stringtranslate.com

Ионная хроматография

Современная система ионной хроматографии

Ионная хроматография (или ионообменная хроматография ) — это форма хроматографии , которая разделяет ионы и ионизируемые полярные молекулы на основе их сродства к ионообменнику . [1] Она работает практически с любым видом заряженных молекул , включая небольшие неорганические анионы, [2] крупные белки , [3] небольшие нуклеотиды , [4] и аминокислоты . Однако ионную хроматографию необходимо проводить в условиях, которые находятся на расстоянии одной единицы pH от изоэлектрической точки белка. [5]

Два типа ионной хроматографии — анионообменная и катионообменная. Катионообменная хроматография используется, когда интересующая молекула заряжена положительно. Молекула заряжена положительно, потому что pH для хроматографии меньше pI (также известная как pH(I)). [6] В этом типе хроматографии неподвижная фаза заряжена отрицательно, и положительно заряженные молекулы загружаются, чтобы притягиваться к ней. Анионообменная хроматография — это когда неподвижная фаза заряжена положительно, и отрицательно заряженные молекулы (это означает, что pH для хроматографии больше pI) загружаются, чтобы притягиваться к ней. [7] Она часто используется при очистке белков, анализе воды [8] [9] и контроле качества. Водорастворимые и заряженные молекулы, такие как белки, аминокислоты и пептиды, связываются с противоположно заряженными фрагментами , образуя ионные связи с нерастворимой неподвижной фазой. [10] Уравновешенная неподвижная фаза состоит из ионизируемой функциональной группы, где целевые молекулы смеси, которые необходимо разделить и количественно определить, могут связываться при прохождении через колонку — катионная неподвижная фаза используется для разделения анионов, а анионная неподвижная фаза используется для разделения катионов. Катионообменная хроматография используется, когда желаемые молекулы для разделения являются катионами, а анионообменная хроматография используется для разделения анионов. [11] Связанные молекулы затем могут быть элюированы и собраны с использованием элюента, который содержит анионы и катионы, пропуская через колонку более высокую концентрацию ионов или изменяя pH колонки.

Одним из основных преимуществ использования ионной хроматографии является то, что в разделении задействовано только одно взаимодействие, в отличие от других методов разделения; поэтому ионная хроматография может иметь более высокую толерантность к матрице. Другим преимуществом ионного обмена является предсказуемость схем элюирования (на основе наличия ионизируемой группы). [12] Например, при использовании катионообменной хроматографии определенные катионы будут элюироваться первыми, а другие позже. Всегда сохраняется локальный баланс заряда. Однако существуют также недостатки, связанные с выполнением ионообменной хроматографии, такие как постоянная эволюция метода, что приводит к непоследовательности от колонки к колонке. [13] Основным ограничением этого метода очистки является то, что он ограничен ионизируемой группой. [6]

История

Ионообменная хроматография

Ионная хроматография развивалась благодаря накоплению знаний в течение многих лет. Начиная с 1947 года, Спеддинг и Пауэлл использовали вытеснительную ионообменную хроматографию для разделения редкоземельных элементов. Кроме того, они продемонстрировали ионообменное разделение изотопов 14N и 15N в аммиаке. В начале 1950-х годов Краус и Нельсон продемонстрировали использование многих аналитических методов для ионов металлов, зависящих от их разделения их хлоридных, фторидных, нитратных или сульфатных комплексов с помощью анионной хроматографии. Автоматическое поточное детектирование постепенно внедрялось с 1960 по 1980 год, а также новые хроматографические методы для разделения ионов металлов. Новаторский метод Смолла, Стивенса и Баумана в Dow Chemical Co. развернул создание современной ионной хроматографии. Анионы и катионы теперь можно было эффективно разделять с помощью системы подавленного детектирования проводимости. В 1979 году метод анионной хроматографии с неподавленным обнаружением проводимости был представлен Герде и др. Вслед за ним в 1980 году был предложен аналогичный метод катионной хроматографии. [14]

В результате на рынке ИК начался период экстремальной конкуренции, при этом появились сторонники как подавленной, так и неподавленной детекции проводимости . Эта конкуренция привела к быстрому росту новых форм и быстрой эволюции ИК. [15] Проблема, которую необходимо преодолеть в будущем развитии ИК, — это подготовка высокоэффективных монолитных ионообменных колонок, и преодоление этой проблемы будет иметь большое значение для развития ИК. [16]

Расцвет ионообменной хроматографии в первую очередь начался между 1935 и 1950 годами во время Второй мировой войны , и именно благодаря « Манхэттенскому проекту » приложения и ИХ были значительно расширены. Ионная хроматография была первоначально введена двумя английскими исследователями, сельскохозяйственным сэром Томпсоном и химиком Дж. Т. Уэем. Работы Томпсона и Уэя включали действие водорастворимых солей удобрений, сульфата аммония и хлорида калия. Эти соли не могли быть легко извлечены из земли из-за дождя. Они использовали ионные методы для обработки глин солями, что привело к извлечению аммиака в дополнение к высвобождению кальция. [17] [ ненадежный источник? ] В пятидесятые и шестидесятые годы были разработаны теоретические модели для ИХ для дальнейшего понимания, и только в семидесятые годы были использованы непрерывные детекторы, проложившие путь для развития от хроматографии низкого давления к высокоэффективной. Только в 1975 году «ионная хроматография» была установлена ​​как название для этих методов и впоследствии использовалась как название в маркетинговых целях. Сегодня ИК важен для исследования водных систем, таких как питьевая вода. Это популярный метод анализа анионных элементов или комплексов, которые помогают решать экологически значимые проблемы. Кроме того, он также широко применяется в полупроводниковой промышленности. [18]

Благодаря обилию разделительных колонок, систем элюирования и детекторов, хроматография превратилась в основной метод анализа ионов. [19]

Когда эта техника была первоначально разработана, она в основном использовалась для очистки воды. С 1935 года ионообменная хроматография быстро превратилась в одну из наиболее широко используемых технологий, ее принципы часто применялись в большинстве областей химии, включая дистилляцию, адсорбцию и фильтрацию. [20]

