SEPLIFE ®, Alles, was Sie über die Ionenaustauschchromatographie wissen müssen

Einführung in die Ionenaustauschchromatographie:

Die Ionenaustauschchromatographie ist eine Säulenchromatographiemethode, die den Unterschied in der elektrostatischen Kraft zwischen den austauschbaren Ionen am Ionenaustauscher und den verschiedenen im umgebenden Medium getrennten Ionen nutzt und den Zweck der Trennung durch Austauschgleichgewicht erreicht. Die Ionenaustauschchromatographie bietet die Vorteile hoher Empfindlichkeit, Wiederholbarkeit, guter Selektivität und schneller Analysegeschwindigkeit und ist derzeit eine der am häufigsten verwendeten Chromatographiemethoden. 

Im Jahr 1848 stellten Thompson et al. entdeckte das Phänomen des Ionenaustausches bei der Untersuchung des Austauschs alkalischer Substanzen im Boden. In den 1940er Jahren erschienen Polystyrol-Ionenaustauscherharze mit stabilen Austauscheigenschaften. In den 1950er Jahren hielt die Ionenaustauschchromatographie Einzug in die Biochemie und wurde zur Analyse von Aminosäuren eingesetzt. Derzeit ist die Ionenaustauschchromatographie immer noch eine häufig verwendete Chromatographiemethode auf dem Gebiet der Biochemie und wird häufig bei der Trennung und Reinigung verschiedener biochemischer Substanzen wie Aminosäuren, Proteine, Zucker, Viren und Nukleotide eingesetzt.

Der Ionenaustauschprozess:  

Die Reaktion zwischen dem Ionenaustauscher und den Ionen oder ionischen Verbindungen in der Lösung erfolgt hauptsächlich durch Ionenaustausch. Die durchgeführte Ionenaustauschreaktion ist reversibel. Unter der Annahme, dass RA den Kationenaustauscher darstellt, kann das in der Lösung dissoziierte Kation A+ eine reversible Austauschreaktion mit dem Kation B+ in der Lösung eingehen, und die Reaktionsformel lautet:

RA + B+ – RB + A+

Die Reaktion erreicht mit extrem hoher Geschwindigkeit ein Gleichgewicht und die Gleichgewichtsverschiebung folgt dem Massenwirkungsgesetz. 

Die Selektivität eines Ionenaustauschers kann durch die Gleichgewichtskonstante K seiner Reaktion ausgedrückt werden:

K锛漑RB][A+]/[RA][B+]

✔Wenn [A+] gleich [B+] in der Reaktionslösung ist, dann ist K=[RB]/[RA].

✔Wenn K>1, also [RB]>[RA], bedeutet dies, dass die Bindungskraft des Ionenaustauschers an B+ größer ist als die von A+;

✔Wenn K=1, also [RB]=[RA], bedeutet dies, dass der Ionenaustauscher die gleiche Bindungskraft an A+ und B+ hat;

✔Wenn K

✔Der K-Wert ist ein Parameter, der die Bindungskraft bzw. Selektivität des Ionenaustauschers gegenüber verschiedenen Ionen widerspiegelt, daher wird der K-Wert als Selektivitätskoeffizient des Ionenaustauschers für A+ und B+ bezeichnet.

Mechanismus des Ionenaustausches:

A+ diffundiert von der Lösung zur Harzoberfläche.

A+ dringt von der Oberfläche des Harzes in das aktive Zentrum im Inneren des Harzes ein.

A+ geht eine Metathesereaktion mit RB am aktiven Zentrum ein.

Das desorbierte Ion B+ diffundiert vom Inneren des Harzes zur Oberfläche des Harzes.

B+-Ionen diffundieren von der Harzoberfläche in die Lösung.

Der steuernde Schritt der Austauschrate ist die Diffusionsrate, die in verschiedenen Trennsystemen durch interne Diffusion oder externe Diffusion gesteuert werden kann.

Faktoren, die den Ionenaustauschprozess beeinflussen: 

✔Partikelgröße: Je kleiner, desto schneller

✔Vernetzungsgrad: geringer Vernetzungsgrad, schnelle Austauschgeschwindigkeit

✔Temperatur: je höher, desto schneller, es hängt mit der Erhöhung des Diffusionskoeffizienten zusammen

✔Ionenwertigkeit: Je höher die Wertigkeit, desto langsamer die Diffusionsgeschwindigkeit

✔Ionengröße: Je kleiner, desto schneller

✔ Rührgeschwindigkeit: Bis zu einem gewissen Grad gilt: je größer, desto schneller

✔Lösungskonzentration: Wenn die Austauschrate durch Diffusion gesteuert wird, ist die Austauschrate umso schneller, je höher die Konzentration ist

Prinzip des Ionenaustausches:

Wird ein Kationenaustauscherharz gewählt, wird der positiv geladene Stoff mit H+ ausgetauscht und an das Harz gebunden. Wird ein Anionenaustauscherharz gewählt, kann der negativ geladene Stoff mit OH- ausgetauscht und an das Harz gebunden werden.

Es gibt Unterschiede im Festigkeitsgrad der Substanzkombination auf dem Harz, und die Komponenten in der Mischung können einzeln eluiert werden, indem ein geeignetes Elutionsmittel ausgewählt wird, um den Zweck der Trennung und Reinigung zu erreichen.

✔1. Äquilibrierungsstufe: Kombination von Ionenaustauscher und Gegenion

✔2. Adsorptionsstufe: Proben- und Gegenionenaustausch

✔3. Desorptionsstufe: Die Gradientenpufferlösung wäscht zunächst die schwach adsorbierten Substanzen und dann die stark adsorbierten Substanzen ab

✔4. Regenerationsphase: Vollständiges Waschen mit der ursprünglichen Restlösung, die wiederverwendet werden kann

Ionenaustauschchromatographieharze:

Die geladenen Gruppen von Kationenaustauschern sind negativ geladen, die Gegenionen sind positiv geladen, wodurch in Lösung Austauschreaktionen mit Kationen oder positiv geladenen Verbindungen durchgeführt werden können.

Entsprechend der Stärke der geladenen Gruppe kann sie in drei Typen unterteilt werden: stark saurer Typ (Gruppe mit Sulfonsäure, R-SO3H), mittelstarker Säuretyp (enthaltend Phosphorsäuregruppe oder phosphorige Säuregruppe, R-PO3H2). ) und schwach saurer Typ (mit Carboxylgruppe und phenolbasiertem Harz, R-COOH oder R-Benzolring-OH).

Beim Austausch dieser Austauscher werden die Wasserstoffionen durch fremde Kationen ersetzt, wie die folgende Formel zeigt:

R锛岰OOH锛婲a+锛漅锛岰OONa锛嬶紜H+

Der Anionenaustauscher wird durch Einführung von quartären Amin-[-N(CH3)3]-, tertiären Amin-[-N(CH3)2]-, sekundären Amin-[-NHCH3]- und primären Amin-[-NH2]-Gruppen auf der Matrix gebildet.

Entsprechend dem unterschiedlichen Grad der Alkalität der Amingruppen können sie in drei Typen unterteilt werden: stark basisch (einschließlich quartärer Aminogruppe), schwach basisch (einschließlich tertiärer und sekundärer Aminogruppe) und mittelbasisch (enthält sowohl stark basische Gruppen als auch). schwache Grundgruppe).

Beim Austausch mit Ionen in Lösung lautet die Reaktionsformel wie folgt:

Weitere Informationen zu den spezifischen Arten von Ionenaustausch-Chromatographieharzen finden Sie in unserem nächsten Artikel über Ionenaustausch-Chromatographie.