制药工艺学 Pharmaceutical Technology 主讲：罗容珍 Tell:13980230840（67169） Email:lrzqhg@163.com 2017年3月11日10时25分2017年3月11日10时25分

第八章 离子交换法(ion-exchange)

第八章 离子交换法(ion-exchange) 本章要求： 1. 掌握离子交换的基本原理和提高离子交换选择性的方法。 2. 熟悉离子交换的基本操作 3.了解离子交换剂的结构分类、命名和主要性能的测定。 4. 掌握离子交换聚焦色谱的基本原理。

第八章 离子交换法(ion-exchange) 第一节 基本原理 第二节 离子交换树脂的结构和种类 第三节 离子交换动力学 第四节 离子交换树脂的性能 第五节 离子交换的选择性 第六节 离子交换操作方法 第七节 应用实例 第八节 新型离子交换剂 第九节 离子交换聚焦色谱

第一节 基本原理 离子交换法：利用溶液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。 带电粒子与离子交换剂间的作用力是静电力,它们的结合是可逆的。

离子交换 离子交换剂：由惰性的不溶性载体、功能基团和平衡离子组成。 阳离子交换剂：平衡离子带正电荷。 阴离子交换剂：平衡离子带负电荷。 离子交换现象： R-X+ + Y+ R-Y+ + X+ 其中：R-表示阳离子交换剂的功能基团和载体； X+ 为平衡离子； Y+为交换离子。

吸 附 选择性吸附：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 （1）调节洗脱液的pH值，使目的物粒子在此pH条件下失去电荷甚至带上相反的电荷，失去与离子交换树脂的结合力被洗脱下来。 （2）用高浓度的同性离子将目的物离子取代下来。 对阳离子交换树脂而言，目的物的pK值愈大（愈碱），将其洗脱下来所需溶液的pH值也愈高。对阴离子交换树脂而言，目的物的pK值愈小，洗脱液的pH值也愈低。

（1）X+为平衡离子，YH+及Z+为待分离离子； 离子交换树脂吸附和洗脱过程 flash （1）X+为平衡离子，YH+及Z+为待分离离子； （2）YH+和Z+取代X+而被吸附； （3）加碱后YH+失去正电荷，被洗脱； （4）提高X+的浓度取代出Z+

树脂的选择 pH大于等电点时，物质带负电荷，与阴离子交换剂进行交换； pH小于等电点时，物质带正电荷，可以与阳离子交换剂进行交换。 

蛋白质等电点与所用交换剂

离子交换技术的应用

第二节 离子交换树脂的结构和种类 离子交换树脂构成： （1）惰性的不溶性高分子固定骨架，称载体。 （2）与载体共价键连接的不能移动的活性基团，又称功能基团。 （3）与功能基团以离子键连接的可移动的活性离子，亦称平衡离子。

阳离子交换树脂分类 弱酸型 强酸型树脂：磺酸型树脂，功能基团为磺酸根(—SO3H)及甲基磺酸根(—CH2SO3H)，有好的解离能力。 中酸性树脂：磷酸型树脂（—PO3H2 ） 弱酸性树脂：羧酸型树脂和酚型树脂（—COOH , ） ，在酸性环境中解离度受到抑制。 离子交换树脂的实际交换能力受自身解离情况的影响。 强酸型 离子交换树脂的解离曲线

阴离子交换树脂 强碱型阴离子交换树脂：功能基团多为季铵盐交换能力受pH影响较小。 弱碱型阴离子交换树脂：活性基团为伯、仲、叔胺基。在碱性环境中解离度受到抑制。 中强碱性阴离子交换树脂：兼有以上两类活性基团。

离子交换树脂功能基团的电离常数 各种树脂的强弱用其功能基团的pK值来表征：

离子交换树脂的性能

两性树脂：既含酸性基团又含碱性基团。 如：蛇笼树脂(snake-cage resins)

离子交换树脂的命名： 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401～500 交联度：是合成载体骨架时交联剂重量的百分数，用“×”将树脂编号与交联度分开。如弱酸101 ×4表示其交联度为4％。 国内常用树脂命名：724（弱酸101×4）；732（强酸1×7）；717（强碱201×7）