Принцип

Ионная хроматограмма, отображающая разделение анионов

Ионообменная хроматография разделяет молекулы на основе их соответствующих заряженных групп. Ионообменная хроматография удерживает молекулы аналита на колонке на основе кулоновских (ионных) взаимодействий. Матрица ионообменной хроматографии состоит из положительно и отрицательно заряженных ионов. [21] По сути, молекулы подвергаются электростатическим взаимодействиям с противоположными зарядами на матрице неподвижной фазы. Неподвижная фаза состоит из неподвижной матрицы, которая содержит заряженные ионизируемые функциональные группы или лиганды . [22] Поверхность неподвижной фазы отображает ионные функциональные группы (RX), которые взаимодействуют с ионами аналита противоположного заряда. Для достижения электронейтральности эти иммобилизованные заряды соединяются с обмениваемыми противоионами в растворе. Ионизируемые молекулы, которые должны быть очищены, конкурируют с этими обмениваемыми противоионами за связывание с иммобилизованными зарядами на неподвижной фазе. Эти ионизируемые молекулы удерживаются или элюируются на основе их заряда. Первоначально молекулы, которые не связываются или слабо связываются с неподвижной фазой, сначала вымываются. Для элюирования молекул, которые связываются с неподвижной фазой, необходимы измененные условия. Концентрация обмениваемых противоионов, которые конкурируют с молекулами за связывание, может быть увеличена, или pH может быть изменен, чтобы повлиять на ионный заряд элюента или растворенного вещества. Изменение pH влияет на заряд конкретных молекул и, следовательно, изменяет их связывание. При уменьшении чистого заряда молекул растворенного вещества они начинают элюироваться. Таким образом, такие корректировки могут быть использованы для высвобождения интересующих белков. Кроме того, концентрация противоионов может постепенно изменяться, чтобы влиять на удерживание ионизированных молекул, тем самым разделяя их. Этот тип элюирования называется градиентным элюированием. С другой стороны, может использоваться ступенчатое элюирование, при котором концентрация противоионов изменяется поэтапно. [5] Этот тип хроматографии далее подразделяется на катионообменную хроматографию и анионообменную хроматографию . Положительно заряженные молекулы связываются с катионообменными смолами, в то время как отрицательно заряженные молекулы связываются с анионообменными смолами. [23] Ионное соединение, состоящее из катионного вида M+ и анионного вида B−, может удерживаться неподвижной фазой.

Катионообменная хроматография удерживает положительно заряженные катионы , поскольку неподвижная фаза имеет отрицательно заряженную функциональную группу:

Анионообменная хроматография удерживает анионы, используя положительно заряженную функциональную группу:

Обратите внимание, что ионную силу C+ или A− в подвижной фазе можно регулировать, чтобы сместить положение равновесия и, следовательно, время удерживания.

Ионная хроматограмма показывает типичную хроматограмму, полученную с помощью анионообменной колонки.

Процедура

Перед началом ионообменной хроматографии ее необходимо уравновесить. Стационарная фаза должна быть уравновешена в соответствии с определенными требованиями, которые зависят от эксперимента, с которым вы работаете. После уравновешивания заряженные ионы в неподвижной фазе будут присоединены к ее противоположно заряженным обмениваемым ионам, таким как Cl - или Na + . Затем следует выбрать буфер, с которым может связываться нужный белок. После уравновешивания колонку необходимо промыть. Фаза промывки поможет элюировать все примеси, которые не связываются с матрицей, в то время как интересующий белок остается связанным. Этот буфер образца должен иметь тот же pH, что и буфер, используемый для уравновешивания, чтобы помочь связать нужные белки. Незаряженные белки будут элюироваться из колонки с той же скоростью, с которой буфер протекает через колонку, без задержки. После того, как образец загружен в колонку, и колонка промыта буфером для элюирования всех нежелательных белков, элюирование проводится при определенных условиях для элюирования нужных белков, связанных с матрицей. Связанные белки элюируются с использованием градиента линейно увеличивающейся концентрации соли. С увеличением ионной силы буфера ионы соли будут конкурировать с желаемыми белками, чтобы связаться с заряженными группами на поверхности среды. Это приведет к тому, что желаемые белки будут элюироваться из колонки. Белки с низким чистым зарядом будут элюироваться первыми, поскольку концентрация соли увеличивается, что приводит к увеличению ионной силы. Белкам с высоким чистым зарядом потребуется более высокая ионная сила, чтобы они были элюированы из колонки. [21]

Можно проводить ионообменную хроматографию в массе, на тонких слоях среды, таких как стеклянные или пластиковые пластины, покрытые слоем желаемой неподвижной фазы, или в хроматографических колонках. Тонкослойная хроматография или колоночная хроматография имеют сходство в том, что они обе действуют в рамках одних и тех же руководящих принципов; происходит постоянный и частый обмен молекулами по мере того, как подвижная фаза перемещается вдоль неподвижной фазы. Не обязательно добавлять образец в малых объемах, поскольку заранее определенные условия для обменной колонки были выбраны таким образом, чтобы между подвижной и неподвижной фазами было сильное взаимодействие. Кроме того, механизм процесса элюирования вызовет компартментализацию различных молекул на основе их соответствующих химических характеристик. Это явление обусловлено увеличением концентрации соли в верхней части колонки или около нее, тем самым вытесняя молекулы в этом положении, в то время как молекулы, связанные ниже, высвобождаются в более поздней точке, когда более высокая концентрация соли достигает этой области. Эти принципы являются причинами того, что ионообменная хроматография является отличным кандидатом для начальных этапов хроматографии в сложной процедуре очистки, поскольку она может быстро выдавать небольшие объемы целевых молекул независимо от большего начального объема. [6]

Камера (слева) содержит высокую концентрацию соли. Перемешиваемая камера (справа) содержит низкую концентрацию соли. Постепенное перемешивание приводит к образованию градиента соли, поскольку соль перемещается от высокой к низкой концентрации.

