SEPLIFE ®Todo lo que necesita saber sobre la cromatografía de intercambio iónico

Introducción a la cromatografía de intercambio iónico:

La cromatografía de intercambio iónico es un método de cromatografía en columna que aprovecha la diferencia de fuerza electrostática entre los iones intercambiables en el intercambiador iónico y los iones separados en el medio circundante, logrando la separación mediante el equilibrio de intercambio. La cromatografía de intercambio iónico ofrece ventajas como alta sensibilidad, repetibilidad, buena selectividad y alta velocidad de análisis, y actualmente es uno de los métodos cromatográficos más utilizados. 

En 1848, Thompson et al. descubrieron el fenómeno del intercambio iónico al estudiar el intercambio de sustancias alcalinas en el suelo. En la década de 1940, aparecieron resinas de intercambio iónico de poliestireno con características de intercambio estables. En la década de 1950, la cromatografía de intercambio iónico se incorporó a la bioquímica y se aplicó al análisis de aminoácidos. Actualmente, la cromatografía de intercambio iónico sigue siendo un método cromatográfico de uso común en bioquímica, y se utiliza ampliamente en la separación y purificación de diversas sustancias bioquímicas, como aminoácidos, proteínas, azúcares, virus y nucleótidos.

El proceso de intercambio iónico:  

La reacción entre el intercambiador iónico y los iones o compuestos iónicos en la solución se lleva a cabo principalmente mediante intercambio iónico. Esta reacción de intercambio iónico es reversible. Suponiendo que RA representa el intercambiador catiónico, el catión A+ disociado en la solución puede experimentar una reacción de intercambio reversible con el catión B+ en la solución, y la fórmula de la reacción es:

RA + B+ - RB + A+

La reacción alcanza el equilibrio a un ritmo extremadamente rápido y el cambio de equilibrio sigue la ley de acción de masas. 

La selectividad de un intercambiador de iones se puede expresar mediante la constante de equilibrio K de su reacción:

K锛漑RB][A+]/[RA][B+]

✔Si [A+] es igual a [B+] en la solución de reacción, entonces K=[RB]/[RA].

✔Si K>1, es decir, [RB]>[RA], significa que la fuerza de enlace del intercambiador de iones a B+ es mayor que la de A+;

✔Si K=1, es decir, [RB]=[RA], significa que el intercambiador de iones tiene la misma fuerza de enlace con A+ y B+;

✔Si K

✔El valor K es un parámetro que refleja la fuerza de enlace o selectividad del intercambiador de iones a diferentes iones, por lo que el valor K se denomina coeficiente de selectividad del intercambiador de iones para A+ y B+.

Mecanismo de intercambio iónico:

A+ se difunde desde la solución a la superficie de la resina.

A+ ingresa al centro activo dentro de la resina desde la superficie de la resina.

A+ sufre una reacción de metátesis con RB en el centro activo.

El ion B+ desorbido se difunde desde el interior de la resina a la superficie de la resina.

Los iones B+ se difunden desde la superficie de la resina hacia la solución.

La etapa de control del tipo de cambio es la tasa de difusión, que puede controlarse mediante difusión interna o difusión externa en diferentes sistemas de separación.

Factores que afectan el proceso de intercambio iónico: 

✔Tamaño de partícula: cuanto más pequeño, más rápido

✔Grado de reticulación: pequeño grado de reticulación, velocidad de intercambio rápida

✔Temperatura: cuanto más alta más rápido, está relacionada con el aumento del coeficiente de difusión.

✔Valencia iónica: cuanto mayor sea la valencia, más lenta será la velocidad de difusión.

✔Tamaño del ion: cuanto más pequeño, más rápido

✔ Velocidad de agitación: hasta cierto punto, cuanto mayor sea, más rápido.

✔Concentración de la solución: Cuando la tasa de intercambio está controlada por difusión, cuanto mayor sea la concentración, más rápida será la tasa de intercambio.

Principio del intercambio iónico:

Si se selecciona una resina de intercambio catiónico, la sustancia con carga positiva se intercambia con H+ y se une a la resina. Si se selecciona una resina de intercambio aniónico, la sustancia con carga negativa se puede intercambiar con OH- y unirse a la resina.

Existen diferencias en el grado de firmeza de la combinación de sustancias en la resina, y los componentes de la mezcla se pueden eluir uno por uno seleccionando un eluyente apropiado para lograr el propósito de separación y purificación.

✔1. Etapa de equilibrio: combinación de intercambiador de iones y contraión.

✔2. Etapa de adsorción: intercambio de muestra y contraión

✔3. Etapa de desorción: la solución tampón de gradiente primero lava las sustancias débilmente adsorbidas y luego lava las sustancias fuertemente adsorbidas.

✔4. Etapa de regeneración: lavar completamente con la solución de equilibrio original, que puede reutilizarse.

Resinas de cromatografía de intercambio iónico:

Los grupos cargados de los intercambiadores de cationes están cargados negativamente y los contraiones están cargados positivamente, lo que puede realizar reacciones de intercambio con cationes o compuestos cargados positivamente en solución.

Según la fuerza del grupo cargado, se puede dividir en tres tipos, respectivamente tipo ácido fuerte (grupo con ácido sulfónico, R-SO3H), tipo ácido medio-fuerte (que contiene un grupo de ácido fosfórico o un grupo de ácido fosforoso, R-PO3H2) y tipo ácido débil (con grupo carboxilo y resina a base de fenol, R-COOH o anillo de R-benceno-OH).

Durante el intercambio de estos intercambiadores, los iones de hidrógeno son reemplazados por cationes extraños, como se muestra en la siguiente fórmula:

R锛岰OOH锛婲a+锛漅锛岰OONa锛嬶紜H+

El intercambiador de aniones se forma introduciendo grupos amina cuaternaria [-N (CH3) 3], amina terciaria [-N (CH3) 2], amina secundaria [-NHCH3] y amina primaria [-NH2] en la matriz.

Según el diferente nivel de alcalinidad de los grupos amina, se pueden dividir en tres tipos, respectivamente: fuertemente básico (incluido el grupo amino cuaternario), débilmente básico (incluido el grupo amino terciario y secundario) y medianamente básico (que contiene tanto un grupo básico fuerte como un grupo básico débil).

Cuando intercambian con iones en solución, la fórmula de reacción es la siguiente:

Para obtener más información sobre los tipos específicos de resinas de cromatografía de intercambio iónico, esté atento a nuestro próximo artículo sobre cromatografía de intercambio iónico.