高效離子交換色譜儀離子交換劑由基質(zhì)、活性基團(tuán)和可交換離子（反離子）組成，按基質(zhì)的組成和性質(zhì)可分為疏水性離子交換劑和親水性離子交換劑。

 

第一節(jié) 疏水性離子交換劑

 

疏水性離子交換劑是一種與水親和力較小的合成樹脂。最常見的是由苯乙烯與交聯(lián)劑二乙烯苯反應(yīng)生成聚合物，在此結(jié)構(gòu)中再以共價鍵引入不同的電荷基團(tuán)制成的。

一、按引入電荷基團(tuán)的性質(zhì)分類：

1、陽離子交換樹脂：

陽離子交換樹脂的電荷基團(tuán)帶負(fù)電，反離子帶正電，可與溶液中的陽離子或帶正電荷化合物進(jìn)行交換反應(yīng)。

按電荷基團(tuán)酸性強弱可分為強酸性、弱酸性和中等酸性陽離子交換樹脂。

（1）強酸性陽離子交換樹脂：

強酸性陽離子交換樹脂一般是以磺酸基（－SO₃H）為活性基團(tuán)的離子交換樹脂。

含磺酸基的強酸性陽離子交換樹脂是以苯乙烯為母體，以二乙烯苯為交聯(lián)劑共聚后再經(jīng)磺化引入磺酸基制成的。常用R－SO₃H表示，其中R表示樹脂的骨架。

1）特點：

強酸性樹脂化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，耐強酸、強堿、氧化劑和還原劑，不溶于酸、堿和常見的有機溶劑，耐熱超過100℃。

強酸性樹脂的電離率基本不受pH影響，離子交換作用的pH范圍寬。

樹脂使用一段時間后要進(jìn)行再生處理，即用化學(xué)藥品使樹脂的官能團(tuán)恢復(fù)到原來的狀態(tài)。強酸性樹脂是用強酸進(jìn)行再生處理，由于強酸性樹脂與H⁺結(jié)合力弱，再生為氫型比較困難且耗酸量較大，一般為該樹脂交換容量的3～5倍。

2）應(yīng)用：

主要用于軟水和無鹽水的制備。

在鏈霉素、卡那霉素、慶大霉素和賴氨酸等提取精制中應(yīng)用也較多。

（2）弱酸性陽離子交換樹脂：

弱酸性陽離子交換樹脂是含羧基（－COOH）和酚羥基（－C₆H₄OH）等弱酸性基團(tuán)的離子交換樹脂。其中以含羧基的離子交換樹脂應(yīng)用最廣。

1）特點：

弱酸性基團(tuán)的電離程度受溶液pH影響很大，在酸性溶液中幾乎不發(fā)生交換反應(yīng)，即只有在pH≥7的溶液中才有較好的交換能力，pH值越小，離子交換能力越小。

弱酸性樹脂和H⁺結(jié)合力很強，容易再生為氫型且耗酸量少。

2）應(yīng)用：

常用101×4樹脂分離提取鏈霉素、正定霉素、溶菌酶和尿激酶，用122樹脂進(jìn)行鏈霉素的脫色和從慶大霉素廢液中提取維生素B12等。

（3）中等酸性陽離子交換樹脂：

中等酸性陽離子交換樹脂是含磷酸基（－PO₃H₂）等活性基團(tuán)的離子交換樹脂。

2、陰離子交換樹脂：

陰離子交換樹脂是在基質(zhì)骨架上引入季胺基[－N（CH₃）₃]、叔胺基[－N（CH₃）₂]、仲胺基[－NHCH₃]和伯胺基[－NH₂]制成的。陰離子交換樹脂的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性能都不如陽離子交換樹脂。

按胺基堿性強弱可分為強堿性、弱堿性和中等堿性陰離子交換樹脂。

（1）強堿性陰離子交換樹脂：

強堿性陰離子交換樹脂是以季胺基為交換基團(tuán)的離子交換樹脂。

活性基團(tuán)有三甲胺基（－N（CH₃）₃）（Ⅰ型）和二甲基－β－羥基乙胺基 （－N（CH₃）₂（C₂H₄OH））（Ⅱ型），Ⅰ型比Ⅱ型堿性更強，應(yīng)用更廣泛。強堿性活性基團(tuán)的電離程度大，在酸性、中性甚至堿性介質(zhì)中都可以顯示離子交換功能。

