离子交换层析：生物分离纯化的核心技术

（来源：楚天人）

转自：楚天人

离子交换层析（Ion Exchange Chromatography，IEX）是生物制药下游纯化的核心技术，依托分子表面净电荷差异实现高效分离，广泛应用于抗体、疫苗、重组蛋白、核酸等生物大分子纯化领域，占据生化分离工艺75%以上份额，具有高分辨率、高载量、操作简便、适用范围广等优势。

一、离子交换层析原理

不同生物分子的等电点不同，在一定pH的溶液中所带电荷种类和数量不同。离子交换层析就是利用带电层析介质与目标分子间的可逆静电相互作用实现分离的一种层析方法，通过改变离子强度或pH，使目标物与配基结合与解离，从而完成纯化。

离子交换层析核心原理是基于静电相互作用：生物大分子具有特定等电点（pI），当溶液pH＞pI时分子带负电，pH＜pI时带正电，pH=pI时呈电中性。通过调控缓冲液pH，使目标蛋白携带与离子交换填料相反的电荷，实现特异性结合；再通过提升盐浓度，利用离子竞争结合位点完成洗脱，实现目标分子与杂质的分离。

离子交换层析影响分离效果的主要原因可总结为以下几点：

缓冲液的pH

pH决定目标分子的带电状态及带电数量。只有当溶液pH与目标分子的等电点形成合适差异时，目标分子才能带上所需电荷并与填料有效结合，pH选择不当会直接影响结合强度与选择性。

离子强度

离子强度通过竞争性结合影响目标分子与填料的相互作用。低离子强度有利于目标分子与填料的静电吸附，高离子强度则会破坏静电结合，促使目标分子被洗脱。因此，在结合与洗脱阶段合理调控盐浓度是分离效果的关键。

洗脱方式

等度洗脱操作简单，但分辨率较低；梯度洗脱（如盐浓度梯度）可更精细地区分不同带电性质的分子，通常可获得更高的分离度和纯度。

流速

流速影响分子在层析柱内的传质效率与保留时间。流速过快会降低分辨率，流速过慢虽有利于分离但可能影响生产效率，因此需根据填料特性和工艺目标进行优化。

这些因素共同决定了目标分子与杂质的分离效果，在实际应用中需结合填料类型、目标物性质及工艺阶段综合调控。

二、离子交换层析分类

离子交换层析主要根据固定相所带电荷类型及配基强弱进行分类。

按电荷类型分类

阳离子交换层析介质：填料带负电基团，如羧甲基、磺甲基、磺丙基；吸附带正电的目标物，如CM、S、SP填料。

阴离子交换层析介质：填料带正电基团，如季铵基、二乙基氨基乙基；吸附带负电的目标物，如Q、DEAE填料。

按配基解离强度分类

强型：如磺甲基（S）、磺丙基（SP）、季铵基（Q），强离子交换剂在较宽的pH范围内都能保持稳定的离子化状态，结合能力受pH变化影响较小，适合在极端pH条件下操作。

弱型：如羧甲基（CM）、二乙基氨基乙基（DEAE），弱离子交换剂的离子化程度高度依赖环境pH，虽然在最佳pH下能提供更高的分辨率，但缓冲液的选择范围相对更窄。

三、楚天微球离子交换填料

产品系列

产品

特点

FF

(Fast Flow)

快流速

TA-Q/SP/DEAE/CM FF

该系列以6%高度交联的琼脂糖为基架，平均粒径为90μm，流速快，是大规模生物分子分离纯化的首选填料。

HP

（High Performance）

高分辨率

TA-Q/SP/DEAE HP

该系列的填料基架由6%琼脂糖交联而成，平均粒径为34μm，粒径小，分辨率更高，适合生物分子的中度纯化或精细纯化。

BB

（Big Beads）

大颗粒

TA-SP/Q BB

该系列是大颗粒高度交联的琼脂糖基架，平均粒径为200μm，大颗粒基架能耐受澄清度较差的样品，不易堵塞，流速快，短时间内可处理大体积的样品。

XL

高载量

TA-SP/Q XL

TA XL系列介质是在高度交联的琼脂糖基架上先偶联线性葡聚糖分子，再在葡聚糖分子上偶联各种功能基团，这种结构减少了生物分子之间的位阻效应，能大大提高对目的物分子的载量。

TH

（Truking Hard）

高刚性琼脂糖基架

TH-S/SP/Q/DEAE/MC/MA

TH系列是在传统琼脂糖基架进行化学改构和修饰而制成的高刚性琼脂糖基架，可耐受5bar的压力，具有更好的机械性能。与 TA-FF系列粒径大小接近，但TH系列具有流速快、反压低、载量高等特点。

TH-Fine

高刚性高分辨率

TH-Q/SP/MA/MC Fine

TH-Fine系列是将配基偶联在高刚性琼脂糖基架上形成的，分辨率比TH系列高，适用于中度纯化或精细纯化阶段。

四、离子交换层析应用案例

案例一

TA-Q FF去除酶切标签、内毒素

层析柱：TK-Col 16/20 Q FF，CV=30mL

平衡缓冲液：50mM Tris-HCl，pH=7.5

洗脱缓冲液：50mM Tris-HCl，1M NaCl，pH=7.5

清洗液：0.5M NaOH

TA-Q FF层析图

TA-Q FF电泳图

TA-Q FF通过流穿模式，一步成功实现目的蛋白和His标签的分离，简单高效。

案例二

TA-Q HP在某蛋白疫苗中的应用

层析柱：TK-Col 26/30 Q HP，CV=80mL

样品：某重组蛋白溶液

平衡缓冲液：20mM Tris-HCl，pH 9.0

洗脱缓冲液：20mM Tris-HCl，1M NaCl，pH 9.0

清洗液：0.5M NaOH

TA-Q HP层析图

TA-Q HP电泳图

TA-Q HP凭借其细粒径、高分辨率的优势，在合适电导条件下，有效去除大量杂蛋白，最终洗脱纯度达95%。

离子交换层析具有高分辨率、高载量及广泛的适用范围等优势，满足抗体、疫苗、重组蛋白等多种生物大分子的纯化需求，能够高效实现目标分子与杂质的分离，已成为生物制药下游纯化领域的核心技术。楚天微球推出的系列离子交换层析填料，涵盖快流速、高分辨率、大颗粒、高载量及高刚性等多种类型，充分适应不同工艺阶段与应用场景，展现出优异的分离性能与工艺适应性。随着生物制药产业对纯度与生产效率要求的不断提升，离子交换层析技术将持续演进，为高品质生物制品的开发与生产提供坚实支撑。