SEPLIFE ®, Tutto quello che devi sapere sulla cromatografia a scambio ionico

Introduzione alla cromatografia a scambio ionico:

La cromatografia a scambio ionico è un metodo di cromatografia su colonna che utilizza la differenza nella forza elettrostatica tra gli ioni scambiabili sullo scambiatore ionico e i vari ioni separati nel mezzo circostante e raggiunge lo scopo della separazione attraverso l'equilibrio di scambio. La cromatografia a scambio ionico presenta i vantaggi di elevata sensibilità, ripetibilità, buona selettività e rapida velocità di analisi ed è attualmente uno dei metodi cromatografici più comunemente utilizzati. 

Nel 1848, Thompson et al. scoperto il fenomeno dello scambio ionico nel processo di studio dello scambio di sostanze alcaline nel suolo. Negli anni '40 apparvero le resine a scambio ionico di polistirene con caratteristiche di scambio stabile. Negli anni '50 la cromatografia a scambio ionico entrò nel campo della biochimica e fu applicata all'analisi degli amminoacidi. Attualmente, la cromatografia a scambio ionico è ancora un metodo cromatografico comunemente utilizzato nel campo della biochimica ed è ampiamente utilizzata nella separazione e purificazione di varie sostanze biochimiche come amminoacidi, proteine, zuccheri, virus e nucleotidi.

Il processo di scambio ionico:  

La reazione tra lo scambiatore ionico e gli ioni o i composti ionici presenti nella soluzione avviene principalmente mediante scambio ionico. La reazione di scambio ionico eseguita è reversibile. Supponendo che RA rappresenti lo scambiatore cationico, il catione A+ dissociato nella soluzione può subire una reazione di scambio reversibile con il catione B+ presente nella soluzione, e la formula di reazione è:

RA + SI+ – RB + LA+

La reazione raggiunge l'equilibrio a una velocità estremamente rapida e lo spostamento dell'equilibrio segue la legge dell'azione di massa. 

La selettività di uno scambiatore ionico può essere espressa dalla costante di equilibrio K della sua reazione:

K锛漑RB][A+]/[RA][B+]

✔Se [A+] è uguale a [B+] nella soluzione di reazione, allora K=[RB]/[RA].

✔Se K>1, cioè [RB]>[RA], significa che la forza legante dello scambiatore ionico verso B+ è maggiore di quella di A+;

✔Se K=1, cioè [RB]=[RA], significa che lo scambiatore ionico ha la stessa forza legante verso A+ e B+;

✔Se K

✔Il valore K è un parametro che riflette la forza legante o la selettività dello scambiatore ionico verso ioni diversi, quindi il valore K è chiamato coefficiente di selettività dello scambiatore ionico per A+ e B+.

Meccanismo di scambio ionico:

A+ diffonde dalla soluzione alla superficie della resina.

A+ entra nel centro attivo all'interno della resina dalla superficie della resina.

A+ subisce una reazione di metatesi con RB sul centro attivo.

Lo ione B+ desorbito si diffonde dall'interno della resina alla superficie della resina.

Gli ioni B+ si diffondono dalla superficie della resina nella soluzione.

La fase di controllo del tasso di cambio è la velocità di diffusione, che può essere controllata dalla diffusione interna o dalla diffusione esterna in diversi sistemi di separazione.

Fattori che influenzano il processo di scambio ionico: 

✔Dimensione delle particelle: più piccole, più veloce

✔Grado di reticolazione: piccolo grado di reticolazione, alta velocità di scambio

✔Temperatura: più alta è più veloce, è legata all'aumento del coefficiente di diffusione

✔Valenza ionica: maggiore è la valenza, minore è la velocità di diffusione

✔Dimensione degli ioni: più piccoli sono più veloci

✔ Velocità di agitazione: in una certa misura, maggiore è la velocità

✔Concentrazione della soluzione: quando il tasso di cambio è controllato dalla diffusione, maggiore è la concentrazione, più veloce è il tasso di cambio

Principio dello scambio ionico:

Se viene selezionata una resina a scambio cationico, la sostanza caricata positivamente viene scambiata con H+ e legata alla resina. Se viene selezionata una resina a scambio anionico, la sostanza caricata negativamente può essere scambiata con OH- e legata alla resina.

Esistono differenze nel grado di fermezza della combinazione di sostanze sulla resina e i componenti della miscela possono essere eluiti uno per uno selezionando un eluente appropriato per raggiungere lo scopo di separazione e purificazione.

✔1. Fase di equilibrio: combinazione di scambiatore ionico e controione

✔2. Fase di adsorbimento: campione e scambio di controioni

✔3. Fase di desorbimento: la soluzione tampone del gradiente lava prima via le sostanze debolmente adsorbite, quindi lava via le sostanze fortemente adsorbite

✔4. Fase di rigenerazione: lavare completamente con la soluzione bilanciata originale, che può essere riutilizzata

Resine per cromatografia a scambio ionico:

I gruppi carichi di scambiatori cationici sono caricati negativamente e i controioni sono caricati positivamente, che possono eseguire reazioni di scambio con cationi o composti caricati positivamente in soluzione.

In base alla forza del gruppo carico, può essere diviso in tre tipi, rispettivamente tipo acido forte (gruppo con acido solfonico, R-SO3H), tipo acido medio-forte (contenente gruppo acido fosforico o gruppo acido fosforoso, R-PO3H2 ) e di tipo acido debole (con gruppo carbossilico e resina a base fenolica, R-COOH o R-anello benzenico-OH).

Durante lo scambio di questi scambiatori, gli ioni idrogeno vengono sostituiti da cationi estranei, come mostrato nella seguente formula:

R锛岰OOH锛婲a+锛漅锛岰OONa锛嬶紜H+

Lo scambiatore anionico è formato introducendo gruppi amminici quaternari [-N (CH3) 3], amminici terziari [-N (CH3) 2], amminici secondari [-NHCH3] e gruppi amminici primari [-NH2] sulla matrice.

A seconda del diverso livello di alcalinità dei gruppi amminici, può essere suddiviso in tre tipi, rispettivamente fortemente basico (compresi i gruppi amminici quaternari), debolmente basico (compresi i gruppi amminici terziari e secondari) e mediamente basico (contenente sia il gruppo basico forte che il gruppo amminico gruppo di base debole).

Quando si scambiano con ioni in soluzione, la formula di reazione è la seguente:

Per ulteriori informazioni sui tipi specifici di resine per cromatografia a scambio ionico, rimanete sintonizzati sul nostro prossimo articolo sulla cromatografia a scambio ionico.