高效离子交换色谱仪离子交换剂
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高效离子交换色谱仪离子交换剂由基质、活性基团和可交换离子（反离子）组成，按基质的组成和性质可分为疏水性离子交换剂和亲水性离子交换剂。
第一节 疏水性离子交换剂
疏水性离子交换剂是一种与水亲和力较小的合成树脂。最常见的是由苯乙烯与交联剂二乙烯苯反应生成聚合物，在此结构中再以共价键引入不同的电荷基团制成的。
一、按引入电荷基团的性质分类：
1、阳离子交换树脂：
阳离子交换树脂的电荷基团带负电，反离子带正电，可与溶液中的阳离子或带正电荷化合物进行交换反应。
按电荷基团酸性强弱可分为强酸性、弱酸性和中等酸性阳离子交换树脂。
（1）强酸性阳离子交换树脂：
强酸性阳离子交换树脂一般是以磺酸基（－SO3 H）为活性基团的离子交换树脂。
含磺酸基的强酸性阳离子交换树脂是以苯乙烯为母体，以二乙烯苯为交联剂共聚后再经磺化引入磺酸基制成的。常用 R－SO3 H 表示，其中 R 表示树脂的骨架。
1）特点：
强酸性树脂化学性质稳定，耐强酸、强碱、氧化剂和还原剂，不溶于酸、碱和常见的有机溶剂，耐热超过 100℃。
强酸性树脂的电离率基本不受 pH 影响，离子交换作用的 pH 范围宽。
树脂使用一段时间后要进行再生处理，即用化学药品使树脂的官能团恢复到原来的状态。强酸性树脂是用强酸进行再生处理，由于强酸性树脂与 H+结合力弱，再生为氢型比较困难且耗酸量较大，一般为该树脂交换容量的 3～5 倍。
2）应用：
主要用于软水和无盐水的制备。
在链霉素、卡那霉素、庆大霉素和赖氨酸等提取精制中应用也较多。
（2）弱酸性阳离子交换树脂：
弱酸性阳离子交换树脂是含羧基（－COOH）和酚羟基（－C6 H4OH）等弱酸性基团的离子交换树脂。其中以含羧基的离子交换树脂应用最广。
1）特点：
弱酸性基团的电离程度受溶液 pH 影响很大，在酸性溶液中几乎不发生交换反应，即只有在 pH≥7 的溶液中才有较好的交换能力，pH 值越小，离子交换能力越小。
弱酸性树脂和 H+结合力很强，容易再生为氢型且耗酸量少。
2）应用：
常用 101×4 树脂分离提取链霉素、正定霉素、溶菌酶和尿激酶，用 122 树脂进行链霉素的脱色和从庆大霉素废液中提取维生素 B12 等。
（3）中等酸性阳离子交换树脂：
中等酸性阳离子交换树脂是含磷酸基（－PO 3 H2）等活性基团的离子交换树脂。
2、阴离子交换树脂：
阴离子交换树脂是在基质骨架上引入季胺基 [－N（CH 3 ）3]、叔胺基 [－N（CH 3 ）2]、仲胺基 [－NHCH 3] 和伯胺基 [－NH2] 制成的。阴离子交换树脂的化学稳定性和热稳定性能都不如阳离子交换树脂。
按胺基碱性强弱可分为强碱性、弱碱性和中等碱性阴离子交换树脂。
（1）强碱性阴离子交换树脂：
强碱性阴离子交换树脂是以季胺基为交换基团的离子交换树脂。
活性基团有三甲胺基（－N（CH 3 ）3）（Ⅰ型）和二甲基－β－羟基乙胺 基（－N（CH 3 ） 2 （C2 H 4OH ））（Ⅱ型），Ⅰ型比Ⅱ型碱性更强，应用更广泛。强碱性活性基团的电离程度大，在酸性、中性甚至碱性介质中都可以显示离子交换功能。
1）特点：
强碱性树脂的电离率基本不受 pH 影响，离子交换作用的 pH 范围宽。
强碱性树脂的氯型比羟型更稳定，耐热性更好，大多为氯型。
强碱性树脂与 OHˉ 结合力比较弱，再生时耗碱量较大。
2）应用：
