示：
R—COOH + Na+ －－＞R—COONa + H+
②陰離子交換劑 此類(lèi)交換劑是在基質(zhì)骨架上引入季胺[—N+(CH3)3]、叔胺[—N(CH3) 2]、仲胺[—NHCH3]和伯胺[—NH2]基團(tuán)后構(gòu)成的，依據(jù)胺基堿性的強(qiáng)弱，又可分為強(qiáng)堿性(含季胺基)、弱堿性(含叔胺、仲胺基)及中強(qiáng)堿性(既含強(qiáng)堿性基團(tuán)又含弱堿性基團(tuán))三種陰離子交換劑。它們與溶液中的離子進(jìn)行交換時(shí)，反應(yīng)式為：
R—N+(CH3)3OH–+C1–－－＞R—N+(CH3)3 C1–+ OH–
R—N+(CH3)2 + H2O－－＞R—N+(CH3)2H•OH–
R—N+(CH3)2H • OH +C1–－－＞R—N+(CH3)2H • C1– + OH–
③螯合離子交換劑 這類(lèi)離子交換樹(shù)脂具有吸附(或絡(luò)合)一些金屬離子而排斥另一些離子的能力，可通過(guò)改變?nèi)芤旱乃岫忍岣咂溥x擇性。由于它的高選擇性，只需用很短的樹(shù)脂柱就可以把欲測(cè)的金屬離子濃縮并洗脫下來(lái)。
疏水性離子交換劑由于含有大量的活性基團(tuán)，交換容量大、流速快、機(jī)械強(qiáng)度大，主要用于分離無(wú)機(jī)離子、有機(jī)酸、核苷、核苷酸及氨基酸等小分子物質(zhì)，也可用于從蛋白質(zhì)溶液中除去表面活性劑(如SDS)、去污劑(如TritonX—100)、尿素、兩性電解質(zhì)等。
(一)基本原理
離子交換層析對(duì)物質(zhì)的分離通常是在一根充填有離子交換劑的玻璃管中進(jìn)行的。離子交換劑為人工合成的多聚物，其上帶有許多可電離基團(tuán)，根據(jù)這些基團(tuán)所帶電荷不同，可分為陰離子交換劑和陽(yáng)離子交換劑。含有欲被分離的離子的溶液通過(guò)離子交換柱時(shí)，各種離子即與離子交換劑上的荷電部位競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合。任何離子通過(guò)柱時(shí)的移動(dòng)速率決定于與離子交換劑的親和力、電離程度和溶液中各種競(jìng)爭(zhēng)性離子的性質(zhì)和濃度。
離子交換劑是由基質(zhì)、荷電基團(tuán)和反離子構(gòu)成，在水中呈不溶解狀態(tài)，能釋放出反離子。同時(shí)它與溶液中的其他離子或離子化合物相互結(jié)合，結(jié)合后不改變本身和被結(jié)合離子或離子化合物的理化性質(zhì)。
離子交換劑與水溶液中離子或離子化合物所進(jìn)行的離子交換反應(yīng)是可逆的。假定以RA代表陽(yáng)離子交換劑，在溶液中解離出來(lái)的陽(yáng)離子A+與溶液中的陽(yáng)離子B+可發(fā)生可逆的交換反應(yīng)，反應(yīng)式如下：
RA+B+ RB+A+
該反應(yīng)能以極快的速率達(dá)到平衡，平衡的移動(dòng)遵循質(zhì)量作用定律。
離子交換劑對(duì)溶液中不同離子具有不同的結(jié)合力，結(jié)合力的大小取決于離子交換劑的選擇性。離子交換劑的選擇性可用其反應(yīng)的平衡常數(shù)K表示：
K＝[RB][A+]/[RA][B+]。
如果反應(yīng)溶液中[A+]等于[B+]，則K＝[RB]/[RA]。若K>I，即[RB]>[RA]，表示離子交換劑對(duì)B+的結(jié)合力大于A+；若K=1，即[RB]＝[RA]，表示離子交換劑對(duì)A+和B+的結(jié)合力相同；若K<1，即[RB]<[RA]，表示離子交換劑對(duì)B+的結(jié)合力小于A+。K值是反映離子交換劑對(duì)不同離子的結(jié)合力或選擇性參數(shù)，故稱(chēng)K值為離子交換劑對(duì)A+和B+的選擇系數(shù)。
