離子交換層析PPT課件

1、一、概述一、概述 離子交換層析是常見的層析方式之一，它以離子交換離子交換層析是常見的層析方式之一，它以離子交換劑為固定相，液體為流動(dòng)相的系統(tǒng)中進(jìn)行劑為固定相，液體為流動(dòng)相的系統(tǒng)中進(jìn)行 廣泛應(yīng)用于氨基酸、多肽、蛋白質(zhì)、糖類、核苷和有廣泛應(yīng)用于氨基酸、多肽、蛋白質(zhì)、糖類、核苷和有機(jī)酸等的分析、制備、純化以及溶液的脫色、中和等機(jī)酸等的分析、制備、純化以及溶液的脫色、中和等方面方面.第1頁(yè)/共51頁(yè) 原理：原理：離子交換劑是由離子交換劑是由基質(zhì)基質(zhì)、電荷基團(tuán)電荷基團(tuán)和和反離子反離子構(gòu)構(gòu)成。它在水中呈現(xiàn)不溶解狀態(tài)，能釋放成。它在水中呈現(xiàn)不溶解狀態(tài)，能釋放反離子反離子，此，此時(shí)反離子可與溶液中的其他離子或

2、離子化合物相互時(shí)反離子可與溶液中的其他離子或離子化合物相互結(jié)合，結(jié)合后本身的理化性質(zhì)不發(fā)生改變。結(jié)合，結(jié)合后本身的理化性質(zhì)不發(fā)生改變。羧甲基纖維素羧甲基纖維素 離子交換劑離子交換劑基質(zhì)基質(zhì)電荷基團(tuán)電荷基團(tuán)反離子反離子纖維素纖維素- O- CH- O- CH2 2-COO-COO- - - Na - Na+ +1 1、離子交換層析、離子交換層析第2頁(yè)/共51頁(yè)第3頁(yè)/共51頁(yè)洗脫樹脂與樹脂結(jié)合力第4頁(yè)/共51頁(yè)2 2、關(guān)于離子交換劑、關(guān)于離子交換劑. . 離子交換劑與水溶液中離子或離子化合物的反離子交換劑與水溶液中離子或離子化合物的反應(yīng)主要以應(yīng)主要以離子交換離子交換方式進(jìn)行，或借助離子交換劑方式

3、進(jìn)行，或借助離子交換劑上電荷基團(tuán)對(duì)溶液中離子或離子化合物的吸附上電荷基團(tuán)對(duì)溶液中離子或離子化合物的吸附作用進(jìn)行作用進(jìn)行 RB + A+RA + B+例如：例如：第5頁(yè)/共51頁(yè)離子交換劑應(yīng)滿足的基本條件：離子交換劑應(yīng)滿足的基本條件： 有高度的不溶性。即在各種溶劑中不發(fā)生溶解 有疏松的多孔結(jié)構(gòu)或巨大的表面積，使交換離子能在交換劑中進(jìn)行自由擴(kuò)散和交換； 有較多的交換基團(tuán)； 有穩(wěn)定的物理化學(xué)性質(zhì)。在使用過(guò)程中，不因物理或化學(xué)因子的變化而發(fā)生分解和變形等現(xiàn)象。 第6頁(yè)/共51頁(yè)l 陽(yáng)離子交換劑：陽(yáng)離子交換劑： 這種交換劑可以與溶液中的正電荷化合物或陽(yáng)離子這種交換劑可以與溶液中的正電荷化合物或陽(yáng)離子進(jìn)行

4、交換反應(yīng)，根據(jù)電荷基團(tuán)的強(qiáng)弱，可分為強(qiáng)酸性、進(jìn)行交換反應(yīng)，根據(jù)電荷基團(tuán)的強(qiáng)弱，可分為強(qiáng)酸性、中強(qiáng)酸性或弱酸性離子交換劑中強(qiáng)酸性或弱酸性離子交換劑l 陰離子交換劑：陰離子交換劑： 弱堿性、中強(qiáng)堿性、強(qiáng)堿性離子交換劑弱堿性、中強(qiáng)堿性、強(qiáng)堿性離子交換劑第7頁(yè)/共51頁(yè) 離子交換層析的固相是離子交換層析的固相是離子交換體離子交換體，包括離子交換，包括離子交換樹脂、離子交換纖維素、離子交換葡聚糖。樹脂、離子交換纖維素、離子交換葡聚糖。 帶有帶有SOSO3 3- - 或或COOCOO基團(tuán)基團(tuán)，通常以，通常以SOSO3 3- -NaNa 或或COOCOOH H形式出現(xiàn)的叫做陽(yáng)離子交換基形式出現(xiàn)的叫做陽(yáng)離子交

