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离子交换柱层析原理

离子交换柱层析原理
离子交换柱层析原理

离子交换层析介质的应用

离子交换层析分离纯化生物大分子的过程,主要是利用各种分子的可离解性、离子的净电荷、表面电荷分布的电性差异而进行选择分离的。现已成为分离纯化生化制品、蛋白质、多肽等物质中使用最频繁的纯化技术之一。

离子交换层析(Ion Exchange Chromatography 简称为IEC)是以离子交换剂为固定相,依据流动相中的组分离子与交换剂上的平衡离子进行可逆交换时的结合力大小的差别而进行分离的一种层析方法。离子交换层析是目前生物化学领域中常用的一种层析方法,广泛的应用于各种生化物质如氨基酸、蛋白、糖类、核苷酸等的分离纯化。

1.离子交换层析的基本原理:

离子交换层析是通过带电的溶质分子与离子交换层析介质中可交换离子进行交换而达到分离纯化的方法,也可以认为是蛋白质分子中带电的氨基酸与带相反电荷的介质的骨架相互作用而达到分离纯化的方法。

离子交换层析法主要依赖电荷间的相互作用,利用带电分子中电荷的微小差异而进行分离,具有较高的分离容量。几乎所有的生物大分子都是极性的,都可使其带电,所以离子交换层析法已广泛用于生物大分子的分离、中等纯化及精制的各个步骤中。

由于离子交换层析法分辨率高,工作容量大,并容易操作,因此它不但在医药、化工、食品等领域成为独立的操作单元,也已成为蛋白质、多肽、核酸及大部分发酵产物分离纯化的一种重要的方法。目前,在生化分离中约有75%的工艺采用离子交换层析法。

2.离子交换层析介质:

离子交换层析的固定相是离子交换剂,它是由一类不溶于水的惰性高分子聚合物基质通过一定的化学反应共价结合上某种电荷基团形成的。离子交换剂可以分为三部分:高分子聚合物基质、电荷基团和平衡离子。电荷基团与高分子聚合物共价结合,形成一个带电的可进行离子交换的基团。平衡离子是结合于电荷基团上的相反离子,它能与溶液中其它的离子基团发生可逆的交换反应。平衡离子带正电的离子交换剂能与带正电的离子基团发生交换作用,称为阳离子交换剂;平衡离子带负电的离子交换剂与带负电的离子基团发生交换作用,称为阴离子交换剂。在一定条件下,溶液中的某种离子基团可以把平衡离子置换出来,并通过电荷基团结合到固定相上,而平衡离子则进入流动相,这就是离子交换层析的基本置换反应。通过在不同条件下的多次置换反应,就可以对溶液中不同的离子基团进行分离。下面以阴离子交换剂为例简单介绍离子交换层析的基本分离过程。

阴离子交换剂的电荷基团带正电,装柱平衡后,与缓冲溶液中的带负电的平衡离子结合。待分离溶液中可能有正电基团、负电基团和中性基团。加样后,负电基团可以与平衡离子进行可逆的置换反应,而结合到离子交换剂上。而正电基团和中性基团则不能与离子交换剂结合,随流动相流出而被去除。通过选择合适的洗脱方式和洗脱液,如增加离子强度的梯度洗脱。随着洗脱液离子强度的增加,洗脱液中的离子可

以逐步与结合在离子交换剂上的各种负电基团进行交换,而将各种负电基团置换出来,随洗脱液流出。与离子交换剂结合力小的负电基团先被置换出来,而与离子交换剂结合力强的需要较高的离子强度才能被置换出来,这样各种负电基团就会按其与离子交换剂结合力从小到大的顺序逐步被洗脱下来,从而达到分离目的。

各种离子与离子交换剂上的电荷基团的结合是由静电力产生的,是一个可逆的过程。结合的强度与很多因素有关,包括离子交换剂的性质、离子本身的性质、离子强度、pH、温度、溶剂组成等等。离子交换层析就是利用各种离子本身与离子交换剂结合力的差异,并通过改变离子强度、pH 等条件改变各种离子与离子交换剂的结合力而达到分离的目的。离子交换剂的电荷基团对不同的离子有不同的结合力。一般来讲,离子价数越高,结合力越大;价数相同时,原子序数越高,结合力越大。如阳离子交换剂对离子的结合力顺序为:

Li+<Na+<K+<Rb+<Cs+;Na+<Ca2+<Al3+<Ti4+蛋白质等生物大分子通常呈两性,它们与离子交换剂的结合与它们的性质及pH 有较大关系。以用阳离子交换剂分离蛋白质为例,在一定的pH 条件下,等电点pI < pH 的蛋白带负电,不能与阳离子交换剂结合;等电点pI > pH 的蛋白带正电,能与阳离子交换剂结合,一般pI 越大的蛋白与离子交换剂结合力越强。但由于生物样品的复杂性以及其它因素影响,一般生物大分子与离子交换剂的结合情况较难估计,往往要通过实验进行摸索。

3.离子交换层析介质的种类和性质:

3.1离子交换剂的基质:

离子交换剂的大分子聚合物基质可以由多种材料制成,苯乙烯系离子交换剂是以苯乙烯和二乙烯苯合成的具有多孔网状结构的聚苯乙烯为基质。苯乙烯系离子交换剂机械强度大、流速快。但它与水的亲和力较小,具有较强的疏水性,容易引起蛋白的变性。故一般常用于分离小分子物质,如无机离子、氨基酸、核苷酸等。以纤维素、球状纤维素、葡聚糖、琼脂糖为基质的离子交换剂都与水有较强的亲和力,适合于分离蛋白质等大分子物质。

3.2离子交换剂的电荷基团:

根据与基质共价结合的电荷基团的性质,可以将离子交换剂分为阳离子交换剂和阴离子交换剂。阳离子交换剂的电荷基团带负电,可以交换阳离子物质。根据电荷基团的解离度不同,又可以分为强酸型、中等酸型和弱酸型三类。它们的区别在于它们电荷基团完全解离的pH 范围,强酸型离子交换剂在较大的pH 范围内电荷基团完全解离,而弱酸型完全解离的pH 范围则较小,如羧甲基在pH小于6时就失去了交换能力。一般结合磺酸基团,如磺酸甲基、磺酸乙基等为强酸型离子交换剂,结合磷酸基团和亚磷酸基团为中等酸型离子交换剂,结合酚羟基或羧基,如羧甲基为弱酸型离子交换剂。一般来讲强酸型离子交换剂对H 离子的结合力比Na+离子小,弱酸型离子交换剂对H 离子的结合力比Na+离子大。

阴离子交换剂的电荷基团带正电,可以交换阴离子物质。同样根据电荷基团的解离度不同,可以分为强碱型、中等碱型和弱碱型三类。一般结合季胺基团,如季胺乙基为强碱型离子交换剂,结合叔胺、仲胺、伯胺等为中等或弱碱型离子交换剂,如结合二乙基氨基乙基为弱碱型离子交换剂。一般来讲强碱型离子交换剂对OH-离子的结合力比Cl-离子小,弱酸型离子交换剂对OH-离子的结合力比Cl-离子大。

3.3交换容量:

交换容量是指离子交换剂能提供交换离子的量,它反映离子交换剂与溶液中离子进行交换的能力。通常所说的离子交换剂的交换容量是指离子交换剂所能提供交换离子的总量,又称为总交换容量,它只和离子交换剂本身的性质有关。在实际实验中关心的是层析柱与样品中各个待分离组分进行交换时的交换容量,它不仅与所用的离子交换剂有关,还与实验条件有很大的关系,一般又称为有效交换容量。后面提到的交换容量如未经说明都是指有效交换容量。

影响交换容量的因素很多,主要可以分为两个方面,一方面是离子交换剂颗粒大小、颗粒内孔隙大小以及所分离的样品组分的大小等的影响。这些因素主要影响离子交换剂中能与样品组分进行作用的有效表面积。样品组分与离子交换剂作用的表面积越大当然交换容量越高。一般离子交换剂的孔隙应尽量能够让样品组分进入,这样样品组分与离子交换剂作用面积大。分离小分子样品,可以选择较小孔隙的交换剂,因为小分子可以自由的进入孔隙,而小孔隙离子交换剂的表面积大于大孔隙的离子交换剂。对于较大分子样品,可以选择小颗粒交换剂,因为对于很大的分子,一般不能进入孔隙内部,交换只限于颗粒表面,而小颗粒的离子交换剂表面积大。

另一些影响因素如实验中的离子强度、pH 值等主要影响样品中组分和离子交换剂的带电性质。一般pH 对弱酸和弱碱型离子交换剂影响较大,如对于弱酸型离子交换剂在pH 较高时,电荷基团充分解离,交换容量大,而在较低的pH 时,电荷基团不易解离,交换容量小。同时pH 也影响样品组分的带电性。尤其对于蛋白质等两性物质,在离子交换层析中要选择合适的pH 以使样品组分能充分的与离子交换剂交换、结合。一般来说,离子强度增大,交换容量下降。实验中增大离子强度进行洗脱,就是要降低交换容量以将结合在离子交换剂上的样品组分洗脱下来。离子交换剂的总交换容量通常以每毫克或每毫升交换剂含有可解离基团的毫克当量数(mmol/g或mmol/mL)来表示。通常可以由滴定法测定。阳离子交换剂首先用HCl 处理,使其平衡离子为H+。再用水洗至中性,对于强酸型离子交换剂,用NaCl 充分置换出H+,再用标准浓度的NaOH 滴定生成的HCl,就可以计算出离子交换剂的交换容量;对于弱酸型离子交换剂,用一定量的碱将H+充分置换出来,再用酸滴定,计算出离子交换剂消耗的碱量,就可以算出交换容量。阴离子交换剂的交换容量也可以用类似的方法测定。

对于一些常用于蛋白质分离的离子交换剂也通常用每毫克或每毫升交换剂能够吸附某种蛋白质的量来表示,一般这种表示方法对于分离蛋白质等生物大分子具有更大的参考价值。实验前可以参阅相应的产品介绍了解各种离子交换剂的交换容量。

1.离子交换剂的选择

在进行分离纯化时,要求层析柱具有高负载量、易于操作及使用寿命长等特点,其中分离介质是最主要的影响因素,因此,分离介质的选择尤为重要。

1.1品种的选择:

应根据被分离纯化目标产物所带电荷的种类、分子的大小、物理化学性质及所处的微环境等因素,选择适宜的离子交换层析介质。对于无机小分子而言,分离介质的选择相对容易,但对于生物大分子就必须考虑更多的因素。

蛋白质等生物大分子是由多种氨基酸所组成的,在不同的pH条件下显示不同的电性,而生物大分子对最适宜的pH环境具有特定的要求,因此,必须首先了解目标蛋白的等电点及适宜的微环境,根据这些条件选择合适的离子交换剂种类。

是选择阳离子交换剂还是选择阴离子交换剂,主要取决于被分离的物质在其稳定的pH 下所带的电荷,如果带正电,则选择阳离子交换剂;如带负电,则选择阴离子交换剂。例如待分离的蛋白等电点为4,稳定的pH 范围为6~9,由于这时蛋白带负电,故应选择阴离子交换剂进行分离。

1.2骨架的选择:

应根据目标产品的产量、要求达到的纯度及经济价值等因素,选择合适骨架(基质)的离子交换剂。

通用型的聚苯乙烯离子交换树脂具有结构稳定、价格低廉、全交换容量高等特点,适用于如抗生素、有机酸、动物资源或植物资源的有效成分等一般生化制品的提取分离工艺。而对于要求分辨率高、制品纯度高的一些高附加值的基因工程产品,仍需使用纤维素、葡聚糖、琼脂糖为基质的生化分离专用介质。

纤维素离子交换剂价格较低,但分辨率和稳定性都较低,适于初步分离和大量制备。葡聚糖离子交换剂的分辨率和价格适中,但受外界影响较大,体积可能随离子强度和pH 变化有较大改变,影响分辨率。琼脂糖离子交换剂机械稳定性较好,分辨率也较高,但价格较贵。

理想的分离介质应该不但易于吸附,还要易于洗脱,如果目标产物对于离子强度和pH值的变化不敏感,可以考虑采用高电荷密度的强酸性或强碱性的强型介质。如果对这些因素比较敏感,则应采用弱酸性或弱碱性的弱型介质。如果大分子物质被吸附后,结合比较牢固,往往难以洗脱,采用苛刻的条件又容易引起大分子的变性,则应选用功能基团密度低的介质。

