ppm：
part per
million，百萬分之分數。
例如每公斤(kg)中有2.0毫克(mg)，即2.0mg/kg相當2.0ppm。
水每公升中有2.0mg也是2.0ppm，因為1公升水＝1公斤。
ppb：
part
per
billion，十億分之分數。是ppm的千分之一。
例如每公斤中有2.0微克(μg)，　即2.0μg/kg相當2.0ppb。
ppt：
part
per trillion，十億分之一克，　是ppb的千分之一。
例如每公斤中有2.0奈克(ng)，　即2.0ng/kg相當2.0ppt。

離子交換層析法（Ion exchange chromatography）

這個部份，我們分成四個項目說明離子交換層析法。

1. 基本原理：包括離子交換法的原理和步驟。

2. 樹脂材質：介紹常用的陰陽離子交換樹脂成份。

3. 離子交換劑的選擇：如何選用適當的陰（陽）離子交換劑和緩衝液。

4. 離子交換樹脂的前處理：使用樹脂前的注意事項和處理方法。

一、基本原理

離子交換層析法（ion exchange chromatography，簡稱IEC）是從複雜的混合物中，分離性質相似大分子的方法之一，依據的原理是物質的酸鹼性、極性，也就是所帶陰陽離子的不同。電荷不同的物質，對管柱上的離子交換劑有不同的親和力，改變沖洗液的離子強度和pH值，物質就能依次從層析柱中分離出來。

離子交換層析法大致分為5個步驟：

1. 離子擴散到樹脂表面。

2. 離子通過樹脂擴散到交換位置。

3. 在交換位置進行離子交換；被交換的分子所帶電荷愈多，它與樹結合愈緊密，也就愈不容易被其它離子取代。

4. 被交換的離子擴散到樹脂表面。

5. 沖洗液通過，被交換的離子擴散到外部溶液中。

離子交換樹脂的交換反應是可逆的，遵循化學平衡的規律，定量的混合物通過管柱時，離子不斷被交換，濃度逐漸降低，幾乎全部都能被吸附在樹脂上；在沖洗的過程中，由於連續添加新的交換溶液，所以會朝正反應方向移動，因而可以把樹脂上的離子沖洗下來。

如果被純化的物質是氨基酸類的分子，則分子上的淨電荷取決於氨基酸的等電點和溶液的pH值，所以當溶液的pH 值較低，氨基酸分子帶正電荷，它將結合到強酸性的陽離子交換樹脂上；隨著通過的緩衝液pH逐漸增加，氨基酸將逐漸失去正電荷，結合力減弱，最後被洗下來。由於不同的氨基酸等電點不同，這些氨基酸將依次被洗出，最先被洗出的是酸性氨基酸，如apartic acid和glutamic acid（在約pH3~4時），隨後是中性氨基酸，如glycine和alanine。鹼性氨基酸如arginine和lysine在pH值很高的緩衝液中仍帶有正電荷，因此這些在約pH值高達10~11時才出現。

二、樹脂材質

最常見的離子交換樹脂材質是聚苯乙烯-苯二乙烯（polystyrenedivinylbenzene），它是由苯乙烯（styrene）和苯二乙烯（divinylbenzene）聚合產生的三維網狀結構，舉例來說，Dow化學公司所生產的樹脂Dowex 50×8，表示含8%苯二乙烯。

根據交換樹脂的性能，分為陽離子與陰離子交換樹脂。

1. 陽離子交換樹脂分為強酸型、中強酸型和弱酸型三類，強酸型樹脂含有－R－SO₃H，中強酸型樹脂含有－PO₃H₂、－PO₂H₂或－O－PO₂H₂，弱酸型樹脂含有－COOH或－OH。陽離子交換樹脂進行的反應如下：

2. 陰離子交換樹脂

分為強鹼型、中強鹼型和弱鹼型三類，含有銨鹽，四級銨鹽 [ －N⁺(CH₃)₃]
為強鹼型樹脂，三級以下銨鹽 [－N(CH₃)₂]、[ －NHCH₃]、[ －NH₂] 都屬弱鹼型樹脂；同時具有強鹼和弱鹼型基團的，為中強鹼型的樹脂。陰離子交換樹脂進行的反應如下：

除了樹脂以外，纖維素（cellulose）、葡聚糖凝膠（Sephadex gel）和瓊脂糖凝膠（Sepharose）也是常用的離子交換材質，特性是具有親水性和較大的表面積，對生物活性物質而言，是一個較為溫和的環境，同時也是大分子所適用的分離純化材質。常用的種類如下：

實驗證明，纖維材質對蛋白質和核酸的分離純化效果相當好，因為離子交換纖維的種類多，能依據不同分離目的使用，且功能團基主要在表面，對生物大分子的交換十分有利。

三、離子交換劑的選擇

離子交換劑的選擇，首重保持欲分離物質的生物活性，以及在不同pH值環境中，此物質所帶的電荷和電性強弱。

1. 陰陽離子交換劑的選擇

若被分離物質帶正電荷，例如polymyxin、 cytochrome C這些鹼性蛋白質，它們在酸性溶液中較穩定，親和力強，故採用陽離子交換劑；其它像heparin、nucleic
acid這類酸性物質，在鹼性溶液中較穩定，則使用陰離子交換劑；如果欲分離的物質是兩性離子，一般考慮在它穩定的pH範圍帶有何種電荷，作為交換劑的選擇。以胰島素（insulin）為例，它的等電點為pH 5.3，因此在pH<5.3（酸性）溶液中，採用陽離子交換劑，在pH>5.3的鹼性溶液中，使用陰離子交換劑。