5、換基； 帶有帶有N N（C2H5C2H5）基團(tuán)，）基團(tuán)，通常以通常以N N（C C2 2H H5 5）ClCl出現(xiàn)出現(xiàn)的叫做陰離子交換基的叫做陰離子交換基。1. 3 離子交換層析離子交換層析第8頁(yè)/共51頁(yè)陽(yáng)離子交換基陽(yáng)離子交換基強(qiáng)酸性，聚苯乙烯樹脂強(qiáng)酸性，聚苯乙烯樹脂弱酸性，羧甲基纖維素弱酸性，羧甲基纖維素弱酸性，螯合作用，聚苯乙烯樹脂弱酸性，螯合作用，聚苯乙烯樹脂第9頁(yè)/共51頁(yè)陰離子交換基陰離子交換基強(qiáng)堿性，聚苯乙烯樹脂強(qiáng)堿性，聚苯乙烯樹脂弱堿性，二乙氨乙基纖維素弱堿性，二乙氨乙基纖維素第10頁(yè)/共51頁(yè)-CH2COOH離子交換劑離子交換劑 可電離基團(tuán)可電離基團(tuán) 可電離基團(tuán)可電離基團(tuán)結(jié)構(gòu)

6、結(jié)構(gòu)陽(yáng)離子交換劑陽(yáng)離子交換劑CM-CM-纖維素（弱酸性）纖維素（弱酸性） 羧甲基羧甲基P-P-纖維素（中強(qiáng)酸性）纖維素（中強(qiáng)酸性） 磷酸基磷酸基SE-SE-纖維素（強(qiáng)酸性）纖維素（強(qiáng)酸性） 磺乙基磺乙基-O- CH2-CH2-S-OH=O=OO-P-OH=OOH陰離子交換劑陰離子交換劑AE-AE-纖維素（弱堿性）纖維素（弱堿性） 氨基乙基氨基乙基 -O-CH2-CH2-NH2DEAE-DEAE-纖維素纖維素（中強(qiáng)堿）（中強(qiáng)堿） 二乙基氨基乙基二乙基氨基乙基 O-CH2-CH2-NC2H5C2H5TEAE-TEAE-纖維素纖維素（強(qiáng)堿型）（強(qiáng)堿型） 三乙基氨基乙基三乙基氨基乙基 O-CH2-CH

7、2-N（C2H5）3一些常用的纖維素離子交換劑一些常用的纖維素離子交換劑第11頁(yè)/共51頁(yè)二、離子交換劑的類型二、離子交換劑的類型在在惰性載體惰性載體上引入帶有電荷的上引入帶有電荷的活性基團(tuán)活性基團(tuán)（一）按活性功能基團(tuán)帶電荷性質(zhì)不同（一）按活性功能基團(tuán)帶電荷性質(zhì)不同陽(yáng)離子交換劑陽(yáng)離子交換劑 - -帶負(fù)電荷，與陽(yáng)離子交換帶負(fù)電荷，與陽(yáng)離子交換陰離子交換劑陰離子交換劑 - -帶正電荷，與陰離子交換帶正電荷，與陰離子交換陰離子交換樹脂對(duì)化學(xué)試劑及熱都不如陽(yáng)離子交陰離子交換樹脂對(duì)化學(xué)試劑及熱都不如陽(yáng)離子交換樹脂穩(wěn)定。換樹脂穩(wěn)定。膠體第12頁(yè)/共51頁(yè)1.1.離子交換樹脂：離子交換樹脂：(1)(1)類型

8、類型聚苯乙烯樹脂：聚苯乙烯樹脂：（二）按載體種類不同（二）按載體種類不同苯乙烯苯乙烯二乙烯苯二乙烯苯聚苯乙烯聚苯乙烯1.1.離子交換樹脂離子交換樹脂2.2.離子交換纖維素離子交換纖維素3.3.離子交換凝膠離子交換凝膠第13頁(yè)/共51頁(yè)第14頁(yè)/共51頁(yè)（2 2）離子交換樹脂的性）離子交換樹脂的性質(zhì)質(zhì) 一般離子交換劑的特性一般離子交換劑的特性 多孔性：多孔性：疏松、多孔網(wǎng)狀，活性基團(tuán)在網(wǎng)孔疏松、多孔網(wǎng)狀，活性基團(tuán)在網(wǎng)孔內(nèi)內(nèi) 不溶性：不溶性：不溶于稀酸、稀堿、有機(jī)溶劑不溶于稀酸、稀堿、有機(jī)溶劑 穩(wěn)定性：穩(wěn)定性： 離子交換性：離子交換性：具相當(dāng)數(shù)量的可交換或帶電基具相當(dāng)數(shù)量的可交換或帶電基團(tuán)團(tuán)第15

