離子交換劑的三個組成

1. 親和層析的原理

4 親和層析
4.1 原理 親和層析是應用生物高分子與配基可逆結合的原理,將配基通過共價鍵牢固結合於載體上而製得的層析系統.這種可逆結合的作用主要是靠生物高分子對它的配基的空間結構的識別.常用的生物親和關系有酶-底物、底物類似物、抑制劑、激活劑、輔因子,抗體-抗原,激素-受體蛋白、載體蛋白,外源凝集素-多糖、糖蛋白、細胞表面受體,核酸-互補核苷酸序列、組蛋白、核酸結合蛋白等 〔10,11〕 .
4.2 離子交換劑 親和層析的層析劑可分為3個部分:
（1）載體,載體起支架作用,一般是偶聯凝膠或多孔玻璃珠.
（2）間臂,由於生物大分子的空間位阻作用,需加一間臂,其長度具有重要作用.太長則增加了非特異性疏水吸附作用,太短則起不到應有的作用.
（3）配基,這是親和層析的核心物質,在分離中起特異性吸附欲分離物的作用.配基一般分為天然配基（包括糖結合配基和蛋白質結合配基）、染料配基、氨基酸類親和配基、核苷酸及核苷酸類似物配基和仿生配基等幾類.其中利用計算機輔助設計的仿生配基 〔12～15〕 和膜層析 〔16〕 代表了親和層析的發展方向.不僅是配基本身的結構,它們與載體的連接方法也與層析的分離能力有關 〔17〕 .
4.3 影響因素與洗脫 親和層析中配基與欲分離物吸附作用的大小主要與配基的空間結構有關,因此可以用分子間相互作用的平衡常數K D 來衡量親和作用強度 〔18〕 .但它們的結合力仍不外乎對應的功能基團之間的氫鍵、靜電作用、疏水作用等.所以,除了可改變配基以改變親和層析的作用強度以外,還可以通過改變pH和離子強度的方法來改變配基與生物大分子之間的親和力,從而達到洗脫的目的 〔19〕 .但由於親和層析的多樣性,洗脫的條件常常需要通過實驗來獲得.除此以外,還可運用其它配基、抑制劑等物質與出層析劑上的配基或生物大分子產生競爭性結合,達到洗脫的目的,這種方法被稱為專一性洗脫.專一性洗脫可以獲得很高的分辨能力,但洗脫劑的價格較高,所以常與普通洗脫配合使用.值得注意的是,在洗脫時,會有少許配基與蛋白質一同被洗脫下來,因此常在其後加一凝膠層析以除去小分子的配基.
4.4 應用及舉例 在實際使用中,配基與欲分離蛋白質之間的親和力要控制在一定的范圍之內,這是因為若親和力太低,則分離的效果不好;若親和力太高,則洗脫太困難.因此配基與欲分離蛋白質之間的K D 值一般控制在10 -4 10 -6 之間

2. 什麼是離子交換劑

是能與溶液中的陽離子或陰離子進行交換的物質。

無機離子交換劑有天然或人造沸石、磷酸鋯等，有機離子交換劑有磺化煤、各種離子交換樹脂等：按交換性能不同，又可分為陽、陰離子型兩類。一般不溶於酸、鹼和多種溶劑中，使用後交換性能逐漸消失，可經過處理使之再生。

離子交換分離廣泛用於

(1)實驗室制備去離子水、工業上水的軟化及高純水的制備；

(2)試劑的制備，例如制備過氧化氫、次磷酸等；

(3)溶液和物質的純化，例如從酸、鹼和鹽電解質中除去金屬離子；

(4)除去干擾離子，例如，測定陰離子時，用陽離子交換樹脂除去干擾的金屬離子；

(5)金屬離子的分離與核能材料的提取，例如從鹼金屬中分離過渡金屬離子；

(6)痕量離子的濃縮；

(7)環境保護中含有害金屬離子廢水、有機廢水的凈化等。

3. 離子交換劑的介紹

凡是能夠進行離子交換的這類物質都稱為離子交換劑。離子交換劑分無機質類和有機內質容類兩大類。無機質類又可分天然的——如海綠砂；人造的——如合成沸石。有機質類又分碳質和合成樹脂兩類。其中碳質類如磺化煤等；合成樹脂類分陽離子型——如強酸性和弱酸性樹脂；陰離子型——如強鹼性和弱鹼性樹脂、兩性樹脂和螯合樹脂等類。

4. 離子交換樹脂的交換原理

離子交換樹脂的內部結構，由三部分組成，分別是：

1、高分子骨。

由交聯的高分子聚合物組成；

2、離子交換基團。

它連在高分子骨架上，帶有可交換的離子（稱為反離子）的離子型官能團或帶有極性的非離子型官能團；

3、孔。

它是在干態和濕態的離子交換樹脂中都存在的高分子結構中的孔（凝膠孔）和高分子結構之間的孔（毛細孔）。

在交聯結構的高分子基體（骨架）上，以化學鍵結合著許多交換基團。這些交換基團也是由兩部分組成：固定部分和活動部分。

交換基團中的固定部分被束縛在高分子的基體上，不能自由移動，所以稱為固定離子；交換基團的活動部分則是與固定離子以離子鍵結合的符號相反的離子，稱為反離子或可交換離子。反離子在溶液中可以離解成自由移動的離子，在一定條件下，它能與符號相同的其他反離子發生交換反應。