强酸性或强碱性的强型介质,适用的pH 范围广,常用于分离一些小分子物质或在极端pH 下的分离,但由于电性较强,有时易使一些敏感的生物分子变性或失活。弱酸性或弱碱性的弱型介质,其选择性有较大的范围,且不易使蛋白质失活,故一般适用于分离蛋白质等大分子物质,但其适用的pH范围较窄。

1.3粒径的选择:

分离介质粒径的大小对离子交换层析柱的分辨率和流速有明显的影响。一般来说分离介质的粒径小,分辨率高,但平衡离子的平衡时间长,流速慢;粒径大则柱的流速较快,压降小,但分辨率低,负载量也较小。所以大颗粒的分离介质适合于对分辨率要求不高的大规模制备性分离,而小颗粒的分离介质适合于需要高分辨率的精细分离或产品的精制阶段。

2.操作中注意事项

2.1预处理:

在离子交换剂的工业产品中,常含有少量的有机低聚物及一些无机杂质,在使用初期会逐渐溶解释放,影响目标产品的质量。因此,工业级离子交换剂在使用前必须进行预处理。

通用型的离子交换树脂通常使用酸、碱进行处理,可采用1~2 mol/L的盐酸及氢氧化钠溶液,以4~6倍树脂床体积交替进行处理,在酸及碱处理之间须用去离子水洗至中性。对于大孔型的树脂,还需要用乙醇、丙酮等有机溶剂进行处理,以除去生产过程中所用的有机物残余物。对分离介质进行预处理,不但能提高其工作容量,更可提高被分离产品的纯度。经预处理后的树脂,最后应转为分离过程中适用的离子型态。

对于生化专用的离子交换剂,以多糖类骨架为主的介质,一般贮存在20%的乙醇中。为了分离介质在分离过程中尽量减少pH值的变化,需要用大量的去离子水进行清洗,然后用缓冲液进行平衡。

分离介质的预处理可以在柱内进行,也可以在烧杯等容器中进行。在柱内进行预处理时,或溶液体系改变及操作温度变化时,经常会出现气泡,尤其在使用内径较小的柱时。气泡一经出现,必须及时清除,否则对层析工艺有明显的影响。

2.2缓冲液平衡介质:

pH值是离子交换层析的操作中的一个重要因素,而pH的稳定及改变通常是用缓冲液来实现的,所以缓冲液的选择是影响分离效果的重要因素。

在选择缓冲液时,pH和离子强度是两个关键性的因素,它不仅影响到分离介质对目标产物与杂质的分离效果,而且还影响到产品的收率。选用的pH值取决于目标产物的等电点、稳定性和溶解度,不但要使被分离的物质成为可以进行交换的离子,还要维持其较高的活性。同时也应该考虑到离子交换剂的pK值。

由于缓冲液本身带电,所以也会与离子交换层析介质结合。这种结合将带来两方面的干扰,一方面降低缓冲液的浓度,进而降低了缓冲能力;另一方面是与分离介质进行交换,从而与蛋白质竞争介质的交换容量。因此,在使用阴离子交换层析介质时,要避免采用磷酸盐之类的带负电的缓冲液,在使用阳离子交换层析介质时,则要避免采用Tris之类的带正电的缓冲液。由于分离介质的种类不同,起始过程也略有不同,在通常情况下,使用阴离子交换层析介质时,起始缓冲液要高于目标蛋白等电点0.5 ~ 1 pH值;使用阳离子交换层析介质时,则起始缓冲液要低于目标蛋白等电点0.5 ~ 1 pH值。

2.3层析柱的操作:

2.3.1操作方式:

由于生化分离的样品、缓冲液和洗脱液都是流动相,可在流经柱时进行分离,因此,离子交换可以采用柱式操作,以层析形式进行分离。在分离过程中,未被吸附的物质不断流出反应体系,使平衡不断右移,是一种动态平衡,所以也称为动态操作。动态操作方式分离效果好,适用于各类样品,可实现连续操作。在层析分离的操作中,层析柱的装填情况对分离有一定的影响,介质在柱内要分布均匀,尤其不允许气泡的存在,也应防止介质产生分层现象。

对于一些粘度较大的样品,进行初步提取分离时,也可以采用“静态”处理方法,经离子交换剂与需处理的工作液在反应容器中进行搅拌,当达到吸附平衡后,将介质与残液分离,装入柱中进行洗脱。这种静态分批操作的方法,工艺设备简单,操作简便,如肝素钠等一些天然产物的初步分离,往往采用这种静态分离方式。在静态分离方式的操作中,应适当控制离子交换剂在工作液中的搅拌速度,若搅拌速度过快,剪切力过大,会造成离子交换颗粒的破碎,难以进行过滤分离;但若搅拌速度过慢,则影响介质与工作液的接触,也影响交换速率。

2.3.2柱式操作的种类:

固定床分离:在柱式操作中,料液作为流动相,在柱内自上而下地流动,在流动的过程中进行吸附。为了得到较好的分离效果,对分离柱有三点最基本的要求:分离柱底部要有孔径分布均匀的筛板,以防止流动相产生偏流;分离柱支持层下端的死角体积要尽量地小,以防止分离过程中色谱带混合或扩展;无论大小,分离柱都必须保持垂直。在固定床操作中,可以进行正向洗脱,也可以进行逆向洗脱,一般情况下,逆向洗脱或再生可获得较好的效果,但对操作有较为严格的要求。

流态床:流动的料液从柱的下端流入,从上端流出,分离介质在柱内呈流态状。此种分离方法对操作有严格的要求,一般较少应用,洗脱方式以采用正向洗脱为好。

2.3.3工作液对分离效果的影响:

为了使生化分离达到高分辨率及高负载量,工作液的制备及性能也是非常重要的因素。工作液的粘度、澄清度等不但影响离子交换剂的分离效果,还影响到分离介质的使用寿命。生化分离往往是一个比较复杂的体系,其中有多种杂质存在,不但有简单的小分子,还有一些胶体物质、脂类物质等,尤其是一些不可逆吸附的大分子往往包裹覆盖了介质的功能基团,或堵塞了介质的孔道,造成不可逆污染,缩短分离介质的使用寿命。因此,在分离操作前,应尽量将工作液进行适当的预处理,以确保分离的效果。

在生化分离纯化过程中,由于淋洗过程带走了一些目标产物,或因洗脱不完全而使目标产物滞留在介质上,造成产物的损失,是影响产品收率的重要因素,同时,蛋白质的结构变化引起失活,也将影响活化收率。在离子交换过程中加入一些稳定剂或保护剂,不但可以提高收率,还可提高分离介质对蛋白质的选择性。

2.3.4流速对分离效果的影响:

离子交换层析分离中,流速是影响分离效果的一个重要因素。为了获取优良的分离效果,应根据离子交换剂的种类、粒径、工作液中有效成分的分子结构等因素,进行试验,以确立较佳的试验参数。若目标产物的分子量相对比较小,且介质的孔径比较大时,因为有利于传质作用,可采用较高的流速。而对于目标产物为生物大分子,且介质的孔径相对于被分离物质分子较小时,由于分子的扩散速率较慢,则宜采用较慢的流速。在工作液的粘度较大时,因传质速率较低,也应采用较低的流速。

流速不但影响交换吸附的效果,也影响洗脱的效果,通常情况下,洗脱时的流速要比交换吸附时慢些。

2.4介质的洗脱、再生方式:

当离子交换剂失效后,应进行洗脱,其基本原理是用一种比吸着物质更活泼的离子或基团,把交换吸附到介质颗粒外表面和内部的目标产物解吸下来。吸着物不同,其活泼性不同,因此,应选择合适的洗脱剂,将蛋白质从介质上洗脱下来,收集分离纯化的产物。

离子交换层析大致有三种洗脱方式:

一种为同步洗脱。洗脱剂是同一种物质,可采用稀的酸、碱或盐类溶液,也可选用适当的有机溶剂,其中以盐溶液为主,依据目标产物的性质及最终得到产物的剂型进行选择。由于被吸着的物质往往不是单一的品种,各种物质所带的电荷电量不同,与介质的结合强度不同,即使使用同一种洗脱剂,容易被替换的物质先脱离介质流出,结合力较强的物质后流出,只要通过分级收集,就可以把各种物质分离,得到较纯净的产物。这种方法多用于对目标产物的性能了解很清楚时的分离,或用于分析类的分离。

第二种为分步洗脱,即分别用不同浓度的盐溶液进行洗脱。分离介质在交换吸附过程中,会有多种蛋白质被吸附,如果采用一个恒定的洗脱条件,有时不能将所有的组分适当地分开,需要改变洗脱条件。可以是阶段式的改变,即选用不同的洗脱剂或不同pH值的洗脱剂分阶段进行洗脱,可以根据洗脱液不同的浓度、不同的酸度得到不同的洗脱峰。即一种盐浓度可以得到一种目标蛋白,不同的盐浓度可以得到不同的目标蛋白。这种分步洗脱的方式,适用于已知性质蛋白的分离,尤其适用于规模生产中,操作方便,易于控制。

第三种为连续的梯度洗脱,即按一定的线性变化改变洗脱液的离子强度或pH值(一般只在特殊情况下使用改变pH值的洗脱方式),在洗脱剂渐变的过程中,将不同的蛋白质逐一置换,可得到各种不同的蛋白组分,同时,蛋白质一般不拖尾。梯度洗脱是离子交换层析中最常用的洗脱方式,也是洗脱能力相对最强的洗脱方式,适合于对电荷性质相近组分的洗脱。

在洗脱过程中,顺流洗脱或逆流洗脱均可采用,顺流洗脱也称为正向洗脱,即洗脱液的流动方向与工作液的流动方向相同,逆流洗脱也称为反向洗脱,即洗脱液的流动方向与工作液的流动方向相反。若料液是自上而下正向通过交换柱进行交换吸附的,则交换柱上层吸附物的浓度要比下层高,洗脱液自下而上反向解吸可以更高效地达到洗脱的目的。但由于逆向洗脱的操作要比正向洗脱复杂得多,故目前多以正向洗脱为主。

洗脱液的流速也会影响离子交换层析分离的效果,洗脱速度通常要保持恒定。一般来说,慢速洗脱的分辨率要比快速洗脱好,但洗脱速度过慢,会造成分离时间长,样品扩散、谱峰变宽、分辨率降低等副作用,所以要根据实际情况选择合适的洗脱速度。如果洗脱峰相对集中于某个区域造成重叠,则应适当缩小梯度范围或降低洗脱速度来提高分辨率。如果分辨率较好,但洗脱峰过宽,则应适当提高洗脱速度。

2.5介质的消毒:

在某些纯度要求较高的生化产品制备过程中,往往要求对分离介质进行消毒处理,以防止微生物等杂质混入目标产品中。

采用高温消毒是最常用的方法,目前大多数离子交换剂具有稳定的物理化学性能,均可进行高温消毒处理。但在使用多糖类介质时,必须注意,介质一定要处于盐型,而且要在中性条件下才能进行高温消毒处理,否则将会导致多糖大分子骨架的降解,严重影响介质的使用寿命。

NaOH也是一种很好的消毒剂,但要根据介质的耐碱程度和微生物污染的种类、污染程度选用合适浓度的NaOH。这种消毒方法也可以采用柱内浸泡法,即将一定浓度的NaOH通入柱中,关闭出液阀,浸泡几个小时后,可达到消毒的目的。NaOH如果与乙醇合用,可以得到更佳的效果。用NaOH消毒还可将消毒和在位清洗合并处理。

2.6介质的“复苏”:

在生化分离过程中,由于分离体系较为复杂,含有多种蛋白质或其他杂质,因此在使用过程中常出现树脂的“中毒”现象。中毒原因可能是由于大分子的多点带电,与介质进行多点结合,致使难以洗脱,使介质的有效功能基团减少。也可能是一些较大的分子被“卡牢”在孔道内,难以扩散出来,堵塞了孔道,在以后的交换过程中影响到颗粒内功能基团的有效工作。除生物大分子外,色素及腐殖酸等都可使介质中毒。有时工作液中的胶状物质被粘附于介质颗粒的内外表面,覆盖了功能基团,这也是影响介质工作容量的重要因素。