Сравнительно простые устройства часто используются для подачи противоионов возрастающего градиента в хроматографическую колонку. Противоионы, такие как медь (II), чаще всего выбирают для эффективного разделения пептидов и аминокислот посредством комплексообразования. [24]

Для создания градиента соли можно использовать простое устройство. Элюирующий буфер последовательно втягивается из камеры в смесительную камеру, тем самым изменяя его концентрацию буфера. Как правило, буфер, помещенный в камеру, обычно имеет высокую начальную концентрацию, тогда как буфер, помещенный в перемешиваемую камеру, обычно имеет низкую концентрацию. По мере того, как буфер высокой концентрации из левой камеры смешивается и втягивается в колонку, концентрация буфера перемешиваемой колонки постепенно увеличивается. Изменение форм перемешиваемой камеры, а также предельного буфера позволяет создавать вогнутые, линейные или выпуклые градиенты противоиона.

Для неподвижной фазы используется множество различных сред. Среди наиболее распространенных иммобилизованных заряженных групп используются триметиламиноэтил (TAM), триэтиламиноэтил (TEAE), диэтил-2-гидроксипропиламиноэтил (QAE), аминоэтил (AE), диэтиламиноэтил (DEAE), сульфо (S), сульфометил (SM), сульфопропил (SP), карбокси (C) и карбоксиметил (CM). [5]

Успешная упаковка колонки является важным аспектом ионной хроматографии. Стабильность и эффективность конечной колонки зависят от методов упаковки, используемого растворителя и факторов, которые влияют на механические свойства колонки. В отличие от ранних неэффективных методов сухой упаковки, упаковка мокрой суспензии, в которой частицы, взвешенные в соответствующем растворителе, доставляются в колонку под давлением, показывает значительное улучшение. Для выполнения упаковки мокрой суспензии можно использовать три различных подхода: метод сбалансированной плотности (плотность растворителя примерно такая же, как у частиц пористого кремнезема), метод высокой вязкости (используется растворитель высокой вязкости) и метод суспензии низкой вязкости (выполняется с растворителями низкой вязкости). [25]

Полистирол используется в качестве среды для ионного обмена. Он производится путем полимеризации стирола с использованием дивинилбензола и перекиси бензоила. Такие обменники образуют гидрофобные взаимодействия с белками, которые могут быть необратимыми. Из-за этого свойства полистирольные ионообменники не подходят для разделения белков. С другой стороны, они используются для разделения небольших молекул при разделении аминокислот и удалении соли из воды. Полистирольные ионообменники с большими порами могут использоваться для разделения белков, но должны быть покрыты гидрофильным веществом. [26]

Среду на основе целлюлозы можно использовать для разделения больших молекул, поскольку они содержат большие поры. Связывание белков в этой среде высокое и имеет низкий гидрофобный характер. DEAE представляет собой анионообменную матрицу, которая производится из положительной боковой группы диэтиламиноэтила, связанного с целлюлозой или сефадексом. [27]

Среда на основе агарозного геля также содержит крупные поры, но их замещающая способность ниже по сравнению с декстранами. Способность среды набухать в жидкости основана на сшивании этих веществ, pH и концентрации ионов используемых буферов. [26]

Включение высокой температуры и давления позволяет значительно повысить эффективность ионной хроматографии, а также сократить время. Температура влияет на селективность из-за ее влияния на удерживающие свойства. Фактор удерживания ( k = ( t R g − t M g )/( t M g − t ext )) увеличивается с температурой для малых ионов, а для более крупных ионов наблюдается противоположная тенденция. [28] [29]

Несмотря на селективность ионов в различных средах, проводятся дальнейшие исследования по проведению ионообменной хроматографии в диапазоне 40–175 °C. [30]

Подходящий растворитель может быть выбран на основе наблюдений за тем, как частицы колонки ведут себя в растворителе. Используя оптический микроскоп, можно легко отличить желаемое дисперсное состояние суспензии от агрегированных частиц. [25]

Слабые и сильные ионообменники

«Сильный» ионообменник не потеряет заряд на своей матрице после того, как колонка уравновешена, поэтому можно использовать широкий диапазон буферов pH. «Слабые» ионообменники имеют диапазон значений pH, в котором они сохраняют свой заряд. Если pH буфера, используемого для колонки со слабым ионообменником, выходит за пределы диапазона емкости матрицы, колонка потеряет распределение заряда, и интересующая молекула может быть потеряна. [31] Несмотря на меньший диапазон pH слабых ионообменников, их часто используют вместо сильных ионообменников из-за их большей специфичности. В некоторых экспериментах время удерживания слабых ионообменников достаточно велико, чтобы получить желаемые данные с высокой специфичностью. [32]

Смолы (часто называемые «бусинами») ионообменных колонок могут включать функциональные группы, такие как слабые/сильные кислоты и слабые/сильные основания. Существуют также специальные колонки, которые имеют смолы с амфотерными функциональными группами, которые могут обменивать как катионы, так и анионы. [33] Некоторые примеры функциональных групп сильных ионообменных смол — это четвертичный аммониевый катион (Q), который является анионообменником, и сульфоновая кислота (S, -SO 2 OH), которая является катионообменником. [34] Эти типы обменников могут сохранять свою плотность заряда в диапазоне pH от 0 до 14. Примеры функциональных групп слабых ионообменных смол включают диэтиламиноэтил (DEAE, -C 2 H 4 N(C 2 H 5 ) 2 ), который является анионообменником, и карбоксиметил (CM, -CH 2 -COOH), [35] , который является катионообменником. Эти два типа обменников могут поддерживать плотность заряда своих колонок в диапазоне pH от 5 до 9. [ необходима цитата ]

В ионной хроматографии взаимодействие растворенных ионов и неподвижной фазы на основе их зарядов определяет, какие ионы будут связываться и в какой степени. Когда неподвижная фаза имеет положительные группы, которые притягивают анионы, она называется анионообменником; когда на неподвижной фазе есть отрицательные группы, катионы притягиваются, и она является катионообменником. [36] Притяжение между ионами и неподвижной фазой также зависит от смолы, органических частиц, используемых в качестве ионообменников.

