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第八章离子交换法(ion-exchange)1第一节基本原理•离子交换法：利用溶液中带电粒子与离子交换剂之间结合力的差异进行物质分离的操作方法。2离子交换剂带电粒子静电力3吸附调节溶液的pH值，使目的物带有相当数量的静电荷，而主要杂质离子带相反电荷或较弱的电荷。选择合适的树脂，便可使目的物被离子交换树脂吸附，而杂质较少被吸附。洗脱调节洗脱液的pH值。用高浓度的同性离子将目的物离子取代下来。4树脂的选择5比如：蛋白质带正电荷还是负电荷？树脂的选择pH＞pI：物质带负电荷，与阴离子交换剂进行交换；pH＜pI，物质带正电荷，与阳离子交换剂进行交换。6第二节离子交换树脂的结构和种类•载体：惰性的不溶性高分子固定骨架。•功能基团：与载体共价键连接的不能移动的活性基团•平衡离子：与功能基团以离子键连接的可移动的活性离子7离子交换树脂构成一、离子交换树脂的分类8离子交换树脂阳离子交换树脂强酸型弱酸型阴离子交换树脂强碱型弱碱型阳离子交换树脂分类强酸型树脂（有好的解离能力）：磺酸型树脂，功能基团为磺酸根(—SO3H)甲基磺酸根(—CH2SO3H)中酸性树脂磷酸型树脂（—PO3H2）弱酸性树脂（酸性环境中解离度受到抑制）羧酸型树脂（—COOH）酚型树脂（）9阴离子交换树脂强碱型阴离子交换树脂季铵基弱碱型阴离子交换树脂（在碱性环境中解离度受到抑制）伯、仲、叔胺基中强碱性阴离子交换树脂兼有以上两类活性基团10离子交换树脂的性能1112“strongandweak”refertotheextentthattheionizationstateofthefunctionalgroupsvarieswithpH.•Thetermsstrongandweakdonotrefertothestrengthwithwhichthefunctionalgroupsbindtoproteins.•StrongionexchangersshownovariationinionexchangecapacitywithchangeinpH.•StrongionexchangersincludeQ(anionic),SandSP(cationic).TheseexchangersdonottakeuporloseprotonswithchangingpHandsohavenobufferingcapacity,remainingfullychargedoverabroadpHrange.TitrationcurvesshowtheionexchangecapacityofstrongionexchangersQandS.Approximately5mlofQorSSepharoseFastFlowareequilibratedin1MKClandtitratedwith0.1MNaOH.weakionexchanger:•Advantage:theycanofferadifferentselectivitycomparedtostrongionexchangers.•Adisadvantage:becauseweakionexchangerscantakeuporloseprotonswithchangingpH,theirionexchangecapacityvarieswithpH.suchasDEAE(anionic),ANX(anionic)andCM(cationic),二、离子交换树脂的命名：强酸类1～100号弱酸类101～200强碱类201～300弱碱类301~400中强酸类401～50015•交联度：是合成载体骨架时交联剂重量的百分数，用“×”将树脂编号与交联度分开。如：强酸×7其交联度为7%。•编号：三、离子交换树脂的骨架（载体）•由苯乙烯与二乙烯苯经过氧苯甲酰催化聚合而成。16（一）苯乙烯型离子交换树脂由丙烯酸甲酯与二乙烯苯经过氧苯甲酰催化聚合而成17（二）丙烯酸型离子交换树脂18（三）多乙烯多胺——环氧氯丙烷树脂弱碱301树脂，同时含有伯、仲、叔胺，还含有少量季铵基团。