常用 201×4 树脂进行卡那霉素、庆大霉素、巴龙霉素和新霉素的精制脱色，用 201×7 树脂进行无盐水的制备等。
（2）弱碱性阴离子交换树脂：
弱碱性阴离子交换树脂是以叔胺基、仲胺基和伯胺基为交换基团的离子交换树脂。
1）特点：
弱碱性基团在水中解离程度很小，仅在中性和酸性介质中才显示离子交换功能，即交换容量受溶液 pH 影响较大，pH 值越小，离子交换能力越大。
弱碱性基团与 OHˉ结合力很强，易再生为羟型且耗碱量少。
2）应用：
常用 330 树脂分离头孢菌素 C，用于博来霉素和链霉素等精制。
（3）中等碱性阴离子交换树脂：
中等碱性阴离子交换树脂是既含强碱性基团又含弱碱性基团的离子交换树脂。
3、螯合离子交换树脂：
螯合离子交换树脂含有具有螯合能力的基团，可以形成离子键和配位键。
主要用于脱除金属离子。
4、两性树脂：
两性树脂是同时含有酸、碱两种基团的离子交换树脂，相反电荷的活性基团可以在同一条分子链上，也可以在两条相接近的大分子链上。有强碱－弱酸型和弱酸－弱碱型。
两性树脂再生是当温度自 25℃ 升至高 85℃ 时，水的解离度增加，使 H+和 OHˉ的浓度增大 30 倍。可作为再生剂。
二、按基质结构分类：
合成疏水性离子交换树脂时，通过高分子化学加聚反应先合成基质，然后在基质上引入功能基团。若合成过程中加入致孔剂，可得大孔型离子交换树脂，否则为凝胶型离子交换树脂。
1、凝胶型离子交换树脂：
由苯乙烯或丙烯酸与交联剂二乙烯苯聚合而成。
（1）特点：
1）凝胶型树脂呈透明或半透明状，吸水后形成微细的孔隙。
均孔型树脂主要是凝胶型阴离子交换树脂，孔径均匀，交换容量大，机械强度高。
2）凝胶型树脂水化后处在溶胀状态，交联链之间的距离拉长，形成 2～3nm 空隙，称为微孔。当树脂失水或在非水体系中，分子链之间的空隙闭合，由于这种空隙是不稳定的、暂时的，称为「暂时孔」。因此，凝胶型树脂在干裂或非水体系中无交换能力，限制了应用。
3）凝胶型树脂在水中交换有机大分子比较困难，并且有机大分子被交换后不易洗脱，产生不可逆的「有机污染」，使树脂的交换能力大大降低。若降低树脂的交联度使空隙增大，虽然交换能力有所改善，但树脂的机械强度降低，易破碎。
（2）应用：
适用于无机小分子的分离。
2、大孔型离子交换树脂：
大孔型离子交换树脂的合成成功是离子交换技术最重要的发展之一。
大孔型离子交换树脂是由苯乙烯或丙烯酸与交联剂二乙烯苯聚合，在合成时加入惰性致孔剂形成大孔，再引入活性基团而制成。树脂内部的大孔孔径可达 1000nm，此类空隙不因外界条件而变，称为「永久孔」。由于大孔对光线的漫反射，从外观上看树脂呈不透明状。
（1）致孔剂：
大孔型树脂合成时，可通过致孔剂选择调整孔径大小和树脂的比表面积，以适应不同的分离要求。常用致孔剂有：
1）良溶剂（能与单体互溶）：甲苯和 CCl4。
2）不良溶剂：长链醇（碳 4～10）和煤油。
3）高分子聚合物：聚苯乙烯和聚丙烯酸酯。
（2）特点：
1）交联度高，溶胀度小，理化稳定性好，机械强度高，不易破碎。
2）存在「永久孔」，克服了凝胶型树脂由于溶胀产生的「暂时孔」现象，减少了凝胶型树脂在离子交换过程中的「有机污染」现象。
3）孔径和比表面积较大，交换速度较快，适合有机大分子交换。
4）大孔型树脂完全失水也能维持多孔结构，适合非水溶液交换。
5）再生容易。
6）对小分子的交换容量小，洗脱液用量多，成本高。
（3）凝胶型树脂与大孔型树脂的性能指标比较：
1）外观：
