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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 带电粒子与离子交换剂间的作用力是静电力 电荷密度 电荷种类 2 离子交换剂 离子交换剂 由惰性的不溶性载体 功能基团和平衡离子组成 阳离子交换剂 平衡离子带正电荷 阴离子交换剂 平衡离子带负电荷 R X Y R Y X R 表示阳离子交换剂的功能基团和载体 X 为平衡离子 Y 为交换离子 3 吸附 选择性吸附 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 如阳离子交换树脂 便可使目的物被离子交换树脂吸附 而杂质较少被吸附 4 洗脱 1 调节洗脱液的pH值 2 用高浓度的同性离子将目的物离子取代下来 对阳离子交换树脂而言 目的物的pI值愈大 愈碱 将其洗脱下来所需溶液的pH值也愈高 5 离子交换树脂吸附和洗脱过程 6 1 X 为平衡离子 YH 及Z 为待分离离子 2 YH 和Z 取代X 而被吸附 3 加碱后YH 失去正电荷 被洗脱 4 提高X 的浓度取代出Z 树脂的选择 pH大于等电点时 物质带负电荷 与阴离子交换剂进行交换 pH小于等电点时 物质带正电荷 可以与阳离子交换剂进行交换 7 蛋白质等电点与所用交换剂 8 离子交换技术的应用 9 第二节离子交换树脂的结构和种类 离子交换树脂构成 1 惰性的不溶性高分子固定骨架 称载体 2 与载体共价键连接的不能移动的活性基团 又称功能基团 3 与功能基团以离子键连接的可移动的活性离子 亦称平衡离子 如聚苯乙烯磺酸型钠树脂 10 阳离子交换树脂分类 强酸型树脂 磺酸型树脂 功能基团为磺酸根 SO3H 及甲基磺酸根 CH2SO3H 有好的解离能力 中酸性树脂 磷酸型树脂 PO3H2 弱酸性树脂 羧酸型树脂和酚型树脂 COOH 在酸性环境中解离度受到抑制 11 阴离子交换树脂 强碱型阴离子交换树脂 弱碱型阴离子交换树脂 活性基团为伯 仲 叔胺基 在碱性环境中解离度受到抑制 中强碱性阴离子交换树脂 兼有以上两类活性基团 12 离子交换树脂功能基团的电离常数 13 离子交换树脂的性能 14 两性树脂 蛇笼树脂 snake cageresins 15 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401 500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 弱酸101 4其交联度为4 国内常用树脂命名 724 732 717 16 离子交换树脂的骨架 一 苯乙烯型离子交换树脂 由苯乙烯与二乙烯苯经过氧苯甲酰催化聚合而成 交联度 17 18 二 丙烯酸型离子交换树脂 丙烯酸型阳离子交换树脂 是由丙烯酸甲酯与二乙烯苯经过氧苯甲酰催化聚合而成 19 丙烯酸型阳离子交换树脂 110树脂 丙烯酸甲酯与二乙烯苯聚合而成 724树脂 它是由甲基丙烯酸 甲基丙烯酸甲酯和二乙烯苯三元共聚而得 20 三 其它离子交换树脂 蛇笼树脂 脱盐螯形树脂 金属离子吸附树脂 脱色树脂 热再生离子交换树脂 21 常用离子交换树脂特性表 22 第三节离子交换动力学 一 离子交换平衡R代表离子交换树脂 Z1及Z2分别为离子A1和A2的价电数 表示溶液中与树脂表面的两种离子 23 尼科尔斯基方程式 用m1 m2及C1 C2分别代表树脂上和溶液中的两种离子的浓度 数量关系可表示 尼科尔斯基方程式K 1时离子A1比离子A2对树脂有较大的吸引力 24 二 离子交换速度 R B A R A B 离子交换过程 1 A 从溶液扩散到树脂表面 2 A 从树脂颗粒表面扩散到颗粒中心 3 平衡离子A 与离子B 交换 4 B 从交换中心扩散到离子表面 5 B 再扩散到溶液中 25 粒子扩散 速度 颗粒孔径 颗粒半径 树脂交换容量 离子A 的半径与电荷 