第二章层析技术幻灯.ppt

离子交换色谱 (Ion Exchange Chromatography) 利用离子交换剂与溶液中的离子发生交换作用而使离子分离的方法，称为离子交换分离法。20世纪初期，工业上就开始用天然的无机离子交换剂泡沸石来软化硬水。泡沸石的化学成分为硅铝酸盐(如Na2A12Si4O12·nH2O)，当与水接触时，其中的Na+便与水中的Ca2+、Mg2+发生交换作用： Na2Z + Ca2+ ＝CaZ + 2Na+ 从而使水软化。但这类无机离子交换剂的交换能力低，化学稳定性和机械强度差，应用受到很大限制。 近年来合成了有机离子交换剂——离子交换树脂，基本上克服了无机离子交换剂的缺点因此离子交换分离法在生产和科研各方面得到了广泛的应用。 第一节、概论 二、离子交换层析 1.离子交换层析的原理 生物大分子如蛋白质、核酸等多价电解质有不同的分子大小及电荷排列方式。离子交换剂是通过化学键合的方法向惰性支持物上连接可解离的化学基团后的产物。可人为选择性地使其带有正电荷或负电荷。当在一定pH下净电荷为负的蛋白质分子可通过静电键结合到带正电荷的离子交换剂(称为阴离子交换剂)上；反之，称为阳离子交换剂。 大分子依其与离子交换剂亲和力的不同，而在以不同牢度被吸附于离子交换剂，通过改变离子强度或(和)pH使大分子再从离子交换剂上先后被洗脱下来。 离子交换层析示意图 (三)交换 将试液加到交换柱上，用活塞控制一定的流速进行交换。经过一段时间之后，上层树脂全部被交换、下层未被交换，中间则部分被交换，这一段称为“交界层”。随着交换的进行，交界层逐渐下移，至流出液中开始出现交换离子时，称为始漏点(亦称泄漏点或突破点)，此时交换柱上被交换离子的物质的量数称为始漏量。在到达始漏点时，交界层的下端刚到达交换柱的底部，而交换层中尚有未被交换的树脂存在，所以始漏量总是小于总交换量。 一、离子交换树脂的结构和性质 （一）结构 离子交换树脂是具有网状结构的复杂的有机高分子聚合物。网状结构的骨架部分一段很稳定，不溶于酸、碱和一般溶剂。在网状结构的骨架上有许多可被交换的活性基团。根据活性基团的不同、离子交换树脂可分为阳离子交换树脂和阴离子交换树脂两大类。 1. 阳离子交换树脂 阳离子交换树脂具有酸性基团，如应用最广泛的强酸性磺酸型聚苯乙烯树脂，它是以苯乙烯和二乙烯苯聚合，经浓硫酸磺化而制得的聚合物。 这种树脂的化学性质很稳定，具有耐强酸、强碱、氧化剂和还原剂的性质，因此应用非常广泛。 各种阳离子交换树脂含有不同的活性基因、常见的有磺酸基(-SO3H)、羧基(-COOH)和酚基(-OH)等。根据活性基团离解出H+能力的大小不同，阳离子交换树脂分为强酸性和弱酸性两种。例如含-SO3的为强酸性阳离子交换树脂，常用R-SO3H表示(R表示树脂的骨架)，而-COOH和-OH的弱酸性阳离子交换树脂，分别用R-COOH和R-OH表示。 强酸性阳离子交换树脂应用较广泛，弱酸性阳离子交换树脂的H+不易电离，所以在酸性溶液中不能应用，但它的选择性较高而且易于洗脱。 2.阴离子交换树脂 阴离子交换树脂与阳离子交换树脂具有同样的有机骨架，只是所联的活性基团为碱性基团。如含季胺(-N(CH3)3)的树脂的H+不易电离，称为强碱性阴离子交换树脂，含伯胺基(-NH2)、仲胺基(-NHCH3)和叔胺基(-N(CH3)2)的树脂为弱碱性阴离子交换树脂。这些树脂水化后分别形成R-NH3OH、R-NH2CH3OH、R-NH(CH3)2OH 和R-N(CH3)3OH等氢氧型阴离子交换树脂，所联的OH-可被阴离子交换和洗脱。 阴离子交换树脂的化学稳定性及耐热性能都不如阳离子交换树脂稳定。 (二)性质 1．交联度 离子交换树脂的骨架是由各种有机原料聚合而成的网状结构，例如强酸性阳离子交换树脂的合成过程，是先由苯乙烯聚合而成为长的链状分子，再由二乙烯苯把各链状分子联成立体型的网状体。这里二乙烯苯称为交联剂，树脂中所合交联剂的百分率称为重量交联度。如二乙烯苯在原料总量中占10%。则称该树脂的交联度为10％。 树脂的交联度越大，则网眼越小，交换时体积大的离子进入树脂便受到限制。但提高了交换的选择性：另外，交联度大时，形成的树脂结构紧密，机械强度高。但是如果交联度过大则对水的膨胀性能差(一般要求1克干树脂在水中能膨胀至1.5-2cm3为宜)，交换反应的速度慢，因此要求树脂的交联度一般为4-14％。 2. 交换容量 离子交换树脂交换能力的大小，可用交换容量表示。理论上的交换容量是指每