第九章 离子交换

Logo第九章离子交换法Logo“离子交换树脂之父”何炳林1942年毕业于西南联合大学1952年获美国印第安纳大学博士学位南开大学教授1980年当选为中国科学院院士开创并发展了我国的离子交换树脂和吸附工业，发明了大孔离子交换树脂，系统研究了新型离子交换树脂和大孔新型吸附树脂的合成、结构、性质及应用。Logo离子交换法是通过带电的溶质分子与离子交换剂中可交换的离子进行交换而达到分离纯化的方法。该方法主要依赖电荷间的相互作用，利用带电分子中的电荷的微小差异而进行分离，具有较高的分离容量。一、概述由于离子交换法分辨率高、工作容量大且易于操作，它已成为蛋白质、多肽、核酸及大部分发酵产物分离纯化的一种重要方法，在生化分离中约有75%的工艺采用离子交换法。Logo离子交换树脂其结构由三部分组成：1.不溶性的三维空间网状结构构成的树脂骨架，使树脂具有化学稳定性；2.是与骨架相联的功能基团；3.是与功能基团所带电荷相反的可移动的离子，称为活性离子，它在树脂骨架中的进进出出，就发生离子交换现象。Logo）离子交换过程•离子交换：R—A++B+=R—B++A+•洗脱：R—B++C+=R—C++B+•再生：R—C++A+=R—A++C+Logo③离子交换原理++++++++++++++++++++++++++++++++Startingbuffercounter-ionsSubstancestobeseparatedGradientionsStartingconditionsAdsorptionsonsamplesubstancesStartofdesorptionEndofdesorptionregenerations①②④⑤Logo离子交换层析原理示意图带有相反电荷的大分子：在吸附阶段可与骨架上的离子基团结合带有相反电荷的小分子：在洗脱阶段与吸附的大分子竞争，顶替出来骨架：接有离子基团，骨架本身应该是惰性的离子基团：连接在骨架上，为层析剂的活性基团，可与相反离子结合Logo(a)阳离子交换树脂+H+H+H+H+H+H+NaCl_Cl_Cl_Cl_+Na+Na+NaH+H+H+H+H+H+Cl_Cl_Cl_Cl_+Na+Na+Na+Na交换前交换达到平衡后Logo（b）阴离子交换树脂+-OH--－-－NaCl_Cl_Cl_Cl_+Na+Na+Na++++++OHOHOHOHOH+-OH--－-－NaClClClCl+Na+Na+Na++++++OHOHOHOHOH----交换前交换达到平衡后Logo)离子交换树脂的分类及其特性a.弱酸性阳离子交换树脂功能基团：—COOH；OCH2COOH；C6H5OH；COCH2COCH3交换容量与介质的pH值有关（pH＞7.0）转为H+型容易转为Na+型，水洗不可至pH中性（pH9.0-9.5）这类树脂的电离程度小，其交换性能和溶液的pH有很大关系。在酸性溶液中，这类树脂几乎不能发生交换反应，交换能力随溶液的pH增加而提高。Logo强酸性阳离子交换树脂•功能基团：—SO3H；—CH2SO3H•交换容量与介质的pH值无关•转为H+型困难•转为Na+型，水洗可至pH中性Logo苯乙烯系强酸性阳离子交换树脂的结构—CH2—CH—CH2—CH—CH2—CH—CH2—CH—∣∣SO3-H+∣SO3-H+SO3-H+—CH2—CH—CH2—CH—CH2—CH—CH2—CH—SO3-H+···—CH2—CH—CH2—···SO3-H+HC=CH2HC=CH2m+nHC=CH2Logo弱碱性阴离子交换树脂•功能基团：—NH2；NHR；N(R)2；C6H5N•交换容量与介质的pH值有关（pH＜7.0）•转为OH-型容易•转为Cl-型，水洗不可至pH中性（pH6.0-6.5）Logo强碱性阴离子交换树脂•功能基团：—季胺基团（—N+(CH3)3OH-；—N+(CH3)2(C2H4OH)OH-）•交换容量与介质的pH值无关•转为OH-型困难•转为Cl-型，水洗可至pH中性e.其它类型：大孔离子交换树脂；两性离子交换树脂；螯合离子交换树脂等Logo对交换能力的影响无在酸性溶液中交换能力很小无在碱性溶液中交换能力很小盐的稳定性稳定洗涤时要水解稳定洗涤时要水解再生需过量的强酸很容易需要过量的强碱再生容易，可用碳酸钠或氨交换速度快慢(除非离子化后)快慢(除非离子化后)Logo离子交换树脂命名强酸性（1-99）弱酸性（100-199）强碱性（200-299)弱碱性（300-399）X后面交联度（对凝胶型离子交换树脂）交联度对大孔型离子交换树脂，在型号的前面加“Ｄ”表示。