離子交換色譜

離子交換色譜是指離子交換色譜中的固定相中的一些帶電荷的基團， 這些帶電基團通過靜電相互作用與帶相反電荷的離子結合。如果流動相中存在其他帶相反電荷的離子，按照質量作用定律，這些離子將與結合在固定相上的反離子進行交換。

基本介紹

• 中文名：離子交換色譜
• 外文名：ion exchange chromatography
• 固定相：離子交換劑
• 流動相：含鹽的緩衝劑溶液
• 原理：電荷間的相互作用
• 適用性：分析電離或能電離的化合物

色譜簡介

離子交換色譜的固定相是離子交換劑。離子交換劑由聚合物(或矽膠)基體以及與基體相連線的離子交換功能團組成。離子交換色譜通過電荷間的相互作用進行分離，特別適用於分析電離或能電離的化合物。

原理

離子交換色譜的固定相表面含有(如SO3^-、COO^-、NH₃⁺等)離子官能團，因此帶有電荷。這種電荷被流動相中的相反電荷的離子中和。當樣品進入色譜柱後，樣品離子便與流動相離子相互競爭固定相表面的電荷位置，並因競爭力的差異使樣品組分得到分離。

離子交換分離色譜的關鍵是要控制樣品離子與流動相離子對固定相表面電荷位置的競爭作用。為得到最佳的分離條件，可控制以下幾個方面的選擇：

1)離子交換劑的類型。

2)流動相的pH。

3)流動相的離子強度。

4)流動相中配對離子的類型。

交換劑的種類

(1)按離子交換劑的基質可分為3種。

1)有機共聚物樹脂。有機共聚物樹脂中套用最廣泛的是聚苯乙烯(PS—DVB)型樹脂。按照樹脂的物理結構又分為微孔型離子交換樹脂、大孔型離子交換樹脂、薄殼型離子交換樹脂和表面多孔覆蓋型離子交換樹脂。

2)矽膠微球離子交換劑，也就是鍵合相離子交換劑。它是以矽膠作載體的離子交換劑．主要有全多孔矽膠型和表面覆蓋矽膠型。該型交換劑不耐酸、鹼，只能在pH值2～7範圍內使用。

3)螯合樹脂。該類樹脂具有良好的選擇性。

(2)按交換樹脂釋放和交換的離子種類可分為4種。

1)陽離子交換樹脂。強酸性陽離子交換樹脂，如帶磺酸基團；弱酸性陽離子交換樹脂，如帶羧酸基團。

2)陰離子交換樹脂。強鹼性陰離子交換樹脂，如帶叔胺或季胺基團。

3)弱鹼性陰離子交換樹脂，如帶伯胺基團。

4)螯合樹脂。帶有配位功能基團，其配位基團能與許多金屬離子形成螫合物。

交換劑的性能

常用離子交換劑的性能見圖1。

圖1 常用離子交換劑的性能

固定相

離子交換色譜的固定相有陽離子交換劑和陰離子交換劑兩種。陽離子交換劑帶有負電荷，用於陽離子的分離；陰離子交換劑帶有正電荷，用於陰離子分離。陽離子交換劑最常用的官能團有磺酸鹽型，陰離子交換劑最常用的官能團是季胺型。

除強離子交換劑外，還有弱離子交換劑，它們的交換官能團具有弱酸性或弱鹼性。羧酸(一C00H)交換劑是一種弱陽離子交換劑，只能在pH足夠高到使羧酸解離時才能起交換作用。叔胺(一NR₃)基交換劑是弱陰離子交換劑，只有在酸性介質中才有交換作用。

流動相

離子交換色譜的流動相通常是含鹽的緩衝水溶液。為了適應不同的分離需要，有時添加適量的能與水相溶的有機溶劑，如甲醇、乙腈、四氫呋喃等，以改進樣品的溶解性能，提高選擇性，改善分離。

在以水溶液為流動相的離子色譜中，緩衝溶液的濃度直接影響著離子平衡。當緩衝液濃度增加時，流動相中反離子濃度的增加，增強了它與樣品離子爭奪離子交換官能團的能力，從而減弱樣品組分與離子交換樹脂的親和性。流動相中的離子類型對樣品分子的保留值產生顯著的影響。流動相中不同的離子與離子交換樹脂相互作用的能力不同。

