离子交换剂的三个组成

1. 亲和层析的原理

4 亲和层析
4.1 原理 亲和层析是应用生物高分子与配基可逆结合的原理,将配基通过共价键牢固结合于载体上而制得的层析系统.这种可逆结合的作用主要是靠生物高分子对它的配基的空间结构的识别.常用的生物亲和关系有酶-底物、底物类似物、抑制剂、激活剂、辅因子,抗体-抗原,激素-受体蛋白、载体蛋白,外源凝集素-多糖、糖蛋白、细胞表面受体,核酸-互补核苷酸序列、组蛋白、核酸结合蛋白等 〔10,11〕 .
4.2 离子交换剂 亲和层析的层析剂可分为3个部分:
（1）载体,载体起支架作用,一般是偶联凝胶或多孔玻璃珠.
（2）间臂,由于生物大分子的空间位阻作用,需加一间臂,其长度具有重要作用.太长则增加了非特异性疏水吸附作用,太短则起不到应有的作用.
（3）配基,这是亲和层析的核心物质,在分离中起特异性吸附欲分离物的作用.配基一般分为天然配基（包括糖结合配基和蛋白质结合配基）、染料配基、氨基酸类亲和配基、核苷酸及核苷酸类似物配基和仿生配基等几类.其中利用计算机辅助设计的仿生配基 〔12～15〕 和膜层析 〔16〕 代表了亲和层析的发展方向.不仅是配基本身的结构,它们与载体的连接方法也与层析的分离能力有关 〔17〕 .
4.3 影响因素与洗脱 亲和层析中配基与欲分离物吸附作用的大小主要与配基的空间结构有关,因此可以用分子间相互作用的平衡常数K D 来衡量亲和作用强度 〔18〕 .但它们的结合力仍不外乎对应的功能基团之间的氢键、静电作用、疏水作用等.所以,除了可改变配基以改变亲和层析的作用强度以外,还可以通过改变pH和离子强度的方法来改变配基与生物大分子之间的亲和力,从而达到洗脱的目的 〔19〕 .但由于亲和层析的多样性,洗脱的条件常常需要通过实验来获得.除此以外,还可运用其它配基、抑制剂等物质与出层析剂上的配基或生物大分子产生竞争性结合,达到洗脱的目的,这种方法被称为专一性洗脱.专一性洗脱可以获得很高的分辨能力,但洗脱剂的价格较高,所以常与普通洗脱配合使用.值得注意的是,在洗脱时,会有少许配基与蛋白质一同被洗脱下来,因此常在其后加一凝胶层析以除去小分子的配基.
4.4 应用及举例 在实际使用中,配基与欲分离蛋白质之间的亲和力要控制在一定的范围之内,这是因为若亲和力太低,则分离的效果不好;若亲和力太高,则洗脱太困难.因此配基与欲分离蛋白质之间的K D 值一般控制在10 -4 10 -6 之间

2. 什么是离子交换剂

是能与溶液中的阳离子或阴离子进行交换的物质。

无机离子交换剂有天然或人造沸石、磷酸锆等，有机离子交换剂有磺化煤、各种离子交换树脂等：按交换性能不同，又可分为阳、阴离子型两类。一般不溶于酸、碱和多种溶剂中，使用后交换性能逐渐消失，可经过处理使之再生。

离子交换分离广泛用于

(1)实验室制备去离子水、工业上水的软化及高纯水的制备；

(2)试剂的制备，例如制备过氧化氢、次磷酸等；

(3)溶液和物质的纯化，例如从酸、碱和盐电解质中除去金属离子；

(4)除去干扰离子，例如，测定阴离子时，用阳离子交换树脂除去干扰的金属离子；

(5)金属离子的分离与核能材料的提取，例如从碱金属中分离过渡金属离子；

(6)痕量离子的浓缩；

(7)环境保护中含有害金属离子废水、有机废水的净化等。

3. 离子交换剂的介绍

凡是能够进行离子交换的这类物质都称为离子交换剂。离子交换剂分无机质类和有机内质容类两大类。无机质类又可分天然的——如海绿砂；人造的——如合成沸石。有机质类又分碳质和合成树脂两类。其中碳质类如磺化煤等；合成树脂类分阳离子型——如强酸性和弱酸性树脂；阴离子型——如强碱性和弱碱性树脂、两性树脂和螯合树脂等类。

4. 离子交换树脂的交换原理

离子交换树脂的内部结构，由三部分组成，分别是：

1、高分子骨。

由交联的高分子聚合物组成；

2、离子交换基团。

它连在高分子骨架上，带有可交换的离子（称为反离子）的离子型官能团或带有极性的非离子型官能团；

3、孔。

它是在干态和湿态的离子交换树脂中都存在的高分子结构中的孔（凝胶孔）和高分子结构之间的孔（毛细孔）。

在交联结构的高分子基体（骨架）上，以化学键结合着许多交换基团。这些交换基团也是由两部分组成：固定部分和活动部分。

交换基团中的固定部分被束缚在高分子的基体上，不能自由移动，所以称为固定离子；交换基团的活动部分则是与固定离子以离子键结合的符号相反的离子，称为反离子或可交换离子。反离子在溶液中可以离解成自由移动的离子，在一定条件下，它能与符号相同的其他反离子发生交换反应。

