高效離子交換色譜儀離子交換劑由基質、活性基團和可交換離子（反離子）組成，按基質的組成和性質可分為疏水性離子交換劑和親水性離子交換劑。
第一節 疏水性離子交換劑
疏水性離子交換劑是一種與水親和力較小的合成樹脂。最常見的是由苯乙烯與交聯劑二乙烯苯反應生成聚合物，在此結構中再以共價鍵引入不同的電荷基團制成的。
一、按引入電荷基團的性質分類：
1、陽離子交換樹脂：
陽離子交換樹脂的電荷基團帶負電，反離子帶正電，可與溶液中的陽離子或帶正電荷化合物進行交換反應。
按電荷基團酸性強弱可分為強酸性、弱酸性和中等酸性陽離子交換樹脂。
（1）強酸性陽離子交換樹脂：
強酸性陽離子交換樹脂一般是以磺酸基（－SO3 H）為活性基團的離子交換樹脂。
含磺酸基的強酸性陽離子交換樹脂是以苯乙烯為母體，以二乙烯苯為交聯劑共聚后再經磺化引入磺酸基制成的。常用 R－SO3 H 表示，其中 R 表示樹脂的骨架。
1）特點：
強酸性樹脂化學性質穩定，耐強酸、強堿、氧化劑和還原劑，不溶于酸、堿和常見的有機溶劑，耐熱超過 100℃。
強酸性樹脂的電離率基本不受 pH 影響，離子交換作用的 pH 范圍寬。
樹脂使用一段時間后要進行再生處理，即用化學藥品使樹脂的官能團恢復到原來的狀態。強酸性樹脂是用強酸進行再生處理，由于強酸性樹脂與 H+結合力弱，再生為氫型比較困難且耗酸量較大，一般為該樹脂交換容量的 3～5 倍。
2）應用：
主要用于軟水和無鹽水的制備。
在鏈霉素、卡那霉素、慶大霉素和賴氨酸等提取精制中應用也較多。
（2）弱酸性陽離子交換樹脂：
弱酸性陽離子交換樹脂是含羧基（－COOH）和酚羥基（－C6 H4OH）等弱酸性基團的離子交換樹脂。其中以含羧基的離子交換樹脂應用最廣。
1）特點：
弱酸性基團的電離程度受溶液 pH 影響很大，在酸性溶液中幾乎不發生交換反應，即只有在 pH≥7 的溶液中才有較好的交換能力，pH 值越小，離子交換能力越小。
弱酸性樹脂和 H+結合力很強，容易再生為氫型且耗酸量少。
2）應用：
常用 101×4 樹脂分離提取鏈霉素、正定霉素、溶菌酶和尿激酶，用 122 樹脂進行鏈霉素的脫色和從慶大霉素廢液中提取維生素 B12 等。
（3）中等酸性陽離子交換樹脂：
中等酸性陽離子交換樹脂是含磷酸基（－PO3 H2）等活性基團的離子交換樹脂。
2、陰離子交換樹脂：
陰離子交換樹脂是在基質骨架上引入季胺基 [－N（CH3）3]、叔胺基 [－N（CH3）2]、仲胺基 [－NHCH3] 和伯胺基 [－NH2] 制成的。陰離子交換樹脂的化學穩定性和熱穩定性能都不如陽離子交換樹脂。
按胺基堿性強弱可分為強堿性、弱堿性和中等堿性陰離子交換樹脂。
（1）強堿性陰離子交換樹脂：
強堿性陰離子交換樹脂是以季胺基為交換基團的離子交換樹脂。
活性基團有三甲胺基（－N（CH3）3）（Ⅰ型）和二甲基－β－羥基乙胺基（－N（CH3）2（C2 H4OH））（Ⅱ型），Ⅰ型比Ⅱ型堿性更強，應用更廣泛。強堿性活性基團的電離程度大，在酸性、中性甚至堿性介質中都可以顯示離子交換功能。
1）特點：
強堿性樹脂的電離率基本不受 pH 影響，離子交換作用的 pH 范圍寬。
強堿性樹脂的氯型比羥型更穩定，耐熱性更好，大多為氯型。
強堿性樹脂與 OHˉ 結合力比較弱，再生時耗堿量較大。
2）應用：
常用 201×4 樹脂進行卡那霉素、慶大霉素、巴龍霉素和新霉素的精制脫色，用 201×7 樹脂進行無鹽水的制備等。
（2）弱堿性陰離子交換樹脂：