1）特點：

強堿性樹脂的電離率基本不受pH影響，離子交換作用的pH范圍寬。

強堿性樹脂的氯型比羥型更穩(wěn)定，耐熱性更好，大多為氯型。

強堿性樹脂與OHˉ結(jié)合力比較弱，再生時耗堿量較大。

2）應(yīng)用：

常用201×4樹脂進(jìn)行卡那霉素、慶大霉素、巴龍霉素和新霉素的精制脫色，用201×7樹脂進(jìn)行無鹽水的制備等。

（2）弱堿性陰離子交換樹脂：

弱堿性陰離子交換樹脂是以叔胺基、仲胺基和伯胺基為交換基團(tuán)的離子交換樹脂。

1）特點：

弱堿性基團(tuán)在水中解離程度很小，僅在中性和酸性介質(zhì)中才顯示離子交換功能，即交換容量受溶液pH影響較大，pH值越小，離子交換能力越大。

弱堿性基團(tuán)與OHˉ結(jié)合力很強，易再生為羥型且耗堿量少。

2）應(yīng)用：

常用330樹脂分離頭孢菌素C，用于博來霉素和鏈霉素等精制。

（3）中等堿性陰離子交換樹脂：

中等堿性陰離子交換樹脂是既含強堿性基團(tuán)又含弱堿性基團(tuán)的離子交換樹脂。

3、螯合離子交換樹脂：

螯合離子交換樹脂含有具有螯合能力的基團(tuán)，可以形成離子鍵和配位鍵。

主要用于脫除金屬離子。

4、兩性樹脂：

兩性樹脂是同時含有酸、堿兩種基團(tuán)的離子交換樹脂，相反電荷的活性基團(tuán)可以在同一條分子鏈上，也可以在兩條相接近的大分子鏈上。有強堿－弱酸型和弱酸－弱堿型。

兩性樹脂再生是當(dāng)溫度自25℃升至高85℃時，水的解離度增加，使H⁺和OHˉ的濃度增大30倍。可作為再生劑。

二、按基質(zhì)結(jié)構(gòu)分類：

合成疏水性離子交換樹脂時，通過高分子化學(xué)加聚反應(yīng)先合成基質(zhì)，然后在基質(zhì)上引入功能基團(tuán)。若合成過程中加入致孔劑，可得大孔型離子交換樹脂，否則為凝膠型離子交換樹脂。

1、凝膠型離子交換樹脂：

由苯乙烯或丙烯酸與交聯(lián)劑二乙烯苯聚合而成。

（1）特點：

1）凝膠型樹脂呈透明或半透明狀，吸水后形成微細(xì)的孔隙。

均孔型樹脂主要是凝膠型陰離子交換樹脂，孔徑均勻，交換容量大，機械強度高。

2）凝膠型樹脂水化后處在溶脹狀態(tài)，交聯(lián)鏈之間的距離拉長，形成2～3nm空隙，稱為微孔。當(dāng)樹脂失水或在非水體系中，分子鏈之間的空隙閉合，由于這種空隙是不穩(wěn)定的、暫時的，稱為“暫時孔”。因此，凝膠型樹脂在干裂或非水體系中無交換能力，限制了應(yīng)用。

3）凝膠型樹脂在水中交換有機大分子比較困難，并且有機大分子被交換后不易洗脫，產(chǎn)生不可逆的“有機污染”，使樹脂的交換能力大大降低。若降低樹脂的交聯(lián)度使空隙增大，雖然交換能力有所改善，但樹脂的機械強度降低，易破碎。

（2）應(yīng)用：

適用于無機小分子的分離。

2、大孔型離子交換樹脂：

大孔型離子交換樹脂的合成成功是離子交換技術(shù)最重要的發(fā)展之一。

大孔型離子交換樹脂是由苯乙烯或丙烯酸與交聯(lián)劑二乙烯苯聚合，在合成時加入惰性致孔劑形成大孔，再引入活性基團(tuán)而制成。樹脂內(nèi)部的大孔孔徑可達(dá)1000nm，此類空隙不因外界條件而變，稱為“永久孔”。由于大孔對光線的漫反射，從外觀上看樹脂呈不透明狀。

（1）致孔劑：

大孔型樹脂合成時，可通過致孔劑選擇調(diào)整孔徑大小和樹脂的比表面積，以適應(yīng)不同的分離要求。常用致孔劑有：

1）良溶劑（能與單體互溶）：甲苯和CCl₄。

2）不良溶劑：長鏈醇（碳4～10）和煤油。

3）高分子聚合物：聚苯乙烯和聚丙烯酸酯。

（2）特點：

1）交聯(lián)度高，溶脹度小，理化穩(wěn)定性好，機械強度高，不易破碎。

2）存在“永久孔”，克服了凝膠型樹脂由于溶脹產(chǎn)生的“暫時孔”現(xiàn)象，減少了凝膠型樹脂在離子交換過程中的“有機污染”現(xiàn)象。

3）孔徑和比表面積較大，交換速度較快，適合有機大分子交換。

4）大孔型樹脂完全失水也能維持多孔結(jié)構(gòu)，適合非水溶液交換。

5）再生容易。

6）對小分子的交換容量小，洗脫液用量多，成本高。

（3）凝膠型樹脂與大孔型樹脂的性能指標(biāo)比較：

1）外觀：

凝膠型樹脂：透明或半透明

大孔型樹脂：不透明

2）孔結(jié)構(gòu)：

凝膠型樹脂：凝膠孔

大孔型樹脂：大孔和凝膠孔

3）孔徑：

凝膠型樹脂：＜3nm

大孔型樹脂：8～1000nm

4）比表面積：

凝膠型樹脂：＜0.1m²/g

大孔型樹脂：25～100m²/g

5）孔隙度：

凝膠型樹脂：0.01～0.02mL/mL

大孔型樹脂：0.15～0.55mL/mL

6）交聯(lián)度：

凝膠型樹脂：2%～10%

大孔型樹脂：15%～25%

（4）應(yīng)用：

已應(yīng)用于維生素B12、鏈霉素、四環(huán)素、土霉素、竹桃霉素、赤霉素和頭孢菌素C等提取。

   

