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離子交換理論(上篇)

時間:2022-03-03 點擊次數:76

子交換作用


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

無機離子與交換劑的結合能力與離子所帶電荷成正比,與該離子形成的水合離子半徑成反比。也就是說,離子的價態越高,結合力越強,價態相同時,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:

Li+<Na+<K+ <Rb+ <Cs+

Mg2+ <Ca2+ <Sr2+ < Ba2+

Na <Ca2+ <Al3+ <Ti4+

在陰離子交換劑上,結合力強弱順序為:

F- < Cl- <Br- <I-

對于蛋白質這樣帶電荷的生物大分子,與離子交換劑的結合能力首先取決于溶液pH,它決定了蛋白質的帶電狀態,然后是蛋白質的色譜相關區域,也就是電荷在蛋白質表面的分布情況,這些在前面都已經提到。此外,還取決于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性的與交換劑結合,在起始條件下,溶液中離子強度較低,上樣后由于蛋白質帶電荷數較多,與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,增加了離子的競爭性結合能力,使得蛋白質樣品從交換劑上解吸,這就是離子交換色譜的本質。


pH和離子強度I的影響


pH和離子強度I是控制蛋白質離子交換行為、分辨率、回收率等的重要因素。

pH決定了蛋白質以及離子交換劑的帶電荷情況,因而是決定蛋白質是否發生吸附的最重要參數。在進行分離時,應當控制pH使得蛋白質和離子交換劑帶相反的電荷,這里涉及兩個方面。一方面,離子交換劑有一個工作pH范圍,在此范圍內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pH下限,低于此pH會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pH上限,高于此pH會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。另一方面,溶液的pH直接決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,則造成蛋白質與離子交換劑結合過于牢固而不易洗脫。

在選擇操作pH時還需特別注意目的蛋白的pH穩定范圍,若超出此范圍會造成蛋白質活性喪失,導致回收率下降。特別是由于陶南效應,離子交換劑表面pH與溶液pH是不一致的。在陽離子交換劑表面的微環境中,H+被陽離子交換基團吸引而OH-離子被排斥,造成交換劑表面pH比周圍緩沖液中低1個pH單位;而陰離子交換劑表面的微環境中,OH-被陰離子交換基團吸引而H+離子被排斥,造成交換劑表面pH比周圍緩沖液中高1個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面是處在pH=4的環境中,若此蛋白質在此pH條件下不穩定就會失活。大多數蛋白質在pH=4以下穩定性都會下降而使回收率降低。

由于溶液中的其他離子與蛋白質競爭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。對于帶有特定電荷數的蛋白質,需要多高的鹽濃度才能將其從離子交換劑上洗脫下來,并沒有一個固定的規律,需要從實驗中摸索。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,人們常把洗脫鹽的終濃度定為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,為防止蛋白質發生變性或沉淀,離子強度不宜太低。另外,離子的類型也是一個重要因素,不同離子從交換劑上將蛋白質置換下來的能力是不同的,并且離子類型還對分辨率和不同蛋白質的洗脫順序會產生影響。


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