9、頁(yè)/共51頁(yè)D o w e x 1 0 0 149 m D o w e x 5 0 297 mD o w e x 2 0 840 m第16頁(yè)/共51頁(yè)陽(yáng)離子交換樹脂陽(yáng)離子交換樹脂 強(qiáng)酸型強(qiáng)酸型 磺酸基磺酸基 -SO-SO3 3- -H H+ + 中等酸型中等酸型 磷酸根磷酸根 -O-O-POPO2 2H H2 2 亞 磷 酸 根亞 磷 酸 根 - O - O -POHPOH2 2 弱酸型弱酸型 羧羧 基基 -COOH-COOH陰離子交換樹脂陰離子交換樹脂 強(qiáng)堿強(qiáng)堿 季胺基團(tuán)季胺基團(tuán) -N+(CH3)3-N+(CH3)3 弱堿弱堿 叔胺、仲胺、伯胺基團(tuán)叔胺、仲胺、伯胺基團(tuán) （3）可引入的解離基團(tuán)

10、）可引入的解離基團(tuán)第17頁(yè)/共51頁(yè)陽(yáng)離子陰離子第18頁(yè)/共51頁(yè)（4 4）離子交換樹脂對(duì)離子的親和）離子交換樹脂對(duì)離子的親和力力+第19頁(yè)/共51頁(yè)（5 5）離子交換樹脂對(duì)離子的親和）離子交換樹脂對(duì)離子的親和力力陽(yáng)離子樹脂陽(yáng)離子樹脂 電價(jià)數(shù)：電價(jià)數(shù)：NaNa+ +CaCa+AlAl+TiTi+ 原子價(jià)數(shù)相同，原子序數(shù)原子價(jià)數(shù)相同，原子序數(shù) Li Li+ +NaNa+ +KK+ +PbPb+ +陰離子樹脂陰離子樹脂 強(qiáng)堿性交換樹脂強(qiáng)堿性交換樹脂CHCH3 3COOCOO- -FF- -OHOH- -HCOOHCOO- -CLCL- -SCNSCN- -BrBr- -CrOCrO4 4=NONO

11、3 3- -II- -CC2 2OO4 4=SOSO4 4= 弱堿性交換樹脂弱堿性交換樹脂F(xiàn) F- - Cl Cl- - Br Br- -= I= I- - =CH =CH3 3COOMoCOOMo4 4=POPO4 4=NONO3 3- -酒石酒石酸根酸根檸檬酸根檸檬酸根CC2 2OO4 4=SOSO4 4=OH4條件下使用條件下使用,具有羧甲基具有羧甲基 2.2.離子交換纖維素離子交換纖維素第21頁(yè)/共51頁(yè)3.3.離子交換凝膠離子交換凝膠分離大分子物質(zhì)分離大分子物質(zhì)如：葡聚糖（如：葡聚糖（SephadexSephadex） 聚丙烯酰胺（聚丙烯酰胺（PAGEPAGE） 瓊脂糖（瓊脂糖（Se

12、pharoseSepharose）第22頁(yè)/共51頁(yè)l 裝裝 柱柱l 酸堿處理酸堿處理l 平平 衡衡l 離子交換離子交換l 洗洗 脫脫l 離子交換劑再生離子交換劑再生三、離子交換層析操作過(guò)程三、離子交換層析操作過(guò)程第23頁(yè)/共51頁(yè)第24頁(yè)/共51頁(yè)離子交換層析的原理第25頁(yè)/共51頁(yè)1.1.離子交換劑的處理、再生和轉(zhuǎn)型離子交換劑的處理、再生和轉(zhuǎn)型 取適量的固體離子交換劑先用水浸泡，待充分膨脹后加大量的水懸浮除去細(xì)顆粒，爾后改用酸堿浸泡酸堿浸泡，以便除去雜質(zhì)和使其帶上需要的反離子。 疏水性離子交換劑可以用2-4倍的2mol/L NaOH或2mol/L HCl溶液處理；而親水性離子交換劑則只能用

