第九章-离子交换

Logo,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,Company Logo,*,第九章 离子交换法,“,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。,Company 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。,Company 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。,Company Logo,Company Logo,2,）离子交换过程,离子交换：,RA,+,+ B,+,= RB,+,+ A,+,洗脱：,RB,+,+ C,+,= RC,+,+ B,+,再生：,RC,+,+ A,+,= RA,+,+ C,+,Company Logo,离子交换原理,Starting conditions,Adsorptions on,sample substances,Start of desorption,End of desorption,regenerations,Company Logo,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,Company Logo,(a),阳离子交换树脂,交换前,交换达到平衡后,Company Logo,（,b,）阴离子交换树脂,交换前,交换达到平衡后,Company Logo,4.,离子交换树脂类,1),离子交换树脂的分类及其特性,弱酸性阳离子交换树脂,功能基团：,COOH,；,OCH,2,COOH,；,C,6,H,5,OH,；,COCH,2,COCH,3,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。,Company Logo,b.,强酸性阳离子交换树脂,功能基团：,SO,3,H,；,CH,2,SO,3,H,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,Company Logo,苯乙烯系强酸性阳离子交换树脂的结构,CH,2,CHCH,2,CHCH,2,CHCH,2,CH,SO,3,-,H,+,SO,3,-,H,+,SO,3,-,H,+,CH,2,CHCH,2,CHCH,2,CHCH,2,CH,SO,3,-,H,+, CH,2,CHCH,2, ,SO,3,-,H,+,HC=CH,2,HC=CH,2,m,+ n,HC=CH,2,Company Logo,c.,弱碱性阴离子交换树脂,功能基团：,NH,2,；,NHR,；,N(R),2,；,C,6,H,5,N,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,）,Company Logo,d.,强碱性阴离子交换树脂,功能基团：,季胺基团（,N,+,(CH,3,),3,OH,-,；,N,+,(CH,3,),2,(C,2,H,4,OH)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,Company Logo,离子交换树脂性能比较,性能,阳离子交换树脂,阴离子交换树脂,强酸性,弱酸性,强碱性,弱碱性,活性基团,磺酸,羧酸,季氨,胺,pH,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,),Company Logo,离子交换树脂产品的分类代号,代号,分类名称,代号,分类名称,强酸性,螯合性,弱酸性,两性,强碱性,氧化还原,弱碱性,Company Logo,离子交换树脂骨架分类代号,代号,骨架分类,代号,骨架分类,苯乙烯系,乙烯吡啶系,丙烯酸系,脲醛系,酚醛系,氯乙烯系,环氧系,Company 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,“,”,表示。,Company 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。,Company Logo,离子交换树脂命名, ,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,强酸性,苯乙烯系,交联度为,%,顺序号为,0017,交联度为,7%,的苯乙烯,系凝胶型强酸性阳离子交换树脂,315-,大孔型丙烯酸弱碱,性阴离子交换树脂,大孔型,凝胶型, ,Company Logo,国内外离子交换树脂相应牌号对照,704 = 3112,717 = 2017,732 = 0017,711 = 2014,703 = D,311,HD42 = 001,Amberlite,IR,系列,Zerolit,系列,神胶系列,Company Logo,5.,亲水性离子交换剂,特点,亲水性骨架,孔度大,电荷密度小,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),Company 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,）,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-,Sephacel,DEAE ,Sephadex,A 50,、,CM,Sephadex,C 75,、,DE 52,、,CM Bio-Gel A,Company Logo,6.,离子交换剂与操作条件的选择,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,Company 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,Company 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。