Каждая смола обладает относительной селективностью, которая варьируется в зависимости от присутствующих растворенных ионов, которые будут конкурировать за связывание с группой смолы на неподвижной фазе. Коэффициент селективности, эквивалент константы равновесия, определяется через соотношение концентраций между смолой и каждым ионом, однако общая тенденция заключается в том, что ионообменники предпочитают связываться с ионом с более высоким зарядом, меньшим гидратированным радиусом и более высокой поляризуемостью или способностью электронного облака иона разрушаться другими зарядами. [37] Несмотря на эту селективность, избыточное количество иона с более низкой селективностью, введенное в колонку, приведет к тому, что меньший ион будет больше связываться с неподвижной фазой, поскольку коэффициент селективности допускает колебания в реакции связывания, которая происходит во время ионообменной хроматографии.

В следующей таблице показаны наиболее часто используемые ионообменники [38]

Типичная техника

Образец вводится вручную или с помощью автодозатора в петлю для образца известного объема. Забуференный водный раствор, известный как подвижная фаза, переносит образец из петли в колонку, содержащую некоторую форму материала неподвижной фазы. Обычно это смоляная или гелевая матрица, состоящая из агарозных или целлюлозных шариков с ковалентно связанными заряженными функциональными группами. Уравновешивание неподвижной фазы необходимо для получения желаемого заряда колонки. Если колонка не уравновешена должным образом, желаемая молекула может не связываться прочно с колонкой. Целевые аналиты (анионы или катионы) удерживаются на неподвижной фазе, но могут быть элюированы путем увеличения концентрации аналогично заряженных видов, которые вытесняют ионы аналита из неподвижной фазы. Например, в катионообменной хроматографии положительно заряженный аналит может быть вытеснен путем добавления положительно заряженных ионов натрия. Затем интересующие аналиты должны быть обнаружены некоторыми способами, обычно с помощью проводимости или поглощения УФ/видимого света.

Для управления системой IC обычно требуется система хроматографических данных (CDS). Помимо систем IC, некоторые из этих CDS также могут управлять газовой хроматографией (ГХ) и ВЭЖХ.

Мембранная обменная хроматография

Тип ионообменной хроматографии, мембранный обмен [39] [40] — это относительно новый метод очистки, разработанный для преодоления ограничений использования колонок, заполненных шариками. Мембранные хроматографические [41] [42] устройства дешевы в массовом производстве и одноразовы в отличие от других хроматографических устройств, которые требуют обслуживания и времени на повторную валидацию. Существует три типа мембранных поглотителей, которые обычно используются при разделении веществ. Эти три типа — плоский лист, полое волокно и радиальный поток. Наиболее распространенным поглотителем, который лучше всего подходит для мембранной хроматографии, является несколько плоских листов, поскольку он имеет больший объем абсорбции. Его можно использовать для преодоления ограничений массопереноса [43] и перепада давления [44] , что делает его особенно выгодным для выделения и очистки вирусов, плазмидной ДНК и других крупных макромолекул. Колонка заполнена микропористыми мембранами с внутренними порами, которые содержат адсорбционные фрагменты, которые могут связывать целевой белок. Адсорбционные мембраны доступны в различных геометриях и химии, что позволяет использовать их для очистки, а также фракционирования, концентрирования и осветления с эффективностью, которая в 10 раз превышает эффективность использования шариков. [45] Мембраны могут быть получены путем изоляции самой мембраны, когда мембраны разрезаются на квадраты и иммобилизуются. Более поздний метод включал использование живых клеток, которые прикреплены к поддерживающей мембране и используются для идентификации и осветления сигнальных молекул. [46]

Разделение белков

Препаративная ионообменная колонка, используемая для очистки белков .

Ионообменная хроматография может использоваться для разделения белков, поскольку они содержат заряженные функциональные группы. Интересующие ионы (в данном случае заряженные белки) обмениваются на другие ионы (обычно H + ) на заряженном твердом носителе. Растворенные вещества чаще всего находятся в жидкой фазе, которая, как правило, является водой. Возьмем, к примеру, белки в воде, которая является жидкой фазой, пропущенной через колонку. Колонка обычно известна как твердая фаза, поскольку она заполнена пористыми синтетическими частицами, имеющими определенный заряд. Эти пористые частицы также называются шариками, могут быть аминированными (содержащими аминогруппы) или иметь ионы металлов для того, чтобы иметь заряд. Колонка может быть изготовлена ​​с использованием пористых полимеров, для макромолекул массой более 100 000 Да оптимальный размер пористой частицы составляет около 1 мкм 2 . Это связано с тем, что медленная диффузия растворенных веществ внутри пор не ограничивает качество разделения. [47] Бусины, содержащие положительно заряженные группы, которые притягивают отрицательно заряженные белки, обычно называют анионообменными смолами. Аминокислоты, которые имеют отрицательно заряженные боковые цепи при pH 7 (pH воды), — это глутамат и аспартат. Бусины, которые имеют отрицательно заряженные боковые цепи, называют катионообменными смолами, поскольку положительно заряженные белки будут притягиваться. Аминокислоты, которые имеют положительно заряженные боковые цепи при pH 7, — это лизин, гистидин и аргинин. [48]

Изоэлектрическая точка — это pH, при котором соединение — в данном случае белок — не имеет чистого заряда. Изоэлектрическую точку белка или PI можно определить с помощью pKa боковых цепей, если амино (положительная цепь) способна нейтрализовать карбоксильную (отрицательную) цепь, белок будет иметь свой PI. Использование буферов вместо воды для белков, которые не имеют заряда при pH 7, является хорошей идеей, поскольку это позволяет манипулировать pH для изменения ионных взаимодействий между белками и гранулами. [49] Слабокислотные или основные боковые цепи могут иметь заряд, если pH достаточно высокий или низкий соответственно. Разделение может быть достигнуто на основе естественной изоэлектрической точки белка. В качестве альтернативы к белку можно генетически добавить пептидную метку, чтобы придать белку изоэлектрическую точку, отличную от большинства природных белков (например, 6 аргининов для связывания с катионообменной смолой или 6 глутаматов для связывания с анионообменной смолой, такой как ДЭАЭ-сефароза).