离子交换树脂的骨架 （一）苯乙烯型离子交换树脂 由苯乙烯与二乙烯苯经过氧苯甲酰催化聚合而成。

（二）丙烯酸型阳离子交换树脂 由丙烯酸甲酯与二乙烯苯经过氧苯甲酰催化聚合而成。

110树脂：丙烯酸甲酯与二乙烯苯聚合而成。 724树脂：由甲基丙烯酸、甲基丙烯酸甲酯和二乙烯苯三元共聚而得 。

（三）其它离子交换树脂 蛇笼树脂：脱盐 选择性离子交换树脂 螯形树脂：金属离子 吸附树脂 ：“脱色树脂” 3. 热再生离子交换树脂：

常用离子交换树脂特性表

第三节 离子交换动力学 一、离子交换平衡 R代表离子交换树脂，Z1及Z2分别为离子A1和A2的价电数。 表示溶液中与树脂表面的两种离子。

尼科尔斯基方程式 尼科尔斯基方程式 用m1、m2及C1、C2分别代表树脂上和溶液中的两种离子的浓度。 数量关系可表示: K＞1时 离子A1比离子A2对树脂有较大的吸引力

二、离子交换速度 影响粒子扩散速度的因素：颗粒孔径、颗粒半径、树脂交换容量、离子A+的半径与电荷、平衡离子的性质（电荷、半径）。 R－B+ + A+ R－A+ + B+ 离子交换过程： 1、(膜扩散)A+从溶液扩散到树脂表面。 2、（粒子扩散）A+从树脂颗粒表面扩散到颗粒中心。 3、平衡离子A+ 与离子B+交换。 4、B+从交换中心扩散到离子表面。 5、B+ 再扩散到溶液中。

离子交换速度的影响因素： 1、树脂粒度：树脂粒度大，交换速度慢。 2、搅拌速度 3、树脂交联度：交联度大，交换速度低。 4、离子半径和离子价：离子每增加一个电荷，交换速度下降一个数量级。 5、温度。 6、离子浓度：交换速度随离子浓度的上升而加快。

三、离子交换动力学 交换离子被吸附，平衡离子被释放。 交换带：交换离子A1由于被树脂吸附，其浓度从起始浓度Co逐渐下降到0的树脂层。 交换带窄：K＞1 ；A1浓度小；流速慢。

第四节 离子交换树脂的性能 一、离子交换对树脂的基本要求 二、影响树脂性能的几个因素 三、主要理化常数的测定

一、离子交换对树脂的基本要求： 1、有尽可能大的交换容量。 2、有良好的交换选择性。 3、化学性质稳定。 4、化学动力学性能好。 5、物理性能好。

二、影响树脂性能的几个因素 1、离子交换树脂具有的功能基团性质和数目，数是其交换容量的基础。（pH） 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。

pH对交换容量的影响

三、主要理化常数的测定 1、含水量：常用干燥法和离心法测得。 2、膨胀度：膨胀系数K膨胀。 3．湿真密度－树脂充满水时的密度。 4.交换容量:meq/g 树脂。

交换容量测定方法 阳离子交换树脂（氢型）的测定方法：一定量树脂中加入NaOH溶液，一天或数天后测定NaOH剩余量，从消耗的碱量求交换容量。 阴离子交换树脂（氯型）的测定方法：一定量树脂装柱，用过量Na2SO4溶液进行离子交换，测定流出液中氯离子总量，求交换容量。

滴定曲线

滴定曲线 1．强酸树脂Amberlite IR-120； 2．弱酸树脂Amberlite IRC-84；

第五节 离子交换的选择性 影响离子交换选择性的因素： 1. 离子价与离子水合半径 2. 离子价与离子浓度 3. 交换环境 4. 树脂结构 2. 离子价与离子浓度 3. 交换环境 4. 树脂结构 5. 偶极离子排斥

一、离子的化合价与水合半径的影响 溶液中离子能否与离子交换树脂上的平衡离子进行交换，主要取决于相对亲和力和相对浓度。 电荷效应越强的离子与树脂的亲和力越大，而决定电荷效应的主要因素是价电数和离子半径。

一价阳离子亲和力的次序是： H+≈Li+＜Na+＜K+≈ NH4+ ＜Pb+＜Cs+＜Ag+＜Ti+ 对强碱性树脂阴离子亲和力次序： F－＜OH－ ＜HCOO－ ＜Cl－＜Br－＜I－＜SO4 2- 对弱碱性树脂阴离子亲和力次序： F－＜Cl－＜Br－=I－=Ac－＜ SO4 2- ＜OH－

强酸强碱树脂对各种离子的选择系数

二、离子化合价与离子浓度的影响 设离子平衡后溶液中两种离子的浓度比是定值P： C1/C2=P 在稀溶液(C2较小)中，树脂吸附高价离子的倾向很大。

例如： 当k=2 P=1 m1+m2=1 C2=0.1mol/L Z2=1时 若Z1=2 则m1＝0.9，m2＝0.1 因此在较稀的溶液中，树脂几乎仅吸附高价离子。

