セライフ ®、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すべて

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力の差を利用し、交換平衡による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、高速分析速度という利点があり、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、土壌中のアルカリ性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もつポリスチレン系イオン交換樹脂が登場しました。1950 年代に、イオン交換クロマトグラフィーが生化学の分野に参入し、アミノ酸の分析に応用されました。イオン交換クロマトグラフィーは、現在でも生化学の分野で広く使われてい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・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性化合物との反応は、主にイオン交換によって行われます。実行さ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+ 鈫 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 で表すことができます。

K锛漑RB][A+]/[RA][B+]

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

✔K>1、つまり [RB]>[RA] の場合、B+ に対するイオン交換体の結合力が A+ の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、さまざまなイオンに対するイオン交換体の結合力または選択性を反映するパラメーターであるため、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。

イオン交換の仕組み:

A+ は溶液から樹脂表面に拡散します。

A+は樹脂表面から樹脂内部の活性中心に入ります。

A+は活性中心上でRBとメタセシス反応を起こします。

脱離したイオン B+ は樹脂内部から樹脂表面に拡散します。

B+ イオンは樹脂表面から溶液中に拡散します。

交換速度の制御ステップは拡散速度であり、異なる分離システムでの内部拡散または外部拡散によって制御できます。

イオン交換プロセスに影響を与える要因: 

✔粒子サイズ: 小さいほど速くなります

✔架橋度：架橋度が小さく、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します

✔イオン価数: 価数が高いほど、拡散速度は遅くなります。

✔イオンサイズ: 小さいほど高速になります

✔ 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、濃度が高くなる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すると、正に帯電した物質が H+ と交換されて樹脂に結合します。陰イオン交換樹脂を選択すると、マイナスに帯電した物質をOH-と交換して樹脂に結合させることができます。

樹脂上の物質の組み合わせには固さの違いがあり、適切な溶離液を選択することで混合物中の成分を一つ一つ溶出し、分離・精製の目的を達成します。

✔1. 平衡段階: イオン交換体と対イオンの組み合わせ

✔2. 吸着ステージ: サンプルと対イオン交換

✔3. 脱離段階: 勾配緩衝液は最初に弱い吸着物質を洗い流し、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:

カチオン交換体の荷電基はマイナスに帯電し、対イオンはプラスに帯電しており、溶液中のカチオンまたは正に帯電した化合物と交換反応を行うことができます。

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

これらの交換体の交換中に、次の式に示すように、水素イオンが外来カチ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 4 級アミン [-N (CH3) 3]、3 級アミン [-N (CH3) 2]、2 級アミン [-NHCH3] および 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違いにより、強塩基性（四級アミノ基を含む）、弱塩基性（三級アミノ基および二級アミノ基を含む）、中塩基性（強塩基性基と二級アミノ基の両方を含む）の3種類に分けられます。弱塩基性グループ）。

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。

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