セプライフ ®イオン交換クロマトグラフィーについて知っておくべきこと

イオン交換クロマトグラフィーの概要:

イオン交換クロマトグラフィーは、イオン交換体上の交換可能なイオンと周囲の媒体で分離されたさまざまなイオンとの間の静電気力の差を利用し、交換平衡を介して分離の目的を達成するカラムクロマトグラフィー法です。イオン交換クロマトグラフィーは、高感度、再現性、優れた選択性、および高速分析速度の利点があり、現在最も一般的に使用されているクロマトグラフィー法の1つです。 

1848年、トンプソンらは土壌中のアルカリ物質の交換を研究する過程でイオン交換現象を発見しました。1940年代には、安定した交換特性を持つポリスチレンイオン交換樹脂が登場しました。1950年代には、イオン交換クロマトグラフィーが生化学の分野に入り、アミノ酸の分析に応用されました。現在でも、イオン交換クロマトグラフィーは生化学の分野でよく使用されるクロマトグラフィー法であり、アミノ酸、タンパク質、糖、ウイルス、ヌクレオチドなどのさまざまな生化学物質の分離と精製に広く使用されています。

イオン交換プロセス:  

イオン交換体と溶液中のイオンまたはイオン化合物との反応は、主にイオン交換によって行われます。行われるイオン交換反応は可逆的です。RA が陽イオン交換体を表すと仮定すると、溶液中で解離した陽イオン A+ は溶液中の陽イオン B+ と可逆的な交換反応を起こすことができ、反応式は次のようになります。

RA + B+ ∫™ RB + A+

反応は非常に速い速度で平衡に達し、平衡の変化は質量作用の法則に従います。 

イオン交換体の選択性は、その反応の平衡定数 K によって表すことができます。

K锛糖RB][A+]/[RA][B+]

✔反応溶液中の[A+]が[B+]に等しい場合、K=[RB]/[RA]となります。

✔K>1、つまり[RB]>[RA]の場合、イオン交換体のB+に対する結合力はA+に対する結合力よりも大きいことを意味します。

✔K=1、つまり[RB]=[RA]の場合、イオン交換体はA+とB+に対して同じ結合力を持つことを意味します。

✔K

✔K 値は、イオン交換体のさまざまなイオンに対する結合力または選択性を反映するパラメータであるため、K 値は A+ および B+ に対するイオン交換体の選択係数と呼ばれます。

イオン交換のメカニズム：

A+は溶液から樹脂表面に拡散します。

A+は樹脂の表面から樹脂内部の活性中心に入ります。

A+は活性中心でRBとメタセシス反応を起こす。

脱着したイオンB+は樹脂内部から樹脂表面へ拡散します。

B+イオンは樹脂表面から溶液中に拡散します。

交換速度を制御するステップは拡散速度であり、これはさまざまな分離システムで内部拡散または外部拡散によって制御される場合があります。

イオン交換プロセスに影響を与える要因: 

✔粒子サイズ：小さいほど速い

✔架橋度：架橋度が低い、交換速度が速い

✔温度：高いほど速く、拡散係数の増加に関係する

✔イオン価数：価数が高いほど拡散速度は遅くなる

✔イオンサイズ：小さいほど速い

✔ 撹拌速度：ある程度、大きいほど速い

✔溶液濃度：交換速度が拡散によって制御される場合、濃度が高いほど交換速度は速くなります。

イオン交換の原理：

陽イオン交換樹脂を選択した場合、正に帯電した物質は H+ と交換され、樹脂に結合します。陰イオン交換樹脂を選択した場合、負に帯電した物質は OH- と交換され、樹脂に結合します。

樹脂上の物質の組み合わせの固さには違いがあり、適切な溶出液を選択することで混合物中の成分を一つずつ溶出させ、分離・精製の目的を達成することができます。

✔1. 平衡段階：イオン交換体と対イオンの組み合わせ

✔2. 吸着段階：サンプルと対イオンの交換

✔3. 脱着段階：グラジエント緩衝液は、まず弱く吸着された物質を洗い流し、次に強く吸着された物質を洗い流します。

✔4.再生段階：元のバランス溶液で完全に洗浄し、再利用できます。

イオン交換クロマトグラフィー樹脂:

陽イオン交換体の荷電基は負に帯電し、対イオンは正に帯電しているため、溶液中の陽イオンまたは正に帯電した化合物と交換反応を起こすことができます。

荷電基の強さにより、それぞれ強酸型（スルホン酸基を含む、R-SO3H）、中強酸型（リン酸基または亜リン酸基を含む、R-PO3H2）、弱酸型（カルボキシル基とフェノール系樹脂を含む、R-COOHまたはR-ベンゼン環-OH）の3種類に分けられます。

これらの交換体の交換中に、次の式に示すように、水素イオンが異性陽イオンに置き換えられます。

R锛岰OOH锛婲a+锛漅锛岰OONa锛嬶紜H+

陰イオン交換体は、マトリックス上に第四級アミン[-N(CH3)3]、第3級アミン[-N(CH3)2]、第2級アミン[-NHCH3]および第1級アミン[-NH2]基を導入することによって形成されます。

アミン基のアルカリ度のレベルの違いにより、それぞれ強塩基性（第四級アミノ基を含む）、弱塩基性（第三級および第二級アミノ基を含む）、中塩基性（強塩基性基と弱塩基性基の両方を含む）の3種類に分けられます。

溶液中のイオンと交換する場合、反応式は次のようになります。

イオン交換クロマトグラフィー樹脂の特定の種類に関する詳細については、イオン交換クロマトグラフィーに関する次の記事をご覧ください。