Элюирование путем увеличения ионной силы подвижной фазы более тонкое. Оно работает, поскольку ионы из подвижной фазы взаимодействуют с иммобилизованными ионами на неподвижной фазе, таким образом «экранируя» неподвижную фазу от белка и позволяя белку элюироваться.

Элюирование из ионообменных колонок может быть чувствительно к изменениям одного заряда - хроматофокусировка . Ионообменная хроматография также полезна при выделении определенных мультимерных белковых сборок, позволяя очищать определенные комплексы в соответствии как с числом, так и с положением заряженных пептидных меток. [50] [51]

Эффект Гиббса-Доннана

В ионообменной хроматографии эффект Гиббса-Доннана наблюдается, когда pH применяемого буфера и ионообменника различаются, даже до одной единицы pH. Например, в анионообменных колонках ионообменники отталкивают протоны, поэтому pH буфера вблизи колонки отличается и выше, чем у остальной части растворителя. [52] В результате экспериментатор должен быть осторожен, чтобы интересующий белок(и) был(и) стабилен(ы) и правильно заряжен(ы) в «реальном» pH.

Этот эффект возникает в результате того, что две одинаково заряженные частицы, одна из смолы и одна из раствора, не могут правильно распределиться между двумя сторонами; происходит избирательное поглощение одного иона по сравнению с другим. [53] [54] Например, в сульфированной полистирольной смоле, катионообменной смоле, ион хлора буфера соляной кислоты должен уравновешиваться в смоле. Однако, поскольку концентрация сульфоновой кислоты в смоле высока, водород HCl не имеет тенденции попадать в колонку. Это, в сочетании с необходимостью электронейтральности, приводит к минимальному количеству водорода и хлора, поступающих в смолу. [54]

Использует

Клиническая полезность

Использование ионной хроматографии можно увидеть в хроматографии с аргентацией . [ требуется цитата ] Обычно серебро и соединения, содержащие ацетиленовые и этиленовые связи, имеют очень слабые взаимодействия. Это явление широко проверялось на олефиновых соединениях. Ионные комплексы, которые олефины образуют с ионами серебра, слабы и созданы на основе перекрытия пи-, сигма- и d-орбиталей, и доступные электроны, следовательно, не вызывают реальных изменений в двойной связи. Это поведение было использовано для разделения липидов, в основном жирных кислот, из смесей на фракции с различным числом двойных связей с использованием ионов серебра. Ионные смолы были пропитаны ионами серебра, которые затем подвергались воздействию различных кислот (кремниевой кислоты) для элюирования жирных кислот с различными характеристиками.

Для ионов щелочных металлов можно получить пределы обнаружения до 1 мкМ. [55] Его можно использовать для измерения HbA1c , порфирина и при очистке воды . Ионообменные смолы (ИОС) широко используются, особенно в медицине, благодаря своей высокой емкости и несложной системе процесса разделения. Одним из синтетических применений является использование ионообменных смол для почечного диализа. Этот метод используется для разделения элементов крови с использованием искусственной почки с целлюлозной мембраной. [56]

Другое клиническое применение ионной хроматографии — метод быстрой анионообменной хроматографии, используемый для разделения изоферментов креатинкиназы (КК) из сыворотки крови человека и тканей, полученных из аутопсийного материала (в основном использовались ткани, богатые КК, такие как сердечная мышца и мозг). [ требуется цитирование ] Эти изоферменты включают ММ, МБ и ВВ, которые выполняют одну и ту же функцию при различных последовательностях аминокислот. Функции этих изоферментов заключаются в преобразовании креатина с использованием АТФ в фосфокреатин, вытесняя АДФ. Мини-колонки были заполнены ДЭАЭ-сефадексом А-50 и далее элюированы трис-буферным хлоридом натрия в различных концентрациях (каждая концентрация была выбрана выгодно для управления элюированием). Экстракт человеческой ткани был введен в колонки для разделения. Все фракции были проанализированы для определения общей активности КК, и было обнаружено, что каждый источник изоферментов КК имел характерные изоферменты, обнаруженные внутри. Сначала элюировался CK-MM, затем CK-MB, а затем CK-BB. Таким образом, изоферменты, обнаруженные в каждом образце, могли быть использованы для идентификации источника, поскольку они были тканеспецифичными.

Используя информацию из результатов, можно было сделать корреляцию о диагнозе пациентов и виде изоферментов CK, обнаруженных в наиболее обильной активности. Согласно результатам, около 35 из 71 обследованных пациентов, страдающих сердечным приступом (инфарктом миокарда), также содержали обильное количество изоферментов CK-MM и CK-MB. Результаты далее показывают, что при многих других диагнозах, включая почечную недостаточность, цереброваскулярные заболевания и заболевания легких, был обнаружен только изофермент CK-MM и никаких других изоферментов. Результаты этого исследования указывают на корреляции между различными заболеваниями и обнаруженными изоферментами CK, что подтверждает предыдущие результаты тестов с использованием различных методов. Исследования CK-MB, обнаруженные у жертв сердечного приступа, расширились с момента этого исследования и применения ионной хроматографии.