平衡离子的性质 电荷 半径 26 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 27 三 离子交换动力学 交换离子被吸附 平衡离子被释放 交换带 交换离子A1由于被树脂吸附 其浓度从起始浓度Co逐渐下降到0的树脂层 交换带窄 K 1 A1浓度小 流速慢 28 第四节离子交换树脂的性能 一 离子交换对树脂的基本要求二 影响树脂性能的几个因素三 主要理化常数的测定 29 一 离子交换对树脂的基本要求 1 有尽可能大的交换容量 2 有良好的交换选择性 3 化学性质稳定 4 化学动力学性能好 5 物理性能好 30 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 数目是其交换容量的基础 pH 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 31 pH对交换容量的影响 32 钠型树脂与氢型树脂 偶极离子在离子交换过程中的行为是很特殊的 以氨基酸的交换为例 RSO3 Na H3 NRCOO RSO3 H3 NRCOO Na RSO3 H H3 NRCOO RSO3 H3 NRCOOH钠盐树脂氢型树脂 被取代的氢离子为羧基所固定 使被吸附的氨基酸不能形成偶极 与树脂之磺酸基没有排斥力 与钠型树脂相比 氢型树脂有较大的有效交换容量 33 三 主要理化常数的测定 1 含水量 常用干燥法和离心法测得 2 膨胀度 膨胀系数K膨胀 3 湿真密度 树脂充满水时的密度 4 交换容量 meq g树脂 34 交换容量测定方法 阳离子交换树脂 氢型 的测定方法 一定量树脂中加入NaOH溶液 一天或数天后测定NaOH剩余量 从消耗的碱量求交换容量 阴离子交换树脂 氯型 的测定方法 一定量树脂装柱 用过量Na2SO4溶液进行离子交换 测定流出液中氯离子总量 求交换容量 35 滴定曲线 36 滴定曲线 37 1 强酸树脂AmberliteIR 120 2 弱酸树脂AmberliteIRC 84 3 强碱树脂AmberliteIRA 400 4 弱碱树脂AmberliteIR 45 第五节离子交换的选择性 影响离子交换选择性的因素 离子价与离子水合半径离子价与离子浓度交换环境树脂结构偶极离子排斥 38 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 电荷效应越强的离子与树脂的亲和力越大 而决定电荷效应的主要因素是价电数和离子半径 39 一价阳离子亲和力的次序是 H Li Na K NH4 Ag 对强碱性树脂阴离子亲和力次序 F OH HCOO Cl Br I SO42 对弱碱性树脂阴离子亲和力次序 F Cl Br I Ac SO42 OH 40 离子交换树脂的性能 41 强酸强碱树脂对各种离子的选择系数 H Li Na K NH4 Pb Cs Ag Ti 42 二 离子化合价与离子浓度的影响 设离子平衡后溶液中两种离子的浓度比是定值P C1 C2 P在稀溶液 C2较小 中 树脂吸附高价离子的倾向很大 43 举例 例如 当k 2P 1m1 m2 1C2 0 1mol LZ2 1时若Z1 2则m1 0 9 m2 0 1若Z1 3则m1 0 97 m2 0 03在较稀的溶液中 树脂几乎仅吸附高价离子 44 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 能降低有机离子的解离程度 45 四 树脂结构的影响 一 树脂载体的交联度 交联度上升 膨胀度下降 K值增大 树脂潜在的选择能力提高 空隙大小的影响 即膨胀度增大 促使树脂吸附量增加 选择性的影响 膨胀度增大时 K值减小 促使树脂吸附量降低 膨胀系数值很小时 空间效应占主要地位 膨胀系数增大到一定值时 选择性占主要地位 46 图8 14用磺酸基树脂 从含有HCl的溶液中 吸附土霉素的量与树脂膨胀度之间的关系1 0 1NHCl 2 