凝胶型树脂：透明或半透明
大孔型树脂：不透明
2）孔结构：
凝胶型树脂：凝胶孔
大孔型树脂：大孔和凝胶孔
3）孔径：
凝胶型树脂：＜3nm
大孔型树脂：8～1000nm
4）比表面积：
凝胶型树脂：＜0.1m2/g
大孔型树脂：25～100m2/g
5）孔隙度：
凝胶型树脂：0.01～0.02 mL/mL
大孔型树脂：0.15～0.55 mL/mL
6）交联度：
凝胶型树脂：2%～10%
大孔型树脂：15%～25%
（4）应用：
已应用于维生素 B12、链霉素、四环素、土霉素、竹桃霉素、赤霉素和头孢菌素 C 等提取。
第二节 亲水性离子交换剂
亲水性离子交换剂（多糖基离子交换剂）与水亲和力较大，有纤维素离子交换剂、葡聚糖离子交换剂和琼脂糖离子交换剂等。
一、纤维素离子交换剂：
又称离子交换纤维素，是以微晶纤维素为基质，引入电荷基团而制成。
微晶纤维素（纤维素胶或结晶纤维素）是将纤维性植物材料与无机酸捣成浆状，经处理使之降解后漂洗、研磨、脱水、烘干和粉碎制成的。微晶纤维素为白色或几乎白色的细小粉末，无臭，无味，可压成自身粘合的小片，可在水中迅速分散，不溶于水、稀酸溶液、稀碱溶液和大多数有机溶剂。
1、类型：
（1）按引入电荷基团的性质可分为阳离子交换纤维素（如羧甲基纤维素（CM）等）和阴离子交换纤维素（如二乙胺基乙基纤维素（DEAE）等）。
（2）按电荷基团酸碱性强弱可分为强酸性、弱酸性、强碱性和弱碱性离子交换纤维素。
近年来，用微晶纤维素经交联制成了类似凝胶的珠状弱碱性离子交换剂（DEAE－Sephacel），结构与 DEAE 相同，对蛋白质、核酸、激素及其它生物聚合物都有同等的分辨率。
2、特点：
（1）结构疏松，对生物高分子物质（如蛋白质和核酸分子）有较大的穿透性。
（2）表面积大，有较大的吸附容量。
（3）基质是亲水性的，避免了疏水性反应对蛋白质分离的干扰。
（4）电荷密度较低，与蛋白质分子结合不牢固，在温和洗脱条件下即可分离，不会引起蛋白质变性。
（5）纤维素分子中只有一小部分羟基被取代，结合在其分子上的解离基团数量不多，故交换容量小，仅为离子交换树脂的 1/10 左右。
（6）分辨率高。
3、应用：
适用于大分子多价电解质的分离。
二、葡聚糖离子交换剂：
葡聚糖离子交换剂是以交联葡聚糖 G－25 和 G－50 为基质，通过化学方法引入电荷基团制成的。
1、按引入电荷基团的性质分类：
（1）阳离子交换葡聚糖。
（2）阴离子交换葡聚糖。
2、特点：
葡聚糖离子交换剂的性质与葡聚糖凝胶相似，在强酸和强碱中不稳定，在 pH ＝7 时可耐热 120℃。它既有离子交换作用，又有分子筛性质，可根据分子大小对生物高分子物质进行分级分离。
3、应用：
（1）G－50 型离子交换葡聚糖适用于相对分子质量为 3×10 4 ～3×10 6 物质的分离。
（2）G－25 型离子交换葡聚糖能交换相对分子质量较小（1×10 3 ～5×103）的蛋白质。
三、琼脂糖离子交换剂：
琼脂糖离子交换剂主要以交联琼脂糖 CL－6B 为基质，通过化学方法引入电荷基团制成的。
1、按引入电荷基团的性质分类：
（1）阳离子交换琼脂糖：CM－Sepharose CL－6B 等。
（2）阴离子交换琼脂糖：DEAE－Sepharose CL－6B 等。
2、特点：
具有硬度大、性质稳定、网孔大、流速好和分离能力强等特点，尤其是介质对 pH 和温度的变化均比较稳定，可在 pH = 3～10 和 0～70℃ 范围内使用，改变离子强度或 pH 时，床体积变化不大。