第二節(jié) 親水性離子交換劑

 

親水性離子交換劑（多糖基離子交換劑）與水親和力較大，有纖維素離子交換劑、葡聚糖離子交換劑和瓊脂糖離子交換劑等。

一、纖維素離子交換劑：

又稱離子交換纖維素，是以微晶纖維素為基質(zhì)，引入電荷基團(tuán)而制成。

微晶纖維素（纖維素膠或結(jié)晶纖維素）是將纖維性植物材料與無機酸搗成漿狀，經(jīng)處理使之降解后漂洗、研磨、脫水、烘干和粉碎制成的。微晶纖維素為白色或幾乎白色的細(xì)小粉末，無臭，無味，可壓成自身粘合的小片，可在水中迅速分散，不溶于水、稀酸溶液、稀堿溶液和大多數(shù)有機溶劑。

1、類型：

（1）按引入電荷基團(tuán)的性質(zhì)可分為陽離子交換纖維素（如羧甲基纖維素（CM）等）和陰離子交換纖維素（如二乙胺基乙基纖維素（DEAE）等）。

（2）按電荷基團(tuán)酸堿性強弱可分為強酸性、弱酸性、強堿性和弱堿性離子交換纖維素。

近年來，用微晶纖維素經(jīng)交聯(lián)制成了類似凝膠的珠狀弱堿性離子交換劑（DEAE－Sephacel），結(jié)構(gòu)與DEAE相同，對蛋白質(zhì)、核酸、激素及其它生物聚合物都有同等的分辨率。

2、特點：

（1）結(jié)構(gòu)疏松，對生物高分子物質(zhì)（如蛋白質(zhì)和核酸分子）有較大的穿透性。

（2）表面積大，有較大的吸附容量。

（3）基質(zhì)是親水性的，避免了疏水性反應(yīng)對蛋白質(zhì)分離的干擾。

（4）電荷密度較低，與蛋白質(zhì)分子結(jié)合不牢固，在溫和洗脫條件下即可分離，不會引起蛋白質(zhì)變性。

（5）纖維素分子中只有一小部分羥基被取代，結(jié)合在其分子上的解離基團(tuán)數(shù)量不多，故交換容量小，僅為離子交換樹脂的1/10左右。

（6）分辨率高。

3、應(yīng)用：

適用于大分子多價電解質(zhì)的分離。

二、葡聚糖離子交換劑：

葡聚糖離子交換劑是以交聯(lián)葡聚糖G－25和G－50為基質(zhì)，通過化學(xué)方法引入電荷基團(tuán)制成的。

1、按引入電荷基團(tuán)的性質(zhì)分類：

（1）陽離子交換葡聚糖。

（2）陰離子交換葡聚糖。

2、特點：

葡聚糖離子交換劑的性質(zhì)與葡聚糖凝膠相似，在強酸和強堿中不穩(wěn)定，在pH ＝7時可耐熱120℃。它既有離子交換作用，又有分子篩性質(zhì)，可根據(jù)分子大小對生物高分子物質(zhì)進(jìn)行分級分離。

3、應(yīng)用：

（1）G－50型離子交換葡聚糖適用于相對分子質(zhì)量為3×10⁴～3×10⁶物質(zhì)的分離。

（2）G－25型離子交換葡聚糖能交換相對分子質(zhì)量較小（1×10³～5×10³）的蛋白質(zhì)。

三、瓊脂糖離子交換劑：

瓊脂糖離子交換劑主要以交聯(lián)瓊脂糖CL－6B為基質(zhì)，通過化學(xué)方法引入電荷基團(tuán)制成的。

1、按引入電荷基團(tuán)的性質(zhì)分類：

（1）陽離子交換瓊脂糖：CM－Sepharose CL－6B等。

（2）陰離子交換瓊脂糖：DEAE－Sepharose CL－6B等。

2、特點：

具有硬度大、性質(zhì)穩(wěn)定、網(wǎng)孔大、流速好和分離能力強等特點，尤其是介質(zhì)對pH和溫度的變化均比較穩(wěn)定，可在pH = 3～10和0～70℃范圍內(nèi)使用，改變離子強度或pH時，床體積變化不大。

3、應(yīng)用：

特別適合分離相對分子質(zhì)量大的蛋白質(zhì)和核酸等。

   

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