由于上述原因,离子交换层析介质在使用一段时间后,可能出现颜色变深、床体收缩、分辨率下降、蛋白质收率降低、反压升高等现象。此时,需要对介质进行净化处理。对于介质用量比较大,自动化程度比较高的规模生产,应采用在原交换柱内进行,即“在位清洗”。先从交换柱的下面通过适量的清水,目的是去除交换柱中的悬浮物,并将床体疏松,还可以将结块的介质分散,有利于以后介质与清洗液的接触。对于一般的污染,采用逆流清洗,可减少污染物对下层介质的污染。应根据介质种类及污染程度的不同,分别选用不同种类的清洗剂及不同的清洗步骤。一般的介质是用2mol/L的NaCl、1mol/L的NaOH、0.1mol/L 的HCl或1mol/L的HCl溶液交替分阶段清洗或浸泡,各试剂交替之间须用去离子水洗至中性。若经过上述处理后仍无明显改善,尤其是流速无明显提高,则要检查交换柱布水器的纱网是否出现堵塞。

上述过程即为通常所说的“复苏”过程。不同的介质应选用不同的复苏方法,主要取决于介质的物理化学性能及污染物质的性质。对于多糖类的离子交换剂,每当使用一段时间后,可采用离子浓度较大的缓冲

液通过交换柱或浸泡介质,因为缓冲液的离子强度较大时,有利于蛋白质大分子脱离介质,达到复苏的效果。对于物化结构稳定的介质,也可使用NaCl溶液通过交换柱或浸泡介质。对于物化结构非常稳定的介质,可用30℃~40℃的乙醇或丙酮进行洗脱或浸泡,在高温下可使吸附在介质上的蛋白变性或加快扩散速度,也有利于胶体物质的破坏,从而使污染物脱离介质。还可在乙醇或NaOH溶液中加入NaCl,更有利于介质的复苏。

清除沉淀蛋白、脂类、疏水性的蛋白及脂蛋白,处理步骤更为复杂。可采用100%的异丙醇、20%的乙腈、2mol/L的NaOH溶液、75%的乙酸、20%的乙醇、100%的甲醇或6mol/L的盐酸胍、阳离子或非离子洗涤剂等作为处理液。在用过这些清洗剂后,都要用至少2倍体积的蒸馏水进行清洗。使用有机溶剂后,交换柱要采用锯齿形的梯度洗涤进行清洗,即可以在5倍床体积内,使溶剂的含量从0增至100%,然后在下一个5倍床体积中,使溶剂的含量从100%降到0。

如果经过上述处理,交换柱的工作情况仍没有恢复,可以使用蛋白水解酶,将仍滞留在介质内的蛋白质进行水解,使其脱离介质。可以采用含有1mg/mL胃蛋白酶的0.1mol/L 乙酸溶液及0.5 mol/L 的NaCl溶液注入到交换柱中,在室温下浸泡过夜,或在37℃下浸泡一小时。根据污染物的情况,也可以采用DNA酶等其它的酶类。无论使用哪一种酶处理后,都要重复上述清除污染物的清洗步骤,把酶清洗干净。

脂蛋白对分离介质的污染比较严重,因为脂蛋白及其它脂类物质,很容易粘附在层析柱内,最好在进行分离工艺前先将其去除。推荐使用硫酸葡聚糖、聚乙烯吡咯烷酮等沉淀剂,可去除高含量的脂蛋白。

2.6介质的贮存:

各种分离介质在使用后都要进行清洗后再贮存,这对于多糖类分离介质尤为重要。分离介质在使用后,先用2个床体积的清水清洗,然后用2个床体积的20%的乙醇过柱。对于SP强酸性阳离子介质,要用含有0.2mol/L乙酸钠的20%乙醇溶液清洗,再用脱气的乙醇-水溶液以较慢的流速清洗。经过处理后,可在室温下贮存,或在4~8℃下长期存放。贮存过程中必须将层析柱全部封闭,以防止水分的挥发,造成干柱。暂时不用的介质必须贮存在20%的乙醇溶液中。所有的离子交换分离介质,都要在4℃~30℃的条件下贮存,并防止冷冻。

离子交换层析分离纯化生物大分子的过程,主要是利用各种分子的可离解性、离子的净电荷、表面电荷分布的电性差异而进行选择分离的。现已成为分离纯化生化制品、蛋白质、多肽等物质中使用最频繁的纯化技术之一。

1.离子交换剂的选择

在进行分离纯化时,要求层析柱具有高负载量、易于操作及使用寿命长等特点,其中分离介质是最主要的影响因素,因此,分离介质的选择尤为重要。

1.1品种的选择:

应根据被分离纯化目标产物所带电荷的种类、分子的大小、物理化学性质及所处的微环境等因素,选

择适宜的离子交换层析介质。对于无机小分子而言,分离介质的选择相对容易,但对于生物大分子就必须考虑更多的因素。

蛋白质等生物大分子是由多种氨基酸所组成的,在不同的pH条件下显示不同的电性,而生物大分子对最适宜的pH环境具有特定的要求,因此,必须首先了解目标蛋白的等电点及适宜的微环境,根据这些条件选择合适的离子交换剂种类。

是选择阳离子交换剂还是选择阴离子交换剂,主要取决于被分离的物质在其稳定的pH 下所带的电荷,如果带正电,则选择阳离子交换剂;如带负电,则选择阴离子交换剂。例如待分离的蛋白等电点为4,稳定的pH 范围为6~9,由于这时蛋白带负电,故应选择阴离子交换剂进行分离。

1.2骨架的选择:

应根据目标产品的产量、要求达到的纯度及经济价值等因素,选择合适骨架(基质)的离子交换剂。

通用型的聚苯乙烯离子交换树脂具有结构稳定、价格低廉、全交换容量高等特点,适用于如抗生素、有机酸、动物资源或植物资源的有效成分等一般生化制品的提取分离工艺。而对于要求分辨率高、制品纯度高的一些高附加值的基因工程产品,仍需使用纤维素、葡聚糖、琼脂糖为基质的生化分离专用介质。

纤维素离子交换剂价格较低,但分辨率和稳定性都较低,适于初步分离和大量制备。葡聚糖离子交换剂的分辨率和价格适中,但受外界影响较大,体积可能随离子强度和pH 变化有较大改变,影响分辨率。琼脂糖离子交换剂机械稳定性较好,分辨率也较高,但价格较贵。

理想的分离介质应该不但易于吸附,还要易于洗脱,如果目标产物对于离子强度和pH值的变化不敏感,可以考虑采用高电荷密度的强酸性或强碱性的强型介质。如果对这些因素比较敏感,则应采用弱酸性或弱碱性的弱型介质。如果大分子物质被吸附后,结合比较牢固,往往难以洗脱,采用苛刻的条件又容易引起大分子的变性,则应选用功能基团密度低的介质。

强酸性或强碱性的强型介质,适用的pH 范围广,常用于分离一些小分子物质或在极端pH 下的分离,但由于电性较强,有时易使一些敏感的生物分子变性或失活。弱酸性或弱碱性的弱型介质,其选择性有较大的范围,且不易使蛋白质失活,故一般适用于分离蛋白质等大分子物质,但其适用的pH范围较窄。

1.3粒径的选择:

分离介质粒径的大小对离子交换层析柱的分辨率和流速有明显的影响。一般来说分离介质的粒径小,分辨率高,但平衡离子的平衡时间长,流速慢;粒径大则柱的流速较快,压降小,但分辨率低,负载量也较小。所以大颗粒的分离介质适合于对分辨率要求不高的大规模制备性分离,而小颗粒的分离介质适合于需要高分辨率的精细分离或产品的精制阶段。

2.操作中注意事项

2.1预处理:

在离子交换剂的工业产品中,常含有少量的有机低聚物及一些无机杂质,在使用初期会逐渐溶解释放,影响目标产品的质量。因此,工业级离子交换剂在使用前必须进行预处理。

通用型的离子交换树脂通常使用酸、碱进行处理,可采用1~2 mol/L的盐酸及氢氧化钠溶液,以4~6倍树脂床体积交替进行处理,在酸及碱处理之间须用去离子水洗至中性。对于大孔型的树脂,还需要用乙醇、丙酮等有机溶剂进行处理,以除去生产过程中所用的有机物残余物。对分离介质进行预处理,不但能提高其工作容量,更可提高被分离产品的纯度。经预处理后的树脂,最后应转为分离过程中适用的离子型态。

对于生化专用的离子交换剂,以多糖类骨架为主的介质,一般贮存在20%的乙醇中。为了分离介质在分离过程中尽量减少pH值的变化,需要用大量的去离子水进行清洗,然后用缓冲液进行平衡。

分离介质的预处理可以在柱内进行,也可以在烧杯等容器中进行。在柱内进行预处理时,或溶液体系改变及操作温度变化时,经常会出现气泡,尤其在使用内径较小的柱时。气泡一经出现,必须及时清除,否则对层析工艺有明显的影响。

2.2缓冲液平衡介质:

pH值是离子交换层析的操作中的一个重要因素,而pH的稳定及改变通常是用缓冲液来实现的,所以缓冲液的选择是影响分离效果的重要因素。

在选择缓冲液时,pH和离子强度是两个关键性的因素,它不仅影响到分离介质对目标产物与杂质的分离效果,而且还影响到产品的收率。选用的pH值取决于目标产物的等电点、稳定性和溶解度,不但要使被分离的物质成为可以进行交换的离子,还要维持其较高的活性。同时也应该考虑到离子交换剂的pK值。

由于缓冲液本身带电,所以也会与离子交换层析介质结合。这种结合将带来两方面的干扰,一方面降低缓冲液的浓度,进而降低了缓冲能力;另一方面是与分离介质进行交换,从而与蛋白质竞争介质的交换容量。因此,在使用阴离子交换层析介质时,要避免采用磷酸盐之类的带负电的缓冲液,在使用阳离子交换层析介质时,则要避免采用Tris之类的带正电的缓冲液。由于分离介质的种类不同,起始过程也略有不同,在通常情况下,使用阴离子交换层析介质时,起始缓冲液要高于目标蛋白等电点0.5 ~ 1 pH值;使用阳离子交换层析介质时,则起始缓冲液要低于目标蛋白等电点0.5 ~ 1 pH值。

2.3层析柱的操作:

2.3.1操作方式:

由于生化分离的样品、缓冲液和洗脱液都是流动相,可在流经柱时进行分离,因此,离子交换可以采用柱式操作,以层析形式进行分离。在分离过程中,未被吸附的物质不断流出反应体系,使平衡不断右移,是一种动态平衡,所以也称为动态操作。动态操作方式分离效果好,适用于各类样品,可实现连续操作。在层析分离的操作中,层析柱的装填情况对分离有一定的影响,介质在柱内要分布均匀,尤其不允许气泡的存在,也应防止介质产生分层现象。

对于一些粘度较大的样品,进行初步提取分离时,也可以采用“静态”处理方法,经离子交换剂与需处理的工作液在反应容器中进行搅拌,当达到吸附平衡后,将介质与残液分离,装入柱中进行洗脱。这种静态分批操作的方法,工艺设备简单,操作简便,如肝素钠等一些天然产物的初步分离,往往采用这种静态分离方式。在静态分离方式的操作中,应适当控制离子交换剂在工作液中的搅拌速度,若搅拌速度过快,剪切力过大,会造成离子交换颗粒的破碎,难以进行过滤分离;但若搅拌速度过慢,则影响介质与工作液的接触,也影响交换速率。

2.3.2柱式操作的种类:

固定床分离:在柱式操作中,料液作为流动相,在柱内自上而下地流动,在流动的过程中进行吸附。为了得到较好的分离效果,对分离柱有三点最基本的要求:分离柱底部要有孔径分布均匀的筛板,以防止流动相产生偏流;分离柱支持层下端的死角体积要尽量地小,以防止分离过程中色谱带混合或扩展;无论大小,分离柱都必须保持垂直。在固定床操作中,可以进行正向洗脱,也可以进行逆向洗脱,一般情况下,逆向洗脱或再生可获得较好的效果,但对操作有较为严格的要求。

流态床:流动的料液从柱的下端流入,从上端流出,分离介质在柱内呈流态状。此种分离方法对操作有严格的要求,一般较少应用,洗脱方式以采用正向洗脱为好。

2.3.3工作液对分离效果的影响:

