第八章離子交換法

1、1 離子交換法：利用溶液中離子交換法：利用溶液中帶電粒子帶電粒子與離子交換劑與離子交換劑之間之間結(jié)合力結(jié)合力的差異進行物質(zhì)分離的操作方法。的差異進行物質(zhì)分離的操作方法。2離子交換劑帶電粒子靜電力3吸附調(diào)節(jié)溶液的調(diào)節(jié)溶液的pH值，值，使目的物帶有相當使目的物帶有相當數(shù)量的靜電荷，而數(shù)量的靜電荷，而主要雜質(zhì)離子帶相主要雜質(zhì)離子帶相反電荷或較弱的電反電荷或較弱的電荷。荷。選擇合適的樹脂，選擇合適的樹脂，便可使目的物被離便可使目的物被離子交換樹脂吸附，子交換樹脂吸附，而雜質(zhì)較少被吸附。而雜質(zhì)較少被吸附。洗脫調(diào)節(jié)洗脫液的調(diào)節(jié)洗脫液的pH值。值。用用高濃度的同性高濃度的同性離子離子將目的物離將目的物離子取

2、代下來。子取代下來。45比如：蛋白質(zhì)帶正電荷還是負電荷？比如：蛋白質(zhì)帶正電荷還是負電荷？pHpI：物質(zhì)帶負電荷，與陰離子交換劑進行交換；pHpI，物質(zhì)帶正電荷，與陽離子交換劑進行交換。6 載體：載體：惰性的不溶性高分子固惰性的不溶性高分子固定骨架。定骨架。 功能基團：功能基團：與載體共價鍵連接與載體共價鍵連接的不能移動的活性基團的不能移動的活性基團 平衡離子：平衡離子：與功能基團以離子與功能基團以離子鍵連接的可移動的活性離子鍵連接的可移動的活性離子7離子交換樹脂構(gòu)成離子交換樹脂構(gòu)成8離子交離子交換樹脂換樹脂陽離子交陽離子交換樹脂換樹脂強酸型強酸型弱酸型弱酸型陰離子交陰離子交換樹脂換樹脂強堿型強

3、堿型弱堿型弱堿型強酸型樹脂強酸型樹脂（有好的解離能力）（有好的解離能力）： 磺酸型樹脂，功能基團為磺酸根磺酸型樹脂，功能基團為磺酸根(SO(SO3 3H)H) 甲基磺酸根甲基磺酸根(CH(CH2 2SOSO3 3H)H)中酸性樹脂中酸性樹脂 磷酸型樹脂（磷酸型樹脂（POPO3 3H H2 2 ）弱酸性樹脂弱酸性樹脂（酸性環(huán)境中解離度受到抑制）（酸性環(huán)境中解離度受到抑制） 羧酸型樹脂（羧酸型樹脂（COOHCOOH） 酚型樹脂（酚型樹脂（ ）9強堿型陰離子交換樹脂強堿型陰離子交換樹脂 季銨基季銨基 弱堿型陰離子交換樹脂弱堿型陰離子交換樹脂（在堿性環(huán)境中解離度（在堿性環(huán)境中解離度受到抑制）受到抑制）

4、 伯、仲、叔胺基伯、仲、叔胺基中強堿性陰離子交換樹脂中強堿性陰離子交換樹脂 兼有以上兩類活性基團兼有以上兩類活性基團101112“strong and weak” refer to the extent that the ionization state of the functional groups varies with pH. The terms strong and weak do not refer to the strength with which the functional groups bind to proteins. Strong ion exchangers sho

5、w no variation in ion exchange capacity with change in pH . Strong ion exchangers include Q (anionic), S and SP (cationic).These exchangers do not take up or lose protons with changing pH and so have no buffering capacity, remaining fully charged over a broad pH range. Titration curves show the ion

6、exchange capacity of strong ion exchangers Q and S. Approximately 5 ml of Q or S Sepharose Fast Flow are equilibrated in 1 M KCl and titrated with 0. 1 M NaOH.weak ion exchanger:Advantage: they can offer a different selectivity compared to strong ion exchangers. A disadvantage: because weak ion exch

7、angers can take up or lose protons with changing pH, their ion exchange capacity varies with pH.such as DEAE (anionic), ANX (anionic) and CM (cationic), 強酸類強酸類 1100號號弱酸類弱酸類 101200強堿類強堿類201300弱堿類弱堿類301400中強酸類中強酸類40150015 交聯(lián)度交聯(lián)度：是合成載：是合成載體骨架時交聯(lián)劑重體骨架時交聯(lián)劑重量 的 百 分 數(shù) ， 用量 的 百 分 數(shù) ， 用“”將樹脂編號與將樹脂編號與交聯(lián)度分開。交聯(lián)

