離子交換樹脂層析行為

A. 執業葯師考試綜合輔導：離子交換層析法(1)

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中被分離的各種離子間的親和力不同，經過交換平衡達到分離的目的的一種柱層析法。該法可以同時分析多種離子化合物，具有靈敏度高，重復性、選擇性好，分析速度快等優點，是當前最常用的層析法之一。
(一)基本原理
離子交換層析對物質的分離通常是在一根充填有離子交換劑的玻璃管中進行的。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，根據這些基團所帶電荷不同，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爛漏茄通過離子交換柱時，各種離子即與離子交換劑上的荷電部位競爭性結合。任何離子通過柱時的移動速率決定於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和濃度。
離子交換劑是由基質、荷電基團和反離子構成，在水中呈不溶解狀態，能釋放出反離子。同時它與溶液中的其他離子或離子化合物相互結合，結合後不改變本身和被結合離子或離子化合物的理化性質。
離子交換劑與水溶液中離子或離子化合物所進行的離子交換反應是可逆的。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+可發生可逆的交換反應，反應式如下：
ra+b+ rb+a+
該反應能以極快的速率達到平衡，平衡的移動遵循質量作用定律。
離子交換劑對溶液中不同離子具有不同的結合力，結合力的大小取決於離子交換劑的選擇性。離子交換劑的選擇性可用其反應的平衡常數k表示：
k＝[rb][a+]/[ra][b+]。
如果反應溶液中[a+]等於[b+]，則k＝[rb]/[ra]。若k>i，即[rb]>[ra]，表示離子交換劑對b+的結合力大於a+；若k=1，即[rb]＝[ra]，表示離子交換劑對a+和b+的結合力相同；若k<1，即[rb]<[ra]，表示離子交換劑對b+的結合力小於a+。k值是反映離子交換劑對不同離子的結合力或選擇性參數，故稱k值為離子交換劑對a+和b+的選擇系數。
溶液中的離子與交換劑上的離子進行交換，一般來說，電性越強，越易交換。對於陽離子樹脂，在常溫常壓的稀溶液中，交換量隨交換離子的電價增大而增大，如 na+ 兩性離子如蛋白質、核苷酸、氨基酸等與離子交換劑的結合力，主要決定於它們的理化性質和特定的條件下呈現的離子狀態。當phpi時，能被陰離子交換劑吸附。若在相同pi條件下，且pi>ph時，pi越高，鹼性越強，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，吸附溶液中相反電荷的離子或離子化合物，被吸附的物質隨後為帶同類型電荷的其他離子所置換而被洗脫。由於各種離子或離子化合物對交換劑的結合力不同，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
根據離子交換劑中基質的組成及性質，可將其分成兩大類：疏水性離搜氏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劑二乙烯苯反應生成的聚合物，在此結構中再以共價鍵引入不同的電荷基團。由於引入電荷基團的性質不同，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飢察脂。
①陽離子交換劑 陽離子交換劑的電荷基團帶負電，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行交換反應。依據電荷基團的強弱，又可將它分為強酸型、中強酸型及弱酸型三種，各含有以下可解離基團：

這些交換劑在交換時，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骨架上引入季胺[—n+(ch3)3]、叔胺[—n(ch3) 2]、仲胺[—nhch3]和伯胺[—nh2]基團後構成的，依據胺基鹼性的強弱，又可分為強鹼性(含季胺基)、弱鹼性(含叔胺、仲胺基)及中強鹼性(既含強鹼性基團又含弱鹼性基團)三種陰離子交換劑。它們與溶液中的離子進行交換時，反應式為：
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(或絡合)一些金屬離子而排斥另一些離子的能力，可通過改變溶液的酸度提高其選擇性。由於它的高選擇性，只需用很短的樹脂柱就可以把欲測的金屬離子濃縮並洗脫下來。
疏水性離子交換劑由於含有大量的活性基團，交換容量大、流速快、機械強度大，主要用於分離無機離子、有機酸、核苷、核苷酸及氨基酸等小分子物質，也可用於從蛋白質溶液中除去表面活性劑(如sds)、去污劑(如tritonx—100)、尿素、兩性電解質等。

B. 離子交換層析法分離純化蛋白質有哪些局限性

1，離子交換樹脂固定床的床層壓力會隨著分離過程的進程而不斷加大，需要重回新填充答。同時，也造成固定床填充過程操作麻煩，而且密封性要求高。2，蛋白質分離純度問題，如果在出峰之後再行切換接收餾分，而在峰行下降後提前切換，雖可以保證純度，但蛋白分離收率則會下降。3，由於交換層析介質決定，不同蛋白質相互分離效果也不確定，這種分離，也易造成各蛋白峰重疊，造成分離純度下降。4，自動化程度不高。主要也是受固定床以及樹脂交換飽和當量無法保持長期穩定造成的。無法像液相色譜柱那樣，可以在標樣標定後，建立方法，自動分離目標蛋白。5，不過，規模化分離純化蛋白質過程，使用這種層析法，還是具有一定優勢的。
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詳細資料請參考：
離子交換層析: http://proct.bio1000.com/100474/