Промышленное применение

С 1975 года ионная хроматография широко используется во многих отраслях промышленности. Основными полезными преимуществами являются надежность, очень хорошая точность и прецизионность, высокая селективность, высокая скорость, высокая эффективность разделения и низкая стоимость расходных материалов. Наиболее значительным развитием, связанным с ионной хроматографией, являются новые методы подготовки образцов; улучшение скорости и селективности разделения аналитов; снижение пределов обнаружения и пределов количественного определения; расширение сферы применения; разработка новых стандартных методов; миниатюризация и расширение сферы анализа новой группы веществ. Позволяет проводить количественное тестирование электролита и фирменных добавок гальванических ванн. [57] Это усовершенствование качественного тестирования ячейки корпуса или менее точного УФ-тестирования. Можно измерять ионы, катализаторы, отбеливатели и ускорители. [57] Ионообменная хроматография постепенно стала широко известной, универсальной техникой для обнаружения как анионных, так и катионных видов. Приложения для таких целей были разработаны или находятся в стадии разработки для различных областей интересов, и в частности, для фармацевтической промышленности. Использование ионообменной хроматографии в фармацевтике возросло в последние годы, и в 2006 году глава об ионообменной хроматографии была официально добавлена ​​в Фармакопею США - Национальный формуляр (USP-NF). Кроме того, в выпуске USP-NF 2009 года Фармакопея США сделала несколько анализов ионной хроматографии доступными с использованием двух методов: детектирования проводимости, а также импульсного амперометрического детектирования. Большинство этих приложений в основном используются для измерения и анализа остаточных пределов в фармацевтических препаратах, включая определение пределов оксалата, йодида, сульфата, сульфамата, фосфата, а также различных электролитов, включая калий и натрий. Всего в издании USP-NF 2009 года официально было опубликовано двадцать восемь методов обнаружения для анализа активных соединений или компонентов активных соединений с использованием либо детектирования проводимости, либо импульсного амперометрического детектирования. [58]

Разработка лекарств

Система ионной хроматографии, используемая для обнаружения и измерения катионов, таких как натрий, аммоний и калий, в отхаркивающих средствах от кашля.