8、度分開。如：強酸如：強酸7 7其交聯(lián)度其交聯(lián)度為為7%7%。編號：編號： 由由苯乙烯苯乙烯與與二乙烯苯二乙烯苯經(jīng)過氧苯甲酰催化聚合而成。經(jīng)過氧苯甲酰催化聚合而成。16（一）苯乙烯型離子交換樹脂（一）苯乙烯型離子交換樹脂由由丙烯酸甲酯丙烯酸甲酯與與二乙烯苯二乙烯苯經(jīng)過氧苯甲酰催化聚合而成經(jīng)過氧苯甲酰催化聚合而成17（二）丙烯酸型離子交換樹脂（二）丙烯酸型離子交換樹脂18（三）多乙烯多胺（三）多乙烯多胺環(huán)氧氯丙烷樹脂環(huán)氧氯丙烷樹脂弱堿弱堿301301樹脂，同時含有伯、仲、叔胺，還含有少量季銨基團。樹脂，同時含有伯、仲、叔胺，還含有少量季銨基團。（四）聚乙烯吡啶系離子交換樹脂（四）聚乙烯吡啶系離子交

9、換樹脂 1 1、蛇籠樹脂、蛇籠樹脂19（五）其它離子交換樹脂（五）其它離子交換樹脂 兩性兩性離子交換樹脂以交聯(lián)的強堿性陰離子交換樹脂為籠，以丙烯酸鹽負離子在樹脂內(nèi)聚合生成線型聚合物作為蛇而得名。樹脂中的羧基（樹脂中的羧基（-COO-）和季銨基（）和季銨基（-N+(CH3)3）是等摩爾的，故樹脂是）是等摩爾的，故樹脂是中性中性的。的。應(yīng)用：脫鹽。如，Na+被樹脂中的-COO-除去，而Cl 被季銨基除去。螯形樹脂螯形樹脂吸附樹脂吸附樹脂電子交換樹脂電子交換樹脂 20（五）其它離子交換樹脂（五）其它離子交換樹脂 2 2、選擇性交換樹脂、選擇性交換樹脂應(yīng)用：含重金屬離子的廢水應(yīng)用：含重金屬離子的廢水應(yīng)

10、用：除去色素應(yīng)用：除去色素（氧化還原樹脂，略）（氧化還原樹脂，略）21 1、樹脂粒度樹脂粒度：樹脂粒度大，交換速度慢。：樹脂粒度大，交換速度慢。 2、攪拌速度、攪拌速度 3、樹脂交聯(lián)度樹脂交聯(lián)度：交聯(lián)度大，交換速度低。：交聯(lián)度大，交換速度低。 4、離子半徑和離子價離子半徑和離子價：離子每增加一個電荷，：離子每增加一個電荷，交換速度下降一個數(shù)量級。交換速度下降一個數(shù)量級。 5、溫度。、溫度。 6、離子濃度離子濃度：交換速度隨離子濃度的上升而加：交換速度隨離子濃度的上升而加快。快。2223交換容交換容量量交換選交換選擇性擇性化學性化學性質(zhì)質(zhì)化學動化學動力學性力學性能能物理性物理性能能1、離子交換樹

11、脂具有的功能基、離子交換樹脂具有的功能基團性質(zhì)和數(shù)目團性質(zhì)和數(shù)目交換容量交換容量2、樹脂的交聯(lián)度、樹脂的交聯(lián)度樹脂強度、樹脂強度、交換選擇性、動力學性質(zhì)交換選擇性、動力學性質(zhì)3、樹脂骨架和平衡離子、樹脂骨架和平衡離子 24離子離子價與價與離子離子水合水合半徑半徑離子價與離子價與離子濃度離子濃度交換交換環(huán)境環(huán)境樹脂樹脂結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)偶極離子偶極離子排斥排斥25影響離子交換選擇性的因素：影響離子交換選擇性的因素：和相對濃度。和相對濃度。26電荷效應(yīng)電荷效應(yīng)介電常數(shù)介電常數(shù)離子半徑離子半徑電荷效應(yīng)越強的離子與樹脂的親和力越大。27 在稀溶液中，樹脂吸附高價離子的傾向很大。在稀溶液中，樹脂吸附高價離子的傾向

