離子交換層析(ionexchangechromatography)是利用離子交換劑上的可交換離子與周圍介質(zhì)中被分離的各種離子間的親和力不同，經(jīng)過交換平衡達(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離子交換劑。含有欲被分離的離子的溶液通過離子交換柱時(shí)，各種離子即與離子交換劑上的荷電部位競爭性結(jié)合。任何離子通過柱時(shí)的移動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爭性離子的性質(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代表陽離子交換劑，在溶液中解離出來的陽離子a+與溶液中的陽離子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，平衡的移動遵循質(zhì)量作用定律。
離子交換劑對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b+的結(jié)合力大于a+；若k=1，即[rb]＝[ra]，表示離子交換劑對a+和b+的結(jié)合力相同；若k<1，即[rb]<[ra]，表示離子交換劑對b+的結(jié)合力小于a+。k值是反映離子交換劑對不同離子的結(jié)合力或選擇性參數(shù)，故稱k值為離子交換劑對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，一般來說，電性越強(qiáng)，越易交換。對于陽離子樹脂，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)離子交換劑類型及選擇
1．離子交換劑的類型
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：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
此類交換劑的基質(zhì)是一種與水親和力較小的人工合成樹脂，最常見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，又可分為陽離子交換樹脂、陰離子交換樹脂及螯合離子交換樹脂。
①陽離子交換劑 陽離子交換劑的電荷基團(tuán)帶負(fù)電，反離子帶正電，故此類交換劑可與溶液中的陽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)，氫離子為外來的陽離子所取代，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 這類離子交換樹脂具有吸附(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，只需用很短的樹脂柱就可以把欲測的金屬離子濃縮并洗脫下來。
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離子交換劑。含有欲被分離的離子的溶液通過離子交換柱時(shí)，各種離子即與離子交換劑上的荷電部位競爭性結(jié)合。任何離子通過柱時(shí)的移動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爭性離子的性質(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代表陽離子交換劑，在溶液中解離出來的陽離子a+與溶液中的陽離子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，平衡的移動遵循質(zhì)量作用定律。
離子交換劑對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b+的結(jié)合力大于a+；若k=1，即[rb]＝[ra]，表示離子交換劑對a+和b+的結(jié)合力相同；若k<1，即[rb]<[ra]，表示離子交換劑對b+的結(jié)合力小于a+。k值是反映離子交換劑對不同離子的結(jié)合力或選擇性參數(shù)，故稱k值為離子交換劑對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，一般來說，電性越強(qiáng)，越易交換。對于陽離子樹脂，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)離子交換劑類型及選擇
1．離子交換劑的類型
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：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
此類交換劑的基質(zhì)是一種與水親和力較小的人工合成樹脂，最常見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，又可分為陽離子交換樹脂、陰離子交換樹脂及螯合離子交換樹脂。
①陽離子交換劑 陽離子交換劑的電荷基團(tuán)帶負(fù)電，反離子帶正電，故此類交換劑可與溶液中的陽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)，氫離子為外來的陽離子所取代，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 這類離子交換樹脂具有吸附(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，只需用很短的樹脂柱就可以把欲測的金屬離子濃縮并洗脫下來。
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。