13、0.5mol/L NaOH和0.5mol/L NaCl混合溶液或0.5mol/L HCl處理(室溫下處理30分鐘)。 酸堿處理的次序決定了離子交換劑攜帶反離子的類型酸堿處理的次序決定了離子交換劑攜帶反離子的類型。在每次用酸(或堿)處理后，均應(yīng)先用水洗滌至近中性，再用堿(或酸)處理。末了用水洗滌至中性，經(jīng)緩沖液平衡后即可使用或裝柱。 第26頁(yè)/共51頁(yè)再再 生：生：使用過(guò)的離子交換劑，可采用一定的方法使其恢復(fù)原來(lái)的性狀，這一過(guò)程叫做再生。再生可以通過(guò)上述的酸、堿反復(fù)處理完成轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 型：型：指離子交換劑由一種反離子一種反離子轉(zhuǎn)為另一種反離另一種反離子子的過(guò)程。比如，欲使陽(yáng)離子交換劑轉(zhuǎn)成鈉型時(shí)，則需用

14、NaOH處理；欲使其轉(zhuǎn)成氫型時(shí)，則需用HCl處理；欲使其帶銨離子時(shí)，則需用NH4OH或NH4Cl處理。第27頁(yè)/共51頁(yè)離子交換劑的處理 長(zhǎng)期使用過(guò)的樹脂含有很多雜質(zhì)，欲將其除掉，應(yīng)先用沸水處理沸水處理，然后用酸、堿處理酸、堿處理。用熱的稀酸、稀堿處理效果更好。樹脂若含有脂溶性雜質(zhì)脂溶性雜質(zhì)時(shí)，可用乙醇或丙酮乙醇或丙酮處理。而長(zhǎng)期使用過(guò)的親水性離子交換劑親水性離子交換劑的處理一般只用酸、堿浸泡即可酸、堿浸泡即可。 原則上講，去除雜質(zhì)的過(guò)程應(yīng)在不破壞離子交換劑的結(jié)不破壞離子交換劑的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性構(gòu)和穩(wěn)定性，不影響其原有交換容量不影響其原有交換容量的前提下進(jìn)行。第28頁(yè)/共51頁(yè)3.3.被分離物質(zhì)的

15、交換被分離物質(zhì)的交換 使用離子交換劑的方法有兩種：柱層析法（動(dòng)態(tài)法），即將離子交換劑裝入層析柱內(nèi)，讓溶液連續(xù)通過(guò)。該法交換效率高，應(yīng)用范圍廣；分批法（靜態(tài)法），即將離子交換劑置入盛溶液的容器內(nèi)緩慢地?cái)嚢?。該法交換率低，不能連續(xù)進(jìn)行，但是，需要的設(shè)備簡(jiǎn)單，操作容易。 第29頁(yè)/共51頁(yè)離子交換劑的交換容量離子交換劑的交換容量 柱層析法裝柱的操作和要求與吸附柱層析相同。離子交換劑的總用量要依據(jù)其交換容量和待吸附物質(zhì)的總量(包括連續(xù)使用的全部量)來(lái)計(jì)算。 當(dāng)溶液含有各種雜質(zhì)時(shí)，必須考慮使交換量留有充分余地，實(shí)際交換量只能按理論交換量的25%-50%計(jì)算。在樣品純度極低，或有效成分與雜質(zhì)的性質(zhì)相似時(shí)，

16、則實(shí)際交換量應(yīng)控制得更低些。 層析柱高與直徑比例一般要大于101，分離樣品的成分復(fù)雜時(shí)，比例宜高一些，用于樣品濃縮和脫鹽時(shí)，比例可低一些。 第30頁(yè)/共51頁(yè) 在離子交換層析過(guò)程中，常用梯度溶液進(jìn)行洗脫，而溶液的梯度則是由鹽濃度或酸堿度的變化形成的。4.4.被分離物質(zhì)的洗脫與收被分離物質(zhì)的洗脫與收集集第31頁(yè)/共51頁(yè)梯度混合器第32頁(yè)/共51頁(yè) 梯度溶液按組成來(lái)分，一般有二種：一種是增加離子強(qiáng)度的梯度溶液。是用一簡(jiǎn)單的鹽(如NaCl或KCl)溶解于稀緩沖液制成的，習(xí)慣上不用弱酸或弱堿的鹽類；另一種是改變pH值的梯度溶液。該溶液是用兩種不同pH值或不同緩沖容量的緩沖液制成的。對(duì)于增加離子強(qiáng)度的

