一、原 理
离子交换作用是指一种溶液中的某一种离子与一种固体中的另一种具有相同电荷的 离子互相调换位置，即溶液中的离子跑到固体中去，把固体上的离子替换下来。在这里， 溶液称流动相，而固体称固定相。
离子交换剂是通过化学反应将带电基团引入到惰性支持物上形成的。如果带电基团 带负电，则能结合阳离子，称为阳离子交换剂；如果带电基团呈正电，则能结合阴离子， 称为阴离子交换剂。静电结合在离子交换剂上的离子叫平衡离子。运用此法的关键在于找到适当的条件，使一些化合物呈离子型，能溶于水，使之可用此法进行分离、提纯。
透过孔隙进入到交换剂内部的离子交换过程可归纳为:①溶液中的带电粒子经过扩 散到达交换剂的表面;②透过交换剂表面又扩散到交换剂的内表面?③这些带电离子占据 交换剂原有自由离子的位置;④交换剂中原有离子自交换剂孔隙中扩散出来到达交换剂 表面;⑤交换剂中原有离子最后扩散到溶液中去0
对于氨基酸、蛋白质而言，因为它们分子既带正电基团，也带负电基团。所以阴、阳 离子交换剂均能结合它们。如果提高pH，这些分子带负电；降低pH，这些分子则带正 电；在其等电点处，分子含相等数目的正、负电荷。这个性质对蛋白质的提纯有很大好 处。例如，可以将蛋白质混合物的pH调到某一点，使所需的某个蛋白质带正电荷，这时， 使蛋白质混合物在阳离子交换剂上层析，即可除去许多阴离子成分。应当指出，即使混 合物的pH不能改变，连续在阴、阳离子交换剂上交替层析，也能在很大程度上得到提 纯。
二、离子交换剂的类型
在生物大分子的层析中所用的离子交换剂主要有四种类型:带有离子基团的交联度 很高的球状合成树脂(离子交换树脂）》带有离子基团的纤维素粉(离子交换纤维素）;带有 离子基团的球形交联多糖(交联葡聚糖离子交换剂）;涂有离子物质的粉状材料(涂有甲基 化的血清白蛋白或组蛋白的硅藻土或硅胶）。最后一种交换剂是一种特殊类型的离子交换 剂，主要用来分离核酸，这里略去不谈。
(一）离子交换树脂
聚苯乙烯离子交换树脂这是最重要的一类离子交换树脂，由苯乙烯和二乙烯苯 的共聚物作为骨架，再引入所需要的酸性基或碱性基。例如聚苯乙烯磺化型阳离子交换树 脂是由苯乙烯(母体)与二乙烯苯(交联剂)共聚后再磺化引入磺酸基而成的。其中苯乙烯 是主要成分，形成网的直链，其上带有可解离的磺酸基，而二乙烯苯把直链交联起来形成 网状结构，所得的产物有像海绵似的结构，磺酸根联在树脂上，离子与磺酸根的负电荷互 相平衡，颗粒内部就像一个苯磺酸的浓溶液，只是负性根不能自由移动，只有氢离子才能 与外来的离子相互交换。
调节加入的不同悬浮液稳定剂和控制介质的温度、粘度及机械搅拌速度可得到不同 大小规格的树脂(直径从lf^m至2Mm)，而改变乙烯苯的量则可得到不同交联度的树脂。 根据引入的可离解基团的性质又可分为下列两类离子交换树脂。
聚苯乙烯阳离子交换树脂:这类交换剂可再分为强酸型、中强酸型及弱酸型三种， 各含有以下的可解离基团。
这些交换剂在交换时氢离子为外来的阳离子所取代，如下式所示：
聚苯乙烯阴离子交换树脂:也可再分为强碱性、中强碱性及弱碱性三类。这三类都含有胺基，碱性的强弱按胺基碱性强弱而分。如含季胺盐[一 N+(CH3)4]为强碱性，叔胺 [-N(CH3)2]、仲胺[-NHCH3]、伯胺[―NH2]类都属弱碱性，既含强碱性基团又含弱碱 性基团为中强碱性，交换时反应如下：
R—N+ (CH3)4OH+Cl-^=^R-N+ (CH3)4C1- +0H-
R-N(CH3)2+HC1^=^R-N(CH3)2 . HC1
R—N(CH3)2+H20^=^R-N(CH3)2H . OH-
2.聚丙烯酸阳离子交换树脂它是由甲基丙烯酸和二乙烯苯聚合而成。这类树脂具 高度的交换量,每克干重树脂可交换l0mm0l/L物质。在pH8以下，这类树脂中的羧基不 完全解离，因此要在高的pH值下树脂才有完全的交换量。由于相邻羧基距离较短而产生 的缔合作用，有很高的PK值表现，在低离子树脂强度下特别明显。这种高度缔合的非离 子化羧基使树脂的表面形成一个亲水层，对极性分子产生起一种很有效的吸附作用。
由丙烯酸或甲基丙烯酸在季胺型阳离子交换树脂(如Dowexl)中聚合而成的一类树 脂称“蛇笼树脂”Snake-cage resins结构如下:
CH—CH2—N+ (CH3)3—0—C0—CH
ch2 ch2
CH——CH2—N+ (C03)3—O—CO—CH
ch2
由于树脂中的竣基（一 coo-)和季胺基[—n+(ch3)4]是等当量的，故树脂在反应上 是中性的。这类树脂可用于生物化学上的脱盐，例如一个NaCl溶液通过这类树脂柱，则 Na+为树脂中的一coo-除去，而cr-则为季胺基除去，故脱盐后的溶液没有明显的pH 改变，随后用水洗柱即可回收盐。这类树脂也可用来从电解质中分离非电解质，因为非电 解质直接通过柱流出。另外也用于从大分子的等电点两性电解质中分离电解质，因为前者 不能进入树脂的网孔中。
(二）离子交换纤维素