3、应用：
特别适合分离相对分子质量大的蛋白质和核酸等。
第一节 疏水性离子交换剂
疏水性离子交换剂是一种与水亲和力较小的合成树脂。最常见的是由苯乙烯与交联剂二乙烯苯反应生成聚合物，在此结构中再以共价键引入不同的电荷基团制成的。
一、按引入电荷基团的性质分类：
1、阳离子交换树脂：
阳离子交换树脂的电荷基团带负电，反离子带正电，可与溶液中的阳离子或带正电荷化合物进行交换反应。
按电荷基团酸性强弱可分为强酸性、弱酸性和中等酸性阳离子交换树脂。
（1）强酸性阳离子交换树脂：
强酸性阳离子交换树脂一般是以磺酸基（－SO3 H）为活性基团的离子交换树脂。
含磺酸基的强酸性阳离子交换树脂是以苯乙烯为母体，以二乙烯苯为交联剂共聚后再经磺化引入磺酸基制成的。常用 R－SO3 H 表示，其中 R 表示树脂的骨架。
1）特点：
强酸性树脂化学性质稳定，耐强酸、强碱、氧化剂和还原剂，不溶于酸、碱和常见的有机溶剂，耐热超过 100℃。
强酸性树脂的电离率基本不受 pH 影响，离子交换作用的 pH 范围宽。
树脂使用一段时间后要进行再生处理，即用化学药品使树脂的官能团恢复到原来的状态。强酸性树脂是用强酸进行再生处理，由于强酸性树脂与 H+结合力弱，再生为氢型比较困难且耗酸量较大，一般为该树脂交换容量的 3～5 倍。
2）应用：
主要用于软水和无盐水的制备。
在链霉素、卡那霉素、庆大霉素和赖氨酸等提取精制中应用也较多。
（2）弱酸性阳离子交换树脂：
弱酸性阳离子交换树脂是含羧基（－COOH）和酚羟基（－C6 H4OH）等弱酸性基团的离子交换树脂。其中以含羧基的离子交换树脂应用最广。
1）特点：
弱酸性基团的电离程度受溶液 pH 影响很大，在酸性溶液中几乎不发生交换反应，即只有在 pH≥7 的溶液中才有较好的交换能力，pH 值越小，离子交换能力越小。
弱酸性树脂和 H+结合力很强，容易再生为氢型且耗酸量少。
2）应用：
常用 101×4 树脂分离提取链霉素、正定霉素、溶菌酶和尿激酶，用 122 树脂进行链霉素的脱色和从庆大霉素废液中提取维生素 B12 等。
（3）中等酸性阳离子交换树脂：
中等酸性阳离子交换树脂是含磷酸基（－PO 3 H2）等活性基团的离子交换树脂。
2、阴离子交换树脂：
阴离子交换树脂是在基质骨架上引入季胺基 [－N（CH 3 ）3]、叔胺基 [－N（CH 3 ）2]、仲胺基 [－NHCH 3] 和伯胺基 [－NH2] 制成的。阴离子交换树脂的化学稳定性和热稳定性能都不如阳离子交换树脂。
按胺基碱性强弱可分为强碱性、弱碱性和中等碱性阴离子交换树脂。
（1）强碱性阴离子交换树脂：
强碱性阴离子交换树脂是以季胺基为交换基团的离子交换树脂。
活性基团有三甲胺基（－N（CH 3 ）3）（Ⅰ型）和二甲基－β－羟基乙胺 基（－N（CH 3 ） 2 （C2 H 4OH ））（Ⅱ型），Ⅰ型比Ⅱ型碱性更强，应用更广泛。强碱性活性基团的电离程度大，在酸性、中性甚至碱性介质中都可以显示离子交换功能。
1）特点：
强碱性树脂的电离率基本不受 pH 影响，离子交换作用的 pH 范围宽。
强碱性树脂的氯型比羟型更稳定，耐热性更好，大多为氯型。
强碱性树脂与 OHˉ 结合力比较弱，再生时耗碱量较大。
2）应用：
常用 201×4 树脂进行卡那霉素、庆大霉素、巴龙霉素和新霉素的精制脱色，用 201×7 树脂进行无盐水的制备等。
（2）弱碱性阴离子交换树脂：
弱碱性阴离子交换树脂是以叔胺基、仲胺基和伯胺基为交换基团的离子交换树脂。
