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、主にさまざまな分子の解離特性、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ます。これは、生化学物質、タンパク質、ペプチド、その他の物質の分離および精製に最も頻繁に使用される精製技術の 1 つとなっています。

分離精製において、カラムには高い負荷容量、容易な操作性、長寿命が求められます。分離媒体は最も重要な要素です。したがって、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・精製する対象物の電荷の種類、分子の大きさ、物理化学的性質、微環境に応じて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、まず目的とするタンパク質などを理解する必要があります。電気点や適切な微環境などの条件に応じて、適切なイオン交換体種を選択します。

カチオン交換体とアニオン交換体のどちらを選択するかは、主に、安定した pH での分離された材料の電荷によって決まります。正に帯電している場合は、陽イオン交換体が選択されます。負に帯電している場合、陰イオン交換体が選択されます。たとえば、分離するタンパク質の等電点は 4 で、安定な pH 範囲は 6 ～ 9 です。このときタンパク質はマイナス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: 

目的物の収率、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。

汎用ポリスチレン系イオン交換樹脂は、安定な構造、低価格、高い総交換容量という特徴を有しており、抗生物質、有機酸、動物資源、植物資源などの一般生化学製品の抽出・分離プロセスに適しています。高分解能と高純度の製品を必要とする一部の高付加価値遺伝子工学製品では、セルロース、デキストラン、およびアガロースベースの生化学的分離媒体が依然として必要とされています。

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、初期分離や大量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、外部からの影響が大きく、イオン強度や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ことがあります。アガロースイオン交換体は機械的安定性が高く、分解能が高いですが、高価です。

理想的な分離媒体は、容易に吸着されるだけでなく、容易に溶出する必要があります。ターゲット製品がイオン強度や pH の変化に敏感でない場合は、強い電荷を持つ強力な媒体、または高い電荷密度を持つ強いアルカリ性の媒体を検討できます。これらの要因に敏感な場合は、弱い培地または弱アルカリ性の弱培地を使用する必要があります。高分子物質が吸着するとその結合は比較的強く、溶出しにくい場合が多いです。過酷な条件を使用して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。

広いpH範囲を持つ強酸性または強アルカリ性の媒体。小分子の分離や極端な pH での分離によく使用されます。ただし、その強力な電気特性により、一部の敏感な生体分子が生きている状態で簡単に変性したり、失われてしまうことがあります。弱酸性または弱アルカリ性の弱培地は選択性の範囲が広く、タンパク質を不活化するのは容易ではありません。そのため、一般にタンパク質などの高分子の分離に適していますが、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 カラムの分離能と流量に大きな影響を与えます。一般に、分離媒体は粒子サイズが小さく、分解能が高いですが、平衡イオンは平衡時間が長く、流速が遅いため、平衡イオンの平衡時間が長くなります。粒子径が大きい場合、カラムの流速は比較的速く、圧力損失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離を必要としない大規模な分取に適しており、小さな粒子の分離媒体は高い分離が必要な精密分離や製品の精製段階に適しています。