所謂離子交換，是指溶液中的某一種離子與另一種靠靜電力結(jié)合在惰性載體上的離子進行可逆交換的過程，即溶液中的離子結(jié)合到載體上而載體上的離子被替換下來。若惰性載體上以共價鍵結(jié)合著帶正電荷的活性基團，則可交換陰離子，叫陰離子交換劑;若以共價鍵結(jié)合著帶負電荷的活性基團，則可交換陽離子，叫陽離子交換劑。在一定的條件下，混合物中不同蛋白質(zhì)所帶電荷的性質(zhì)及電荷多少不同，有的能與特定離子交換劑結(jié)合，有的不能結(jié)合;能與離子交換劑結(jié)合的蛋白質(zhì)中，結(jié)合力的大小也不一定相同，所以，采用適當?shù)南疵摋l件，可以對它們進行有效的分離。離子交換過程可以表示如下：

■一R+Y一+x一→■一R+X一+Y一

(陰離子交換) ■一R—Y++x+→■一R—X++Y+ (陽離子交換)

上式中，■代表惰性載體;R代表惰性載體上的活性基團;Y代表平衡離子(可替換離子); x代表蛋白質(zhì)分子。

樣品進入離子交換柱之前，共價結(jié)合于惰性載體上的活性基團大部分處于溶劑化狀態(tài)，并吸附著平衡緩沖液中帶相反電荷的離子。蛋白質(zhì)樣品進入離子交換柱后，由于分子表面一些基團的電荷性質(zhì)與交換劑上活性基團的電荷性質(zhì)相反，因而會通過靜電引力結(jié)合于交換劑上，并把其原來吸附的平衡離子取代下來。 蛋白質(zhì)是兩性電解質(zhì)，它與離子交換劑的結(jié)合力取決于分子表面能夠與離子交換劑形成靜電鍵的數(shù)目，而后者首先與分子所攜帶的電荷的數(shù)目有關(guān)，其次與蛋白質(zhì)分子的大小及電荷排列也有一定關(guān)系，因為它們與蛋白質(zhì)分子是否易于在離子交換劑上的適當部位形成靜電鍵有關(guān)。總的來說，蛋白質(zhì)分子與交換劑之間存在三種不同的結(jié)合狀態(tài)：①蛋白質(zhì)分子與交換劑之間的靜電鍵數(shù)目很多，以致它們同時解離的機率等于零。洗脫時，這部分蛋白質(zhì)由于結(jié)合緊密而停留在柱頂端。②蛋白質(zhì)分子與交換劑之間的靜電鍵數(shù)目相對較少，它們同時解離的機率達到某一有限值(0～1之間)。洗脫時，某一種蛋白質(zhì)分子的靜電鍵在某一時間里同時解離，隨洗脫液向下移動。③蛋白質(zhì)分子與交換劑之間的靜電鍵數(shù)目極少，完全不與交換劑結(jié)合。處于這種狀態(tài)的蛋白質(zhì)分子隨洗脫液的前峰移動，呈現(xiàn)一個高而窄的“穿過峰’’(“不交換峰”)。如果混合物中有幾種蛋白質(zhì)同時處于這種狀態(tài)，那么它們會同時被洗脫下來，達不到分離目的。采用陽離子交換劑時，帶負電荷的蛋白質(zhì)分子不能結(jié)合而呈“穿過峰”洗脫下來。

蛋白質(zhì)分子在離子交換劑上的結(jié)合狀態(tài)是隨著環(huán)境條件的變化而改變的。洗脫就是通過改變緩沖液離子強度或/和pH來改變蛋白質(zhì)與交換劑的結(jié)合狀態(tài)，降低其與交換劑的結(jié)合力，使交換上去的不同蛋白質(zhì)分子以不同速度洗脫下來，達到分離純化的目的。增加緩沖液的離子強度時，由于洗脫液中高離子強度競爭性離子的存在，與交換劑結(jié)合的蛋白質(zhì)分子被取代下來進入洗脫液中。洗脫液中離子種類不同時，取代能力不一樣。改變緩沖液的pH時，蛋白質(zhì)分子的解離度降低，電荷減少，從而減弱其與交換劑的結(jié)合力。應用陰離子交換劑時要降低pH;應用陽離子交換劑時要升高pH。有時，同時改變兩個方面的條件，有利于分離復雜的蛋白質(zhì)混合物。在恒定的洗脫條件下，往往難以將復雜的蛋白質(zhì)混合樣品有效地分離。通常采用不斷改變洗脫條件的方法，即用梯度洗脫的方法來分離蛋白質(zhì)混合樣品。

雖然離子交換層析法分離蛋白質(zhì)時，主要通過離子交換的作用，但實際上也可能存在 一些疏水吸附和分子篩作用。

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