三、交换环境的影响 1、溶液的pH：影响交换基团及交换离子的解离度从而影响交换容量和选择性。 2、离子强度：高浓度的离子与交换离子竞争，减小交换容量；离子的存在增加蛋白质分子和树脂的水合作用，降低吸附选择性和交换速度。 3、有机溶剂：能降低有机离子的解离程度，减弱树脂对有机离子的吸附能力。

四、树脂结构的影响 （一）树脂载体的交联度： 交联度上升，膨胀度下降，K值增大，树脂潜在的选择能力提高。 膨胀度对吸附量的影响   （一）树脂载体的交联度： 交联度上升，膨胀度下降，K值增大，树脂潜在的选择能力提高。 图8.12 在甲基丙烯酸—丙烯酰胺树脂，链霉素与钠离子交换等温线与树脂膨胀的关系 1—膨胀系数1.9；2—膨胀系数3；3—膨胀系数4.5；4—膨胀系数5.2；m1—树脂对链霉素吸附量，meq/g；m2=m－m1；m—树脂的最大交换容量，meq/g；C1，C2—溶液中链霉素和钠离子浓度，meq/ml 膨胀度对吸附量的影响

图8.14 用磺酸基树脂СБС从含有HCl的溶液中，吸附土霉素的量与树脂膨胀度之间的关系 对于大离子的吸附，由以下两个相互矛盾的因素起作用： 空隙大小的影响:即膨胀度增大，促使树脂吸附量增加。（膨胀系数值很小时，空间效应占主要地位） 选择性的影响:膨胀度增大时，K值减小，促使树脂吸附量降低（膨胀系数增大到一定值时，选择性占主要地位）。 图8.14 用磺酸基树脂СБС从含有HCl的溶液中，吸附土霉素的量与树脂膨胀度之间的关系 1-0.1N HCl；2-0.25N HCl；3-0.5N HCl；4-1.0 N HCl;原始溶液中士霉素浓度为0.4mg/ml;m-对土霉素吸附量meq/g

（二）辅助力： 离子交换树脂与被吸附离子间的作用力除静电力外，还存在一种辅助力(主要是氢键和范德华力)。 无机离子交换常数K值多在1~10之间。 有机离子交换时，K值可高达102~103。 （三）其它结合力： 某些树脂对金属离子有特殊的亲和力。 如羧酸型树脂对二价金属离子有较大的亲和力。

五、偶极离子排斥作用 偶极离子：离子正负电荷中心不重叠。   五、偶极离子排斥作用 偶极离子：离子正负电荷中心不重叠。 RSO3-Na+ + H3+NRCOO - RSO3- H3+ NRCOO - +Na+ RSO3- H + + H3+NRCOO - RSO3- H3+ NRCOOH 钠盐树脂：氨基酸的羧基所带负电荷与树脂磺酸基之负电荷产生排斥力，即偶极离子排斥作用，使树脂对氨基酸的吸附量大大降低。 氢型树脂：被取代的氢离子为羧基所固定，使被吸附的氨基酸不能形成偶极，与树脂之磺酸基没有排斥力。 可见与钠型树脂相比，氢型树脂对氨基酸偶极离子有较大的交换容量。

氢型与钠型磺酸基树脂吸附氨基酸比较

第六节 离子交换操作方法 一、 树脂的选择 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（如氨基酸的分离），以保证有足够的结合力。 蛋白质、酶和其它生物大分子的分离多采用弱碱或弱酸性树脂，减少生物大分子的变性，利于洗脱，提高选择性。

* 07/16/96   二、树脂的处理和再生 1、 外观特征 透明或半透明；颗粒圆整，粒度均匀，有一定强度。 2、 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交替浸泡。 *

例如：氨基酸分离前树脂的处理

不同类型树脂的处理

树脂的再生 树脂再生：使用过的树脂重新获得使用性能的处理过程。 再生过程： （1） 去杂，大量水冲洗，除去物理吸附的杂质。 （1） 去杂，大量水冲洗，除去物理吸附的杂质。 （2） 用酸、碱处理除去与功能基团结合的杂质。 （3) 转型

三、基本操作方法 离子交换操作方法：静态交换和动态交换 洗脱：离子交换完成后将树脂所吸附的物质释放出来重新转入溶剂中的过程。 洗脱方式：分静态洗脱及动态洗脱两种，pH及离子强度改变。 洗脱液：酸、碱、盐。

酸、碱洗脱液旨在改变吸附物的电荷或改变树脂吸附基团的解离状态，以消除静电结合力，迫使目的物被释放出来； 盐类洗脱液是通过高浓度的同种电荷的离子与目的物竞争树脂上的活性基团，使吸附物解离。

