イオン交換クロマトグラフィー媒体の選択

イオン交換クロマトグラフィーによる生体高分子の分離精製プロセスは、主に各種分子の解離特性、イオンの正味電荷、表面電荷分布の電気的差異を利用して行われ、生化学物質、タンパク質、ペプチドなどの物質の分離精製に最も頻繁に使用される精製技術の1つになっています。

分離精製において、カラムには高い負荷容量、操作の容易さ、長寿命が求められます。分離媒体は最も重要な要素であるため、分離媒体の選択は特に重要です。
 

1. 品種の選択：

適切な  イオン交換クロマトグラフィー媒体  分離・精製の対象となる物質の電荷の種類、分子の大きさ、物理化学的性質、微小環境に応じて分離媒体を選択する必要があります。無機小分子の場合、分離媒体の選択は比較的簡単ですが、生体高分子の場合はより多くの要素を考慮する必要があります。

タンパク質などの生体高分子は、さまざまなアミノ酸で構成されており、異なるpH条件下で異なる電気的特性を示し、生体高分子には最適なpH環境に対する特定の要件があります。したがって、まずは対象タンパク質などの電気的ポイントと適切な微小環境を理解し、これらの条件に応じて適切なイオン交換体の種類を選択する必要があります。

陽イオン交換体と陰イオン交換体のどちらを選択するかは、主に分離対象物質の安定pHにおける電荷によって決まります。正に帯電している場合は陽イオン交換体を選択し、負に帯電している場合は陰イオン交換体を選択します。たとえば、分離するタンパク質の等電点は4で、安定pH範囲は6〜9です。このとき、タンパク質は負に帯電しているため、分離には陰イオン交換体を選択する必要があります。
 

2. スケルトンの選択: 

対象製品の収量、要求される純度、経済的価値に応じて適切なマトリックス（マトリックス）イオン交換体を選択する必要があります。

汎用ポリスチレンイオン交換樹脂は、構造が安定し、価格が安く、総交換容量が高いという特徴があり、抗生物質、有機酸、動物資源、植物資源などの一般的な生化学製品の抽出分離プロセスに適しています。高解像度と高い製品純度を必要とする一部の高付加価値遺伝子工学製品には、セルロース、デキストラン、アガロースベースの生化学分離媒体が依然として必要です。

セルロースイオン交換体は比較的安価ですが、分解能と安定性が低く、初期分離とバルク調製に適しています。デキストランイオン交換体の分解能と価格は中程度ですが、外部の影響が大きく、イオン強度とpHの変化により体積が大きく変化し、分解能に影響を与える可能性があります。アガロースイオン交換体は機械的安定性が良好で分解能が高いですが、より高価です。

理想的な分離媒体は、吸着されやすいだけでなく、溶出されやすいものでなければなりません。対象物がイオン強度やpHの変化に敏感でない場合は、電荷の強い強媒体、または電荷密度の高い強アルカリ性媒体を検討できます。これらの要因に敏感な場合は、弱または弱アルカリ性の弱媒体を使用する必要があります。高分子物質が吸着されている場合、結合は比較的強く、溶出が困難な場合がよくあります。過酷な条件で高分子の変性を引き起こす場合は、官能基密度の低い媒体を選択する必要があります。

強酸性または強アルカリ性の媒体で、pH 範囲が広い。小さな分子を分離したり、極端な pH で分離したりするためによく使用されます。ただし、その強力な電気的特性により、敏感な生体分子が変性したり、生きたまま失われたりすることがあります。弱酸性または弱アルカリ性の弱い媒体は、選択性の範囲が広く、タンパク質を不活性化しにくいです。したがって、一般的にタンパク質などの高分子を分離するのに適していますが、pH 範囲が狭いです。
 

3. 粒子サイズの選択：

分離媒体のサイズは、イオン交換クロマトグラフィーカラムの分解能と流量に大きな影響を与えます。一般的に、分離媒体の粒子サイズは小さく、分解能は高いですが、平衡イオンの平衡時間は長く、流量は遅くなります。粒子サイズが大きい場合、カラムの流量は比較的速く、圧力降下は小さくなりますが、分解能は低く、負荷は小さくなります。したがって、大きな粒子の分離媒体は、分解能を必要としない大規模な分取分離に適しており、小さな粒子の分離媒体は、高い分解能を必要とする微細分離や製品の精製段階に適しています。