1、离子交换的选择性定义：

离子交换剂对于某些离子显示优先活性的性质。离子交换树脂吸附各种离子的能力不一，有些离子易被交换树脂吸附，但吸着后要置换下来就比较困难；而另一些离子很难被吸着，但被置换下来却比较容易，这种性能称为离子交换的选择性。离子交换树脂对水中不同离子的选择性与树脂的交联度、交换基团、可交换离子的性质、水中离子的浓度和水的温度等因素有关。

离子交换作用即溶液中的可交换离子与交换基团上的可交换离子发生交换。一般来说，离子交换树脂对价数较高的离子的选择性较大。对于同价离子，则对离子半径较小的离子的选择性较大。在同族同价的金属离子中，原子序数较大的离子其水合半径较小，阳离子交换树脂对其的选择性较大。对于强酸性阳离子交换树脂来说，它对一些离子的选择性顺序为：Fe3+>A13+>Ca2+>Mg2+>K+>Na+>H+。离子交换反应是可逆反应，但是这种可逆反应并不是在均相溶液中进行的，而是在固态的树脂和溶液的接触界面间发生的。这种反应的可逆性使离子交换树脂可以反复使用。

2、以001×7强酸阳离子交换树脂为例说明：

001×7强酸阳离子交换树脂是一种凝胶型离子交换树脂，其内部的网状结构中有无数四通八达的孔道，孔道里面充满了水分子，在孔道的一定部位上分布着可提供交换离子的交换基团。当原水当中的Ca2+，Mg2+等阳离子-扩散到树脂的孔道中时，由于该树脂对Ca2+，Mg2+等阳离子选择性强于对H+的选择性，所以H+就与进入树脂孔道中的Ca2+，Mg2+等阳离子发生快速的交换反应，Ca2+，Mg2+等阳离子被固定到树脂交换基团上面，被交换下来的H+向树脂的孔道中-扩散，最终扩散到水中。

（1）边界水膜内的扩散

水中的Ca2+，Mg2+等阳离子向树脂颗粒表面迁移，并扩散通过树脂表面的边界水膜层，到达树脂表面；

（2）交联网孔内的扩散（或称孔道扩散）

Ca2+，Mg2+等阳离子进入树脂颗粒内部的交联网孔，并进行扩散，到达交换点；

（03）离子交换

Ca2+，Mg2+等阳离子与树脂基团上的可交换的H+进行交换反应；

（4）交联网孔内的扩散

被交换下来的H+在树脂内部交联网孔中向树脂表面扩散。

（5）边界水膜内的扩散

最终扩散到水中。

鉴于离子交换树脂反应的可逆性，反应后的树脂通过处理，重新转化为原来的离子交换树脂，这样又可以进入下一循环，其循环次数视所用树脂类型不同而定。

5. 离子交换剂由哪三部分组成

以强酸性阳离子交换树脂的结构为例：一般现场用苯乙烯类的较多。主要结构分为三部分：骨架部分（比如苯乙烯白球）、活性基团（负载的活性离子）及可交换离子。

6. 离子交换介质的结构

使用离子交换色谱进行细分级分离是较为常见的一种蛋白纯化方式。它是根据蛋白质的电荷不同来分离蛋白质混合物，被分离的目的蛋白所携带的电荷能与离子交换剂中所带的相反电荷相结合，而且这两者之间的结合作用是可逆的，通过逐渐增加离子强度或改变洗脱液PH值的方式处理色谱柱，离子交换剂上结念差合的目的蛋白便可与洗脱液中的离子发生交换而被洗脱到溶液当中。由于不同蛋白质的电荷不同，其与离仔则皮子交换剂的结合能力也不同，所以根据蛋白洗脱到溶液中的先后顺序来进行提取，就可以轻松分离出我们需要的目标蛋白。

离子交换剂的介质种类还可分为离子交换树脂、离子交换纤维素和离子交换凝胶等。强离子交换树脂保持离子化的PH值范围较宽，而弱离子交换树脂若想保持离子化，就只能在很窄的PH值范围内进行处理。离子交换色谱的优点是具有极高的分辨率，因此可以通过放大规模的方式直接应用于工业生产中。盯返根据数据统计结果可知，大多数蛋白质的静电荷是为负值，因此阴离子交换色谱的应用在纯化蛋白领域的最为广泛。选择离子交换介质时，首先要考虑的一点就是目的蛋白的分子大小，因为蛋白分子的大小不但会影响介质上的带电基团，还会影响介质对蛋白分子的动力载量，从而影响分离的效果和速度。