簡言之，已知等電點的物質，在高於等電點的pH條件下，因帶有負電荷，應採用陰離子交換，在低於等電點的pH下，則採用陽離子交換。未知等電點的物質，在一定pH條件下進行電泳，向陽極移動較快的物質，在同樣條件下可被陰離子交換劑吸附，向陰極移動較快的物質可被陽離子交換劑吸附。

2. 緩衝液的選擇

緩衝液酸鹼度的選擇，決定於被分離物質的等電點、穩定性、溶解度和交換劑離子的pK值。使用陰離子交換纖維時要選用低於pK值的緩衝液，若欲分離的物質屬於酸性，則緩衝液的pH值要高於該物的等電點；用陽離子交換纖維時要選用高於 pK值的緩衝液，目的物屬於鹼性物質的話，緩衝液要低於該物等電點的pH值。
緩衝液離子以不干擾分離物活性測定、不影響待測物溶解度、不發生沉澱為原則，如使用UV吸收法測樣品，那麼pyridine或barbital這類會吸收UV的物質就不適用。

四、離子交換樹脂的前處理

離子交換樹脂使用前，先以蒸餾水除去其內之雜質，並以NaOH和HCl處理樹脂，使其上的官能基完全露出。陰離子交換樹脂先以15倍於樹脂量的0.5 N HCl 浸泡30~120分鐘，再以水清洗至pH 7.0，之後用0.5 N NaOH浸泡30~120分鐘，同樣以水清洗至pH 7.0，最後用欲使用的緩衝液浸泡。陽離子交換樹脂用15倍於樹脂量的0.5 N NaOH浸泡30~120分鐘，以水清洗至pH 7.0，之後用0.5 N HCl 浸泡30~120分鐘，再以水清洗至pH 7.0，最後用欲使用的緩衝液浸泡。

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離子交換一、前言

離子交換法(ion
exchange process)是液相中的離子和固相中離子間所進行的的一種可逆性化學反應，當液相中的某些離子較為離子交換固體所喜好時，便會被離子交換固體吸附，為維持水溶液的電中性，所以離子交換固體必須釋出等價離子回溶液中。離子交換樹脂一般呈現多孔狀或顆粒狀，其大小約為0.1~ 1m m，其離子交換能力依其交換能力特徵可分：

1.
強酸型陽離子交換樹脂：主要含有強酸性的反應基如磺酸基（－SO₃H），此離子交換樹脂可以交換所有的陽離子。

2.
弱酸型陽離子交換樹脂：具有較弱的反應基如羧基（－COOH基），此離子交換樹脂僅可交換弱鹼中的陽離子如Ca²⁺、Mg²⁺，對於強鹼中的離子如Ca²⁺、K⁺等無法進行交換。

3.
強鹼型陰離子交換樹脂：主要是含有較強的反應基如具有四面體銨鹽官能基之－N⁺(CH₃)₃，在氫氧形式下，－N⁺(CH₃)₃OH^-中的氫氧離子可以迅速釋出，以進行交換，強鹼型陰離子交換樹脂可以和所有的陰離子進行交換去除。

4.
弱鹼型陰離子交換樹脂：具有較弱的反應基如氨基，僅能去除強酸中的陰離子如SO₄^2-，Cl^－或NO₃^－，對於HCO₃^－，CO₃²^－或SiO₄²^－則無法去除。

交換下列離子（1）具有高電荷，（2）具有較小的水合體積的離子，（3）具較大極性之離子，（4）與交換基反應較強的離子，（5）不易與其他離子形成錯合物的離子。對具有強反應基的強酸性陽離子交換樹脂（如含磺酸基，-SO₃H）而言，交換趨勢可以由下列順序表示：

Ba²⁺＞Pb²⁺＞Sr²⁺＞Ca²⁺＞Ni²⁺＞Cd²⁺＞Cu²⁺＞Co²⁺＞Zn²⁺＞Mg²⁺＞Ag⁺＞Cs⁺＞K⁺＞NH₄⁺＞Na⁺＞H⁺

如果是弱反應基的弱酸性陽離子交換樹脂，H⁺離子的位置是反應基的強度向左移動。

對具有強反應基的強鹼性陰離子交換樹脂而言，交換趨勢可以由下列順序表示：

SO₄^2-＞I^－＞NO₃^－＞CrO₄^2-＞Br^－＞Cl^－＞OH^－

如果是弱反應基的弱鹼性陰離子交換樹脂，OH^－離子的位置是反應基的強度向左移動。

離子交換的方法常用於水或廢水的處理中，常見的實例如（1）硬水軟化處理：是環境工程上最常見的用途之一，將水中形成硬度的鈣、鎂等離子與離子交換樹脂上的鈉離子進行交換，以軟化水質；（2）除礦：利用離子交換法去除水中所有的陽離子及陰離子；（3）去除、回收廢水中的重金屬，例如電鍍工廠之廢水中所含有的鋅、銅、鎘等，都具有回收的價值。

（1）硬水軟化處理：以離子交換方法軟化含鈣、鎂等構成硬度離子之原水，其反應如下：

吸附達飽和後可以利用濃食鹽水再生，（2）除礦：水中的除礦作用，是將水通過含有氫離子之陽離子交換樹脂，則水中的陽離子即被交換去除，通過陽離子交換樹脂的水再通過充滿羥基的陰離子交換樹脂，則陰離子即被交換去除，其反應式如下：