0 25NHCl 3 0 5NHCl 4 1 0NHCl 原始溶液中士霉素浓度为0 4mg ml m 对土霉素吸附量meq g 膨胀度与选择性的关系 47 图8 12在甲基丙烯酸 丙烯酰胺树脂 链霉素与钠离子交换等温线与树脂膨胀的关系1 膨胀系数1 9 2 膨胀系数3 3 膨胀系数4 5 4 膨胀系数5 2 m1 树脂对链霉素吸附量 meq g m2 m m1 m 树脂的最大交换容量 meq g C1 C2 溶液中链霉素和钠离子浓度 meq ml 二 辅助力 离子交换树脂与被吸附离子间的作用力除静电力外 还存在一种辅助力 无机离子交换常数K值多在1 10之间 有机离子交换时 K值可高达102 103 三 其它结合力 某些树脂对金属离子有特殊的亲和力 羧酸型树脂 48 五 偶极离子排斥作用 偶极离子RSO3 Na H3 NRCOO RSO3 H3 NRCOO Na RSO3 H H3 NRCOO RSO3 H3 NRCOOH钠盐树脂氢型树脂与钠型树脂相比 氢型树脂有较大的有效交换容量 49 氢型与钠型磺酸基树脂吸附氨基酸比较 50 第六节离子交换操作方法 一 树脂的选择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 51 二 树脂的处理和再生 1 外观特征透明或半透明 颗粒圆整 粒度均匀 强度 2 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 52 氨基酸分离前树脂的处理 53 不同类型树脂的处理 54 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 再生过程 1 去杂 大量水冲洗 除去物理吸附的杂质 2 用酸 碱处理除去与功能基团结合的杂质 3 转型 55 三 基本操作方法 交换 静态交换动态交换洗脱 洗脱方式 分静态洗脱及动态洗脱两种 pH及离子强度改变 洗脱液 酸 碱 盐 56 酸 碱洗脱液旨在改变吸附物的电荷或改变树脂吸附基团的解离状态 以消除静电结合力 迫使目的物被释放出来 盐类洗脱液是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 使吸附物解离 57 洗脱方式 动态洗脱 1 溶液pH及离子强度不变 2 分阶段改变溶液pH及离子强度 3 连续改变溶液pH及离子强度 梯度洗脱 自动化的梯度仪 58 梯度洗脱 梯度混合器 A瓶为低浓度盐溶液B瓶为高浓度盐溶液C CA CA CB VAA AB 59 第七节应用实例 分离纯化 氨基酸制备无盐水制备 60 氨基酸制备 分离 猪血粉水解制备6种氨基酸 61 无盐水制备 无盐水制备是利用氢型阳离子交换树脂和羟型阴离子交换树脂的组合以除去水中所有的离子 其反应式如下 62 无盐水制备 阳离子交换树脂用强酸性树脂 阴离子交换树脂可以用强碱或弱碱树脂 强酸 弱碱或强酸 强碱 当对水质要求高时 经过一次组合脱盐 还达不到要求 可采用两次组合 强酸 弱碱 强酸 强碱 强酸 强碱混合床 63 混合床 混合床系将阳 阴两种树脂混合而成 脱盐效果好 混合床中所发生的反应 64 混合床 无盐水 65 图8 20混合床的操作 a 为水制备时的情形 b 为制备结束 用水逆流冲洗 阳 阴树脂根据比重不同分层 一般阳树脂较重在下面 阴树脂在上面 c 为上部 下部同时通入碱 酸再生 废液自中间排出 d 为再生结束 通入空气 将阳 阴树脂混合 准备制水 混合床 抗生素脱盐 经过第一柱 阳树脂 时 溶液变酸 而经过第二柱 阴树脂 时 溶液又变碱 链霉素脱盐 强酸1 25和弱碱311 4树脂组成混合床 脱盐效果较好 66 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 67 大孔型与凝胶型离子交换树脂物理性质 68 一 大孔型离子交换树脂的特征 1 载体骨架交联度高 2 孔径大 3 表面积大 表面吸附强 