离子交换色谱：原理、步骤和应用

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介绍

离子交换色谱是一种分离和纯化蛋白质、肽、核酸和其他带电生物分子强有力的技术，其原理是基于这些分子的净电荷。

该技术涉及使用固定相，固定相由具有固定电荷基团的树脂组成，这些基团根据目标分子的电荷特性与之结合。离子交换色谱的原理基于生物分子对树脂上电荷基团的不同亲和力，这使得能够从复杂的生物分子混合物中选择性分离目标分子。

以下内容详细阐述了离子交换色谱的原理、步骤和应用。

离子交换色谱的原理

离子交换色谱的原理基于带电生物分子与树脂上电荷基团之间的静电相互作用。

固定相由具有固定电荷基团的树脂组成，这些基团带正电或负电。当将带电生物分子的混合物通过树脂时，与固定相电荷相反的分子会被吸引并结合到树脂上，而与固定相电荷相同的分子会被排斥并通过柱子而不结合。

然后可以通过改变洗脱缓冲液的离子强度或pH值将结合的分子从柱上洗脱下来，这会破坏树脂上电荷基团与结合的生物分子之间的静电相互作用。

离子交换色谱的两种类型是：

• 阴离子交换色谱和

• 阳离子交换色谱。

阴离子交换色谱使用带正电的树脂来结合带负电的生物分子。

阳离子交换色谱使用带负电的树脂来结合带正电的生物分子。树脂和缓冲条件的选择取决于目标生物分子的电荷特性。

离子交换色谱的步骤

离子交换色谱涉及以下几个步骤：

装柱

离子交换色谱的第一步是装柱，这涉及将树脂装入色谱柱中。树脂通常使用适当缓冲液中的树脂珠浆装入预平衡的柱中。

然后用缓冲液洗涤色谱柱以去除任何未结合的树脂珠并使色谱柱与所需的缓冲条件平衡。

样品上样

色谱柱平衡后，将含有目标生物分子的样品加载到色谱柱上。样品通常以低流速施加，以确保样品在树脂床上均匀分布。

样品在与平衡缓冲液匹配的缓冲液中加载到色谱柱上，这确保了目标生物分子在整个加载过程中保持稳定状态。

洗涤

样品加载到色谱柱上后，用缓冲液洗涤色谱柱以去除任何未结合的生物分子并减少非特异性结合。

洗涤步骤通常涉及使用高盐浓度缓冲液，该缓冲液破坏生物分子与树脂之间的非特异性相互作用。然后将缓冲液切换回平衡缓冲液，以确保目标生物分子保持结合在树脂上。

洗脱

离子交换色谱的最后一步是洗脱，这涉及将结合的生物分子从树脂上释放出来。洗脱通常是通过改变洗脱缓冲液的离子强度或pH值来实现的，这会破坏树脂上电荷基团与结合的生物分子之间的静电相互作用。

必须仔细优化洗脱条件，以确保目标生物分子以高纯度和高产率从柱上洗脱下来。

离子交换色谱的应用

离子交换色谱的一些最常见应用包括：

蛋白质纯化

许多蛋白质在生理pH值下具有净电荷，这使得它们能够通过离子交换色谱分离。阴离子交换色谱常用于纯化带正电荷的蛋白质，而阳离子交换色谱常用于纯化带负电荷的蛋白质。该技术可用于从复杂的混合物（例如其他蛋白质、核酸和脂类）中分离目标蛋白质和其他污染物。

肽纯化

离子交换色谱也常用于肽的纯化。由于肽的尺寸较小且杂质混合物更为复杂，因此通常比蛋白质更难纯化。离子交换色谱可用于根据其净电荷分离目标肽和其他污染物。

核酸纯化

离子交换色谱可用于纯化核酸，例如DNA和RNA。该技术依赖于核酸的电荷特性，以将其从复杂混合物中的其他污染物中分离出来。阴离子交换色谱常用于纯化DNA，而阳离子交换色谱常用于纯化RNA。

疫苗生产

离子交换色谱广泛应用于疫苗生产。该技术可用于从细胞培养上清液中纯化病毒颗粒，例如流感病毒、麻疹病毒和腺病毒。该技术也可用于纯化用作疫苗抗原的重组蛋白，例如人乳头瘤病毒病毒样颗粒。

质量控制

离子交换色谱是生物制药行业质量控制的重要工具。该技术可用于分析蛋白质和肽类药物（例如单克隆抗体和胰岛素）的纯度和特性。

离子交换色谱也可用于分析这些药物的电荷异质性，这会影响其生物活性和药代动力学。

结论

离子交换色谱是一种分离和纯化基于其净电荷的生物分子的强有力技术。该技术依赖于树脂上电荷基团与样品中带电生物分子之间的静电相互作用。

离子交换色谱在生物制药行业具有广泛的应用，包括蛋白质和肽纯化、核酸纯化、疫苗生产和质量控制。

该技术通常与其他色谱技术结合使用，以实现更高的纯度并提供目标生物分子的全面表征。