C. 離子交換層析的發展

1848年，Thompson等人在研究土壤鹼性物質交換過程中發現離子交換現象。上世紀40年代，出現了具回有穩定交換特性答的聚苯乙烯離子交換樹脂。50年代，離子交換層析進入生物化學領域，應用於氨基酸的分析。離子交換層析是生物化學領域中常用的一種層析方法，廣泛的應用於各種生化物質如氨基酸、蛋白、糖類、核苷酸等的分離純化。常用的離子交換劑有：離子交換纖維素、離子交換葡聚糖和離子交換樹脂 。

D. 離子交換層析的基本信息

離子交換層析中，基質是由帶有電荷的樹脂或纖維素組成。帶有正電荷的稱之陰離子交換樹脂；而帶有負電荷的稱之陽離子樹脂。離子交換層析同樣可以用於蛋白質的分離純化。由於蛋白質也有等電點，當蛋白質處於不同的pH條件下，其帶電狀況也不同。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。

E. 求問怎麼用離子交換樹脂層析分離混合氨基酸

【原理】離子交換樹脂是一種合成的高聚物，不溶於水，能吸水膨脹。高聚物分子由能電離的極性基團及非極性的樹脂組成。極性基團上的離子能與溶液中的離子起交換作用，而非極性的樹脂本身物性不變。通常離子交換樹脂按所帶的基團分為強酸(＝R＝S03H)、弱(＝COOH)、強鹼 (＝N+＝R：)和弱鹼(＝NH2＝NHR＝NR2)。
離子交換樹脂分離小分子物質如氨基酸、腺苷、腺苷酸等是比較理想的。但對生物大於物質如蛋白質是不適當的，因為它們不能擴散到樹脂的鏈狀結構中。故如分離生物大子、可選用以多糖聚合物如纖維素、葡聚糖為載體的離子交換劑。
本實驗用磺酸陽離子交換樹脂分離酸性氨基酸(天冬氨酸)、中性氨基酸(丙氨酸)鹼性氨基酸(賴氨酸)的混合液。在特定的pH條件下，它們解離程度不同，通過改變脫液的pH或離子強度可分別洗脫分離。
【材料】1．實驗器材層析柱（1.6X20cm）；恆流泵；梯度混合器；試管及試管架；紫外分光光度計、磺酸陽離子交換樹脂(Dowex 50)
2．實驗試劑
(1)2mol／L HCl
(2)2mol／L NaOH
(3)0.1mOl／L HCl
(4) 0.1mol／L NaOH
(5)pH4.2的檸檬酸緩沖液：0.lmol／L檸檬酸54m1加0.1mol／L檸檬酸鈉46ml
(6)pH5的醋酸緩沖液：0.2mol／L NaAc 70ml加 0.2mol／L HAc 30ml
(7)0.2％中性茚三酮溶液：0.2g茚三酮加100ml丙酮
(8)氨基酸混合液：丙氨酸、天冬氨酸、賴氨酸各10m1加0.1mol／L HCl 3m【方法】
1. 樹脂的處理
100ml燒杯中置約10g樹脂，加25ml 12mo1／L HCl攪拌2h，傾棄酸液，用蒸餾水充洗滌樹脂至中性。加25ml 12mol／L NaOH至上述樹脂中攪拌2h，傾棄鹼液，用蒸餾水洗滌至中性。將樹脂懸浮於50ml pH4.2檸檬酸緩沖液中備用。
2. 裝柱取直徑0.8cm～1.2cm、長度 10cm～12cm的層析柱，底部墊玻璃棉或海綿圓墊，自頂部注入經處理的上述樹脂懸浮液，關閉層柱出口，待樹脂沉降後，放出過量的溶液，在加入一些樹脂，至樹脂沉積至8cm～10cm高度即可。於柱子頂部繼續加入pH4.2檸檬酸緩沖液洗滌，使流出液pH為4.2為止，關閉柱子出口，保持液面高出樹脂表面1cm左右。
3. 加樣、洗脫及洗脫液收集
打開山口使緩沖液流出，待液面幾乎平齊樹脂表面時關閉出口(不可使樹脂表面乾燥)。用長滴管將15滴氨基酸混合液仔細直接加到樹脂頂部，打開出口使其緩慢流入柱內。當液面剛平樹脂表面時，加入0.1mol／L HCl 3ml，以10滴／min～12滴／min的流速洗脫，收集洗脫液，每管20滴，逐管收存。當HCl液面剛平樹脂表面時，用1m1 pH4.2檸檬酸緩沖液沖洗柱壁一次，接著用2ml pH4.2檸檬酸緩沖液洗脫，保持流速10滴／min～12滴／min並注意勿使樹脂表面乾燥。
在收集洗脫液的過程中，逐管用茚三酮檢驗氨基酸的洗脫情況，方法是：於各管洗脫液中加10滴pH5醋酸緩沖液和10滴中性茚三酮溶液，沸水浴中煮10min，如溶液呈紫藍色，表示已有氨基酸洗脫下來。顯色的深度可代表洗脫的氨基酸濃度，可比色測。
在用pH4.2檸檬酸緩沖液把第二個氨基酸洗脫出來之後，再收集兩管茚三酮反應陰性部分，關閉層析柱出口，將樹脂頂部剩餘的pH4.2檸檬酸緩沖液移去。
於樹脂頂部加入2ml 0.1mo1／L NaOH，打開出口使其緩慢流入柱內，按上面I續用0.1mo1／L NaOH洗脫並逐管收集 (注意仍然保持流速10滴／min～12滴／min)，每管20滴。做洗脫液中氨基酸檢驗，在第三個氨基酸用0.1mo1／L NaOH洗脫下來以後，再繼續收集兩管茚三酮反應陰性部分。
最後以洗脫液管號為橫坐標，洗脫液各管光密度（以水作空白，在570nm波長讀取吸光度）或顏色深淺（以 -，±，+，++．．．表示）為縱坐標作圖，即可畫出一條洗脫曲線。
【注意事項】
1. 一直保持流速10滴/min～12滴／min，並注意勿使樹脂表面乾燥。
2. 在裝柱時必須防止氣泡、分層及柱子液面在樹脂表面以下等現象發生。

