一、原理
离子交换是指溶液中的某种离子与固体中带相同电荷的另一种离子之间的位置交换，即溶液中的离子跑到固体上，与固体上的离子发生置换。此处，溶液称为流动相，固体称为固定相。
离子交换剂是通过化学反应将带电基团引入惰性载体上形成的。若带电基团带负电，则可结合阳离子，称为阳离子交换剂；如果带电基团带正电，它可以结合阴离子，称为阴离子交换剂。静电结合到离子交换剂上的离子称为抗衡离子。使用该方法的关键是找到合适的条件，使某些化合物离子化并溶于水，从而用该方法进行分离纯化。
通过孔隙进入交换器内部的离子交换过程可概括为： 溶液中的带电粒子扩散到交换器表面； 通过换热器表面扩散到换热器内表面？ 这些带电离子占据了交换剂中原有自由离子的位置； 交换器中的原始离子从交换器的孔隙中扩散出来，到达交换器的表面； 交换器中的原始离子最终扩散到溶液中。
对于氨基酸和蛋白质，因为它们的分子既有带正电荷的基团，也有带负电荷的基团。所以阴离子和阳离子交换剂都可以将它们结合起来。如果pH 升高，则分子带负电荷；当pH 值降低时，分子带正电；在它们的等电点，分子含有相等数量的正电荷和负电荷。这一性质对蛋白质的纯化大有裨益。例如，可将蛋白质混合物的pH调节至所需蛋白质带正电的点，此时可在阳离子交换剂上对蛋白质混合物进行色谱分离以除去许多阴离子组分。需要指出的是，即使不能改变混合物的pH值，通过阴阳离子交换剂连续交替层析也可以在很大程度上获得纯化。
2.离子交换剂的种类
用于生物大分子层析的离子交换剂主要有四种类型：球形高交联度离子基团合成树脂（离子交换树脂）>带离子基团的纤维素粉（离子交换纤维素）；具有离子基团的球形交联多糖（交联葡聚糖离子交换剂）；涂有离子物质的粉末材料（涂有甲基化血清白蛋白或组蛋白阿利特或硅胶的硅）。最后一种交换剂是一种特殊的离子交换剂，主要用于分离核酸，这里不再赘述。
(1)离子交换树脂
聚苯乙烯离子交换树脂是离子交换树脂中最重要的一类，它是由苯乙烯和二乙烯基苯的共聚物为骨架，再引入所需的酸性或碱性基团而成。例如，聚苯乙烯磺化阳离子交换树脂是由苯乙烯（基体）和二乙烯基苯（交联剂）共聚，然后磺化引入磺酸基团而成。其中以苯乙烯为主要成分，形成网络的直链，其上带有可离解的磺酸基团，二乙烯基苯交联直链形成网络结构，所得产物呈海绵状结构。磺酸盐与树脂连接，离子和磺酸盐的负电荷相互平衡。粒子内部就像苯磺酸的浓溶液，但负自由基不能自由移动，只能与外界离子交换氢离子。
调整加入的不同悬浮稳定剂的温度、粘度和机械搅拌速度，控制介质，得到不同尺寸和规格的树脂（直径从1f^m到2mm），改变苯乙烯的用量，得到不同交联度的树脂.根据所引入的离解基团的性质，可分为以下两类离子交换树脂。
聚苯乙烯阳离子交换树脂： 该型交换剂又可分为强酸型、中强酸型和弱酸型三种，每一种都含有下列可离解基团。
在这些交换器中，氢离子在交换过程中被外来阳离子取代，如下式所示：
聚苯乙烯阴离子交换树脂：还可进一步分为强碱性、中强碱性和弱碱性三类。这三种都含有胺基，根据胺基的碱度来分碱度的强弱。例如，季铵盐[-N+(CH3)4]呈强碱性，而叔胺[-N(CH3)2]、仲胺[-NHCH3]、伯胺[-NH2]均呈弱碱性。含有强碱基和弱碱基的为中强碱基，交换反应如下：
R—N+(CH3)4OH+Cl-^=^R-N+(CH3)4C1-+0H-
R-N(CH3)2+HC1^=^R-N(CH3)2.HC1
R—N(CH3)2+H20^=^R-N(CH3)2H.OH-
2、聚丙烯酸阳离子交换树脂是由甲基丙烯酸和二乙烯基苯聚合而成。此类树脂交换容量大，每克干重树脂可交换l0mm0l/L物质。在pH 8以下，这类树脂中的羧基没有完全解离，因此树脂只有在较高的pH值下才具有完全的交换容量。由于相邻羧基之间的短距离缔合具有高PK 值，尤其是在低离子树脂强度下。这种高度缔合的非离子化羧基在树脂表面形成亲水层，对极性分子有非常有效的吸附作用。