对大分子物质的交换容量大 4 孔隙率大 69 大孔型离子交换树脂主要特性 70 二 均孔型离子交换树脂 主要是阴离子交换树脂 骨架的交联度比较均匀 代号为IP或IR 交联度均匀 孔径大小一致 交换容量都较高 膨胀度 机械强度好 71 二 多糖基离子交换剂 生物大分子对离子交换的要求 固相载体具有亲水性和较大的交换空间 对其生物活性有稳定作用 并便于洗脱 生物来源稳定的高聚物 多糖作载体 多糖基离子交换剂可以分为 离子交换纤维素葡聚糖离子交换剂 72 一 离子交换纤维素特点 1 开放的长链骨架 亲水性强 表面积大 易吸附大分子 2 交换基团稀疏 对大分子的实际交换容量大 3 吸附力弱 交换和洗脱条件缓和 不宜变性 4 分辨率高 73 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 1 74 75 离子交换纤维素的制备 76 操作注意点 可静态交换 也可动态交换 交换基团密度低 吸附力弱 盐浓度不宜高 控制在0 001 0 02mol L 77 离子交换纤维素的选择 解离曲线 78 离子交换纤维素的解吸 洗脱缓和 升高环境的pH 降低pH或是增加离子强度都能将被吸附物质洗脱下来 79 离子交换纤维素的处理和再生 酸碱浓度要适当降低 处理时间也从4h缩短为0 3 1h 以交换缓冲液平衡 注意 不耐酸 用酸处理的浓度和时间须小心控制 80 二 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 命名 交换活性基团 SephadexC A 编号 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 81 常用的离子交换葡聚糖 82 琼脂糖凝胶离子交换剂 琼脂糖凝胶上引入功能基DEAE sepharoseCL 6BCM sepharoseCL 6BDEAE ToyopearlCM Toyopearl 83 多糖基离子交换剂应用 尿激酶分离纯化 84 第九节离子交换聚焦色谱 色谱聚焦 chromatofocusing 是一种高分辨的新型的蛋白质纯化技术 是根据蛋白质的等电点 结合离子交换技术的大容量色谱 能分离几百毫克蛋白质样品 洗脱峰被聚焦效应浓缩 分辨率高 适用水溶性的两性分子 如蛋白质 酶 多肽 核酸等 85 一 色谱聚焦的原理 一 自动形成pH梯度 二 蛋白质的色谱行为 三 聚焦效应 86 PH梯度溶液的形成 在聚焦层析中 当洗脱液流进多缓冲交换剂时 由于交换剂带有缓冲能力的电荷基团 故PH梯度溶液可以自动形成 87 PBE94柱聚焦色谱的pH梯度 88 1 柱内每点的PH值从高到低逐渐下降 2 从层析柱顶部到底部就形成了PH6 9的梯度 3 PH梯度会逐渐向下迁移 4 底部流出液的PH由9逐渐降至6 蛋白质的色谱行为 当柱中PH低于蛋白质的PI时 蛋白质带正电荷 不与阴离于交换剂结合 随洗脱液向下移动 当蛋白质移动至环境PH高于其PI时 蛋白质由带正电荷变为带负电荷 并与阴离子交换剂结合 由于洗脱剂的通过 蛋白质周围的环境PH再次低于PI时 它又带正电荷 并从交换剂解吸下来而下降 移至pH大于PI时又重新结合 直至蛋白质从柱下流出 不同蛋白质具有不同的等电点 在被离子交换剂结合以前 移动距离是不同的 洗脱出来的先后次序是按等电点排列的 89 聚焦效应 当一种蛋白质在柱上随洗脱液下移至等电点处时 移动速度明显减慢 此时加上相同的第二个样品 它将以洗脱液移动的速度下降 直至追到正在慢移的第一个样品 聚焦 如果加入的第二个样品的等电点比第一个样品高 它可以越过第一个样品区先被洗脱出来 90 二 多缓冲剂 多缓冲剂是一种两性电解质缓冲剂 是分子量大小不同的多种组分的多羧基多氨基化合物 Polybuffer96PBE94Polybuffer74PBE94 91 三 多缓冲交换剂 PBE94是以交联琼脂糖6B Sepharose6B 为载体 并在糖基上通过醚键偶合上配基制成的多