溶液中的離子與交換劑上的離子進(jìn)行交換，一般來(lái)說(shuō)，電性越強(qiáng)，越易交換。對(duì)于陽(yáng)離子樹(shù)脂，在常溫常壓的稀溶液中，交換量隨交換離子的電價(jià)增大而增大，如 Na+ 兩性離子如蛋白質(zhì)、核苷酸、氨基酸等與離子交換劑的結(jié)合力，主要決定于它們的理化性質(zhì)和特定的條件下呈現(xiàn)的離子狀態(tài)。當(dāng)pHpI時(shí)，能被陰離子交換劑吸附。若在相同pI條件下，且pI>pH時(shí)，pI越高，堿性越強(qiáng)，就越容易被陽(yáng)離子交換劑吸附。
離子交換層析就是利用離子交換劑的荷電基團(tuán)，吸附溶液中相反電荷的離子或離子化合物，被吸附的物質(zhì)隨后為帶同類(lèi)型電荷的其他離子所置換而被洗脫。由于各種離子或離子化合物對(duì)交換劑的結(jié)合力不同，因而洗脫的速率有快有慢，形成了層析層。
(二)離子交換劑類(lèi)型及選擇
1．離子交換劑的類(lèi)型
根據(jù)離子交換劑中基質(zhì)的組成及性質(zhì)，可將其分成兩大類(lèi)：疏水性離子交換劑和親水性離子交換劑。
(1)疏水性離子交換劑
此類(lèi)交換劑的基質(zhì)是一種與水親和力較小的人工合成樹(shù)脂，最常見(jiàn)的是由苯乙烯與交聯(lián)劑二乙烯苯反應(yīng)生成的聚合物，在此結(jié)構(gòu)中再以共價(jià)鍵引入不同的電荷基團(tuán)。由于引入電荷基團(tuán)的性質(zhì)不同，又可分為陽(yáng)離子交換樹(shù)脂、陰離子交換樹(shù)脂及螯合離子交換樹(shù)脂。
①陽(yáng)離子交換劑 陽(yáng)離子交換劑的電荷基團(tuán)帶負(fù)電，反離子帶正電，故此類(lèi)交換劑可與溶液中的陽(yáng)離子或帶正電荷化合物進(jìn)行交換反應(yīng)。依據(jù)電荷基團(tuán)的強(qiáng)弱，又可將它分為強(qiáng)酸型、中強(qiáng)酸型及弱酸型三種，各含有以下可解離基團(tuán)：
這些交換劑在交換時(shí)，氫離子為外來(lái)的陽(yáng)離子所取代，如下式所示：
R—COOH + Na+ －－＞R—COONa + H+
②陰離子交換劑 此類(lèi)交換劑是在基質(zhì)骨架上引入季胺[—N+(CH3)3]、叔胺[—N(CH3) 2]、仲胺[—NHCH3]和伯胺[—NH2]基團(tuán)后構(gòu)成的，依據(jù)胺基堿性的強(qiáng)弱，又可分為強(qiáng)堿性(含季胺基)、弱堿性(含叔胺、仲胺基)及中強(qiáng)堿性(既含強(qiáng)堿性基團(tuán)又含弱堿性基團(tuán))三種陰離子交換劑。它們與溶液中的離子進(jìn)行交換時(shí)，反應(yīng)式為：
R—N+(CH3)3OH–+C1–－－＞R—N+(CH3)3 C1–+ OH–
R—N+(CH3)2 + H2O－－＞R—N+(CH3)2H•OH–
R—N+(CH3)2H • OH +C1–－－＞R—N+(CH3)2H • C1– + OH–
③螯合離子交換劑 這類(lèi)離子交換樹(shù)脂具有吸附(或絡(luò)合)一些金屬離子而排斥另一些離子的能力，可通過(guò)改變?nèi)芤旱乃岫忍岣咂溥x擇性。由于它的高選擇性，只需用很短的樹(shù)脂柱就可以把欲測(cè)的金屬離子濃縮并洗脫下來(lái)。
疏水性離子交換劑由于含有大量的活性基團(tuán)，交換容量大、流速快、機(jī)械強(qiáng)度大，主要用于分離無(wú)機(jī)離子、有機(jī)酸、核苷、核苷酸及氨基酸等小分子物質(zhì)，也可用于從蛋白質(zhì)溶液中除去表面活性劑(如SDS)、去污劑(如TritonX—100)、尿素、兩性電解質(zhì)等。