1）特点：
弱碱性基团在水中解离程度很小，仅在中性和酸性介质中才显示离子交换功能，即交换容量受溶液 pH 影响较大，pH 值越小，离子交换能力越大。
弱碱性基团与 OHˉ结合力很强，易再生为羟型且耗碱量少。
2）应用：
常用 330 树脂分离头孢菌素 C，用于博来霉素和链霉素等精制。
（3）中等碱性阴离子交换树脂：
中等碱性阴离子交换树脂是既含强碱性基团又含弱碱性基团的离子交换树脂。
3、螯合离子交换树脂：
螯合离子交换树脂含有具有螯合能力的基团，可以形成离子键和配位键。
主要用于脱除金属离子。
4、两性树脂：
两性树脂是同时含有酸、碱两种基团的离子交换树脂，相反电荷的活性基团可以在同一条分子链上，也可以在两条相接近的大分子链上。有强碱－弱酸型和弱酸－弱碱型。
两性树脂再生是当温度自 25℃ 升至高 85℃ 时，水的解离度增加，使 H+和 OHˉ的浓度增大 30 倍。可作为再生剂。
二、按基质结构分类：
合成疏水性离子交换树脂时，通过高分子化学加聚反应先合成基质，然后在基质上引入功能基团。若合成过程中加入致孔剂，可得大孔型离子交换树脂，否则为凝胶型离子交换树脂。
1、凝胶型离子交换树脂：
由苯乙烯或丙烯酸与交联剂二乙烯苯聚合而成。
（1）特点：
1）凝胶型树脂呈透明或半透明状，吸水后形成微细的孔隙。
均孔型树脂主要是凝胶型阴离子交换树脂，孔径均匀，交换容量大，机械强度高。
2）凝胶型树脂水化后处在溶胀状态，交联链之间的距离拉长，形成 2～3nm 空隙，称为微孔。当树脂失水或在非水体系中，分子链之间的空隙闭合，由于这种空隙是不稳定的、暂时的，称为「暂时孔」。因此，凝胶型树脂在干裂或非水体系中无交换能力，限制了应用。
3）凝胶型树脂在水中交换有机大分子比较困难，并且有机大分子被交换后不易洗脱，产生不可逆的「有机污染」，使树脂的交换能力大大降低。若降低树脂的交联度使空隙增大，虽然交换能力有所改善，但树脂的机械强度降低，易破碎。
（2）应用：
适用于无机小分子的分离。
2、大孔型离子交换树脂：
大孔型离子交换树脂的合成成功是离子交换技术最重要的发展之一。
大孔型离子交换树脂是由苯乙烯或丙烯酸与交联剂二乙烯苯聚合，在合成时加入惰性致孔剂形成大孔，再引入活性基团而制成。树脂内部的大孔孔径可达 1000nm，此类空隙不因外界条件而变，称为「永久孔」。由于大孔对光线的漫反射，从外观上看树脂呈不透明状。
（1）致孔剂：
大孔型树脂合成时，可通过致孔剂选择调整孔径大小和树脂的比表面积，以适应不同的分离要求。常用致孔剂有：
1）良溶剂（能与单体互溶）：甲苯和 CCl4。
2）不良溶剂：长链醇（碳 4～10）和煤油。
3）高分子聚合物：聚苯乙烯和聚丙烯酸酯。
（2）特点：
1）交联度高，溶胀度小，理化稳定性好，机械强度高，不易破碎。
2）存在「永久孔」，克服了凝胶型树脂由于溶胀产生的「暂时孔」现象，减少了凝胶型树脂在离子交换过程中的「有机污染」现象。
3）孔径和比表面积较大，交换速度较快，适合有机大分子交换。
4）大孔型树脂完全失水也能维持多孔结构，适合非水溶液交换。
5）再生容易。
6）对小分子的交换容量小，洗脱液用量多，成本高。
（3）凝胶型树脂与大孔型树脂的性能指标比较：
1）外观：
凝胶型树脂：透明或半透明
大孔型树脂：不透明
2）孔结构：
凝胶型树脂：凝胶孔
大孔型树脂：大孔和凝胶孔
3）孔径：
凝胶型树脂：＜3nm
大孔型树脂：8～1000nm
4）比表面积：