洗脱方式 动态洗脱： 1、 溶液pH及离子强度不变。 2、分阶段改变溶液pH及离子强度。 3、连续改变溶液pH及离子强度。 梯度洗脱：自动化的梯度仪

梯度洗脱 梯度混合器:  A瓶为低浓度盐溶液 B瓶为高浓度盐溶液 梯度混合仪及所形成的浓度梯度曲线

第七节 应用实例 分离纯化——氨基酸制备 无盐水制备

氨基酸制备、分离 猪血粉水解制备6种氨基酸:

无盐水制备 利用氢型阳离子交换树脂和羟型阴离子交换树脂的组合以除去水中所有的离子，其反应式如下：

无盐水制备 阳离子交换树脂用强酸性树脂，阴离子交换树脂可以用强碱或弱碱树脂。 强酸——弱碱 或 强酸——强碱； 当对水质要求高时，经过一次组合脱盐，还达不到要求，可采用两次组合: 强酸——弱碱——强酸——强碱； 强酸——强碱混合床。

混合床 混合床系将阳、阴两种树脂混合而成，脱盐效果好。 混合床中所发生的反应:

混合床－无盐水 图8.20 混合床的操作 (a)为水制备时的情形； 图8.20 混合床的操作 (a)为水制备时的情形； (b)为制备结束，用水逆流冲洗。阳、阴树脂根据比重不同分层，一般阳树脂较重在下面，阴树脂在上面； (c)为上部、下部同时通入碱、酸再生，废液自中间排出； (d)为再生结束，通入空气，将阳、阴树脂混合、准备制水

混合床－抗生素脱盐 经过第一柱（阳树脂）时，溶液变酸，而经过第二柱（阴树脂）时，溶液又变碱。 链霉素脱盐：强酸1×25和弱碱311×4树脂组成混合床，脱盐效果较好。

第八节 新型离子交换剂 一、大孔、均孔树脂 二、多糖基离子交换剂 （一）大孔型离子交换树脂（macro porous ,MP） （二）均孔型离子交换树脂 ( 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

大孔型与凝胶型离子交换树脂物理性质

（一）大孔型离子交换树脂的特征 （1）载体骨架交联度高。 （2）孔径大。 （3）表面积大，表面吸附强，对大分子物质的交换容量大。 （4）孔隙率大。

大孔型离子交换树脂主要特性

（二）均孔型离子交换树脂 主要是阴离子交换树脂。 骨架的交联度比较均匀。代号为IP或IR。 交联度均匀，孔径大小一致，交换容量都较高，膨胀度、机械强度好。

二、多糖基离子交换剂 多糖基离子交换剂可以分为： 离子交换纤维素 葡聚糖离子交换剂 生物大分子对离子交换的要求: 固相载体具有亲水性和较大的交换空间; 对其生物活性有稳定作用，并便于洗脱。 生物来源稳定的高聚物——多糖作载体。 多糖基离子交换剂可以分为： 离子交换纤维素 葡聚糖离子交换剂

（一）离子交换纤维素特点 (1)开放的长链骨架，亲水性强，表面积大，易吸附大分子。 (2)交换基团稀疏，对大分子的实际交换容量大。 (3)吸附力弱，交换和洗脱条件缓和，不易引起变性。 (4)分辨率高，能分离复杂的生物大分子混合物。

常用的离子交换纤维素 羧甲基纤维素（CM-C）：弱酸性阳离子交换纤维素，pK=3.6 。 二乙基氨基乙基纤维素（DEAE-C）：强碱型阴离子交换纤维素，pK=9.1。

离子交换纤维素的解吸 洗脱缓和： 升高环境的pH、降低pH或是增加离子强度都能将被吸附物质洗脱下来。

离子交换纤维素的处理和再生 浸泡用酸碱浓度要适当降低，处理时间从4h缩短为0.3~1h；最后用交换缓冲液平衡。 注意： 不耐酸，用酸处理的浓度和时间须小心控制。

（二）葡聚糖凝胶离子交换剂 是将活性交换基团连接于葡聚糖凝胶上制成的各种交换剂 。 命名: 交换活性基团-Sephadex C (A)-骨架编号。 特点： 具有离子交换和分子筛的双重作用，对生物分子有很高的分辨率。

常用的离子交换葡聚糖

多糖基离子交换剂应用 ——尿激酶分离纯化

第九节 离子交换聚焦色谱 色谱聚焦（chromatofocusing）: 是一种高分辨的新型的蛋白质纯化技术。是根据蛋白质的等电点，结合离子交换技术的大容量色谱，能分离几百毫克蛋白质样品，洗脱峰被聚焦效应浓缩，分辨率高。 适用水溶性的两性分子，如蛋白质、酶、多肽、核酸等。