（四）聚乙烯吡啶系离子交换树脂•1、蛇笼树脂19（五）其它离子交换树脂两性离子交换树脂以交联的强碱性阴离子交换树脂为笼，以丙烯酸盐负离子在树脂内聚合生成线型聚合物作为蛇而得名。树脂中的羧基（-COO-）和季铵基（-N+(CH3)3）是等摩尔的，故树脂是中性的。应用：脱盐。如，Na+被树脂中的-COO-除去，而Cl–被季铵基除去。螯形树脂吸附树脂电子交换树脂20（五）其它离子交换树脂•2、选择性交换树脂应用：含重金属离子的废水应用：除去色素（氧化还原树脂，略）第三节离子交换动力学*21离子交换速度的影响因素：•1、树脂粒度：树脂粒度大，交换速度慢。•2、搅拌速度•3、树脂交联度：交联度大，交换速度低。•4、离子半径和离子价：离子每增加一个电荷，交换速度下降一个数量级。•5、温度。•6、离子浓度：交换速度随离子浓度的上升而加快。22第四节离子交换树脂的性能23一、离子交换对树脂的基本要求：交换容量交换选择性化学性质化学动力学性能物理性能23二、影响树脂性能的几个因素1、离子交换树脂具有的功能基团性质和数目——交换容量2、树脂的交联度——树脂强度、交换选择性、动力学性质3、树脂骨架和平衡离子24第五节离子交换的选择性离子价与离子水合半径25影响离子交换选择性的因素：一、离子的化合价与水合半径的影响：•相对亲和力和相对浓度。26电荷效应介电常数离子半径电荷效应越强的离子与树脂的亲和力越大。二、离子化合价与离子浓度的影响：27•在稀溶液中，树脂吸附高价离子的倾向很大。三、交换环境的影响•1、溶液的pH：解离度、交换容量、选择性。•2、离子强度：交换容量、选择性、交换速度•3、有机溶剂：减弱树脂对有机离子的吸附能力。28第六节离子交换操作方法•一、树脂的选择29•目的物是弱酸性或弱碱性的小分子物质时，宜选用强酸强碱树脂（氨基酸的分离）。•蛋白质、酶和其它生物大分子的分离多采用弱碱或弱酸性树脂，减少生物大分子的变性，利于洗脱，提高选择性。二、树脂的处理和再生1、外观特征302、树脂的预处理（1）物理处理：去杂，过筛。（2）化学处理：用8～10倍的1mol/L盐酸或氢氧化钠溶液交替浸泡。氨基酸分离前树脂的处理31不同类型树脂的处理32树脂的再生树脂再生：使用过的树脂重新获得使用性能的处理过程。33去杂•大量水冲洗，除去物理吸附的杂质。酸碱处理•用酸、碱处理除去与功能基团结合的杂质。转型•人为地赋予平衡离子再生过程三、基本操作方法34三、基本操作方法35洗脱静态动态pH值和离子强度保持不变阶段洗脱梯度洗脱交换静态动态洗脱液•酸、碱洗脱液：改变吸附物的电荷或改变树脂活性基团的解离状态，以消除静电结合力，迫使目的物被释放出来；•盐类洗脱液：通过高浓度的同种电荷的离子与目的物竞争树脂上的活性基团，使吸附物游离。36洗脱方式分阶段（阶段洗脱）连续改变（梯度/线性洗脱）37改变溶液pH及离子强度：思考题•1.混合溶液中，待分离目的蛋白质T的pI为7.9，杂质蛋白A的pI为5.4，杂质蛋白质B的pI为4.9，实验室现有SPSepharose™FastFlow（一种强阳离子交换树脂）,请设计一套实验方案，使用离子交换技术纯化目的蛋白质T。38第七节应用实例分离纯化——氨基酸制备无盐水制备39氨基酸制备、分离•猪血粉水解制备6种氨基酸:40无盐水制备•氢型阳离子交换树脂•羟型阴离子交换树脂41除去水里所有离子Me：金属离子•混合床系将阳、阴两种树脂混合而成，脱盐效果好。42第八节新型离子交换剂•一、大孔、均孔树脂•（一）大孔型离子交换树脂（macroporous,MP）•（二）均孔型离子交换树脂(IR)•二、多糖基离子交换剂•（一）离子交换纤维素•（二）葡聚糖凝胶离子交换剂•（三）琼脂糖凝胶离子交换剂43常用的离子交换纤维素•羧甲基纤维素（CM-C）：弱酸性阳离子交换纤维素，pK=3.6二乙基氨基乙基纤维素（DEAE-C）：强碱型阴离子交换纤维素，pK=9.144葡聚糖凝胶离子交换剂•是将活性交换基团连接于葡聚糖凝胶上制成的各种交换剂•具有离子交换和分子筛的双重作用，对生物分子有很高的分辨率。45命名:交换活性基团-SephadexC(A)-编号46多糖基离子交换剂应用——尿激酶分离纯化47多糖基离子交换剂应用——尿激酶分离纯化48