F. 離子交換層析的原理是什麼 已解決

離子交換層析法是從復雜的混合物中，分離性質相似大分子的方法之一，依據的原理是物內質的酸鹼性容，極性，所帶陰陽離子的不同。電荷不同的物質，對管柱上的離子交換劑有不同的親和力，改變沖洗液的離子強度和pH值，物質就能依次從層析柱中分離出來。

層析開始前，功能基團與反離子穩定結合，就與反離子發生可逆交換，與層析劑結合被固定下來。因為鹽離子可以與底物競爭功能基團，鹽濃度越高樣品與層析劑結合越不緊密，易被洗脫下來。不同物質與層析劑結合程度不同，洗脫下來的時間不同，因此得以分開。

(6)離子交換樹脂層析行為擴展閱讀

離子交換劑的選擇首重保持欲分離物質的生物活性，以及在不同pH值環境中，此物質所帶的電荷和電性強弱，陰陽離子交換劑的選擇若被分離物質帶正電荷，這些鹼性蛋白質，它們在酸性溶液中較穩定，親和力強，故採用陽離子交換劑。

在鹼性溶液中較穩定，則使用陰離子交換劑，如果欲分離的物質是兩性離子，一般考慮在它穩定的pH范圍帶有何種電荷，作為交換劑的選擇。離子交換劑的再生與保存離子交換劑可在柱上再生，若有脂溶性物質則可用非離子型去污劑洗柱後再生，也可用乙醇洗滌。

G. 離子交換柱層析中樹脂為什麼中性

離子交換柱層析中樹脂為什麼中性
1離子交換樹脂性能降解原因
樹脂在長期內使用中，性能會逐漸容下降，表現為出水（即產品）質量降低。影響樹脂性能降解的因素很復雜，如樹脂體積減少，交換能力下降，球粒裂紋增多，破碎流失等，造成上述現象的原因不外是：
（1）脹縮內應力不均。在使用中樹脂內部由於溶脹及收縮變化的不均勻，局部結構中應力不平衡，造成斷鏈裂解。
（2）氧化破壞。體系中的氧化劑，包括酸、鹼、溶劑等對樹脂骨架及功能基的破壞。
（3）雜質污染。水中雜質堵塞了樹脂的內部孔道，阻擋交換吸附。
2離子交換樹脂使用前為什麼要進行預處理
新樹脂常含有反應溶劑、未參加反應的物質和少量低分子量的聚合物、鐵、鉛、銅等雜質。當樹脂與水、酸、鹼或其它溶液相接觸時，上述可溶性雜質就會轉入溶液中，在使用初期污染出水水質。因此，新樹脂在投運前要進行預處理，轉換為指定的離子型式。

H. 離子交換層析可用於哪些種類蛋白質的分離

離子交換層析是利用蛋白質在不同PH帶不同種電荷的方法，利用離子交換的方法分離專蛋白的。
離子交換屬內的介質一般是樹脂，陽離子交換型的，使用前樹脂先用鹼處理成鈉型，將氨基酸混合液（pH=2-3)上柱，pH=2-3時，氨基酸主要以陽離子形式存在，與樹脂上的鈉離子發生交換而被「掛」在樹脂上，再用洗脫劑洗脫。不同的氨基酸（帶的電荷不同）與樹脂的親和力不同，要將其分離洗脫下來，需要降低它們之間的親和力，方法是逐步提高洗脫劑的pH和鹽濃度，這樣各種氨基酸將以不同的速度被洗脫下來，反之亦然。

不同反荷離子與樹脂親和力是不同的，其強弱關系為陽性競爭離子：Ag+〉CS+〉K+〉NH4+〉Na+〉H+〉Li+ 陰性競爭離子：I->NO3->(PO4)3->CN-〉HSO3-〉Mg2+〉HCO3-〉HCOO-〉CH3COO-〉OH-〉F- 如果某種離子溶液洗脫效果不好，可用另一種親和力強的離子代替之，等電點＞7選擇陽離子交換樹脂，等電點＜7選擇陰離子交換樹脂。