离子交换纤维素是采用纤维素作为支持介质的。这种纤维素是从棉花、软木和硬木中 分离出来的。离子交换纤维素广泛应用于大分子的分离，因为它具有松散的亲水性网络， 有较大的表面积，大分子可以自由通过。对于蛋白质来说，它具有很大的吸附容量，有较好 的通透性。由于组成纤维素的糖残基的羟基被取代的百分比较低，产生的离子交换纤维素 的电荷密度比Dowex低得多，所以洗脱条件温和，回收率高。可以说，离子交换纤维素的 出现，使得对酶和其他蛋白质的层析提纯有了重大改进。
离子交换纤维素有两种类型：阳离子交换纤维素和阴离子交换纤维素。关于这些交换 剂的结构式和某些性质列于表3-13-4中。目前经常使用的有以下几种:DEAE-纤维素是 中等强度的阳离子交换剂;ECTEOLA-纤维素是很弱的弱碱型离子交换剂;CM-纤维素
是弱酸型的;P-纤维素和SE-纤维素是强酸型的。离子交换纤维素的大多数离子基团都能 有效地吸附离子化的大分子。和离子交换树脂相比，单位重量的离子交换纤维素具有较少 的离子基团（0. 3Hmol/L〜1. O/umol/L)，因此，盐浓度的微小变化会直接影响它对大分子 的吸附容量。
表3-13-4离子交换纤维素
|
分 类 |
名 称 |
简 写 |
总容量 (mmol/L) |
在下列溶液中的PK值 |
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水 |
0. 01mol/L NaCl |
0. 5mol/L NaCl |
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阳 离 换 纤 维 窣 |
强酸型 |
磷酸纤维素 |
P-纤维素 |
2X0. 6〜0. 9 |
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2. 7；7. 4 |
—；6. 2 |
|
磺甲基纤维素 |
SM-纤维素 |
0. 40 |
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2.5 |
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|
磺乙基纤维素 |
SE-纤维素 |
0. 42 |
|
|
2.2 |
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弱酸型 |
羧甲基纤维素 |
CM-纤维素 |
0.4 〜0.7 |
3. 8〜4. 2 |
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3. 6 |
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阴 离 换 纤 维 素 |
弱碱型 |
二乙基氨基乙基 纤维素 |
DEAE-纤维素 |
0. 7 〜0. 9 |
6. 5〜8. 5 |
|
9.1 〜9. 2 |
|
氨基乙基纤维素 |
AE-纤维素 |
|
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ECTEOLA-纤维 素 |
ECTEOLA-纤维 素 |
0.4 |
|
|
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对氨基苯甲基纤 维素 |
PAB-纤维素 |
0. 2〜0. 5 |
|
|
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强碱型 |
三乙基氨基乙基 纤维素 |
TEAE-纤维素 |
0.8 |
季碱 |
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|
|
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三甲基氨基乙基 纤维素 |
TMAE-纤维素 |
0.3 |
季碱 |
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狐乙基纤维素 |
GE-纤维素 |
0.2 〜0.5 |
5. 8〜6. 0 |
|
7. 4〜7. 6 |
||
离子交换纤维素按其纤维的长短又可分为两类。长纤维的离子交换纤维素适用于制 备层析;短纤维的适用于分析层析。有一种新型的离子交换纤维素，叫做微球型纤维，已经 开始使用。它不同于老式的纤维状的离子交换纤维素。它的纤维经过处理，除去了纤维素 的无定形部分，仅剩下大小比较均一的微晶形部分。这部分经过化学交联，可以防止过度 膨胀，并产生稠密的棒形颗粒，这种颗粒能提高柱的容量和电荷密度。因此，这种交换剂所 具有的实际效应与Dowex增加交联度的效应一样。
在实际使用中，究竟使用哪种离子交换纤维素，要根据具体情况。例如，如果样品不稳 定，为了减少样品与纤维素的接触时间，要用分辨力较低的纤维状离子交换纤维素，因为 它的流速较高，这时就不得不放弃微球形离子交换纤维素的高分辨力。