12、很大。 1、溶液的溶液的pH：解離度解離度、交換容量、選擇性。、交換容量、選擇性。 2、離子強度離子強度：交換容量、交換容量、選擇性、交換速度選擇性、交換速度 3、有機溶劑有機溶劑：減弱樹脂對有機離子的吸附能力。：減弱樹脂對有機離子的吸附能力。28 一、一、 樹脂的選擇樹脂的選擇29 目的物是弱酸性或弱堿性的小分子物質(zhì)小分子物質(zhì)時，宜選用強酸強堿樹脂強酸強堿樹脂（氨基酸的分離）。 蛋白質(zhì)、酶和其它生物大分子生物大分子的分離多采用弱堿或弱酸性樹脂弱堿或弱酸性樹脂，減少生物大分子的變性，利于洗脫，提高選擇性。 1 1、 外觀特征外觀特征302 2、 樹脂的預(yù)處理樹脂的預(yù)處理（1 1） 物理處理：去

13、雜，過篩。物理處理：去雜，過篩。（2 2） 化學處理化學處理：用：用8 81010倍的倍的1mol/L 1mol/L 鹽酸鹽酸或氫氧化鈉溶液交替浸泡或氫氧化鈉溶液交替浸泡。 3132 樹脂再生：樹脂再生：使用過的樹脂重新獲得使用性能的處理過程。使用過的樹脂重新獲得使用性能的處理過程。 33 去雜大量水沖洗，除去物理吸附的雜質(zhì)。酸堿處理 用酸、堿處理除去與功能基團結(jié)合的雜質(zhì)。轉(zhuǎn)型人為地賦予平衡離子再生過程3435洗脫洗脫靜態(tài)動態(tài)pH值和離子值和離子強度保持不變強度保持不變階段洗脫階段洗脫梯度洗脫梯度洗脫交換交換靜態(tài)動態(tài)洗脫液 酸、堿酸、堿洗脫液：洗脫液：改變吸附物的電荷或改變樹脂活性基團改變吸附

14、物的電荷或改變樹脂活性基團的解離狀態(tài)，以的解離狀態(tài)，以消除靜電結(jié)合力消除靜電結(jié)合力，迫使目的物被釋放，迫使目的物被釋放出來；出來； 鹽鹽類洗脫液：類洗脫液：通過高濃度的同種電荷的離子與目的物通過高濃度的同種電荷的離子與目的物競競爭爭樹脂上的樹脂上的活性基團活性基團，使吸附物游離。，使吸附物游離。 36分階段分階段（階段洗脫）（階段洗脫）連續(xù)改變連續(xù)改變（梯度（梯度/線性洗脫）線性洗脫）37改變?nèi)芤簆H及離子強度： 1. 混合溶液中，待分離目的蛋白質(zhì)混合溶液中，待分離目的蛋白質(zhì)T的的pI為為7.9，雜質(zhì)蛋白，雜質(zhì)蛋白A的的pI為為5.4，雜質(zhì)蛋白質(zhì)，雜質(zhì)蛋白質(zhì)B的的pI為為4.9，實驗室現(xiàn)有，實

15、驗室現(xiàn)有SP Sepharose Fast Flow （一種強陽離子交換樹脂）（一種強陽離子交換樹脂）,請設(shè)請設(shè)計一套實驗方案，使用離子交換技術(shù)純化目的蛋白質(zhì)計一套實驗方案，使用離子交換技術(shù)純化目的蛋白質(zhì)T。38分離純化分離純化氨基酸制備氨基酸制備無鹽水制備無鹽水制備39 豬血粉水解制備豬血粉水解制備6種氨基酸種氨基酸:40 氫型氫型陽離子交換樹脂陽離子交換樹脂 羥型羥型陰離子交換樹脂陰離子交換樹脂41除去水里所有離子MeMe：金屬離子：金屬離子系將陽、陰兩種樹脂混合而成，脫鹽效果好系將陽、陰兩種樹脂混合而成，脫鹽效果好。42 一、大孔、均孔樹脂一、大孔、均孔樹脂 （一）大孔型離子交換樹脂（一）大孔型離子交換樹脂（macro porous ,MPmacro porous ,MP） （二）均孔型離子交換樹脂（二）均孔型離子交換樹脂 ( IR )( IR ) 二、多糖基離子交換劑二、多糖基離子交換劑 （一）離子交換纖維素（一）離子交換纖維素 （二）葡聚糖凝膠離子交換劑（二）葡聚糖凝膠離子交換劑 （三）瓊脂糖凝膠離子交換劑（三）瓊脂糖凝膠離子交換劑43 羧甲基纖維素（羧甲基纖維素（CM-C）：）：弱酸性陽離子交