Logo交联度树脂的性质随着作为交联剂的含量不同而有所差异。合成树脂时，单体中交联剂的含量百分数称为交联度，在商品树脂中，通常是8%-12%。但合成时，通过改变它和苯乙烯的混合比，可制出不同含量的产品。一般说来，交联度越大，树脂越坚固，在水中不易溶胀，含水量低。而交联度减少，树脂变得柔软，容易溶胀。Logo离子交换树脂命名Ｄ●●●交联度数值顺序号骨架代号分类代号分类代号顺序号骨架代号大孔型代号００１×７０－强酸性０－苯乙烯系交联度为７%顺序号为１001×7－交联度为7%的苯乙烯系凝胶型强酸性阳离子交换树脂Ｄ315-大孔型丙烯酸弱碱性阴离子交换树脂大孔型凝胶型●●●×●Logo国内外离子交换树脂相应牌号对照704=311×2717=201×7732=001×7711=201×4703=D311HD42=001AmberliteIR系列Zerolit系列神胶系列Logo)特点•亲水性骨架•孔度大•电荷密度小2)分类多糖凝胶类（葡聚糖、琼脂糖、纤维素）•骨架组成（Sephadex、Sepharose、Sephacel等）有机聚合物（聚乙烯醇、聚丙烯酰胺等）(Toyopearl、Biogel-P)Logo酸性基团—阳离子（强、弱）•功能基团（磺丙基SP、羧甲基CM）碱性基团—阴离子（强、弱）（季胺乙基QAE、二乙胺基乙基DEAE）3)命名•没有统一的命名规则•通用格式：功能基团+骨架组成如DEAE-Sepharose、SP-SephacelDEAE–SephadexA–50、CM–SephadexC–75、DE–52、CM–Bio-GelALogo)离子交换剂的选择疏水性树脂类•种类亲水性凝胶类小分子：无机离子、生物小分子离子交换物大分子：蛋白、酶、核酸、多糖Logo酸性（阳）——强、弱功能基团性质碱性（阴）——强、弱交联度及离子交换容量稳定性Logo强碱物质选弱酸树脂∵洗脱容易弱碱物质选强酸树脂，不能用弱酸树脂∵弱酸树脂所成的盐易水解，吸附困难。中等碱性物质强/弱酸树脂都可以，根据交换容量选择。碱性生化物质，“＋”——选酸性阳树脂，骨架“－”酸性生化物质相反。Logo树脂预处理物理处理：水洗、过筛，去杂，以获得粒度均匀的树脂颗粒；化学处理：转型阳离子树脂酸—碱—酸阴离子树脂碱—酸—碱最后以去离子水或缓冲液平衡Logo）操作条件的选择介质的pH值（离子交换剂的离解度、离子交换物质的离解度及其稳定性）离子交换剂的离子形式–阳离子（H+、Na+、K+、NH4+）–阴离子（OH-、Cl-、SO42-、CO32-）*弱酸或弱碱树脂选盐型树脂较好。∵盐型树脂电离度大，H型和OH型解离度小。*强酸、强碱树脂都可以，但应考虑生化物质稳定性。2吸附条件Logo淋洗剂——水、低离子强度缓冲液改变pH值洗脱剂增加离子强度或+缓冲液有机溶剂2洗脱Logo洗脱一般采取梯度淋洗：先采用洗脱能力弱的溶液，使易洗脱组分流出，然后依次使用洗脱能力更强的溶液，洗脱较难洗脱的组分。04080120160200240280320NaNO30.5mol/L2mol/LNaNO3Cl-Br-I-体积/mL图5-3Cl-，Br-和I-的分步淋洗浓度可以通过（1）改变溶液pH值（2）改变溶液离子强度Logo，37.50CPH4.25，500CPH4.25，500CPH4.25，750CPH6.7250CPH8.3，250C00.250.50500525550575600625650675PH8.3，250CPH9.2，250CPH11.0，250C淋洗体积/mLAspThrSerGluProGlyAlaCys-CysValMetIleLeuTyrPheHisLysArg采用交换树脂为Dowo×50,柱长100cm，柱径0.9cm，Na+型树脂，淋洗剂采用pH值逐步提高的柠檬酸钠缓冲液。Logo3再生（转型）：–疏水性树脂类：1.0—2.0M酸、碱（HCl、NaOH）–亲水性凝胶类：0.1—0.5M酸、碱（HCl、NaOH）※“中毒”树脂类常采用的处理方法40-50℃的2.0M强酸、强碱10%NaCl+1-2%NaOH混合剂有机溶剂混合液Logo