为了使生化分离达到高分辨率及高负载量,工作液的制备及性能也是非常重要的因素。工作液的粘度、澄清度等不但影响离子交换剂的分离效果,还影响到分离介质的使用寿命。生化分离往往是一个比较复杂的体系,其中有多种杂质存在,不但有简单的小分子,还有一些胶体物质、脂类物质等,尤其是一些不可逆吸附的大分子往往包裹覆盖了介质的功能基团,或堵塞了介质的孔道,造成不可逆污染,缩短分离介质的使用寿命。因此,在分离操作前,应尽量将工作液进行适当的预处理,以确保分离的效果。

在生化分离纯化过程中,由于淋洗过程带走了一些目标产物,或因洗脱不完全而使目标产物滞留在介质上,造成产物的损失,是影响产品收率的重要因素,同时,蛋白质的结构变化引起失活,也将影响活化收率。在离子交换过程中加入一些稳定剂或保护剂,不但可以提高收率,还可提高分离介质对蛋白质的选择性。

2.3.4流速对分离效果的影响:

离子交换层析分离中,流速是影响分离效果的一个重要因素。为了获取优良的分离效果,应根据离子交换剂的种类、粒径、工作液中有效成分的分子结构等因素,进行试验,以确立较佳的试验参数。若目标产物的分子量相对比较小,且介质的孔径比较大时,因为有利于传质作用,可采用较高的流速。而对于目标产物为生物大分子,且介质的孔径相对于被分离物质分子较小时,由于分子的扩散速率较慢,则宜采用较慢的流速。在工作液的粘度较大时,因传质速率较低,也应采用较低的流速。

流速不但影响交换吸附的效果,也影响洗脱的效果,通常情况下,洗脱时的流速要比交换吸附时慢些。

2.4介质的洗脱、再生方式:

当离子交换剂失效后,应进行洗脱,其基本原理是用一种比吸着物质更活泼的离子或基团,把交换吸附到介质颗粒外表面和内部的目标产物解吸下来。吸着物不同,其活泼性不同,因此,应选择合适的洗脱剂,将蛋白质从介质上洗脱下来,收集分离纯化的产物。

离子交换层析大致有三种洗脱方式:

一种为同步洗脱。洗脱剂是同一种物质,可采用稀的酸、碱或盐类溶液,也可选用适当的有机溶剂,其中以盐溶液为主,依据目标产物的性质及最终得到产物的剂型进行选择。由于被吸着的物质往往不是单一的品种,各种物质所带的电荷电量不同,与介质的结合强度不同,即使使用同一种洗脱剂,容易被替换的物质先脱离介质流出,结合力较强的物质后流出,只要通过分级收集,就可以把各种物质分离,得到较纯净的产物。这种方法多用于对目标产物的性能了解很清楚时的分离,或用于分析类的分离。

第二种为分步洗脱,即分别用不同浓度的盐溶液进行洗脱。分离介质在交换吸附过程中,会有多种蛋白质被吸附,如果采用一个恒定的洗脱条件,有时不能将所有的组分适当地分开,需要改变洗脱条件。可以是阶段式的改变,即选用不同的洗脱剂或不同pH值的洗脱剂分阶段进行洗脱,可以根据洗脱液不同的浓度、不同的酸度得到不同的洗脱峰。即一种盐浓度可以得到一种目标蛋白,不同的盐浓度可以得到不同的目标蛋白。这种分步洗脱的方式,适用于已知性质蛋白的分离,尤其适用于规模生产中,操作方便,易于控制。

第三种为连续的梯度洗脱,即按一定的线性变化改变洗脱液的离子强度或pH值(一般只在特殊情况下使用改变pH值的洗脱方式),在洗脱剂渐变的过程中,将不同的蛋白质逐一置换,可得到各种不同的蛋白组分,同时,蛋白质一般不拖尾。梯度洗脱是离子交换层析中最常用的洗脱方式,也是洗脱能力相对最强的洗脱方式,适合于对电荷性质相近组分的洗脱。

在洗脱过程中,顺流洗脱或逆流洗脱均可采用,顺流洗脱也称为正向洗脱,即洗脱液的流动方向与工作液的流动方向相同,逆流洗脱也称为反向洗脱,即洗脱液的流动方向与工作液的流动方向相反。若料液是自上而下正向通过交换柱进行交换吸附的,则交换柱上层吸附物的浓度要比下层高,洗脱液自下而上反向解吸可以更高效地达到洗脱的目的。但由于逆向洗脱的操作要比正向洗脱复杂得多,故目前多以正向洗脱为主。

洗脱液的流速也会影响离子交换层析分离的效果,洗脱速度通常要保持恒定。一般来说,慢速洗脱的分辨率要比快速洗脱好,但洗脱速度过慢,会造成分离时间长,样品扩散、谱峰变宽、分辨率降低等副作用,所以要根据实际情况选择合适的洗脱速度。如果洗脱峰相对集中于某个区域造成重叠,则应适当缩小梯度范围或降低洗脱速度来提高分辨率。如果分辨率较好,但洗脱峰过宽,则应适当提高洗脱速度。

2.5介质的消毒:

在某些纯度要求较高的生化产品制备过程中,往往要求对分离介质进行消毒处理,以防止微生物等杂

质混入目标产品中。

采用高温消毒是最常用的方法,目前大多数离子交换剂具有稳定的物理化学性能,均可进行高温消毒处理。但在使用多糖类介质时,必须注意,介质一定要处于盐型,而且要在中性条件下才能进行高温消毒处理,否则将会导致多糖大分子骨架的降解,严重影响介质的使用寿命。

NaOH也是一种很好的消毒剂,但要根据介质的耐碱程度和微生物污染的种类、污染程度选用合适浓度的NaOH。这种消毒方法也可以采用柱内浸泡法,即将一定浓度的NaOH通入柱中,关闭出液阀,浸泡几个小时后,可达到消毒的目的。NaOH如果与乙醇合用,可以得到更佳的效果。用NaOH消毒还可将消毒和在位清洗合并处理。

2.6介质的“复苏”:

在生化分离过程中,由于分离体系较为复杂,含有多种蛋白质或其他杂质,因此在使用过程中常出现树脂的“中毒”现象。中毒原因可能是由于大分子的多点带电,与介质进行多点结合,致使难以洗脱,使介质的有效功能基团减少。也可能是一些较大的分子被“卡牢”在孔道内,难以扩散出来,堵塞了孔道,在以后的交换过程中影响到颗粒内功能基团的有效工作。除生物大分子外,色素及腐殖酸等都可使介质中毒。有时工作液中的胶状物质被粘附于介质颗粒的内外表面,覆盖了功能基团,这也是影响介质工作容量的重要因素。

由于上述原因,离子交换层析介质在使用一段时间后,可能出现颜色变深、床体收缩、分辨率下降、蛋白质收率降低、反压升高等现象。此时,需要对介质进行净化处理。对于介质用量比较大,自动化程度比较高的规模生产,应采用在原交换柱内进行,即“在位清洗”。先从交换柱的下面通过适量的清水,目的是去除交换柱中的悬浮物,并将床体疏松,还可以将结块的介质分散,有利于以后介质与清洗液的接触。对于一般的污染,采用逆流清洗,可减少污染物对下层介质的污染。应根据介质种类及污染程度的不同,分别选用不同种类的清洗剂及不同的清洗步骤。一般的介质是用2mol/L的NaCl、1mol/L的NaOH、0.1mol/L 的HCl或1mol/L的HCl溶液交替分阶段清洗或浸泡,各试剂交替之间须用去离子水洗至中性。若经过上述处理后仍无明显改善,尤其是流速无明显提高,则要检查交换柱布水器的纱网是否出现堵塞。

上述过程即为通常所说的“复苏”过程。不同的介质应选用不同的复苏方法,主要取决于介质的物理化学性能及污染物质的性质。对于多糖类的离子交换剂,每当使用一段时间后,可采用离子浓度较大的缓冲液通过交换柱或浸泡介质,因为缓冲液的离子强度较大时,有利于蛋白质大分子脱离介质,达到复苏的效果。对于物化结构稳定的介质,也可使用NaCl溶液通过交换柱或浸泡介质。对于物化结构非常稳定的介质,可用30℃~40℃的乙醇或丙酮进行洗脱或浸泡,在高温下可使吸附在介质上的蛋白变性或加快扩散速度,也有利于胶体物质的破坏,从而使污染物脱离介质。还可在乙醇或NaOH溶液中加入NaCl,更有利于介质的复苏。

清除沉淀蛋白、脂类、疏水性的蛋白及脂蛋白,处理步骤更为复杂。可采用100%的异丙醇、20%的乙

腈、2mol/L的NaOH溶液、75%的乙酸、20%的乙醇、100%的甲醇或6mol/L的盐酸胍、阳离子或非离子洗涤剂等作为处理液。在用过这些清洗剂后,都要用至少2倍体积的蒸馏水进行清洗。使用有机溶剂后,交换柱要采用锯齿形的梯度洗涤进行清洗,即可以在5倍床体积内,使溶剂的含量从0增至100%,然后在下一个5倍床体积中,使溶剂的含量从100%降到0。

如果经过上述处理,交换柱的工作情况仍没有恢复,可以使用蛋白水解酶,将仍滞留在介质内的蛋白质进行水解,使其脱离介质。可以采用含有1mg/mL胃蛋白酶的0.1mol/L 乙酸溶液及0.5 mol/L 的NaCl溶液注入到交换柱中,在室温下浸泡过夜,或在37℃下浸泡一小时。根据污染物的情况,也可以采用DNA酶等其它的酶类。无论使用哪一种酶处理后,都要重复上述清除污染物的清洗步骤,把酶清洗干净。

脂蛋白对分离介质的污染比较严重,因为脂蛋白及其它脂类物质,很容易粘附在层析柱内,最好在进行分离工艺前先将其去除。推荐使用硫酸葡聚糖、聚乙烯吡咯烷酮等沉淀剂,可去除高含量的脂蛋白。

2.6介质的贮存:

各种分离介质在使用后都要进行清洗后再贮存,这对于多糖类分离介质尤为重要。分离介质在使用后,先用2个床体积的清水清洗,然后用2个床体积的20%的乙醇过柱。对于SP强酸性阳离子介质,要用含有0.2mol/L乙酸钠的20%乙醇溶液清洗,再用脱气的乙醇-水溶液以较慢的流速清洗。经过处理后,可在室温下贮存,或在4~8℃下长期存放。贮存过程中必须将层析柱全部封闭,以防止水分的挥发,造成干柱。暂时不用的介质必须贮存在20%的乙醇溶液中。所有的离子交换分离介质,都要在4℃~30℃的条件下贮存,并防止冷冻。

离子交换柱层析原理

离子交换层析介质的应用 离子交换层析分离纯化生物大分子的过程,主要是利用各种分子的可离解性、离子的净电荷、表面电荷分布的电性差异而进行选择分离的。现已成为分离纯化生化制品、蛋白质、多肽等物质中使用最频繁的纯化技术之一。 子交换层析(Ion Exchange Chromatography 简称为IEC)是以离子交换剂为固定相,依据流动相中的组分离子与交换剂上的平衡离子进行可逆交换时的结合力大小的差别而进行分离的一种层析方法。离子交换层析是目前生物化学领域中常用的一种层析方法,广泛的应用于各种生化物质如氨基酸、蛋白、糖类、核苷酸等的分离纯化。 1.离子交换层析的基本原理: 离子交换层析是通过带电的溶质分子与离子交换层析介质中可交换离子进行交换而达到分离纯化的方法,也可以认为是蛋白质分子中带电的氨基酸与带相反电荷的介质的骨架相互作用而达到分离纯化的方法。 离子交换层析法主要依赖电荷间的相互作用,利用带电分子中电荷的微小差异而进行分离,具有较高的分离容量。几乎所有的生物大分子都是极性的,都可使其带电,所以离子交换层析法已广泛用于生物大分子的分离、中等纯化及精制的各个步骤中。 由于离子交换层析法分辨率高,工作容量大,并容易操作,因此它不但在医药、化工、食品等领域成为独立的操作单元,也已成为蛋白质、多肽、核酸及大部分发酵产物分离纯化的一种重要的方法。目前,在生化分离中约有75%的工艺采用离子交换层析法。 2.离子交换层析介质: 离子交换层析的固定相是离子交换剂,它是由一类不溶于水的惰性高分子聚合物基质通过一定的化学反应共价结合上某种电荷基团形成的。离子交换剂可以分为三部分:高分子聚合物基质、电荷基团和平衡离子。电荷基团与高分子聚合物共价结合,形成一个带电的可进行离子交换的基团。平衡离子是结合于电荷基团上的相反离子,它能与溶液中其它的离子基团发生可逆的交换反应。平衡离子带正电的离子交换剂能与带正电的离子基团发生交换作用,称为阳离子交换剂;平衡离子带负电的离子交换剂与带负电的离子基团发生交换作用,称为阴离子交换剂。在一定条件下,溶液中的某种离子基团可以把平衡离子置换出来,并通过电荷基团结合到固定相上,而平衡离子则进入流动相,这就是离子交换层析的基本置换反应。通过在不同条件下的多次置换反应,就可以对溶液中不同的离子基团进行分离。下面以阴离子交换剂为例简单介绍离子交换层析的基本分离过程。 阴离子交换剂的电荷基团带正电,装柱平衡后,与缓冲溶液中的带负电的平衡离子结合。待分离溶液中可能有正电基团、负电基团和中性基团。加样后,负电基团可以与平衡离子进行可逆的置换反应,而结合到离子交换剂上。而正电基团和中性基团则不能与离子交换剂结合,随流动相流出而被去除。通过选择合适的洗脱方式和洗脱液,如增加离子强度的梯度洗脱。随着洗脱液离子强度的增加,洗脱液中的离子可