,Company Logo,1,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,Company Logo,2,）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,+,、,NH,4,+,）,阴离子（,OH,-,、,Cl,-,、,SO,4,2-,、,CO,3,2-,）,*,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,Company 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,Company 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。,可以通过 （,1,）改变溶液,pH,值,（,2,）改变溶液离子强度,Company Logo,氨基酸分离的洗脱曲线,采用交换树脂为,Dowo50,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。,Company Logo,3,再生（转型）：,疏水性树脂类：,1.02.0 M,酸、碱 （,HCl,、,NaOH,）,亲水性凝胶类 ：,0.10.5 M,酸、碱 （,HCl,、,NaOH,）,“,中毒”树脂类常采用的处理方法,40-50,的,2.0 M,强酸、强碱,10 %,NaCl,+ 1-2 %,NaOH,混合剂,有机溶剂混合液,Company Logo,离子交换提取蛋白质,传统离子交换剂不适用于提取蛋白质,（,1,） 交联度大 （大分子不能进入）,（,2,） 电荷密度高,(,结合太强）,（,3,） 骨架憎水性强（蛋白质易变性,),亲水性离子交换剂,（,1,） 亲水性大,（,2,） 孔径大,（,3,） 体积随,pH,及离子强度变化小,Company Logo,蛋白质离子交换分离的基本步骤,平衡,上样吸附,洗脱,再生,Company Logo,+,+,+,+,+,+,-,-,-,-,-,-,-,anion exchange bead,Equilibration,蛋白质离子交换基本步骤,Company Logo,Sample application,and wash,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,+,+,+,+,+,+,-,-,-,-,蛋白质离子交换基本步骤,Company Logo,Elution,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,-,-,蛋白质离子交换基本步骤,Company Logo,Regeneration,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,+,+,+,+,+,+,蛋白质离子交换基本步骤,Company Logo,Sample,application,and wash,Elution,Equilibration,Regeneration,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,蛋白质离子交换基本步骤,Company Logo,洗 脱 原 则,（,1,） 与吸附条件相反,（,2,） 缓冲液,（,3,） 缓和酸碱,（,4,） 有机溶剂,（,5,）充分洗涤（水，稀酸，盐）,Company Logo,7.,离子交换法的应用,软水和去离子水的制备,水的软化机理,RNa,+,+ Ca,2+,、,Mg,2+,= RCa,2 +,、,Mg,2 +,+ Na,+,水的软化工艺过程,原水（自来水、井水、山水等）,Na,型酸性阳离子交换树脂软水,去离子水的制备原理,RH,+,+ ROH,-,+,MeX,= RMe,+,+ RX,-,+ H,2,O,去离子水制备工艺过程,原水强酸性阳离子交换树脂强碱性阴离子交换树脂混合床去离子水,Company Logo,水处理中的几个基本概念,1.,软化水,:,将水中硬度,(,钙、镁离子）去除或降低到一定程度的水，水在软化过程中，仅硬度降低而总含盐量不变。,.,脱盐水,:,指水中盐类,(,主要是溶于水的强电解质,),除去或降低到一定程度的水,其电导率为,1.010.0,s,/cm,电阻率,1,万,-100,万欧,厘米,含盐量小于,1-5,毫克,/,升。,3.,纯水,:,是指水中的强电解质和弱电解质,(,如,SIO,2,CO,2,等,),去出或降低到一定程度的水,.,电导率为,1.00.1,s,/cm,；电阻率,100,万,-1000,万欧,厘米,含盐量小于,1,毫克,/,升。,4.,超纯水,:,水中的导电介质几乎完全去除,同时不离解的气体,胶体以及有机物质,(,细菌等,),也去除至很低程度的水。其电导率为,0.10.055,s,电阻率大于,1000,万,含盐量小于,0.1,毫克,/,升,.,理想纯水,(,理论上,),电导率为,0.05,s,电阻率为,18.3,兆欧,厘米。,Company Logo,超纯水的制备工艺,Company Logo,2,）生物小分子的纯化（如链霉素）,链霉素为强碱性抗生素，在,pH4-8,时稳定。,种类,功能基团性质,交联度及其离子交换容量和稳定性,介质的,pH,值,离子交换剂的离子形式,淋洗剂,洗脱剂,Company Logo,3,）生物大分子的纯化（胰蛋白酶）,胰蛋白酶的等电点,pI,为,10.1,，在酸性条件下较稳定，分子量为,22400,。,种类,功能基团性质,交联度及其离子交换容量和稳定性,介质的,pH,值,离子交换剂的离子形式,淋洗剂,洗脱剂,Company Logo,