7. 离子交换的基本原理

水处理中主要采用离子交换树脂和磺化煤用于离子交换。其中离子交换树脂应用广泛，种类多，而磺化煤为兼有强酸型和弱酸型交换基团的阳离子交换剂。
离子交换树脂按结构特征，分为：凝胶型、大孔型和等孔型氏芦;
按树脂母体种类，分为：苯乙烯系、酚醛系和丙烯酸系等;
按其交换基团性质，分为：强酸型、弱酸型、强碱型和弱碱型。
⑴离子交换树脂的构造
是由空间网状结构骨架(即母体)与附属在骨架上的许多活性基团所构成的不溶性高分子化合物。活性基团遇水电离，分成两部分：固定部分，仍与骨架牢固结合，不能自由移动，构成所谓固定离子，活动部分，能在一定范围内自由移动，并与其周围溶液中的其他同性离子进行交换反应，称为可数孝交换离子。
⑵基本性能
①外观
呈透明或半透明球形，颜色有乳白色、淡黄色、黄色、褐色、棕褐色等，
②交联度
指交联剂占树脂原料总重量的百分数。对树脂的许多性能例如交换容量、含水率、溶胀性、机械强度等有决定性影响，一般水处理中树脂的交联度为7%～10%。
③含水率
指每克湿树脂所含水分的百分率，一般为50%，交联度越大，孔隙越小，含水率越少。
④溶胀性
指干树脂用水浸泡而体积变大的现象。一般来说，交联度越小，活性基团越容易电离，可交换离子的水合离子半径越大，则溶胀度越大;树脂周围溶液电解质浓度越高，树脂溶胀率就越小。
在生产中应尽量保证离子交换器有长的工作周期，减少再生次数，以延长树脂的使用寿命。
⑤密度
分为干真密度、湿真密度和湿视密度
⑥交换容量
是树脂最重要的性能，是设计离子交换过程装置时所必须的数据，定量地表示树脂交换能力的大小。分为全交换容量和工作交换容量。
⑦有效PH范围
由于树脂的交换基团分为强酸强碱和弱酸弱碱，所以水的PH值对其电离会产生影响，影响其工作交换容量。弱碱只能在酸性溶液中以及弱酸在碱性溶液中有较高的交换能力。
⑧选择性
即离子交换树脂对水中某种离子能优先交换的性能。除与树脂类型有关外，还与水中湿度和离子浓度有关。
⑨离子交换平衡
离子交换反应是可逆反应，服从质量作用定律和当量定律。经过一定时间，离子交换体系中固态的树脂相和溶液相之间的离子交换反应达到平衡，其平衡常数也称为离子交换选择系数。降低反应生成物的浓度有利于交换反应的进行。
⑩离子交换速率
主要受离子交换过程中离子扩散过程的影响。歼毕带
其他性能：如溶解性、机械强度和耐冷热性等。离子交换树脂理论上不溶于水，机械强度用年损耗百分数表示，一般要求小于3%～7%/年。另外，温度对树脂机械强度和交换能力有影响。温度低则树脂的机械强度下降，阳离子比阴离子耐热性能好，盐型比酸碱型耐热好。
⑶树脂层离子交换过程
以离子交换柱中装填钠型树脂，从上而下通以含有一定浓度钙离子的硬水为例，以交换柱的深度为横坐标，以树脂的饱和度为纵坐标，可绘得某一时刻的饱和度曲线。就整个交换过程而言，树脂层的变化可分为三个阶段。

8. 废水离子交换处理法的离子交换剂

有无机和有机质两类。前者如天然物质海绿砂或合成沸石；后者如磺化煤和树脂。专
交换剂由两部分组成属，一是不参加交换过程的惰性物母体，如树脂的母体是由高分子物质交联而成的三维空间网络骨架；一是联结在骨架上的活性基团（带电官能团）。母体本身是电中性的。活性基团包括可离解为同母体紧密结合的惰性离子和带异号电荷的可交换离子。可交换离子为阳离子(活性基团为酸性基)时，称阳离子交换树脂；可交换离子为阴离子(活性基团为碱性基)时，称阴离子交换树脂。阳、阴离子交换树脂又可根据它们的酸碱性反应基的强度分为强酸性和弱酸性，强碱性和弱碱性等。强酸性阳离子交换树脂可用 R—SO3H表示,R为母体,—SO3H为活性基团。后者在溶液中可离解为惰性离子R—SO婣和可交换离子H+。弱碱性阳树脂可用R—COOH表示。强碱性季胺型阴树脂可用R匵NOH表示，弱碱性叔胺、 仲胺、 伯胺型阴树脂分别用R呏NHOH、R=NH2OH、R—NH3OH表示，R代表母体，其他部分代表活性基团。