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，即溶液中的離子結合到載體上而載體上的離子被(bèi)替換下來。若惰性載體上以共價鍵結合著(zhe)帶正電荷的活性基團，則可交換陰離子，叫(jiào)陰離子交換劑;若以共價鍵結合著(zhe)帶負電荷的活性基團，則可交換陽離子，叫(jiào)陽離子交換劑。在一定的條件下，混合物中不同蛋白質所帶電荷的性質及電荷多少不同，有的能(néng)與特定離子交換劑結合，有的不能(néng)結合;能(néng)與離子交換劑結合的蛋白質中，結合力的大小也不一定相同，所以，采用适當的洗脫條件，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代表蛋白質分子。

樣品進入離子交換柱之前，共價結合于惰性載體上的活性基團大部分處于溶劑化狀态，并吸附著(zhe)平衡緩沖液中帶相反電荷的離子。蛋白質樣品進入離子交換柱後，由于分子表面(miàn)一些基團的電荷性質與交換劑上活性基團的電荷性質相反，因而會通過靜電引力結合于交換劑上，并把其原來吸附的平衡離子取代下來。 蛋白質是兩性電解質，它與離子交換劑的結合力取決于分子表面(miàn)能(néng)夠與離子交換劑形成(chéng)靜電鍵的數目，而後者首先與分子所攜帶的電荷的數目有關，其次與蛋白質分子的大小及電荷排列也有一定關系，因爲它們與蛋白質分子是否易于在離子交換劑上的适當部位形成(chéng)靜電鍵有關。總的來說，蛋白質分子與交換劑之間存在三種不同的結合狀态：①蛋白質分子與交換劑之間的靜電鍵數目很多，以緻它們同時解離的機率等于零。洗脫時，這部分蛋白質由于結合緊密而停留在柱頂端。②蛋白質分子與交換劑之間的靜電鍵數目相對較少，它們同時解離的機率達到某一有限值(0～1之間)。洗脫時，某一種蛋白質分子的靜電鍵在某一時間裏同時解離，随洗脫液向(xiàng)下移動。③蛋白質分子與交換劑之間的靜電鍵數目極少，完全不與交換劑結合。處于這種狀态的蛋白質分子随洗脫液的前峰移動，呈現一個高而窄的“穿過峰’’(“不交換峰”)。如果混合物中有幾種蛋白質同時處于這種狀态，那麽它們會同時被(bèi)洗脫下來，達不到分離目的。采用陽離子交換劑時，帶負電荷的蛋白質分子不能(néng)結合而呈“穿過峰”洗脫下來。

蛋白質分子在離子交換劑上的結合狀态是随著(zhe)環境條件的變化而改變的。洗脫就(jiù)是通過改變緩沖液離子強度或/和pH來改變蛋白質與交換劑的結合狀态，降低其與交換劑的結合力，使交換上去的不同蛋白質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争性離子的存在，與交換劑結合的蛋白質分子被(bèi)取代下來進入洗脫液中。洗脫液中離子種類不同時，取代能(néng)力不一樣。改變緩沖液的pH時，蛋白質分子的解離度降低，電荷減少，從而減弱其與交換劑的結合力。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(miàn)的條件，有利于分離複雜的蛋白質混合物。在恒定的洗脫條件下，往往難以將(jiāng)複雜的蛋白質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混合樣品。

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

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