1、離子交換的選擇性定義：

離子交換劑對於某些離子顯示優先活性的性質。離子交換樹脂吸附各種離子的能力不一，有些離子易被交換樹脂吸附，但吸著後要置換下來就比較困難；而另一些離子很難被吸著，但被置換下來卻比較容易，這種性能稱為離子交換的選擇性。離子交換樹脂對水中不同離子的選擇性與樹脂的交聯度、交換基團、可交換離子的性質、水中離子的濃度和水的溫度等因素有關。

離子交換作用即溶液中的可交換離子與交換基團上的可交換離子發生交換。一般來說，離子交換樹脂對價數較高的離子的選擇性較大。對於同價離子，則對離子半徑較小的離子的選擇性較大。在同族同價的金屬離子中，原子序數較大的離子其水合半徑較小，陽離子交換樹脂對其的選擇性較大。對於強酸性陽離子交換樹脂來說，它對一些離子的選擇性順序為：Fe3+>A13+>Ca2+>Mg2+>K+>Na+>H+。離子交換反應是可逆反應，但是這種可逆反應並不是在均相溶液中進行的，而是在固態的樹脂和溶液的接觸界面間發生的。這種反應的可逆性使離子交換樹脂可以反復使用。

2、以001×7強酸陽離子交換樹脂為例說明：

001×7強酸陽離子交換樹脂是一種凝膠型離子交換樹脂，其內部的網狀結構中有無數四通八達的孔道，孔道裡面充滿了水分子，在孔道的一定部位上分布著可提供交換離子的交換基團。當原水當中的Ca2+，Mg2+等陽離子-擴散到樹脂的孔道中時，由於該樹脂對Ca2+，Mg2+等陽離子選擇性強於對H+的選擇性，所以H+就與進入樹脂孔道中的Ca2+，Mg2+等陽離子發生快速的交換反應，Ca2+，Mg2+等陽離子被固定到樹脂交換基團上面，被交換下來的H+向樹脂的孔道中-擴散，最終擴散到水中。

（1）邊界水膜內的擴散

水中的Ca2+，Mg2+等陽離子向樹脂顆粒表面遷移，並擴散通過樹脂表面的邊界水膜層，到達樹脂表面；

（2）交聯網孔內的擴散（或稱孔道擴散）

Ca2+，Mg2+等陽離子進入樹脂顆粒內部的交聯網孔，並進行擴散，到達交換點；

（03）離子交換

Ca2+，Mg2+等陽離子與樹脂基團上的可交換的H+進行交換反應；

（4）交聯網孔內的擴散

被交換下來的H+在樹脂內部交聯網孔中向樹脂表面擴散。

（5）邊界水膜內的擴散

最終擴散到水中。

鑒於離子交換樹脂反應的可逆性，反應後的樹脂通過處理，重新轉化為原來的離子交換樹脂，這樣又可以進入下一循環，其循環次數視所用樹脂類型不同而定。

5. 離子交換劑由哪三部分組成

以強酸性陽離子交換樹脂的結構為例：一般現場用苯乙烯類的較多。主要結構分為三部分：骨架部分（比如苯乙烯白球）、活性基團（負載的活性離子）及可交換離子。

6. 離子交換介質的結構

使用離子交換色譜進行細分級分離是較為常見的一種蛋白純化方式。它是根據蛋白質的電荷不同來分離蛋白質混合物，被分離的目的蛋白所攜帶的電荷能與離子交換劑中所帶的相反電荷相結合，而且這兩者之間的結合作用是可逆的，通過逐漸增加離子強度或改變洗脫液PH值的方式處理色譜柱，離子交換劑上結念差合的目的蛋白便可與洗脫液中的離子發生交換而被洗脫到溶液當中。由於不同蛋白質的電荷不同，其與離仔則皮子交換劑的結合能力也不同，所以根據蛋白洗脫到溶液中的先後順序來進行提取，就可以輕松分離出我們需要的目標蛋白。

離子交換劑的介質種類還可分為離子交換樹脂、離子交換纖維素和離子交換凝膠等。強離子交換樹脂保持離子化的PH值范圍較寬，而弱離子交換樹脂若想保持離子化，就只能在很窄的PH值范圍內進行處理。離子交換色譜的優點是具有極高的解析度，因此可以通過放大規模的方式直接應用於工業生產中。盯返根據數據統計結果可知，大多數蛋白質的靜電荷是為負值，因此陰離子交換色譜的應用在純化蛋白領域的最為廣泛。選擇離子交換介質時，首先要考慮的一點就是目的蛋白的分子大小，因為蛋白分子的大小不但會影響介質上的帶電基團，還會影響介質對蛋白分子的動力載量，從而影響分離的效果和速度。