一、色谱聚焦的原理 （一）自动形成pH梯度。 （二）蛋白质的色谱行为 （三）聚焦效应

pH梯度溶液的形成 在聚焦层析中，由于交换剂带电基团的缓冲作用，当洗脱液流进离子交换柱时，柱内自动形成pH梯度。

（2）从层析柱顶部到底部就形成了pH6～9的梯度。 PBE94柱聚焦色谱的pH梯度 （1）柱内每点的pH值从高到低逐渐下降。 （2）从层析柱顶部到底部就形成了pH6～9的梯度。 （3）pH梯度会逐渐向下迁移。 （4）底部流出液的pH由9逐渐降至6。

蛋白质的色谱行为 当柱中pH低于蛋白质的pI时，蛋白质带正电荷，不与阴离于交换剂结合,随洗脱液向下移动 。 不同蛋白质具有不同的等电点，在被离子交换剂结合以前，移动距离是不同的，洗脱出来的先后次序是按等电点排列的。

聚焦效应 当一种蛋白质在柱上随洗脱液下移至等电点处时，移动速度明显减慢。此时加上相同的第二个样品，它将以洗脱液移动的速度下降，直至追到正在慢移的第一个样品（聚焦）。 如果加入的第二个样品的等电点比第一个样品高，它可以越过第一个样品区先被洗脱出来。

二、多缓冲剂 多缓冲剂是一种两性电解质缓冲剂，是分子量大小不同的多种组分的多羧基多氨基化合物。 Polybuffer96 PBE94

三、多缓冲交换剂 PBE94是以交联琼脂糖6B（Sepharose 6B）为载体，并在糖基上通过醚键偶合上配基制成的多缓冲交换剂，是阴离子交换剂。 当Polybuffer96流进多缓冲交换剂时，pH梯度溶液可以自动形成（9—6）。

四、操作步骤 （一）凝胶和缓冲剂的选择 PBE94 Polybuffer96 PBE94 Polybuffer74 pH间隔为3个单位。

（二）凝胶柱的准备 （1）凝胶按1∶1悬浮于起始缓冲液中，除气泡。 （2）柱垂直除底部尼龙网下的气泡，关闭柱下端出口。 （3）在柱中放2~3ml起始缓冲液，搅拌下缓缓倒入。 （4）打开柱底部开关，待凝胶沉降后将柱顶部接头装好。 （5）用10~15个柱床体积起始缓冲液平衡。 至流出液起始pH和电导系数与起始缓冲液相同

（三）样品的准备 100mg蛋白质/10ml床体积。 样品体积不超过0.5个床体积。

梯度的pH上限由起始缓冲液确定，其下限由淋洗缓冲液的pH决定。 （四）上样和洗脱 样品均匀平整地加到床面上； 上样前应先加5ml洗脱液。 用洗脱缓冲液淋洗，pH梯度自动形成。 梯度的pH上限由起始缓冲液确定，其下限由淋洗缓冲液的pH决定。 避免样品处于极端的pH条件下

去除多缓冲剂的方法 （1）沉淀法 （2）凝胶过滤 （3）亲和色谱法 （4）疏水色谱法

多缓冲离子交换剂的再生 多缓冲交换剂的再生可以在柱上进行；用2~3个床体积的1mol/L NaCl淋洗，除去结合物质；用0.1mol/L HCl洗涤，除去结合牢固的蛋白质。

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五、应用实例-蛋白质模拟混合物分离 PBE94柱，床高15cm。 样品:4ml洗脱缓冲液含有马肌红蛋白，碳酸酐酶和白蛋白. 起始缓冲液:0.025mol/L咪唑HCl，pH7， 洗脱缓冲液：多缓冲剂74，pH4。 蛋白质的一个模拟混合物的分离

复习思考题 1、离子交换时常用什么方法洗脱？ 2、离子交换树脂的命名法。例举两种树脂骨架。 3、离子交换的选择性与哪些因素有关？ 4、离子交换速度与哪些因素有关？ 5、偶极离子的交换特点是什么？ 6、大孔、均孔树脂的特点是什么？ 7、离子交换纤维素的特点是什么？怎样洗脱？ 8、酸、碱性蛋白如何选用合适的离子交换纤维素？ 9、离子交换聚焦色谱的原理是什么？ 10、术语：DM-C，DEAE-C，PBE94，尼柯尔斯方程，交换带，交换容量，树脂再生，偶极离子排斥，蛇笼树脂