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精心整理如何筛分混合的阴阳离子交换树脂? 离子交换树脂的工作原理及优缺点分析 将离子性官能基结合在树脂(有机高分子)上的材料,称之为“离子交换树脂”。树脂表面带有磺酸(sulfonic acid) 者,称为阳离子交换树脂,而带有四级氨离子的,则为阴离子交换树脂。由於离子交换树脂可以有效去除水中阴阳离子,所以经常使用於纯水、超纯水的制造程序中。(见下图) 离子交换树脂上的官能基虽可去除原水(Feed water) (Fouling)。方。 原理 软水,这是软化水设备的工作过程。 当树脂上的大量功能基团与钙镁离子结合后,树脂的软化能力下降,可以用氯化钠溶液流过树脂,此时溶液中的钠离子含量高,功能基团会释放出钙镁离子而与钠离子结合,这样树脂就恢复了交换能力,这个过程叫作“再生”。

由于实际工作的需要,软化水设备的标准工作流程主要包括:工作(有时叫做产水,下同)、反洗、吸盐(再生)、慢冲洗(置换)、快冲洗五个过程。不同软化水设备的所有工序非常接近,只是由于实际工艺的不同或控制的需要,可能会有一些附加的流程。任何以钠离子交换为基础的软化水设备都是在这五个流程的基础上发展来的(其中,全自动软化水设备会增加盐水重注过程)。 反洗:工作一段时间后的设备,会在树脂上部拦截很多由原水带来的污物,把这些污物除去后,离子交换树脂才能完全曝露出来,再生的效果才能得到保证。反洗过程就是水从树脂的底部洗入,从顶部流出,这样可以把顶部拦截下来的污物冲走。这个过程一般 需要5-15分钟左右。 吸盐(再生) (只要进水有一定的压力即可) 慢冲洗(置换) 应用 1)水处理 水处理领域离子交换树脂的需求量很大,约占离子交换树脂产量的90%,用于水中的各种阴阳离子的去除。目前,离子交换树脂的最大消耗量是用在火力发电厂的纯水处理上,其次是原子能、半导体、电子工业等。

离子交换法制备纯水

实验二离子交换法制备纯水 一、实验目的 1.了解离子交换法制纯水的基本原理,掌握其操作方法; 2.掌握水质检验的原理和方法; 二、实验原理 离子交换法是目前广泛采用的制备纯水的方法之一。水的净化过程是在离子交换树脂上进行的。离子交换树脂是有机高分子聚合物,它是由交换剂本体和交换基团两部分组成的。例如,聚苯乙烯磺酸型强酸性阳离子交换树脂就是苯乙烯和一定量的二乙烯苯的共聚物,经过浓硫酸处理,在共聚物的苯环上引入磺酸基(–SO3H)而成。其中的H+可以在溶液中游离,并与金属离子进行交换。 R–SO3H + M+R–SO3M + H+ R:聚合物的本体;–SO3:与本体联结的固定部分,不能游离和交换;M+:代表一价金属离子。阳离子交换树脂可表示为: 如果在共聚物的本体上引入各种胺基,就成为阴离子交换树脂。例如,季胺型强碱性阴离子交换树R–N+(CH3)3OH–,其中OH–在溶液中可以游离,并与阴离子交换。 离子交换法制纯水的原理就是基于树脂和天然水中各种离子间的可交换性。例如,R–SO3H 型阳离子交换树脂,交换基团中的H+可与天然水中的各种阳离子进行交换,使天然水中的Ca2+、Mg2+、Na+、K+等离子结合到树脂上,而H+进入水中,于是就除去了水中的金属阳离子杂质。水通过阴离子交换树脂时,交换基团中的OH–具有可交换性,将HCO3–、Cl–、SO42–等离子除去,而交换出来的OH–与H+发生中和反应,这样就得到了高纯水。 交换反应可简单表示为: 2R–SO3H + Ca(HCO3)2→ (R–SO3)2Ca + 2H2CO3 R–SO3H + NaCl → R–SO3Na + HCl R–N(CH)3OH + NaHCO3→ R–N(CH)3HCO3 + NaOH R–N(CH)3OH + H2CO3→ R–N(CH)3HCO3 + H2O HCl + NaOH → H2O + NaCl 本实验用自来水通过混合阳、阴离子交换树脂来制备纯水。 [实验用品] 仪器:离子交换柱(也可用碱式滴定管代替)。 材料:玻璃纤维(棉花)、乳胶管、螺旋夹、pH试纸。 固体药品:717强碱性阴离子交换树脂、732强酸性阳离子交换树脂。 液体药品:NaOH(2mol·L-1)、HCl(2mol·L-1)、AgNO3(0.1mol·L-1)、NH3–NH4Cl缓冲溶液(pH=10)、铬黑T指示剂。 三、实验步骤 1.树脂的预处理 将717(201×7)强碱性阴离子交换树脂用NaOH(2mol·L-1)浸泡24小时,使其充分转为OH-型(由教师处理)。取OH-型阴离子交换树脂10mL,放入烧杯中,待树脂沉降后倾去碱液。加20mL 蒸馏水搅拌、洗涤、待树脂沉降后,倾去上层溶液,将水尽量倒净,重复洗涤至接近中性(用pH 试纸检验,pH=7~8)。 将732(001×7)强酸性阳离子交换树脂用HCl(2mol·L-1)浸泡24小时,使其充分转为H+型(由教师处理)。取H+型阳离子交换树脂5mL,于烧杯中,待树脂沉降后倾去上层酸液,用蒸馏水洗涤树脂,每次大约20mL,洗至接近中性(用pH试纸检验pH=5~6)。 最后,把已处理好的阳、阴离子交换树脂混合均匀。 2.装柱

离子交换层析柱的装填及处理

离子交换层析柱的装填及处理 一、原理: 有些高分子物质含有一些可以分离的基因,例如-SO3H,-COOH等,因此可以和溶液中的离子产生交换反应。如:R-SO3H+M+ R-S3M+H+ 或R-NH3OH+CL-— R-NH3CL+OH -这类高分子物质通称离子交换剂,其中使用最普遍的是离子交换树脂。由于一定的离子交换剂对不同离子的亲和力不同,因此在洗提过程中,不同的离子在离子交换柱上的迁移速度也不同,最后得到分离。 二、目的与要求: 本实验是采用Zerolit225型阳离子交换树脂所装的柱,选以特定的PH缓冲洗脱液来分离含有两个性质不同的氨基酸溶液。通过实验要求掌握装柱、上样、洗脱、收集等离子交换柱层析技术的要点。 三、仪器与装置: 玻璃层析柱:长19cm,内径1、2cm,3# 砂芯。H L-2型恒流泵。H D-4型电脑核酸蛋白检测仪。B S-100A自动部份收集器。 250ml烧杯。 1ml吸管。 水浴锅。 72型(或721型)分光光度计。

四、试剂与药品: 树脂:Zerolit225型阳离子交换树脂。 洗脱液:0、45N,PH5、3柠檬酸缓冲液,取285g柠檬酸 (C6O7H8?H2O);186g97℅NaOH;105ml浓硫酸溶于水中稀释至10升。 样品液:0、005M ASP和LYs的0、02N HCL混合溶液。 显色剂:显色剂列出两种可任选一种。 显色剂(Ⅰ)茚三酮-TiCL3溶液。 10g茚三酮溶于500ml乙二醇甲醚,再加入0、85 ml TiCL3(15%)显色剂(Ⅱ):茚三酮-KCN溶液。 0、1M KCN:0、1628g KCN溶于水中稀释至250ml A、将1、25g茚三酮溶于25ml乙二醇甲醚,配成5%(W/V)浓度的溶液。B 、将2、5ml 0、01M KCN溶液与125ml乙醇甲醚混合。将A和B合并置棕色瓶中过夜即可使用。此溶剂用时, A、B两溶液在前一天合并,配好的溶液仅能在1-2天内使用,过时失效须重配。 五、方法与步骤: 1、树脂的处理: 关于市售新树脂的处理见 7、,本实验采用处理好的树脂。 2、装柱:将层析柱垂直装好,关闭柱底出口,在柱内注入约1cm高的柠檬酸缓冲液。

离子交换层析柱的装填及处理

一、原理: 有些高分子物质含有一些可以分离的基因,例如-SO3H,-COOH等,因此可以和溶液中的离子产生交换反应。如: R-SO3H+M+ ————R-S3M+H+ 或R-NH3OH+CL-—————R-NH3CL+OH- 这类高分子物质通称离子交换剂,其中使用最普遍的是离子交换树脂。由于一定的离子交换剂对不同离子的亲和力不同,因此在洗提过程中,不同的离子在离子交换柱上的迁移速度也不同,最后得到分离。 二、目的与要求: 本实验是采用Zerolit225型阳离子交换树脂所装的柱,选以特定的PH缓冲洗脱液来分离含有两个性质不同的氨基酸溶液。通过实验要求掌握装柱、上样、洗脱、收集等离子交换柱层析技术的要点。 三、仪器与装置: 玻璃层析柱:长19cm,内径1.2cm,3# 砂芯。 HL-2型恒流泵。 HD-4型电脑核酸蛋白检测仪。 BS-100A自动部份收集器。 250ml烧杯。 1ml吸管。 水浴锅。 72型(或721型)分光光度计。 四、试剂与药品: 树脂:Zerolit225型阳离子交换树脂。 洗脱液:0.45N,PH5.3柠檬酸缓冲液,取285g柠檬酸(C6O7H8?H2O);186g 97℅NaOH;105ml浓硫酸溶于水中稀释至10升。 样品液:0.005M ASP和LYs的0.02N HCL混合溶液。 显色剂:显色剂列出两种可任选一种。 显色剂(Ⅰ)茚三酮-TiCL3溶液。 10g茚三酮溶于500ml乙二醇甲醚,再加入0.85 ml TiCL3(15%) 显色剂(Ⅱ):茚三酮-KCN溶液。 0.1M KCN:0.1628g KCN溶于水中稀释至250ml A、将1.25g茚三酮溶于25ml乙二醇甲醚,配成5%(W/V)浓度的溶液。 B、将2.5ml 0.01M KCN溶液与125ml乙醇甲醚混合。将A和B合并置棕色瓶中过夜即可使用。此溶剂用时,A、B两溶液在前一天合并,配好的溶液仅能在1-2天内使用,过时失效须重配。 五、方法与步骤: 1、树脂的处理: 关于市售新树脂的处理见7、,本实验采用处理好的树脂。 2、装柱:将层析柱垂直装好,关闭柱底出口,在柱内注入约1cm高的柠檬酸缓冲液。将经处理已成钠型的树脂置于烧杯中,加进1倍体积的柠檬酸缓冲液,搅成悬浮状沿柱内壁细心地把柱灌满。倒时不要太快,以免产生泡沫。待树脂在柱底逐渐沉积至约1cm高时,用吸管吸去柱内上层所出现的清液,慢慢打开柱底出口,继续加注树脂悬液直至柱体装到8cm高度为止。 在装柱时要避免使柱内液体流干而使装柱失败,另外树脂悬浮液的温度要相对恒定(特别是