7. 離子交換的基本原理

水處理中主要採用離子交換樹脂和磺化煤用於離子交換。其中離子交換樹脂應用廣泛，種類多，而磺化煤為兼有強酸型和弱酸型交換基團的陽離子交換劑。
離子交換樹脂按結構特徵，分為：凝膠型、大孔型和等孔型氏蘆;
按樹脂母體種類，分為：苯乙烯系、酚醛系和丙烯酸系等;
按其交換基團性質，分為：強酸型、弱酸型、強鹼型和弱鹼型。
⑴離子交換樹脂的構造
是由空間網狀結構骨架(即母體)與附屬在骨架上的許多活性基團所構成的不溶性高分子化合物。活性基團遇水電離，分成兩部分：固定部分，仍與骨架牢固結合，不能自由移動，構成所謂固定離子，活動部分，能在一定范圍內自由移動，並與其周圍溶液中的其他同性離子進行交換反應，稱為可數孝交換離子。
⑵基本性能
①外觀
呈透明或半透明球形，顏色有乳白色、淡黃色、黃色、褐色、棕褐色等，
②交聯度
指交聯劑占樹脂原料總重量的百分數。對樹脂的許多性能例如交換容量、含水率、溶脹性、機械強度等有決定性影響，一般水處理中樹脂的交聯度為7%～10%。
③含水率
指每克濕樹脂所含水分的百分率，一般為50%，交聯度越大，孔隙越小，含水率越少。
④溶脹性
指干樹脂用水浸泡而體積變大的現象。一般來說，交聯度越小，活性基團越容易電離，可交換離子的水合離子半徑越大，則溶脹度越大;樹脂周圍溶液電解質濃度越高，樹脂溶脹率就越小。
在生產中應盡量保證離子交換器有長的工作周期，減少再生次數，以延長樹脂的使用壽命。
⑤密度
分為干真密度、濕真密度和濕視密度
⑥交換容量
是樹脂最重要的性能，是設計離子交換過程裝置時所必須的數據，定量地表示樹脂交換能力的大小。分為全交換容量和工作交換容量。
⑦有效PH范圍
由於樹脂的交換基團分為強酸強鹼和弱酸弱鹼，所以水的PH值對其電離會產生影響，影響其工作交換容量。弱鹼只能在酸性溶液中以及弱酸在鹼性溶液中有較高的交換能力。
⑧選擇性
即離子交換樹脂對水中某種離子能優先交換的性能。除與樹脂類型有關外，還與水中濕度和離子濃度有關。
⑨離子交換平衡
離子交換反應是可逆反應，服從質量作用定律和當量定律。經過一定時間，離子交換體系中固態的樹脂相和溶液相之間的離子交換反應達到平衡，其平衡常數也稱為離子交換選擇系數。降低反應生成物的濃度有利於交換反應的進行。
⑩離子交換速率
主要受離子交換過程中離子擴散過程的影響。殲畢帶
其他性能：如溶解性、機械強度和耐冷熱性等。離子交換樹脂理論上不溶於水，機械強度用年損耗百分數表示，一般要求小於3%～7%/年。另外，溫度對樹脂機械強度和交換能力有影響。溫度低則樹脂的機械強度下降，陽離子比陰離子耐熱性能好，鹽型比酸鹼型耐熱好。
⑶樹脂層離子交換過程
以離子交換柱中裝填鈉型樹脂，從上而下通以含有一定濃度鈣離子的硬水為例，以交換柱的深度為橫坐標，以樹脂的飽和度為縱坐標，可繪得某一時刻的飽和度曲線。就整個交換過程而言，樹脂層的變化可分為三個階段。

8. 廢水離子交換處理法的離子交換劑

有無機和有機質兩類。前者如天然物質海綠砂或合成沸石；後者如磺化煤和樹脂。專
交換劑由兩部分組成屬，一是不參加交換過程的惰性物母體，如樹脂的母體是由高分子物質交聯而成的三維空間網路骨架；一是聯結在骨架上的活性基團（帶電官能團）。母體本身是電中性的。活性基團包括可離解為同母體緊密結合的惰性離子和帶異號電荷的可交換離子。可交換離子為陽離子(活性基團為酸性基)時，稱陽離子交換樹脂；可交換離子為陰離子(活性基團為鹼性基)時，稱陰離子交換樹脂。陽、陰離子交換樹脂又可根據它們的酸鹼性反應基的強度分為強酸性和弱酸性，強鹼性和弱鹼性等。強酸性陽離子交換樹脂可用 R—SO3H表示,R為母體,—SO3H為活性基團。後者在溶液中可離解為惰性離子R—SO婣和可交換離子H+。弱鹼性陽樹脂可用R—COOH表示。強鹼性季胺型陰樹脂可用R匵NOH表示，弱鹼性叔胺、 仲胺、 伯胺型陰樹脂分別用R呏NHOH、R=NH2OH、R—NH3OH表示，R代表母體，其他部分代表活性基團。