在離子交換色譜中，還可以通過改變流動相的pH值來控制樣品分子的保留值。pH值能影響樣品分子的解離程度，從而影響它們與離子交換劑相互作用的強弱。在陽離子交換色譜中增加pH值，溶質分子的解離減少，降低了它們與離子交換劑上陽離子的競爭能力，從而降低了保留值。

操作模式

1、填充床色譜

填充床色譜是最常用的方法。將離子交換劑填充在一個柱子中，顆粒之間只有很小的間隙體積。為了使填充床模式有效工作，樣品必須沒有顆粒，因為樣占占中的顆粒物質會阻塞介質顆粒間的小通道，所以樣品必須在上離子交換柱前進行澄清處理．這樣可避免堵塞柱子、降低流速。用大顆粒的介質在某種程度上可以減少這種問題。

2、擴張床色譜

擴張床色譜是利用吸附劑的粒徑和密度分布，其頂部裝有高度調節器．流動相從床底流體分布器輸入，床內吸附劑產生膨脹，相互間的空隙增大，床層壓降低，可以允許料液中細胞、細胞碎片等固體顆粒通過。擴張床是一種單步操作過程。在這個過程中，目的產物可以不通過分離澄清、濃縮和初步分離而直接從含微顆粒的粗品原理中純化。

3、頂替色譜

在頂替色譜中，使用了終端置換劑。即結合在柱上的各種蛋白質被一種親和能力比樣品中任何蛋白質都要強的分子洗脫。這樣，最後被替代的分子推動著前面所有樣品的成分。從某種意義上說，被替代的蛋白質也相互替代．按照親和性遞增順序重排。

套用

離子交換色譜的套用範圍很廣，主要有以下幾個方面。 ‘

1、水處理

離子交換色譜是一種簡單而有效的去除水中的雜質及各種離子的方法，聚苯乙烯樹脂廣泛套用於高純水的製備、硬水軟化以及污水處理等方面。純水的製備可以用蒸餾的方法，但要消耗大量的能源，而且製備量小、速度慢，也得不到高純度。用離子交換色譜方法可以大量、快速地製備高純水。一般是將水依次通過H型強陽離子交換劑，去除各種陽離子及與陽離子交換劑吸附的雜質，再通過OH型強陰離子交換劑，去除各種陰離子及與陰離子交換劑吸附的雜質，即可得到純水。之後通過弱型陽離子和陰離子交換劑進一步純化，就可以得到純度較高的純水。離子交換劑使用一段時間後可以通過再生處理重複使用。

2、分離與純化小分子物質

離子交換色譜也廣泛地套用於無機離子、有機酸、核苷酸、胺基酸、抗生素等小分子物質的分離與純化。例如對胺基酸的分析，使用強酸性陽離子聚苯乙烯樹脂，將胺基酸混合液在pH 2～3時上柱。這時胺基酸都結合在樹脂上，再逐步提高洗脫液的離子強度和pH值，這樣各種胺基酸將以不同的速度被洗脫下來，可以進行分離鑑定。1958年，人們以離子交換色譜為機理，設計了胺基酸自動分析色譜儀，對多種胺基酸成分進行分離分析。

3、分離與純化生物大分子物質

離子交換色譜也用於分離與純化蛋白質等生物大分子物質。如用DEAE一纖維素離子交換色譜法分離與純化血清蛋白。在離子交換色譜中，基質是由帶有電荷的纖維素組成的。當血清蛋白處於一定的pH值條件下時，各蛋白質帶電狀況也不同。陰離子交換基質結合帶有負電荷的蛋白質，所以這類蛋白質被留在柱子上，然後通過提高洗脫液中的鹽濃度等措施，將吸附在柱子上的蛋白質洗脫下來。結合較弱的蛋白質首先被洗脫下來。反之，陽離子交換基質結合帶有正電荷的蛋白質，結合的蛋白質可以通過逐步增加洗脫液中的鹽濃度或是提高洗脫液的pH值洗脫下來。