离子交换法教学资料

第一节基本原理离子交换法：利用溶液(róngyè)中带电粒子与离子交换剂之间结合力的差异进行物质分离的操作方法。1离子交换剂带电粒子静电力第一页，共44页。2吸附调节溶液的pH值，使目的物带有相当数量的静电荷，而主要杂质离子带相反电荷或较弱的电荷。选择合适的树脂，便可使目的物被离子交换树脂吸附，而杂质较少被吸附。洗脱调节洗脱液的pH值。用高浓度的同性离子将目的物离子取代下来。第二页，共44页。3第三页，共44页。树脂(shùzhī)的选择4比如(bǐrú)：蛋白质带正电荷还是负电荷？第四页，共44页。树脂(shùzhī)的选择pH＞pI：物质带负电荷，与阴离子交换剂进行交换；pH＜pI，物质带正电荷，与阳离子交换剂进行交换。

5第五页，共44页。第二节离子交换树脂(shùzhī)的结构和种类载体：惰性的不溶性高分子固定(gùdìng)骨架。功能基团：与载体共价键连接的不能移动的活性基团平衡离子：与功能基团以离子键连接的可移动的活性离子6离子交换(lízǐjiāohuàn)树脂构成第六页，共44页。一、离子交换(lízǐjiāohuàn)树脂的分类7离子交换树脂阳离子交换树脂强酸型弱酸型阴离子交换树脂强碱型弱碱型第七页，共44页。阳离子交换树脂(shùzhī)分类强酸型树脂（有好的解离能力）：磺酸型树脂，功能基团为磺酸根(—SO3H)甲基磺酸根(—CH2SO3H)中酸性树脂磷酸(línsuān)型树脂（—PO3H2）弱酸性树脂（酸性环境中解离度受到抑制）羧酸型树脂（—COOH）酚型树脂（）8第八页，共44页。阴离子交换(jiāohuàn)树脂强碱型阴离子交换树脂季铵基

弱碱(ruòjiǎn)型阴离子交换树脂（在碱性环境中解离度受到抑制）伯、仲、叔胺基中强碱性阴离子交换树脂兼有以上两类活性基团9第九页，共44页。离子交换(lízǐjiāohuàn)树脂的性能10第十页，共44页。11第十一页，共44页。“strongandweak”

refertotheextentthattheionizationstateofthefunctionalgroupsvarieswithpH.Thetermsstrongandweakdonotrefertothestrengthwithwhichthefunctionalgroupsbindtoproteins.StrongionexchangersshownovariationinionexchangecapacitywithchangeinpH.StrongionexchangersincludeQ(anionic),SandSP(cationic).TheseexchangersdonottakeuporloseprotonswithchangingpHandsohavenobufferingcapacity,remainingfullychargedoverabroadpHrange.TitrationcurvesshowtheionexchangecapacityofstrongionexchangersQandS.Approximately5mlofQorSSepharoseFastFlowareequilibratedin1MKClandtitratedwith0.1MNaOH.第十二页，共44页。weakionexchanger:Advantage:theycanofferadifferentselectivitycomparedtostrongionexchangers.Adisadvantage:becauseweakionexchangerscantakeuporloseprotonswithchangingpH,theirionexchangecapacityvarieswithpH.suchasDEAE(anionic),ANX(anionic)andCM(cationic),第十三页，共44页。二、离子交换(lízǐjiāohuàn)树脂的命名：强酸类1～100号弱酸类101～200强碱类201～300弱碱类301~400中强酸类401～50014交联度：是合成载体骨架时交联剂重量的百分数，用“×”将树脂(shùzhī)编号与交联度分开。如：强酸×7其交联度为7%。编号(biānhào)：第十四页，共44页。三、离子交换树脂(shùzhī)的骨架（载体）

由苯乙烯与二乙烯苯经过氧苯甲酰催化(cuīhuà)聚合而成。15（一）苯乙烯型离子交换(lízǐjiāohuàn)树脂第十五页，共44页。由丙烯酸甲酯与二乙烯苯经过氧苯甲酰催化(cuīhuà)聚合而成16（二）丙烯酸型离子交换(lízǐjiāohuàn)树脂第十六页，共44页。17（三）多乙烯(yǐxī)多胺——环氧氯丙烷树脂弱碱301树脂，同时(tóngshí)含有伯、仲、叔胺，还含有少量季铵基团。（四）聚乙烯吡啶系离子交换(lízǐjiāohuàn)树脂第十七页，共44页。1、蛇笼树脂(shùzhī)18（五）其它(qítā)离子交换树脂两性离子交换树脂以交联的强碱性(jiǎnxìnɡ)阴离子交换树脂为笼，以丙烯酸盐负离子在树脂内聚合生成线型聚合物作为蛇而得名。树脂中的羧基（-COO-）和季铵基（-N+(CH3)3）是等摩尔的，故树脂是中性的。应用：脱盐。如，Na+被树脂中的-COO-除去，而Cl–被季铵基除去。第十八页，共44页。螯形树脂吸附树脂电子交换树脂