凝胶型树脂：＜0.1m2/g
大孔型树脂：25～100m2/g
5）孔隙度：
凝胶型树脂：0.01～0.02 mL/mL
大孔型树脂：0.15～0.55 mL/mL
6）交联度：
凝胶型树脂：2%～10%
大孔型树脂：15%～25%
（4）应用：
已应用于维生素 B12、链霉素、四环素、土霉素、竹桃霉素、赤霉素和头孢菌素 C 等提取。
第二节 亲水性离子交换剂
亲水性离子交换剂（多糖基离子交换剂）与水亲和力较大，有纤维素离子交换剂、葡聚糖离子交换剂和琼脂糖离子交换剂等。
一、纤维素离子交换剂：
又称离子交换纤维素，是以微晶纤维素为基质，引入电荷基团而制成。
微晶纤维素（纤维素胶或结晶纤维素）是将纤维性植物材料与无机酸捣成浆状，经处理使之降解后漂洗、研磨、脱水、烘干和粉碎制成的。微晶纤维素为白色或几乎白色的细小粉末，无臭，无味，可压成自身粘合的小片，可在水中迅速分散，不溶于水、稀酸溶液、稀碱溶液和大多数有机溶剂。
1、类型：
（1）按引入电荷基团的性质可分为阳离子交换纤维素（如羧甲基纤维素（CM）等）和阴离子交换纤维素（如二乙胺基乙基纤维素（DEAE）等）。
（2）按电荷基团酸碱性强弱可分为强酸性、弱酸性、强碱性和弱碱性离子交换纤维素。
近年来，用微晶纤维素经交联制成了类似凝胶的珠状弱碱性离子交换剂（DEAE－Sephacel），结构与 DEAE 相同，对蛋白质、核酸、激素及其它生物聚合物都有同等的分辨率。
2、特点：
（1）结构疏松，对生物高分子物质（如蛋白质和核酸分子）有较大的穿透性。
（2）表面积大，有较大的吸附容量。
（3）基质是亲水性的，避免了疏水性反应对蛋白质分离的干扰。
（4）电荷密度较低，与蛋白质分子结合不牢固，在温和洗脱条件下即可分离，不会引起蛋白质变性。
（5）纤维素分子中只有一小部分羟基被取代，结合在其分子上的解离基团数量不多，故交换容量小，仅为离子交换树脂的 1/10 左右。
（6）分辨率高。
3、应用：
适用于大分子多价电解质的分离。
二、葡聚糖离子交换剂：
葡聚糖离子交换剂是以交联葡聚糖 G－25 和 G－50 为基质，通过化学方法引入电荷基团制成的。
1、按引入电荷基团的性质分类：
（1）阳离子交换葡聚糖。
（2）阴离子交换葡聚糖。
2、特点：
葡聚糖离子交换剂的性质与葡聚糖凝胶相似，在强酸和强碱中不稳定，在 pH ＝7 时可耐热 120℃。它既有离子交换作用，又有分子筛性质，可根据分子大小对生物高分子物质进行分级分离。
3、应用：
（1）G－50 型离子交换葡聚糖适用于相对分子质量为 3×10 4 ～3×10 6 物质的分离。
（2）G－25 型离子交换葡聚糖能交换相对分子质量较小（1×10 3 ～5×103）的蛋白质。
三、琼脂糖离子交换剂：
琼脂糖离子交换剂主要以交联琼脂糖 CL－6B 为基质，通过化学方法引入电荷基团制成的。
1、按引入电荷基团的性质分类：
（1）阳离子交换琼脂糖：CM－Sepharose CL－6B 等。
（2）阴离子交换琼脂糖：DEAE－Sepharose CL－6B 等。
2、特点：
具有硬度大、性质稳定、网孔大、流速好和分离能力强等特点，尤其是介质对 pH 和温度的变化均比较稳定，可在 pH = 3～10 和 0～70℃ 范围内使用，改变离子强度或 pH 时，床体积变化不大。
3、应用：
特别适合分离相对分子质量大的蛋白质和核酸等。
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