混床离子交换器的优点和工作原理

混床离子交换器就是阳、阴两种离子交换树脂,互相充分地混合在一个离子交换器内,同时进行阳、阴离子交换的设备。简称混床。所谓混床,就是把一定比例的阳、阴离子交换树脂混合装填于同一交换装置中,对流体中的离子进行交换、脱除。由于阳树脂的比重比阴树脂大,所以在混床内阴树脂在上阳树脂在下。一般阳、阴树脂装填的比例为1:2,也有装 填比例为1:1.5的,可按不同树脂酌情考虑选择。混床也分为体内同步再生式混床和体外再生式混床。同步再生式混床在运行及整个再生过程均在混床内进行,再生时树脂不移出设备以外,且阳、阴树脂同时再生,因此所需附属设备少,操作简便。 一、混床离子交换器的优点 (1)出水水质优良,出水pH值接近中性。 (2)出水水质稳定,短时间运行条件变化(如进水水质或组分、运行流速等)对混床出水水质影响不大。 (3)间断运行对出水水质的影响小,恢复到停运前水质所需的时间比较短。 混床设备比较好用一点的还是有机玻璃柱的那种,因为分层的时候比较容易看得清楚。 操作起来,再生效果好。以前我用的那种A3钢的,有个视孔,操作起来真的好麻烦,分层都看不到。 二、混床离子交换器的工作原理 混床床离子交换法,就是把阴、阳离子交换树脂放置在同一个交换器中,在运行前将它们均匀混合,所以可看着是由无数阴、阳交换树脂交错排列的多级式复床,水中所含盐类的阴、阳离子通过该项交换器,则被树脂交换,而得到高度纯水。在混合床中,由于阴、阳树脂是相互混匀的,所以其阴、阳离子交换反应几乎同时进行,或者说,水的阳离子交换和阴离子交换是多次交错进行的,经H型交换所产生的H+和经过OH型交换所产生的OH-都不能积累起来,基本上消除反离子的影响,交换进行得比较彻底。由于进入混合床的初级纯水质较好,交换器的负载较轻,树脂的交换能力很长时间才被子耗竭。本混合床采用体内再生法,再生时首先利用两种树脂的比重不同,用反洗使用权阴、阳离子交换树脂完全分离,阳树脂沉积在下,阴树脂浮在上面,然后阳树脂用盐酸(或硫酸)再生,阴树脂用烧碱再生。 三、混床离子交换器的结构 1、再生装置:阴离子交换树脂再生碱液在高于阴离子交换树脂面300毫米处母管进液(Φ400、500、600采用单母管进液,Φ800、2500采用双母管进液),管上小孔布液,管外采用塑料窗纱60目尼龙网布包覆。阳离子交换树脂再生酸性由底部排水装置的多孔板上排水帽进入。 2、中排装置:中排装置设置在阴、阳树脂的分界面上,用于再生排泄酸、碱还原液和冲洗型,型式分为双母管或支母管式,管子小孔外包覆塑料窗纱及60目尼龙网各一层。 3、排水装置:采用多孔板上装设PB2-500型叠片式排水帽,或宝塔式ABS型排水帽,多孔板材质按设备规格不同而异。(Φ400、500、600型采用硬聚氯乙烯多孔,Φ800、2500型采用钢衬胶多孔板)。

离子交换层析

实验二离子交换层析纯化兔血清IgG 【原理】 DEAE-Sephadex A-50 (二乙氨基- 乙基- 葡萄糖凝胶A-50 )为弱碱性阴离子交换剂。用NaOH 将Cl - 型转变为OH - 型后,可吸附酸性蛋白。血清中的γ 球蛋白属于中性蛋白(等电点为pH6.85 ~7.5 ),其余均属酸性蛋白。pH7.2 ~7.4 的环境中。酸性蛋白均被DEAE-Sephadex A-50 吸附,只有γ 球蛋白便可在洗脱液中先流出,而其他蛋白则被吸附在柱上,从而便可分离获得纯化的IgG 。 【试剂与器材】 1. DEAE-Sephadex A-50 2.0.5mol/L HCl 和NaOH 3.0.1mol/L pH7.4 PBS 4.0.1mol/L Tris-HCl(pH7.4)

5.0.02 %NaN 3 6.PEG 7. 无水乙醇 8. 紫外分光光度计 9.1cm×20cm 玻璃层析柱 10. 自动部分收集器 【操作步骤】 1 .DEAE-Sephadex A-50 预处理称DEAE-Sephadex A-50 (下称A-50 )5g ,悬于500ml 蒸馏水内,1h 后倾去上层细粒。按每克A-50 加0.5mol/L NaOH 15ml 的比例,将浸泡于0.5mol/L NaOH 液中,搅匀,静置30min ,装入布氏漏斗(垫有 2 层滤纸)中抽滤,并反复用蒸馏水抽洗至pH 呈中性;再以0.5mol/L HCl 同上操作过程处理,最后以0.5mol/L NaOH 再处理一次,处理完后,将A-50 浸泡于0.1mol/L pH7.4 PBS 中过夜。

2 .装柱 ( 1 )将层析柱垂直固定于滴定架上,柱底垫一圆形尼龙纱,出水口接一乳胶或塑料管并关闭开关。 (2 )将0.1mol/L Tris-HCl(pH7.4) 沿玻璃棒倒入柱中至1/4 高度,再倒入经预处理并以同上缓冲液调成稀糊状的A-50 。待A-50 凝胶沉降2 ~3cm 高时,开启出水口螺旋夹,控制流速1ml/min ,同时连续倒入糊状A-50 凝胶至所需高度。 ( 3 )关闭出水口,待A-50 凝胶完全沉降后,柱面放一圆形滤纸片,以橡皮塞塞紧柱上口,通过插入橡皮塞之针头及所连接的乳胶或塑料管与洗脱液瓶相连接。 3 .平衡启开出水口螺旋夹,控制流速 4 滴/min ,使约2 倍床体积的洗脱液流出。并以pH 计与电导仪分别测定洗脱液及流出液之PH 值与离子强度,两者达到一致时关闭出水口,停止平衡。 4 .加样及洗脱启开上口橡皮塞及下口螺旋夹,使柱中液体缓慢滴出,当柱面液体与柱面相切时,立即关闭出水口,以毛细滴管沿柱壁加入样品(0.5ml 血清,体积应小于床体积的2% ,蛋白浓度以<100mg 为宜)。松开出水口螺旋夹使面样品缓慢进入柱内,至与柱面

钠离子交换器工作原理说明

钠离子交换器工作原理说明 一般而言,化学除盐过程就是原水通过H+型阳离子交换器(也称阳床)和OH-型阴离子交换器(也称阴床),经过离子交换反应,将水中的阴、阳离子去除,从而制得高纯水。当原水经阳床发生交换反应之后,出水呈酸性,即水中的阳离子几乎都等当量的转变成氢离子,此时H++HC03-?C02?+H2O,所以在阳床之后端要设置除二氧化碳器。 钠离子交换器工作原理 水的硬度主要有其中的阳离子:钙(Ca2+)、镁(Mg2+)离子构成。当含有硬度的原水通过交换器的树脂层时,水中的钙、镁离子被树脂吸附,同时释放出钠离子。这样从交换器内流出的水就是去掉了硬度离子的软化水,当吸附钙、镁离子的树脂达到一定程度后,出水硬度增大,此时软水器按照预定的程序自动进行失效树脂的再生工作,利用较高浓度的氯化钠溶液通过树脂,使失效的树脂重新恢复至钠型树脂。

钠离子交换器产品结构 沈阳软化水装置主要有三部分组成: 1、自动控制装置:根据用户需要,可配置时间控制、流量控制两种控制方式的全自动控制器,并可选配润新、富莱克等控制阀,也可选用液动、气动、电动多阀控制系统。 2、罐体部分:根据用户要求,交换罐、盐罐可采用玻璃钢、碳钢衬胶、不锈钢等材质。 3、配件部分:包括布水装置、吸盐装置、管路配件等。 天然水中含有的钙(Ca2+)、镁(Mg2+)离子在加热蒸发浓缩过程中生成危害锅炉安全运行的水垢,这种天然水叫硬水。当这种硬水通过离子交换剂(NaS)时,与吸附在交换剂上的Na+离子发生交换反应,被置换于水中,转化成钠的盐类。由于钠的盐类溶解度大,且在温度升高时溶解度进一步增加,所以不会生成水垢。这个过程称为软化。但水中的钙、镁离子置换到交换剂上,使钠型交换剂(NaR)变成钙型(CaR),因而失去了与钙、镁离子再进行交换反应的能力,这一现象称之为钠离子交换失效。将失效的交换剂用食盐(NaCl)溶液使之还原成钠型交换剂,以便继续生产软水,这种现象称之为再生。钠离子交换器通过软化——失效——再生还原——软化的循环过程,使原水得到软化,供给锅炉合格的软化水。

离子交换层析实验原理及步骤

离子交换层析实验原理及步骤 离子交换层析实验方法 阴离子交换剂与阳离子交换剂的装柱和层析过程基本相同。交联葡聚糖的预处理只需充分溶胀和平衡,不需要除去细粒碎片和酸碱处理。其他步骤也基本同离子交换纤维素。 1. 剂型的选择 根据蛋白质在所用缓冲液pH值下带电荷的种类选择,如pH高于蛋白质等电点,应选阴离子交换剂,反之应选阳离子交换剂。一般情况下,DEAE-纤维素用于分离酸性蛋白,而CM纤维素用于分离碱性蛋白质。 下面以DEAE-纤维素操作为例,介绍试验方法 2. 膨胀活化 此步的目的在于除去杂质,暴露DEAE-纤维素上的极性基团。DEAE-纤维素的用量则根据柱容积的大小和所需过柱样品的量来决定。一般是1.0g DEAE-纤维素相当于6ml~8ml柱床体积。 表1-4 分离的血清与所需DEAE—纤维素量及其他条件的大致关系 血清样品量(ml) DEAE需用量(g) 选层析柱规格(cm) 选脱液量(ml) 1~2 2 1×25 100~150 5 5 2×12 200~300 10 10 2×20 300~400 20 20 2×37

400~800 称取所需的量,撒于0.5Mol/L NaOH溶液中(1g DEAE—纤维素干粉约需15倍NaOH液),浸泡1h左右,不时搅拌。抽滤(以布氏漏斗加两层滤纸或尼龙纱布抽滤),以蒸馏水洗涤,再抽滤,直至滤液近中性为止,再将纤维素浸泡于0.5Mol/L HCl中1h,同样抽滤液至近中性。再将纤维素浸于0.5Mol/L NaOH液中,同样处理,洗至中性。 3. 平衡 将DEAE—纤维素放入0.0lMol/L pH 7. 4 PB液中(即起始缓冲液),静止1h,不时搅拌,待纤维素下沉后,倾去上清液或抽滤除去洗液,如此反复几次至倾出液体的pH值与加入的PB液的pH值相近时为止。 4. 装柱 层析柱的选择要大小、长度适当。一般而言,柱长和柱直径之比为10∶1~20∶1,柱的内径上下要均匀一致。用前将层析柱在清洁液内浸泡处理24h,然后依次用常水、蒸馏水、起始缓冲液充分洗涤。 装柱时,先剪一块圆形的尼龙纱布(直径与层析柱内径一致),放入层析柱底部。将柱下端连接细塑料管,夹上螺旋夹。把层析柱垂直固定在三角铁架上,倒入起始缓冲液至一半的柱高,除去死区及塑料管内的气泡。再将平衡的DEAE-纤维素糊状物沿管壁倒入柱中。注意不要产生气泡,如有气泡应排除或重装。拧开螺旋夹,使流速至1ml/5min,待缓冲液快接近纤维素面时,继续倒入纤维素糊,同时用玻璃棒搅拌表面层,以免使两次加入的纤维素形成分界层,通过进出缓冲液调节流量,也可通过塑料管的升降来控制,至柱床体积不变为止。剪一圆形滤纸(与柱内径大小一致),从柱的上端轻轻放入,使其沉接于纤维素床表面,以免在加样时打乱纤维素层。装好柱的柱面应该是平整的,无倾斜,整个柱床内无气泡、不分层。继续平衡,使流出液的pH值与流入液的pH值完全一致为止。 5. 上样 要层析的样品首先必须用起始缓冲液(4℃)平衡过夜,中间可换液数次。将柱的上端打开,用吸管将纤维素柱上面的缓冲液吸出,不要吸净,留一薄层液面,以免空气进入。沿管壁缓缓加入样品,注意不要打乱纤维素表层。拧开下端的螺旋夹,使样品进入交换剂中,快要进完时,加1ml~2ml缓冲液冲洗柱壁,随即用多量的洗脱液洗脱。 样品的加量与DEAE—纤维素有一个最适比的关系,超过这个比值,吸附就不完全,直接影响到分离的纯度。经过粗提的—球蛋白50mg~100mg,用干重约4g DEAE-纤维素装柱分离,可获得理想结果。

