由基质、活性基团和可交换离子组成,按基质的组成和性质可分为疏水性离子交换剂(树脂)和亲水性离子交换剂。
一、疏水性离子交换剂(树脂):
疏水性离子交换剂是一种与水亲和力较小的合成树脂。Z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。
1、类型:
(1)按引入电荷基团的性质可分为:
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:
强酸型:含磺酸基(-SO3H)。
弱酸型:含羧基(-COOH)或酚基(-苯环-OH)。
中等酸型:含磷酸基(-PO3H2)。
阳离子交换树脂在交换时,H+为外来的阳离子所取代,反应式为:
R-COOH+Na+=R-COONa++H+
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(CH3)3]、叔胺基[-N(CH3)2]、仲胺基[-NHCH3]和伯胺基[-NH2]而制成。
按胺基碱性强弱可分为:
强碱型:含季胺基。
弱碱型:含叔胺基、仲胺基和伯胺基。
中等碱型:既含强碱性基团,又含弱碱性基团。
3)螯合离子交换树脂:
螯合离子交换树脂具有吸附(络合)一些金属离子而排斥另一些离子的能力,可通过改变溶液的酸度提高选择性。由于其选择性高,只需用很短的树脂柱可把待测金属离子浓缩并洗脱下来。
(2)按骨架结构可分为:
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,透明,没有毛细孔,吸水后形成微细的孔隙。
适用于无机小分子的分离。
2)大孔型离子交换树脂:
由苯乙烯或丙烯酸与交联剂二乙烯苯聚合,经过特殊的物理处理,形成大网孔,再引入活性基团而制成。不透明,既有微孔又有大孔,吸附大分子,耐污染。
大孔型离子交换树脂与凝胶型离子交换树脂比较有以下优点:
交联度高,具有较好的化学和物理稳定性。
孔径大,交换速度快,适合有机大分子交换。
完全失水也能维持多孔结构,适合非水溶液交换。
2、特点:
含有大量的活性基团,交换容量大,流速快,机械强度大。
3、应用:
主要用于无机离子、有机酸、核苷酸和氨基酸等小分子化合物的分离,也可用于从蛋白质溶液中除去表面活性剂(如SDS)、去污剂(如TritonX-1000)、尿素和两性电解质等。
二、亲水性离子交换剂:
亲水性离子交换剂与水亲和力较大,有纤维素离子交换剂、交联葡聚糖离子交换剂和交联琼脂糖离子交换剂等。
1、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。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:
有强酸性、弱酸性、强碱性和弱碱性纤维素离子交换剂。
使用Z广泛的是二乙胺基乙基纤维素(DEAE)和羧甲基纤维素(CM)。
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。
(3)应用:
适用于大分子多价电解质的分离。
2、交联葡聚糖离子交换剂:
交联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。
交联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。
G-50型离子交换剂适用于相对分子质量为3×104~3×106物质的分离,G-25型离子交换剂能交换相对分子质量较小(1×103~5×103)的蛋白质。
3、交联琼脂糖离子交换剂:
交联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。
交联琼脂糖离子交换剂对pH和温度的变化均较稳定,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。
如DEAE-SepharoseCL-6B为阴离子交换剂,CM-SepharoseCL-6B为阳离子交换剂,它们的外形呈珠状,网孔大,特别适用于相对分子质量大的蛋白质和核酸等化合物的分离,即使加快流速,也不影响分辨率。
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