19（五）其它离子交换(lízǐjiāohuàn)树脂2、选择性交换(jiāohuàn)树脂应用：含重金属离子的废水应用：除去色素（氧化还原(huányuán)树脂，略）第十九页，共44页。第三节离子交换(lízǐjiāohuàn)动力学*20第二十页，共44页。离子交换速度(sùdù)的影响因素：1、树脂粒度：树脂粒度大，交换(jiāohuàn)速度慢。2、搅拌速度3、树脂交联度：交联度大，交换(jiāohuàn)速度低。4、离子半径和离子价：离子每增加一个电荷，交换(jiāohuàn)速度下降一个数量级。5、温度。6、离子浓度：交换(jiāohuàn)速度随离子浓度的上升而加快。21第二十一页，共44页。第四节离子交换(lízǐjiāohuàn)树脂的性能22一、离子交换(lízǐjiāohuàn)对树脂的基本要求：交换容量交换选择性化学性质化学动力学性能物理性能22第二十二页，共44页。二、影响树脂(shùzhī)性能的几个因素1、离子交换树脂具有的功能基团性质和数目——交换容量2、树脂的交联度——树脂强度、交换选择性、动力学性质3、树脂骨架和平衡离子23第二十三页，共44页。第五节离子交换(lízǐjiāohuàn)的选择性离子价与离子水合半径离子价与离子浓度交换环境树脂结构偶极离子排斥24影响(yǐngxiǎng)离子交换选择性的因素：第二十四页，共44页。一、离子(lízǐ)的化合价与水合半径的影响：相对(xiāngduì)亲和力和相对(xiāngduì)浓度。25电荷效应介电常数离子半径电荷(diànhè)效应越强的离子与树脂的亲和力越大。第二十五页，共44页。二、离子(lízǐ)化合价与离子(lízǐ)浓度的影响：26在稀溶液(róngyè)中，树脂吸附高价离子的倾向很大。第二十六页，共44页。三、交换(jiāohuàn)环境的影响1、溶液的pH：解离度、交换容量、选择性。2、离子强度：交换容量、选择性、交换速度3、有机(yǒujī)溶剂：减弱树脂对有机(yǒujī)离子的吸附能力。27第二十七页，共44页。第六节离子交换(lízǐjiāohuàn)操作方法一、

树脂(shùzhī)的选择28目的物是弱酸性或弱碱性的小分子物质时，宜选用强酸强碱树脂（氨基酸的分离）。蛋白质、酶和其它生物大分子的分离多采用(cǎiyòng)弱碱或弱酸性树脂，减少生物大分子的变性，利于洗脱，提高选择性。第二十八页，共44页。

二、树脂的处理(chǔlǐ)和再生1、

外观(wàiguān)特征292、

树脂的预处理（1）

物理处理：去杂，过筛。（2）化学处理：用8～10倍的1mol/L盐酸或氢氧化钠溶液(róngyè)交替浸泡。第二十九页，共44页。氨基酸分离(fēnlí)前树脂的处理30第三十页，共44页。不同类型(lèixíng)树脂的处理31第三十一页，共44页。树脂(shùzhī)的再生树脂再生：使用过的树脂重新(chóngxīn)获得使用性能的处理过程。

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去杂大量水冲洗，除去物理吸附的杂质。酸碱处理

用酸、碱处理除去与功能基团结合的杂质。转型人为地赋予平衡离子再生(zàishēng)过程第三十二页，共44页。三、基本操作方法(fāngfǎ)33第三十三页，共44页。三、基本操作方法(fāngfǎ)34洗脱静态动态pH值和离子强度保持不变阶段洗脱梯度洗脱交换静态动态洗脱(xǐtuō)液第三十四页，共44页。酸、碱洗脱液：改变吸附物的电荷或改变树脂活性基团的解离状态，以消除静电结合力，迫使目的物被释放出来；盐类洗脱液：通过高浓度的同种电荷的离子(lízǐ)与目的物竞争树脂上的活性基团，使吸附物游离。35第三十五页，共44页。洗脱(xǐtuō)方式分阶段（阶段洗脱）连续改变（梯度/线性洗脱）36改变溶液pH及离子(lízǐ)强度：第三十六页，共44页。思考题1.混合溶液中，待分离目的蛋白(dànbái)质T的pI为7.9，杂质蛋白(dànbái)A的pI为5.4，杂质蛋白(dànbái)质B的pI为4.9，实验室现有SPSepharose™FastFlow（一种强阳离子交换树脂）,请设计一套实验方案，使用离子交换技术纯化目的蛋白(dànbái)质T。37第三十七页，共44页。第七节应用(yìngyòng)实例分离纯化——氨基酸制备无盐水制备38第三十八页，共44页。氨基酸制备(zhìbèi)、分离猪血粉水解(shuǐjiě)制备6种氨基酸:39第三十九页，共44页。无盐水制备(zhìbèi)氢型阳离子交换(jiāohuàn)树脂羟型阴离子交换(jiāohuàn)树脂40除去水里所有(suǒyǒu)离子Me：金属离子第四十页，共44页。混合(hùnhé)床系将阳、阴两种树脂混合(hùnhé)而成，脱盐效果好。41第四十一页，共44页。第八节新型(xīnxíng)离子交换剂一、大孔、均孔树脂(shùzhī)（一）大孔型离子交换树脂(shùzhī)（macroporous,MP）（二）均孔型离子交换树脂(shùzhī)(IR)二、多糖基离子交换剂（一）离子交换纤维素（二）葡聚糖凝胶离子交换剂（三）琼脂糖凝胶离子交换剂42第四十二页，共44页