弱堿性陰離子交換樹脂是以叔胺基、仲胺基和伯胺基為交換基團的離子交換樹脂。
1）特點：
弱堿性基團在水中解離程度很小，僅在中性和酸性介質中才顯示離子交換功能，即交換容量受溶液 pH 影響較大，pH 值越小，離子交換能力越大。
弱堿性基團與 OHˉ結合力很強，易再生為羥型且耗堿量少。
2）應用：
常用 330 樹脂分離頭孢菌素 C，用于博來霉素和鏈霉素等精制。
（3）中等堿性陰離子交換樹脂：
中等堿性陰離子交換樹脂是既含強堿性基團又含弱堿性基團的離子交換樹脂。
3、螯合離子交換樹脂：
螯合離子交換樹脂含有具有螯合能力的基團，可以形成離子鍵和配位鍵。
主要用于脫除金屬離子。
4、兩性樹脂：
兩性樹脂是同時含有酸、堿兩種基團的離子交換樹脂，相反電荷的活性基團可以在同一條分子鏈上，也可以在兩條相接近的大分子鏈上。有強堿－弱酸型和弱酸－弱堿型。
兩性樹脂再生是當溫度自 25℃ 升至高 85℃ 時，水的解離度增加，使 H+和 OHˉ的濃度增大 30 倍。可作為再生劑。
二、按基質結構分類：
合成疏水性離子交換樹脂時，通過高分子化學加聚反應先合成基質，然后在基質上引入功能基團。若合成過程中加入致孔劑，可得大孔型離子交換樹脂，否則為凝膠型離子交換樹脂。
1、凝膠型離子交換樹脂：
由苯乙烯或丙烯酸與交聯劑二乙烯苯聚合而成。
（1）特點：
1）凝膠型樹脂呈透明或半透明狀，吸水后形成微細的孔隙。
均孔型樹脂主要是凝膠型陰離子交換樹脂，孔徑均勻，交換容量大，機械強度高。
2）凝膠型樹脂水化后處在溶脹狀態，交聯鏈之間的距離拉長，形成 2～3nm 空隙，稱為微孔。當樹脂失水或在非水體系中，分子鏈之間的空隙閉合，由于這種空隙是不穩定的、暫時的，稱為「暫時孔」。因此，凝膠型樹脂在干裂或非水體系中無交換能力，限制了應用。
3）凝膠型樹脂在水中交換有機大分子比較困難，并且有機大分子被交換后不易洗脫，產生不可逆的「有機污染」，使樹脂的交換能力大大降低。若降低樹脂的交聯度使空隙增大，雖然交換能力有所改善，但樹脂的機械強度降低，易破碎。
（2）應用：
適用于無機小分子的分離。
2、大孔型離子交換樹脂：
大孔型離子交換樹脂的合成成功是離子交換技術最重要的發展之一。
大孔型離子交換樹脂是由苯乙烯或丙烯酸與交聯劑二乙烯苯聚合，在合成時加入惰性致孔劑形成大孔，再引入活性基團而制成。樹脂內部的大孔孔徑可達 1000nm，此類空隙不因外界條件而變，稱為「永久孔」。由于大孔對光線的漫反射，從外觀上看樹脂呈不透明狀。
（1）致孔劑：
大孔型樹脂合成時，可通過致孔劑選擇調整孔徑大小和樹脂的比表面積，以適應不同的分離要求。常用致孔劑有：
1）良溶劑（能與單體互溶）：甲苯和 CCl4。
2）不良溶劑：長鏈醇（碳 4～10）和煤油。
3）高分子聚合物：聚苯乙烯和聚丙烯酸酯。
（2）特點：
1）交聯度高，溶脹度小，理化穩定性好，機械強度高，不易破碎。
2）存在「永久孔」，克服了凝膠型樹脂由于溶脹產生的「暫時孔」現象，減少了凝膠型樹脂在離子交換過程中的「有機污染」現象。
3）孔徑和比表面積較大，交換速度較快，適合有機大分子交換。
4）大孔型樹脂完全失水也能維持多孔結構，適合非水溶液交換。
5）再生容易。
6）對小分子的交換容量小，洗脫液用量多，成本高。
（3）凝膠型樹脂與大孔型樹脂的性能指標比較：
1）外觀：
凝膠型樹脂：透明或半透明
大孔型樹脂：不透明
2）孔結構：
凝膠型樹脂：凝膠孔
大孔型樹脂：大孔和凝膠孔
3）孔徑：
凝膠型樹脂：＜3nm
大孔型樹脂：8～1000nm
4）比表面積：