Растет интерес к применению ИК в анализе фармацевтических препаратов. ИК используется в различных аспектах разработки продукции и тестирования контроля качества. Например, ИК используется для улучшения стабильности и растворимости молекул фармацевтических активных препаратов, а также для обнаружения систем, которые имеют более высокую толерантность к органическим растворителям. ИК используется для определения аналитов как часть теста на растворение. Например, тесты на растворение кальция показали, что другие ионы, присутствующие в среде, могут быть хорошо разделены между собой, а также от иона кальция. Поэтому ИК используется в препаратах в форме таблеток и капсул для определения количества растворяющегося со временем препарата. [59] ИК также широко используется для обнаружения и количественной оценки вспомогательных веществ или неактивных ингредиентов, используемых в фармацевтических составах. Обнаружение сахара и сахарного спирта в таких составах с помощью ИК было выполнено из-за того, что эти полярные группы разделяются в ионной колонке. Методология ИК также зарекомендовала себя при анализе примесей в лекарственных веществах и продуктах. Оцениваются примеси или любые компоненты, которые не являются частью химического состава препарата, и они дают представление о максимальном и минимальном количестве препарата, которое следует вводить пациенту в день. [60]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Мунтян, Эдвард (2022). Анализ пищевых продуктов: с помощью ионной хроматографии . Де Грюйтер STEM. Берлин Бостон: Де Грюйтер. ISBN 978-3-11-064440-1.
  2. ^ Ngere, Judith B.; Ebrahimi, Kourosh H.; Williams, Rachel; Pires, Elisabete; Walsby-Tickle, John; McCullagh, James SO (10 января 2023 г.). «Ионообменная хроматография в сочетании с масс-спектрометрией в исследованиях в области естественных наук, окружающей среды и медицины». Аналитическая химия . 95 (1): 152–166. doi :10.1021/acs.analchem.2c04298. ISSN  0003-2700. PMC 9835059. PMID 36625129  . 
  3. ^ "Ионообменные равновесия", Ионообменная хроматография белков , CRC Press, стр. 121–158, 14 апреля 1988 г., doi :10.1201/b15751-8, ISBN 9780429173790, получено 13 октября 2023 г.
  4. ^ Singhal, Ram P. (1974). «Анион-исключительная и анионообменная хроматография нуклеотидов». European Journal of Biochemistry . 43 (2): 245–252. doi : 10.1111/j.1432-1033.1974.tb03406.x . ISSN  0014-2956. PMID  4838980.
  5. ^ abc Ninfa, Alexander J., David P.Ballou и Marilee Benore (2010). Фундаментальные лабораторные подходы к биохимии и биотехнологии . Хобокен, Нью-Джерси: John Wiley
  6. ^ abc Ninfa, Alexander; Ballou, David; Benore, Marilee (26 мая 2009 г.). Фундаментальные лабораторные подходы к биохимии и биотехнологии . Wiley. стр. 143–145. ISBN 978-0470087664.
  7. ^ "Принципы ионообменной хроматографии". Separates.us.tosohbioscience.com . Получено 1 мая 2018 г. .
  8. ^ "Справочник по мониторингу промышленных сточных вод". Агентство по охране окружающей среды (США). Август 1973 г. Получено 30 июля 2016 г.
  9. ^ Домбровски, А., Хубицки, З., Подкосцельни, П. и Робенс, Э. (2004). Селективное удаление ионов тяжелых металлов из вод и промышленных сточных вод методом ионного обмена. Chemosphere, 56(2), 91-106.
  10. ^ Лукман, Мохаммад и Инамуддин (2012). Технология ионного обмена II . Springer Netherlands. стр. 1. ISBN 978-94-007-4026-6 . 
  11. ^ Фриц, Джеймс С. (1987). «Ионная хроматография». Аналитическая химия . 59 (4): 335A–344A. doi :10.1021/ac00131a002.
  12. ^ Siegel, Miles (май 1997). «Быстрая очистка библиотек малых молекул с помощью ионообменной хроматографии». Tetrahedron Letters . 38 (19): 3357–3358. doi :10.1016/S0040-4039(97)00650-3.
  13. ^ Neubauer, Kenneth (ноябрь 2009 г.). "Преимущества и недостатки различных типов колонок для анализа видов методом LC-ICP-MS". Спектроскопия . Спектроскопия-11-01-2009. 24 (11) . Получено 9 мая 2016 г. .
  14. ^ Фриц, Дж. С. (2004). «Ранние вехи в развитии ионообменной хроматографии: личный отчет». Журнал хроматографии A. 1039 ( 1–2): 3–12. doi :10.1016/s0021-9673(04)00020-2. PMID  15250395.
  15. ^ Люси, Калифорния (2003). «Эволюция ионного обмена: от Моисея до Манхэттенского проекта и до наших дней». Журнал хроматографии A. 1000 ( 1–2): 711–24. doi :10.1016/s0021-9673(03)00528-4. PMID  12877196.
  16. ^ «Последние разработки и новые направления в ионной хроматографии». {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  17. ^ Andylong. "История ионообменной хроматографии". Ионная хроматография . Архивировано из оригинала 24 апреля 2016 года . Получено 9 мая 2016 года .
  18. ^ Lue, S. Jessie; Wu, T; Hsu, H; Huang, C (24 апреля 1998 г.). «Применение ионной хроматографии в полупроводниковой промышленности: I. Измерение кислотных загрязняющих веществ в воздухе в чистых помещениях». Journal of Chromatography A. 804 ( 1): 273–278. doi :10.1016/S0021-9673(98)00028-4. ISSN  0021-9673. PMID  9615406.
  19. ^ Эйт, Клаудия, Колб Максимилиан и Зейберт Андреас (2002). «Введение» в практическую ионную хроматографию. Введение . Ред. Фивегер Кай. Херизау: Metrohm. стр. 160.
  20. ^ Nachod, FC (1940). Ионный обмен: теория и применение . Т. 68. С. 1, 2. Bibcode :1949SoilS..68S.414.. doi :10.1097/00010694-194911000-00021. ISBN 978-0124312999. {{cite book}}: |journal=проигнорировано ( помощь )
  21. ^ ab Принципы и методы ионообменной хроматографии . General Electric Company. 2004. С. 11–20.
  22. ^ Юнгбауэр, Алоис; Хан, Райнер (2009). "Глава 22 Ионообменная хроматография". Руководство по очистке белков, 2-е издание . Методы в энзимологии. Том 463. С. 349–371. doi :10.1016/S0076-6879(09)63022-6. ISBN 9780123745361. PMID  19892182.
  23. ^ Duong-Ly, KC; Gabelli, SB (2014). «Использование ионообменной хроматографии для очистки рекомбинантно экспрессированного белка». Лабораторные методы в энзимологии: белок, часть C. Том 541. стр. 95–103. doi :10.1016/B978-0-12-420119-4.00008-2. ISBN 9780124201194. PMID  24674065.
  24. ^ Дитер, Дебра С.; Уолтон, Гарольд Ф. (1 ноября 1983 г.). «Эффекты противоионов в ионообменной распределительной хроматографии». Аналитическая химия . 55 (13): 2109–2112. doi :10.1021/ac00263a025.
  25. ^ ab Kirkland, JJ; DeStefano, JJ (8 сентября 2006 г.). «Искусство и наука формирования упакованных аналитических высокоэффективных жидкостных хроматографических колонок». Журнал хроматографии A. Роль теории в хроматографии. 1126 (1–2): 50–57. doi :10.1016/j.chroma.2006.04.027. PMID  16697390.
  26. ^ ab Janson, Jan-Christer. (2011). Очистка белков: принципы, методы высокого разрешения и приложения . John Wiley & Sons.
  27. ^ Лэки, Джон (2010). Словарь биохимии . Oxford University Press. ISBN 9780199549351.
  28. ^ Wouters, Bert; Bruggink, Cees; Desmet, Gert; Agroskin, Yury; Pohl, Christopher A.; Eeltink, Sebastiaan (21 августа 2012 г.). «Капиллярная ионная хроматография при высоком давлении и температуре». Аналитическая химия . 84 (16): 7212–7217. doi :10.1021/ac301598j. PMID  22830640.
