離子交換理論（上篇）

離子交換劑由不溶性高分子基質、荷電功能基團和與(yu) 功能基團電性相反的反離子組成，在水溶液中，與(yu) 功能基團帶相反電荷的離子 （包括緩衝(chong) 液中的離子、蛋白質形成的離子）依靠靜電引力能夠吸附在其表麵。這樣，各種離子與(yu) 離子交換劑結合時存在競爭(zheng) 關(guan) 係。

無機離子與(yu) 交換劑的結合能力與(yu) 離子所帶電荷成正比，與(yu) 該離子形成的水合離子半徑成反比。也就是說，離子的價(jia) 態越高，結合力越強，價(jia) 態相同時，原子序數越高，結合力越強。在陽離子交換劑上，常見離子結合力強弱順序為(wei) ：

在陰離子交換劑上，結合力強弱順序為(wei) ：

對於(yu) 蛋白質這樣帶電荷的生物大分子，與(yu) 離子交換劑的結合能力首先取決(jue) 於(yu) 溶液pH，它決(jue) 定了蛋白質的帶電狀態，然後是蛋白質的色譜相關(guan) 區域，也就是電荷在蛋白質表麵的分布情況，這些在前麵都已經提到。此外，還取決(jue) 於(yu) 溶液中離子的種類和離子強度。溶液中的無機離子和蛋白質競爭(zheng) 性的與(yu) 交換劑結合，在起始條件下，溶液中離子強度較低，上樣後由於(yu) 蛋白質帶電荷數較多，與(yu) 交換劑之間結合能力更強，因此能取代離子而吸附到交換劑上；在進行洗脫時，往往通過提高溶液的離子強度，增加了離子的競爭(zheng) 性結合能力，使得蛋白質樣品從(cong) 交換劑上解吸，這就是離子交換色譜的本質。

pH和離子強度I是控製蛋白質離子交換行為(wei) 、分辨率、回收率等的重要因素。

pH決(jue) 定了蛋白質以及離子交換劑的帶電荷情況，因而是決(jue) 定蛋白質是否發生吸附的最重要參數。在進行分離時，應當控製pH使得蛋白質和離子交換劑帶相反的電荷，這裏涉及兩(liang) 個(ge) 方麵。一方麵，離子交換劑有一個(ge) 工作pH範圍，在此範圍內(nei) 能夠確保離子交換劑帶充足的電荷。通常，陽離子交換劑應用時有一個(ge) pH下限，低於(yu) 此pH會(hui) 有很大一部分離子交換基團失去負電荷而不再能結合陽離子；而陰離子交換劑應用時有一個(ge) pH上限，高於(yu) 此pH會(hui) 有很大一部分離子交換基團失去正電荷而不能再結合陰離子。另一方麵，溶液的pH直接決(jue) 定了蛋白質帶電荷的種類和數量，選擇適當的pH，能夠保證目的蛋白分子與(yu) 離子交換劑帶相反電荷而被吸附，同時如果pH距離蛋白質的等電點過遠，則造成蛋白質與(yu) 離子交換劑結合過於(yu) 牢固而不易洗脫。

在選擇操作pH時還需特別注意目的蛋白的pH穩定範圍，若超出此範圍會(hui) 造成蛋白質活性喪(sang) 失，導致回收率下降。特別是由於(yu) 陶南效應，離子交換劑表麵pH與(yu) 溶液pH是不一致的。在陽離子交換劑表麵的微環境中，H⁺被陽離子交換基團吸引而OH-離子被排斥，造成交換劑表麵pH比周圍緩衝(chong) 液中低1個(ge) pH單位；而陰離子交換劑表麵的微環境中，OH^-被陰離子交換基團吸引而H⁺離子被排斥，造成交換劑表麵pH比周圍緩衝(chong) 液中高1個(ge) pH單位。例如：某種蛋白質在pH=5時被陽離子交換劑吸附，實際上該蛋白質在交換劑表麵是處在pH=4的環境中，若此蛋白質在此pH條件下不穩定就會(hui) 失活。大多數蛋白質在pH=4以下穩定性都會(hui) 下降而使回收率降低。

由於(yu) 溶液中的其他離子與(yu) 蛋白質競爭(zheng) 結合到離子交換劑上，因此離子種類和離子強度I是影響蛋白質結合和洗脫的另一重要因素。在低的離子強度I條件下，蛋白質通過荷電基團結合至離子交換劑上帶相反電荷的功能基團上；當競爭(zheng) 離子濃度即離子強度I逐漸升高時，蛋白質逐漸被置換下來。對於(yu) 帶有特定電荷數的蛋白質，需要多高的鹽濃度才能將其從(cong) 離子交換劑上洗脫下來，並沒有一個(ge) 固定的規律，需要從(cong) 實驗中摸索。絕大多數蛋白質在1mol/L的鹽濃度下能夠被洗脫，因此在探索條件階段，人們(men) 常把洗脫鹽的終濃度定為(wei) 1mol/L。事實上在溶液中鹽類還常扮演穩定蛋白質結構的角色，為(wei) 防止蛋白質發生變性或沉澱，離子強度不宜太低。另外，離子的類型也是一個(ge) 重要因素，不同離子從(cong) 交換劑上將蛋白質置換下來的能力是不同的，並且離子類型還對分辨率和不同蛋白質的洗脫順序會(hui) 產(chan) 生影響。

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