一类由丙烯酸或甲基丙烯酸在季铵阳离子交换树脂（如Dowexl）中聚合而成的树脂称为“蛇笼树脂” Snake-cageresins 结构如下：
CH—CH2—N+(CH3)3—0—C0—CH
ch2ch2
CH——CH2—N+(C03)3—O—CO—CH
CH2
由于树脂中的羧基(-coo-)与季氨基[-n+(ch3)4]是等价的，所以该树脂在反应中呈中性。此类树脂可用于生化脱盐。例如，当NaCl溶液通过这类树脂柱时，Na+被树脂中的一个co-去除，而cr-被一个季胺基团去除，所以脱盐后的溶液没有明显的pH变化和用水洗柱回收盐。这些树脂还可用于将非电解质与电解质分离，因为非电解质直接流过色谱柱。也用于分离电解质和大分子等电点两性电解质，因为前者不能进入树脂的网孔。
(2) 离子交换纤维素
离子交换纤维素使用纤维素作为支持介质。这种纤维素是从棉花、软木和硬木中分离出来的
的。离子交换纤维素广泛应用于大分子的分离，因为它具有松散的亲水性网络， 有较大的表面积，大分子可以自由通过。对于蛋白质来说，它具有很大的吸附容量，有较好 的通透性。由于组成纤维素的糖残基的羟基被取代的百分比较低，产生的离子交换纤维素 的电荷密度比Dowex低得多，所以洗脱条件温和，回收率高。可以说，离子交换纤维素的 出现，使得对酶和其他蛋白质的层析提纯有了重大改进。离子交换纤维素有两种类型：阳离子交换纤维素和阴离子交换纤维素。关于这些交换 剂的结构式和某些性质列于表3-13-4中。目前经常使用的有以下几种:DEAE-纤维素是 中等强度的阳离子交换剂;ECTEOLA-纤维素是很弱的弱碱型离子交换剂;CM-纤维素
是弱酸型的;P-纤维素和SE-纤维素是强酸型的。离子交换纤维素的大多数离子基团都能 有效地吸附离子化的大分子。和离子交换树脂相比，单位重量的离子交换纤维素具有较少 的离子基团（0. 3Hmol/L〜1. O/umol/L)，因此，盐浓度的微小变化会直接影响它对大分子 的吸附容量。
表3-13-4离子交换纤维素
分 类
名 称
简 写
总容量
(mmol/L)
在下列溶液中的PK值
水
0. 01mol/L NaCl
0. 5mol/L NaCl
阳
离
换
纤
维
窣
强酸型
磷酸纤维素
P-纤维素
2X0. 6〜0. 9
2. 7；7. 4
—；6. 2
磺甲基纤维素
SM-纤维素
0. 40
2.5
磺乙基纤维素
SE-纤维素
0. 42
2.2
弱酸型
羧甲基纤维素
CM-纤维素
0.4 〜0.7
3. 8〜4. 2
3. 6
阴
离
换
纤
维
素
弱碱型
二乙基氨基乙基 纤维素
DEAE-纤维素
0. 7 〜0. 9
6. 5〜8. 5
9.1 〜9. 2
氨基乙基纤维素
AE-纤维素
ECTEOLA-纤维 素
ECTEOLA-纤维 素
0.4
对氨基苯甲基纤 维素
PAB-纤维素
0. 2〜0. 5
强碱型
三乙基氨基乙基 纤维素
TEAE-纤维素
0.8
季碱
三甲基氨基乙基 纤维素
TMAE-纤维素
0.3
季碱
狐乙基纤维素
GE-纤维素
0.2 〜0.5
5. 8〜6. 0
7. 4〜7. 6
离子交换纤维素按其纤维的长短又可分为两类。长纤维的离子交换纤维素适用于制 备层析;短纤维的适用于分析层析。有一种新型的离子交换纤维素，叫做微球型纤维，已经 开始使用。它不同于老式的纤维状的离子交换纤维素。它的纤维经过处理，除去了纤维素 的无定形部分，仅剩下大小比较均一的微晶形部分。这部分经过化学交联，可以防止过度 膨胀，并产生稠密的棒形颗粒，这种颗粒能提高柱的容量和电荷密度。因此，这种交换剂所 具有的实际效应与Dowex增加交联度的效应一样。
在实际使用中，究竟使用哪种离子交换纤维素，要根据具体情况。例如，如果样品不稳 定，为了减少样品与纤维素的接触时间，要用分辨力较低的纤维状离子交换纤维素，因为 它的流速较高，这时就不得不放弃微球形离子交换纤维素的高分辨力。
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