離子交換層析用于蛋白質分離的原理的最簡單解釋是，基于帶相反電荷分子間的相互吸引力。蛋白質表面所帶的電荷取決于其 Pl 和環境 PH。構成離子交換劑的基礎介質通常為多孔珠形式，可以為蛋白質的吸附提供足夠大的表面積。固定于基礎介質上的帶電配基可以帶正電荷也可以帶負電荷。為提高介質的結合容量，可將帶電荷的多聚體取代小分子配基植于介質上。無論電荷配基的分子大小, 我們可以將其分為陽離子交換劑和陰離子交換劑。陽離子交換劑帶負電荷，而陰離子交換劑帶正電荷。大于 Pl 時，蛋白質帶負電荷，可與陰離子交換劑結合; 小于 Pl 時，蛋白質帶正電荷，可與陽離子交換劑結合。前面我們已經討論了這種簡單規則的局限性。離子交換劑本身就相當于酸或堿，而電荷的歧化反應取決于其 pH。強的離子交換劑，本身相當于一種強酸或強堿，在較寬的 PH 范圍內，所帶的電荷不會發生改變 5 但是，弱離子交換劑卻會發生改變。可根據此特性開發離子交換劑的選擇性或采用 pH 梯度洗脫。
帶電樣品與離子交換劑的結合可以通過 Boardman 和 Partridge(1955) 提出的質量作用定律進行描述。FredRegnier 和其研究組擴展了此定律（Kopaciewiczetal.，1983)。
蛋白質的保留時間和鹽濃度決定了其與基質表面相互作用的結合位點數量。一般在低鹽濃度時使蛋白質結合，而在高鹽濃度時洗脫蛋白質 (圖 22.1)。等度洗脫的洗脫窗口（elutionwindow) 很低，因此通常以線性鹽濃度梯度洗脫蛋白質。
K 為蛋白質在流動相和固定相間的分布系數。它與鹽的濃度和結合位點間的相互作用力 Os) 成反比; 見式 (22.1):
式中，K 為蛋白質與固定相的親和力; 為離子交換的容量。SteveCramer 和其研究組又進一步細化了它們之間的相互關系，并且將吸附蛋白質的離子交換劑表面隱蔽的電荷也納入了考慮的范疇 (BrooksandCramer,1992)。
可以發現寡核苷酸、多聚核苷酸和蛋白質與交換劑表面結合的位點數量各異 (Yamamotoetal.，2007 父尤其是小分子的寡核苷酸，其結合位點的數目與基序的數量相關。超過某一尺度后，結合位點的數目并不隨之呈線性增加，反而水平會下降。質粒可以與許多結合位點結合, 所以能在較低的鹽濃度，甚至于 800 mmol/L 時與結合位點結合。而蛋白質通常僅在攜帶少量電荷時才能夠與結合位點結合。
與蛋白質表面帶電荷基序相比，蛋白質內部的結合位點數目非常少。僅能觀察到 10 個結合位點（圖 22.2)。
在過去的幾十年里離子交換介質與固定相平行發展。介質需要具備的特性包括更好的機械穩定性、更少的非特異性吸附、更髙的結合容量及更快的質量傳遞。這些也是新介質開發的主要動力來源。從操作角度看, 這些特性在某種程度上是互不相容的 (MueIler,2005)。而這些特性都是層析操作人員所希望的，因此新材料的開發策略必須平衡上述這些相互矛盾的特性。大顆粒要求低壓降，但是通過顆粒的多孔網絡擴散的途徑較長，造成質量傳遞速率較慢。較大的孔隙可以提髙質量傳遞的速率，但同時會減少可利用的表面積，進而降低平衡狀態的容量。機械穩定性也同樣會受到過大尺寸孔徑的影響。同時，固定相的化學組成 (天然的或合成的高分子，無機材料) 也會對多孔球狀材料制備產生固有限制。傳統上，典型的純化生物分子常用的固定相由含液體填充孔的顆粒形介質構成。
已經有多種材料用做層析填料 (JanscraandRyden，1998)，其中最常用的有多糖 (纖維素、葡聚糖和瓊脂糖)、合成有機聚合物 (聚丙烯酰胺、聚甲基丙烯酸酯、聚苯乙烯) 和無機材料 (二氧化硅、輕基磷灰石）。為生產物理穩定的功能性填料，需對材料進行化學交聯, 并連接功能性配基。原材料在生產中體現出的物理和化學條件 (溶劑、介質的濃度和交聯劑、溫度等) 決定了固定相的特性。這類顆粒的尺寸為 2?2002 用于分析，200fxm 用于低壓制備。孔隙尺寸為 10?100nm。在多數情況下，層析介質呈現典型的顆粒和孔隙大小分布并用于制備時，介質的平均表面積為 5?100mVmL 膠。相對于早期采用單種材料為基礎的多孔介質，現今最大的改進是復合材料介質的發明，后者可以同時具有兩種不同介質的特性。此外還可用其他類型的材料 (Mueller，2005)。其中一個例子就是向后續交聯的剛性介質的孔隙中填充高分子材料。這些介質的特征在于蛋白質的固體 (或表面類型) 擴散特性，這種機制是通過孔隙內部形成的凝膠實現的。另外，更為常用的方法是通過移植技術將高分子聚合物黏附于介質表面。這種介質已經顯示出極高的結合容量和加速的質量傳遞，但是確切的機制未知。這類介質還對某些鹽類顯示出較強的耐受性，所以可以將其直接用于發酵培養液或含有適度鹽的原料儲存液。其他值得一提的改進還有灌流介質 (Afeyanetal.，1990) 和整體柱 (Tennikovaetal.，1990) 的引入。在灌流層析中，壓力快速下降，繼而在可滲透的大孔隙內引起流體對流，而表面積大的較小孔隙提供結合容量。整體柱是聚合化的單一整體，其中流體的傳輸僅僅取決于通過通道時形成的對流，進而驅動全部流動相穿過整個介質填料。需要分離的組分被輸送至位于流通孔隙表面的活性基團上，如此形成一個相互作用的網絡。選擇陽離子交換劑分離蛋白質可參照表 22.1。陽離子交換劑的可選范圍非常大，可能超出表 22.1 的范圍。表 22.1 中選出的典型交換劑具有不同傳輸機制，并且列出了可購買獲得的材料。
這里并沒有討論用于分析的固定相。與陽離子交換劑相似，我們同樣可憑此選擇相同介質填料用于陰離子交換劑，只是配基不同。一些供應商也同樣會提供相同的介質填料，但具有不同的顆粒直徑和/或配體。