  29. ^ Эскудер-Гилаберт, Л.; Бермудес-Салданья, Х.М.; Вильянуэва-Каманьяс, РМ; Медина-Эрнандес, MJ; Саградо, С. (16 апреля 2004 г.). «Надежность оценок коэффициента удерживания в жидкостной хроматографии». Журнал хроматографии А. 1033 (2): 247–255. doi :10.1016/j.chroma.2004.01.038. ПМИД  15088745.
  30. ^ Шибукава, Масами; Симасаки, Томоми; Сайто, Синго; Ярита, Такаши (1 октября 2009 г.). «Ионообменная хроматография на перегретой воде: экспериментальный подход к интерпретации селективности разделения в ионообменных процессах». Аналитическая химия . 81 (19): 8025–8032. doi :10.1021/ac9011864. PMID  19743878.
  31. ^ Эпплинг, Дин; Энтони-Кахилл, Спенсер; Мэтьюз, Кристофер (2016). Биохимия: Концепции и связи . Нью-Джерси: Pearson. стр. 134. ISBN 9780321839923.
  32. ^ Альперт, Эндрю Дж.; Худец, Отто; Мехтлер, Карл (5 мая 2015 г.). «Анионообменная хроматография фосфопептидов: слабый анионообмен против сильного анионообмена и анионообменная хроматография против хроматографии с электростатическим отталкиванием и гидрофильным взаимодействием». Аналитическая химия . 87 (9): 4704–4711. doi :10.1021/ac504420c. PMC 4423237 . PMID  25827581. 
  33. ^ Драган, ES; Аврам, E.; Дину, MV (1 июля 2006 г.). «Органические ионообменники в виде шариков. Синтез, характеристика и применение». Полимеры для передовых технологий . 17 (7–8): 571–578. doi :10.1002/pat.755.
  34. ^ Швелленбах, Дж., Тафт, Ф., Виллан, Л. и Штрубе, Дж. (2016). Приготовление и характеристика высокоемких, прочных катионообменных волоконных адсорбентов. Журнал хроматографии A, 1447, 92-106.
  35. ^ Холлабо, К. Б.; Берт, Леланд Х.; Уолш, Анна Петерсон (октябрь 1945 г.). «Карбоксиметилцеллюлоза... Использование и применение». Промышленная и инженерная химия . 37 (10): 943–947. doi :10.1021/ie50430a015.
  36. ^ Харрис, Дэниел С. (2010). Количественный химический анализ . Нью-Йорк: WH Freeman and Company. стр. 637. ISBN 978-1429218153.
  37. ^ Харрис, Дэниел С. (2010). Количественный химический анализ . Нью-Йорк: WH Freeman and Company. стр. 638. ISBN 978-1429218153.
  38. ^ Кумар, Панав (2018). Основы и методы биофизики и молекулярной биологии . Нью-Дели: Pathfinder Publication. стр. 7. ISBN 978-93-80473-15-4.
  39. ^ Knudsen, HL, Fahrner, RL, Xu, Y., Norling, LA, & Blank, GS (2001). Мембранная ионообменная хроматография для очистки антител в масштабе процесса. Журнал хроматографии A, 907(1), 145-154.
  40. ^ Charcosset, C. (1998). Очистка белков с помощью мембранной хроматографии. Журнал химической технологии и биотехнологии, 71(2), 95-110.
  41. ^ Boi, C. (2007). Мембранные адсорберы как инструменты очистки для очистки моноклональных антител. Журнал хроматографии B, 848(1), 19-27.
  42. ^ Томмес, Дж. и Кула, М. Р. (1995). Мембранная хроматография — интегративная концепция в последующей обработке белков. Прогресс биотехнологии, 11(4), 357-367.
  43. ^ Брандт, С (1988). «Мембранная аффинная технология для очистки в коммерческих масштабах». Bio/Technology . 6 (7): 779–782. doi :10.1038/nbt0788-779. S2CID  26477901.
  44. ^ Yang, Heewon; Viera, Clarivel; Fischer, Joachim; Etzel, Mark R. (2002). «Очистка большого белка с использованием ионообменных мембран». Industrial & Engineering Chemistry Research . 41 (6): 1597–1602. doi :10.1021/ie010585l.
  45. ^ Ропер, Д. Кит; Лайтфут, Эдвин Н. (1995). «Разделение биомолекул с использованием адсорбционных мембран». Журнал хроматографии A. 702 ( 1–2): 3–26. doi :10.1016/0021-9673(95)00010-K.
  46. ^ Caculitan, Niña G.; Kai, Hiroyuki; Liu, Eulanca Y.; Fay, Nicole; Yu, Yan; Lohmüller, Theobald; O'Donoghue, Geoff P.; Groves, Jay T. (2014). «Хроматография сигнальных кластеров в мембране живой клетки на основе размера». Nano Letters . 14 (5): 2293–2298. Bibcode :2014NanoL..14.2293C. doi :10.1021/nl404514e. PMC 4025576 . PMID  24655064. 
  47. ^ Svec, Frantisek.; Frechet, Jean MJ (1992). «Непрерывные стержни из макропористого полимера как среда для высокоэффективной жидкостной хроматографии». Аналитическая химия . 64 (7): 820–822. doi :10.1021/ac00031a022.
  48. ^ Гарретт, Реджинальд Х.; Гришэм, Чарльз М. (2009). Биохимия (4-е изд.). Пасифик-Гроув, Калифорния: Brooks/Cole. стр. 71–75. ISBN 978-0-495-11464-2 . 
  49. ^ Дасгупта, Пурненду К. (1992). «Ионная хроматография — современное состояние». Аналитическая химия . 64 (15): 775A–783A. doi :10.1021/ac00039a722.
  50. ^ Сакаш, Дж. Б.; Кантровиц, Э. Р. (2000). «Вклад отдельных межцепочечных взаимодействий в стабилизацию состояний T и R аспартаттранскарбамоилазы Escherichia coli». J Biol Chem . 275 (37): 28701–7. doi : 10.1074/jbc.M005079200 . PMID  10875936.
  51. ^ Fairhead, M. (2013). «Спаривание Plug-and-Play через определенные двухвалентные стрептавидины». J Mol Biol . 426 (1): 199–214. doi :10.1016/j.jmb.2013.09.016. PMC 4047826. PMID 24056174  . 
  52. ^ Хефтманн, Эрих (2004). Хроматография. Основы и применение хроматографии и связанных с ней дифференциальных методов миграции: применение . Амстердам: Elsevier. стр. 716. ISBN 9780080472256.
  53. ^ Грегор, Гарри П. (1951). «Равновесия Гиббса-Доннана в системах ионообменных смол». Журнал Американского химического общества . 73 (2): 642–650. doi :10.1021/ja01146a042.
  54. ^ ab Rieman, William, Harold F. Walton, R. Belcher и H. Freiser (2013). Ионный обмен в аналитической химии Международная серия монографий по аналитической химии . Burlington: Elsevier Science.
  55. ^ Хаузер, Питер К. (2016). «Определение щелочных ионов в биологических и экологических образцах». В Астрид, Сигель; Хельмут, Сигель; Роланд КО, Сигель (ред.). Ионы щелочных металлов: их роль для жизни . Ионы металлов в науках о жизни. Том 16. Springer. стр. 11–25. doi :10.1007/978-3-319-21756-7_2. ISBN 978-3-319-21755-0. PMID  26860298.
  56. ^ Лукман, Мохаммад и Инамуддин (2012). Технология ионного обмена II . Springer Netherlands. стр. 169. ISBN 978-94-007-4026-6 . 
  57. ^ ab Роберт Э. Смит (31 декабря 1987 г.). Приложения ионной хроматографии. CRC Press. ISBN 978-0-8493-4967-6.
  58. ^ Бхаттачарья, Локеш; Рорер, Джеффри (2012). Применение ионной хроматографии в анализе фармацевтических и биологических продуктов . Wiley. стр. 247. ISBN 978-0470467091.
  59. ^ Ханко, Валоран П.; Рорер, Джеффри С. (2012). «Анализ аминогликозидных антибиотиков методом ионной хроматографии». Применение ионной хроматографии для фармацевтических и биологических продуктов . стр. 175. doi :10.1002/9781118147009.ch8. ISBN 9781118147009.
  60. ^ Jenke, D. (2011). «Применение ионной хроматографии в фармацевтическом и лекарственном анализе». Журнал хроматографической науки . 49 (7): 524–39. doi : 10.1093/chrsci/49.7.524 . PMID  21801484.

Библиография

Внешние ссылки

Библиотечные ресурсы по
ионообменной хроматографии
  • Ресурсы в вашей библиотеке
  • Ресурсы в других библиотеках