17、梯度溶液，不管用于何種類型的離子交換劑，其離子強(qiáng)度絕大部分是增加的。而改變pH值的梯度溶液則不然，如果使用的是陽(yáng)離子交換劑，pH值應(yīng)從低到高遞增；如果使用的是陰離子交換劑，pH值應(yīng)從高到低遞減，實(shí)際許可的pH值范圍由待分離物質(zhì)的穩(wěn)定pH范圍和離子交換劑限制的pH范圍來(lái)決定。 第33頁(yè)/共51頁(yè)第34頁(yè)/共51頁(yè) 帶電荷量少帶電荷量少，親和力小親和力小的先被洗的先被洗脫下來(lái)，脫下來(lái)，帶電荷量多帶電荷量多，親和力大親和力大的的后被洗脫下來(lái)。后被洗脫下來(lái)。洗脫順序第35頁(yè)/共51頁(yè)離子交換層析法大致分為5個(gè)步驟離子擴(kuò)散到樹脂表面離子擴(kuò)散到樹脂表面 離子通過(guò)樹脂擴(kuò)散到交換位置離子通過(guò)樹脂擴(kuò)散到交換位置

18、 在交換位置進(jìn)行離子交換；被交換的分子所帶在交換位置進(jìn)行離子交換；被交換的分子所帶 電荷愈多，它與樹脂的結(jié)合愈緊密，也就愈不電荷愈多，它與樹脂的結(jié)合愈緊密，也就愈不 容易被其它離子取代容易被其它離子取代 被交換的離子擴(kuò)散到樹脂表面被交換的離子擴(kuò)散到樹脂表面 沖洗液通過(guò)，被交換的離子擴(kuò)散到外部溶液中沖洗液通過(guò)，被交換的離子擴(kuò)散到外部溶液中 第36頁(yè)/共51頁(yè)第37頁(yè)/共51頁(yè)低鹽高鹽分離結(jié)束第38頁(yè)/共51頁(yè)四、操作注意點(diǎn)四、操作注意點(diǎn)（一）離子交換劑的選擇一）離子交換劑的選擇原則：原則： 根據(jù)被分離物質(zhì)的性質(zhì)選擇根據(jù)被分離物質(zhì)的性質(zhì)選擇同一性質(zhì)離子交換劑中選用對(duì)被分離物質(zhì)各組分之同一性質(zhì)離子交

19、換劑中選用對(duì)被分離物質(zhì)各組分之間間結(jié)合力差異大結(jié)合力差異大的型號(hào)交換劑的型號(hào)交換劑第39頁(yè)/共51頁(yè)1. 1.被分離物質(zhì)帶何種被分離物質(zhì)帶何種電荷電荷2.2.被分離物質(zhì)被分離物質(zhì)分子的大小分子的大小 大分子物質(zhì)選用凝膠，其次選用纖維素大分子物質(zhì)選用凝膠，其次選用纖維素考慮因素：考慮因素：根據(jù)分離過(guò)程的實(shí)驗(yàn)條件根據(jù)分離過(guò)程的實(shí)驗(yàn)條件 強(qiáng)酸強(qiáng)堿強(qiáng)酸強(qiáng)堿應(yīng)用廣泛應(yīng)用廣泛 弱酸型弱酸型只能在堿性范圍內(nèi)使用只能在堿性范圍內(nèi)使用 弱堿型弱堿型只能在酸性范圍內(nèi)使用只能在酸性范圍內(nèi)使用第40頁(yè)/共51頁(yè)3.3.被分離物質(zhì)所處的環(huán)境被分離物質(zhì)所處的環(huán)境4.4.被分離物質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)被分離物質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)5.5.被分離物質(zhì)的大概數(shù)量被分離物質(zhì)的大概數(shù)量第41頁(yè)/共51頁(yè)帶電荷第42頁(yè)/共51頁(yè)原則原則：不能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，避免使樣品變不能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，避免使樣品變性性（二）緩沖液的選擇（二）緩沖液的選擇第43頁(yè)/共51頁(yè)原則原則： 所用所用洗脫液洗脫液比比吸著物質(zhì)吸著物質(zhì)具有具有更活潑的離子或基