凝膠型樹脂：＜0.1m2/g
大孔型樹脂：25～100m2/g
5）孔隙度：
凝膠型樹脂：0.01～0.02 mL/mL
大孔型樹脂：0.15～0.55 mL/mL
6）交聯度：
凝膠型樹脂：2%～10%
大孔型樹脂：15%～25%
（4）應用：
已應用于維生素 B12、鏈霉素、四環素、土霉素、竹桃霉素、赤霉素和頭孢菌素 C 等提取。
第二節 親水性離子交換劑
親水性離子交換劑（多糖基離子交換劑）與水親和力較大，有纖維素離子交換劑、葡聚糖離子交換劑和瓊脂糖離子交換劑等。
一、纖維素離子交換劑：
又稱離子交換纖維素，是以微晶纖維素為基質，引入電荷基團而制成。
微晶纖維素（纖維素膠或結晶纖維素）是將纖維性植物材料與無機酸搗成漿狀，經處理使之降解后漂洗、研磨、脫水、烘干和粉碎制成的。微晶纖維素為白色或幾乎白色的細小粉末，無臭，無味，可壓成自身粘合的小片，可在水中迅速分散，不溶于水、稀酸溶液、稀堿溶液和大多數有機溶劑。
1、類型：
（1）按引入電荷基團的性質可分為陽離子交換纖維素（如羧甲基纖維素（CM）等）和陰離子交換纖維素（如二乙胺基乙基纖維素（DEAE）等）。
（2）按電荷基團酸堿性強弱可分為強酸性、弱酸性、強堿性和弱堿性離子交換纖維素。
近年來，用微晶纖維素經交聯制成了類似凝膠的珠狀弱堿性離子交換劑（DEAE－Sephacel），結構與 DEAE 相同，對蛋白質、核酸、激素及其它生物聚合物都有同等的分辨率。
2、特點：
（1）結構疏松，對生物高分子物質（如蛋白質和核酸分子）有較大的穿透性。
（2）表面積大，有較大的吸附容量。
（3）基質是親水性的，避免了疏水性反應對蛋白質分離的干擾。
（4）電荷密度較低，與蛋白質分子結合不牢固，在溫和洗脫條件下即可分離，不會引起蛋白質變性。
（5）纖維素分子中只有一小部分羥基被取代，結合在其分子上的解離基團數量不多，故交換容量小，僅為離子交換樹脂的 1/10 左右。
（6）分辨率高。
3、應用：
適用于大分子多價電解質的分離。
二、葡聚糖離子交換劑：
葡聚糖離子交換劑是以交聯葡聚糖 G－25 和 G－50 為基質，通過化學方法引入電荷基團制成的。
1、按引入電荷基團的性質分類：
（1）陽離子交換葡聚糖。
（2）陰離子交換葡聚糖。
2、特點：
葡聚糖離子交換劑的性質與葡聚糖凝膠相似，在強酸和強堿中不穩定，在 pH ＝7 時可耐熱 120℃。它既有離子交換作用，又有分子篩性質，可根據分子大小對生物高分子物質進行分級分離。
3、應用：
（1）G－50 型離子交換葡聚糖適用于相對分子質量為 3×104～3×106 物質的分離。
（2）G－25 型離子交換葡聚糖能交換相對分子質量較小（1×103～5×103）的蛋白質。
三、瓊脂糖離子交換劑：
瓊脂糖離子交換劑主要以交聯瓊脂糖 CL－6B 為基質，通過化學方法引入電荷基團制成的。
1、按引入電荷基團的性質分類：
（1）陽離子交換瓊脂糖：CM－Sepharose CL－6B 等。
（2）陰離子交換瓊脂糖：DEAE－Sepharose CL－6B 等。
2、特點：
具有硬度大、性質穩定、網孔大、流速好和分離能力強等特點，尤其是介質對 pH 和溫度的變化均比較穩定，可在 pH = 3～10 和 0～70℃ 范圍內使用，改變離子強度或 pH 時，床體積變化不大。
3、應用：
特別適合分離相對分子質量大的蛋白質和核酸等。
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