离子交换器工作原理

工作原理就是离子的交换。 运行时:阳树脂(H-R)+(M+)-->:(M-R)+(H+) 阴树脂(OH-R)+(X-)-->:(X-R)+(OH-) 其中M+为金属离子,X-为阴离子。 再生过程为其逆过程。 离子交换器的失效控制 离子交换除盐水处理最简单的流程为阳床-阴床组成的一级复床除盐系统。有的一级复床除盐系统采用单元制,即每套一级复床除盐系统包括阳床、(除碳器)、阴床各一台,在离子交换除盐运行过程中,无论是阳床还是阴床先失效,都是同时再生;还有的一级复床除盐系统采用母管制,即阳床与阳床或阴床与阴床是并联运行的,哪一台交换器失效就再生哪一台。 1 检测和控制原理 强酸性阳树脂对水中各种阳离子的吸附顺序为:Fe3+>Al3+>Ca2+>Mg2+>Na+>H+. ;由此可知,水中金属离子Na+被吸附的能力最弱,所以当离子交换时树脂层的各种离子吸附层逐渐下移,H+.最后被其他阳离子置换下来,当保护层穿透时,首先泄漏的是最下层的Na+;因此监督阳离子交换器失效是以漏钠为标准的;其反应方程为(A代表金属阳离子,R 为树脂基团): An+ +nRH=RnA+n H+ HCO3- + H+ =H2O+CO2↑ 强碱性阴树脂对水中各种阴离子的吸附顺序为: SO42->NO3->Cl->OH->HCO3->HSiO3- 。由此可知,HSiO3-的吸附能力最弱,所以当离子交换时树脂层的各种离子吸附层逐渐下移,OH-.被其他阴离子置换下来,当保护层穿透时,首先泄漏的是最下层的HSiO3-;因此监督阴离子交换器失效是以漏硅为标准的;其反应方程为(B代表酸根阴离子,R为树脂基团): Bm- +mROH=RmB+mOH- 2 控制点和控制方法 由于母管制系统包含了单元制系统,而且它具有能充分使用树脂、提高交换器的出水能力、降低酸碱消耗等优点,我们在研究中主要讨论以这种结构为基础的离子交换除盐水处理系统。 以成都生物制品研究所蛋白分离车间纯水站为例,该系统为母管制水处理系统,系统的结构为:砂滤-活性炭过滤-粗滤-阳床- 一阴-二阴-混床-精滤-纯水罐,系统产水能力为5 t/h,在系统的失效控制研究中,我们提出单元失效控制概念,也就是充分利用了母管制制水系统的优点对系统进行失效控制。 (1)RO对各有机溶质的去除率大于NF膜。(2)不同有机溶质的去除率不相同,有的甚至相差很大(例如,RO和NF膜对乙酸的吸光度去除率分别为95.34%、81.45%,而对苯胺的吸光度去除率则分别为61.50%、46.82%)。 3 出水水质 原水经一级复床除盐后,电导率(25℃)低于10μS/cm,水中硅含量低于100μg/

离子交换法的工作原理及软水器的工作过程

离子交换法的工作原理及软水器的工作过程 离子交换树脂是一种聚合物,带有相应的功能基团。一般情况下,常规的钠离子交换树脂带有大量的钠离子。 当水中的钙镁离子含量高时,离子交换树脂可以释放出钠离子,功能基团与钙镁离子结合,这样水中的钙镁离子含量降低,水的硬度下降。硬水就变为软水,这是软化水设备的工作过程。 当树脂上的大量功能基团与钙镁离子结合后,树脂的软化能力下降,可以用氯化钠溶液流过树脂,此时溶液中的钠离子含量高,功能基团会释放出钙镁离子而与钠离子结合,这样树脂就恢复了交换能力,这个过程叫作“再生”。 由于实际工作的需要,软化水设备的标准工作流程主要包括: 工作(有时叫做产水,下同)、反洗、吸盐(再生)、慢冲洗(置换)、快冲洗五个过程。不同软化水设备的所有工序非常接近,只是由于实际工艺的不同或控制的需要,可能会有一些附加的流程。任何以钠离子交换为基础的软化水设备都是在这五个流程的基础上发展来的(其中,全自动软化水设备会增加盐水重注过程)。 反洗:工作一段时间后的设备,会在树脂上部拦截很多由原水带来的污物,把这些污物除去后,离子交换树脂才能完全曝露出来,再生的效果才能得到保证。反洗过程就是水从树脂的底部洗入,从顶部流出,这样可以把顶部拦截下来的污物冲走。这个过程一般需要5-15分钟左右。 吸盐(再生):即将盐水注入树脂罐体的过程,传统设备是采用盐泵将盐水注入,全自动的设备是采用专用的内置喷射器将盐水吸入(只要进水有一定的压力即可)。在实际工作过程中,盐水以较慢的速度流过树脂的再生效果比单纯用盐水浸泡树脂的效果好,所以软化水设备都是采用盐水慢速流过树脂的方法再生,这个过程一般需要30分钟左右,实际时间受用盐量的影响。 慢冲洗(置换):在用盐水流过树脂以后,用原水以同样的流速慢慢将树脂中的盐全部冲洗干净的过程叫慢冲洗,由于这个冲洗过程中仍有大量的功能基团上的钙镁离子被钠离子交换,根据实际经验,这个过程中是再生的主要过程,所以很多人将这个过程称作置换。这个过程一般与吸盐的时间相同,即30分钟左右。 快冲洗:为了将残留的盐彻底冲洗干净,要采用与实际工作接近的流速,用原水对树脂进行冲洗,这个过程的最后出水应为达标的软水。一般情况下,快冲洗过程为5-15分钟。 离子交换法---软水器的工作原理 时间:2010-09-11 09:46来源:未知作者:阿青点击:34次 离子交换法---软水器的工作原理离子交换树脂是一种聚合物,带有相应的功能基团。一般情况下,常规的钠离子交换树脂带有大量的钠离子。当水中的钙镁离子含量高时,离子交

离子交换树脂原理

离子交换树脂原理 一、离子交换树脂基础介绍 离子交换树脂的全名称由分类名称、骨架(或基因)名称、基本名称组成。孔隙结构分凝胶型和大孔型两种,凡具有物理孔结构的称大孔型树脂,在全名称前加“大孔”。分类属酸性的应在名称前加“阳”,分类属碱性的,在名称前加“阴”。如:大孔强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂。 离子交换树脂还可以根据其基体的种类分为苯乙烯系树脂和丙烯酸系树脂。树脂中化学活性基团的种类决定了树脂的主要性质和类别。首先区分为阳离子树脂和阴离子树脂两大类,它们可分别与溶液中的阳离子和阴离子进行离子交换。阳离子树脂又分为强酸性和弱酸性两类,阴离子树脂又分为强碱性和弱碱性两类 (或再分出中强酸和中强碱性类)。 离子交换树脂的命名方式: 离子交换产品的型号以三位阿拉伯数字组成,第一位数字代表产品的分类,第二位数字代表骨架的差异,第三位数字为顺序号用以区别基因、交联剂等的差异。第一、第二位数字的意义,见表8-1。 表8-1 树脂型号中的一、二位数字的意义 代号 0 1 2 3 4 5 6 分类名称强酸性弱酸性强碱性弱碱性螫合性两性氧化还原性 骨架名称苯乙烯系丙烯酸系醋酸系环氧系乙烯吡啶系脲醛系氯乙烯系大孔树脂在型号前加“D”,凝胶型树脂的交联度值可在型号后用“×”号连接阿拉伯数字表示。如D011×7,表示大孔强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂,其交联度为7。

离子交换树脂在国内外都有很多制造厂家和很多品种。国内制造厂有数十家,主要的有上海树脂有限公司、南开化工厂、浙江争光实业股份有限公司、晨光化工研究院树脂厂、江苏色可赛思树脂有限公司等;国外较著名的如美国Rohm & Hass 公司生产的Amberlite系列、Success公司生产Ionresin系列、Dow化学公司的Dowex系列、法国Duolite系列和Asmit系列、日本的Diaion系列,还有Ionac 系列、Allassion系列等。树脂的牌号多数由各制造厂或所在国自行规定。国外一些产品用字母C代表阳离子树脂(C为cation的第一个字母),A代表阴离子树脂(A 为Anion的第一个字母),如Amberlite的IRC和IRA分别为阳树脂和阴树脂,亦分别代表阳树脂和阴树脂。我国化工部规定(HG2-884-76),离子交换树脂的型号由三位阿拉伯数字组成。第一位数字代表产品的分类:0 代表强酸性,1代表弱酸性,2代表强碱性,3代表弱碱性,4代表螯合性,5代表两性,6代表氧化还原。第二位数字代表不同的骨架结构:0代表苯乙烯系,1代表丙烯酸系,2代表酚醛系,3代表环氧系等。第三位数字为顺序号,用以区别基体、交联基等的差异。 此外大孔型树脂在数字前加字母D。因此,D001是大孔强酸性苯乙烯系树脂。 二、离子交换树脂的基本类型 (1) 强酸性阳离子树脂 这类树脂含有大量的强酸性基团,如磺酸基,SO3H,容易在溶液中离解出H+,故呈强酸性。树脂离解后,本体所含的负电基团,如SO3,,能吸附结合溶液中的其他阳离子。这两个反应使树脂中的H+与溶液中的阳离子互相交换。强酸性树脂的离解能力很强,在酸性或碱性溶液中均能离解和产生离子交换作用。 树脂在使用一段时间后,要进行再生处理,即用化学药品使离子交换反应以相反方向进行,使树脂的官能基团回复原来状态,以供再次使用。如上述的阳离子树脂是用强酸进行再生处理,此时树脂放出被吸附的阳离子,再与H+结合而恢复原来的组成。

生化实验报告离子交换柱层析分离纯化蔗糖酶

实验报告 一、实验目的和要求 三、实验材料和主要仪器 五、实验数据记录和处理 七、实验讨论和心得 二、实验内容和原理 四、实验方法和步骤 六、实验结果和分析 一、实验目的和要求 1、学习离子交换层析的基本原理 2、学习离子交换层析分离蛋白质的基本方法和技术 3、学习蔗糖酶活性检测的基本原理和方法 二、实验内容和原理 1、离子交换层析 由于蔗糖酶的偏酸性,所以在7.3 缓冲液的环境中,粗分离纯化样品蔗糖酶带负电荷,因此我们用阴离子交换剂可以先与蔗糖酶样品可逆交换吸附,然后通过用盐离子强度逐渐提高的洗脱液,使蔗糖酶和其他杂蛋白质的电荷被中和,与离子交换剂的亲和力降低,把不同的蛋白质按所带电荷的强弱逐一被洗脱下来,从而达到分离蔗糖酶的目的。 2、酶活力检测 蔗糖酶是一种水解酶,它能蔗糖水解为等量的葡萄糖和果糖(还原糖)。(50℃水解) 3.5-二硝基水杨酸与还原糖共热被还原成棕红色的氨基化合物,在一定范围内还原糖的量和反应液的颜色深度成正比。(100℃显色) 三、实验材料和主要仪器 1、实验材料 蔗糖酶粗分离纯化(溶解即为样品Ⅲ) 2、实验试剂 ⑴ ⑵ 20 7.3 缓冲液 ⑶ 20 (1 )7.3缓冲液 ⑷ 0.2乙酸缓冲液,4.5 ⑸ 5%蔗糖溶液 ⑹ 3,5-二硝基水杨酸试剂 3、实验仪器 (1)高速冷冻离心机 (2)层析柱(φ1.0×20㎝ )(1支/组)

(3)? (1套/组) (4)部分收集器及收集试管(4管)(1台/组) (5)-20℃冰箱(保存样品用) (6)微量移液枪 200、1000 (7)1.5离心管(留样品Ⅲ和样品Ⅳ用) (8)7离心管(留样品Ⅳ用) (9)恒温水浴(50℃、100℃) (10)试管、移液管、试管架等 四、实验方法和步骤 1、仪器连接 (1)接通各仪器电源,将泵头分别放置A,B两个溶液瓶中。注意B为含溶液。 (2)点击电脑桌面上软件图标,打开软件。选择,点击,进入操作界面。点击 (3)在操作界面的工具栏,点击。出现窗口,调节为 1,确定。 2、装柱与平衡 (1)检查层析柱的两端接头,底端有膜的置于下方。 (2)程序暂停。将层析柱放入卡槽,上端接头与混合器()相连,下端接头与样品阀( )相连。 (3)平衡一个柱体积(约2020) 3、加样 停止加入20 7.3 缓冲液。待缓冲液液面与胶体表面相切时,程序暂停。旋开柱上方接头,用胶头滴管缓慢将5蔗糖酶蛋白样品溶液(样品Ⅲ)加入层析柱中,注意顺着柱壁滴加,尽可能保持胶面平整。程序继续,使样品溶液进入胶体,待样品溶液完全进入胶体后,程序暂停,用少量洗脱缓冲液将残余在层析柱壁上端的样品洗下,并完全进入胶体后,再加缓冲液至一定高度。 4、洗脱(梯度洗脱法) (1)加样后,先用进行洗脱,洗去未被凝胶吸附的杂蛋白(20左右); (2)待层析柱流出液在仪器上绘出的基线稳定,在程序主界面的工具栏→ → → ,在两个框内均填入100,点击,最后点击一次,开始梯度洗脱。每2接一管,当上升至8 时,开始测定各管的蔗糖酶活力; (3)将蔗糖酶活力高的若干管酶液(2-3管)合并,测量总体积V4(样品Ⅳ),样品用7离心管-20℃保存。 5、蔗糖酶活力检测

离子交换层析原理

离子交换层析法(ion exchange chromatography,简称IEC) 是从复杂的混合物中,分离性质相似大分子的方法之一,依据的原理是物质的酸碱性、极性,也就是所带阴阳离子的不同。电荷不同的物质,对管柱上的离子交换剂有不同的亲和力,改变冲洗液的离子强度和pH值,物质就能依次从层析柱中分离出来。蛋白质由氨基酸组成,不同的氨基酸是具有不同的等电点的,因此每个蛋白质都具有等电点,不同的蛋白质,其等电点也不相同。这个决定了在同一pH下,蛋白质所带的电性和电荷量是有差异的,比如在pH在7.0的情况下,有些蛋白质带正电,有些蛋白质带负电,有些蛋白质不带电;在带正电的蛋白质中,不同的蛋白质所带的电荷量也是不同的,带负电的蛋白质也是如此。即使假设存在两种蛋白质所带的在同一pH下所带的电性和电荷量都相同,不同的蛋白质的分子量以及其折叠而成的空间结构决定了这两种蛋白质的表面电荷密度也是不同的。以上论述的结论就是每一种蛋白质在同等条件下都有唯一的特征常数。蛋白质的离子交换柱层析正是利用了这个蛋白质的特征设计的。蛋白质离子交换层析在以离子交换剂为固定相,液体为流动相的系统中进行的。蛋白质的特征常数决定了在相同pH下蛋白质与离子交换剂的亲和力是唯一的。也就是说,在某一pH值的溶液中,不同的蛋白质所带的电荷密度存在差异,因而与离子交换剂的亲和力就有区别。当洗脱液的pH改变或者盐的离子强度逐渐提高时,使某一种蛋白质的电荷被中和,与离子交换剂的亲和力降低,不同的蛋白质按所带电荷的强弱逐一被洗脱下来,从而达到分离的目的。离子交换层析具有浓缩效应,可以实现低浓度蛋白质的提取,这是非常具有实际意义的。

水的净化 —— 离子交换法制备纯水 ( 3 学时)

水的净化——离子交换法制备纯水(3学时) 一、实验目的 1.了解蒸馏法和离子交换法制备纯水的基本原理和操作方法。 2.学习离子交换树脂的使用方法。 3.学习蒸馏装置的组装方法。 二、实验原理 离子交换法制备纯水是利用离子交换树脂活性基团上具有离子交换能力的H+和OH-与水中阳、阴离子杂质进行交换,将水中阳、阴离子杂质截留在树脂上,进入水中的H+和OH-重新结合成水而达到纯化水的目的。凡能与阳离子起交换作用的树脂称为阳离子交换树脂,与阴离子起交换作用的树脂称为阴离子交换树脂。 三、实验用品 仪器:250ml锥形瓶3只、烧杯、铁架台、离子交换柱(3支,50ml)、铁架台、试管 药品:铬黑T指示剂、AgNO3(0.1mol·L-1)、HNO3(2mol·L-1)、NH3-NH4Cl缓冲液、BaCl2(0.1mol·L-1)、717#强碱性阴离子交换树脂、732#强酸性阳离子交换树脂 材料:pH试纸、脱脂棉(或玻璃纤维)、乳胶管、螺旋夹 四、实验内容 1、装柱 用两只10mL小烧杯,分别量取再生过的阳离子交换树脂7mL(湿)或阴离子交换树脂约10mL(湿),按照装柱操作要求进行装柱。第1支柱加入1/2柱容积的阳离子交换树脂,在第2支柱加入2/3柱容积的阴离子交换树脂,在第3支柱加入2/3柱容积的阴阳离子混合树脂。装置完毕,按将三个柱进行串联,在串联时同样适用纯水并注意尽量排除连接管内的气泡,以免液柱阻力过大而交换不能畅通,各柱树脂层顶上也塞入少量脱脂棉,即得离子交换净水装置。

2、离子交换与水质检验 依次使原料水流经阳离子交换柱、阴离子交换柱、混合离子交换柱。并依次接收原料水、阳离子交换柱流出水、阴离子交换柱流出水、混合离子交换柱流出水样,进行以下项目检验。(1)用电导率仪测定个样品的电导率。 (2)取各样品水2滴分别放入点滴板的圆穴内,检测钙离子、镁离子、硫酸根离子和氯离子。 结果填表格。 3、再生 按基本操作中所述的方法再生阴离子、阳离子交换树脂。 五、思考题 1.用离子交换法制备纯水的基本原理是什么?本实验操作中要注意哪些? 2、如何筛分混合的阴、阳离子交换树脂 3、电导率仪测定水纯度的根据是什么? 六、参考文献 北京师范大学无机化学教研室等编,<<无机化学实验>>,2001年,高等教育出版社 (郝桂霞)

蛋白质的离子交换层析

蛋白质的离子交换层析 发布日期:2009-10-15 来源:生技网信息中心浏览次数:175 离子交换层析技术是以离子交换纤维素或以离子交换葡聚糖凝胶为固定相,以蛋白质等样品为移动相,分离和提纯 离子交换层析技术是以离子交换纤维素或以离子交换葡聚糖凝胶为固定相,以蛋白质等样品为移动相,分离和提纯蛋白质、核酸、酶、激素和多糖等的一项技术。 (一)原理 在纤维素与葡聚糖分子上结合有一定的离子基团,当结合阳离子基团时,可换出阴离子,则称为阴离子交换剂。如二乙氨乙基(Dicthylaminoethyl,DEAE)纤维素。在纤维素上结合了DEAE,含有带正电荷的阳离子纤维素—O—C6 H14N+H,它的反离子为阴离子(如Cl-等),可与带负电荷的蛋白质阴离子进行交换。当结合阴离子基团时,可置换阳离子,称为阳离子交换剂,如羧甲基(Carboxymethy,CM)纤维素。纤维素分子上带有负电荷的阴离子(纤维素-O-CH2-COO一),其反离子为阳离子(如Na+等),可与带正电荷蛋白质阳离子进行交换。 溶液的pH值与蛋白质等电点相同时,静电荷为0,当溶液pH值大于蛋白质等电点时,则羧基游离,蛋白质带负电荷。反之,溶液的pH值小于蛋白质等电点时,则氨基电离,蛋白质带正电荷。溶液的pH值距蛋白质等电点越远,蛋白质的电荷越多。反之则越少。血清蛋白质均带负电荷,但各种蛋白质带负电荷的程度有所差异,以白蛋白为最多,依次为球蛋白,球蛋白和球蛋白。 在适当的盐浓度下,溶液的pH值高于等电点时,蛋白质被阴离子交换剂所吸附;当溶液的pH值低于等电点时,蛋白质被阳离子交换剂所吸附。由于各种蛋白质所带的电荷不同。它们与交换剂的结合程度也不同,只要溶液pH值发生改变,就会直接影响到蛋白质与交换剂的吸附,从而可能把不同的蛋白质逐个分离开来。 交换剂对胶体离子(如蛋白质)和无机盐离子(如NaCl)都具有交换吸附的能力,当两者同时存在于一个层析过程中,则产生竞争性的交换吸附。当Cl 一的浓度大时,蛋白质不容易被吸附,吸附后也易于被洗脱,当Cl一浓度小时,蛋白质易被吸附,吸附后也不容易被洗脱。因此,在离子交换层析中,一般采用两种方法达到分离蛋白质的目的。一种是增加洗脱液的离子强度,一种是改变洗脱液的pH值。pH值增高时,抑制蛋白质阳离子化,随之对阳离子交换剂的吸附力减弱。pH值降低时,抑制蛋白质阴离子化,随之降低了蛋白质对阴离子交换剂的吸附。当使用阴离子交换剂时,增加盐离子,则降低pH值。当使用阳离子交换剂时,增加盐离子浓度,则升高溶液pH值。 (二)常用离子交换剂的种类与特性 1.离子交换纤维素离子交换纤维素的种类很多,其种类与特性如表1-1所示。

色谱柱阴离子交换柱使用手册

阴离子交换柱使用手册 Chrompack HPLC IonoSpher A Columns 注意 Chrompack IonoSpher A色谱柱填充的是改性硅胶材料。向柱内导入碱性溶剂(p H>6.5)或酸性溶剂(pH<2.5)会溶解硅胶材料导致柱子损坏。 在使用这个柱子之前,你要充分地熟悉这本手册讲述的内容。 1.简介 Chrompack IonoSpher A 柱填充硅胶基质的强阴离子交换材料,含有季胺功能团。特别设计用于使用常规HPLC分析有机和无机阴离子。 2.色谱柱老化 在开始分析工作以前,柱子必须经过正确的老化。一个没有正确老化的柱子可能会带来问题,诸如很差的柱效或者分离情况发生变化等等。 要老化这类柱子,首先要使用甲醇淋洗,然后使用去离子水。再用你选用的洗脱液进行平衡。 在发货以前,每根柱子都已经测试过并进行了老化。因此没有必要在第一次使用时用水冲洗)。 3.洗脱液 推荐在这类柱上使用的洗脱液要求低电导,或者UV吸收的缓冲液,例如磷酸缓冲液,pH范围从2.5到6.5。 绝对不能使用水杨酸缓冲液,因为水杨酸分解产物会改变固定相的性质。另外,硝酸铵(1mM)可以改善峰型,而且不会明显影响保留时间,检测或定量结果。 洗脱液在使用以前要脱气,并用0.45微米滤膜过滤,防止发生检测和泵送问题。 一定要在开始使用系统以前检查有否微生物生长,否则你的柱子会堵塞,柱压会升高到无法接受的水平。

4.流量和压力 注意:最高压力:不锈钢柱:4500psi;玻璃柱:3000psi 增加流速或者降低流速要采取小的间隔变化以防止填充床的扰动。 如果你想更换柱子,,要降低流量至0,等待洗脱液完全流出柱子为止(2分钟)。拆除柱子而没有等待压力的降低会损坏柱子。 高柱压的产生一般是由于不正确地使用柱子的结果。 使用保护柱(见第6节)会防止污染物沉积在分析柱上。 5.样品准备 保持柱子长寿的关键是进样前适当的的样品处理。你必须防止将疏水性/与流动相极性差别很大的化合物泵入色谱柱,不管是来自流动相还是样品。特别地,要禁止导入颗粒杂质。这些最终都会造成操作压力的增高而且非常困难或者不可能去除。 6.保护柱 一定要使用保护柱,因为样品和洗脱液污染可能会造成柱压力的增高而且影响选择性。对于ChromSep 柱我们建议使用ChromSep Anion 交换保护柱。当柱压增高的或者观察到柱效降低的时候就需要更换保护柱了。对于常用不锈钢柱,我们建议使用Chromguard Anion exchange High Efficiency(高效)柱(10X3.0mm)或High Capacity(高容量)柱(50X3.0mm)。 7.进样量和浓度

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