세플리프 ®이온 교환 크로마토그래피에 대해 알아야 할 모든 것

이온 교환 크로마토그래피 소개:

이온 교환 크로마토그래피는 이온 교환체에 존재하는 교환 가능한 이온과 주변 매질에 존재하는 다양한 이온 사이의 정전기적 힘의 차이를 이용하여 이온 교환 평형을 통해 분리하는 컬럼 크로마토그래피 방법입니다. 이온 교환 크로마토그래피는 높은 감도, 재현성, 우수한 선택성 및 빠른 분석 속도 등의 장점을 가지고 있어 현재 가장 널리 사용되는 크로마토그래피 방법 중 하나입니다. 

1848년, 톰슨(Thompson) 등은 토양 내 알칼리성 물질의 이온 교환을 연구하는 과정에서 이온 교환 현상을 발견했습니다. 1940년대에는 안정적인 이온 교환 특성을 지닌 폴리스티렌 이온 교환 수지가 개발되었고, 1950년대에는 이온 교환 크로마토그래피가 생화학 분야에 도입되어 아미노산 분석에 적용되었습니다. 현재 이온 교환 크로마토그래피는 생화학 분야에서 널리 사용되는 크로마토그래피 방법으로, 아미노산, 단백질, 당류, 바이러스, 뉴클레오티드 등 다양한 생화학 물질의 분리 및 정제에 활용되고 있습니다.

이온 교환 과정:  

이온 교환체와 용액 내 이온 또는 이온 화합물 사이의 반응은 주로 이온 교환에 의해 이루어집니다. 이 이온 교환 반응은 가역적입니다. RA를 양이온 교환체라고 가정하면, 용액에서 해리된 양이온 A+는 용액 내 양이온 B+와 가역적인 교환 반응을 일으킬 수 있으며, 반응식은 다음과 같습니다.

RA + B+ → RB + A+

반응은 매우 빠른 속도로 평형에 도달하며, 평형 이동은 질량 작용의 법칙을 따른다. 

이온 교환기의 선택성은 반응의 평형 상수 K로 나타낼 수 있습니다.

K＝[RB][A+]/[RA][B+]

✔반응 용액에서 [A+]와 [B+]가 같으면 K=[RB]/[RA]이다.

✔K>1, 즉 [RB]>[RA]이면 이온 교환기의 B+에 대한 결합력이 A+에 대한 결합력보다 크다는 것을 의미합니다.

✔K=1, 즉 [RB]=[RA]인 경우, 이는 이온 교환기가 A+와 B+에 대해 동일한 결합력을 가지고 있음을 의미합니다.

✔K

✔K 값은 이온 교환기의 다양한 이온에 대한 결합력 또는 선택성을 반영하는 매개변수이므로, K 값은 A+ 및 B+에 대한 이온 교환기의 선택성 계수라고 합니다.

이온 교환 메커니즘:

A+ 이온은 용액에서 수지 표면으로 확산됩니다.

A+ 이온은 수지 표면에서 수지 내부의 활성 중심부로 들어갑니다.

A+는 활성 중심에서 RB와 복분해 반응을 일으킵니다.

탈착된 이온 B+는 수지 내부에서 수지 표면으로 확산됩니다.

B+ 이온은 수지 표면에서 용액으로 확산됩니다.

교환 속도를 조절하는 단계는 확산 속도이며, 이는 서로 다른 분리 시스템에서 내부 확산 또는 외부 확산에 의해 제어될 수 있습니다.

이온 교환 과정에 영향을 미치는 요인: 

✔입자 크기: 작을수록 속도가 빨라집니다.

✔가교 결합 정도: 가교 결합 정도가 낮을수록 교환 속도가 빠릅니다.

✔온도: 온도가 높을수록 확산 속도가 빨라지며, 이는 확산 계수의 증가와 관련이 있습니다.

✔이온 원자가: 원자가가 높을수록 확산 속도가 느려집니다.

✔이온 크기: 작을수록 더 빠릅니다.

✔ 교반 속도: 어느 정도까지는 크기가 클수록 더 빠릅니다.

✔용액 농도: 교환 속도가 확산에 의해 조절될 때, 농도가 높을수록 교환 속도가 빨라집니다.

이온 교환의 원리:

양이온 교환 수지를 선택하면 양전하를 띤 물질이 H+와 교환되어 수지에 결합됩니다. 음이온 교환 수지를 선택하면 음전하를 띤 물질이 OH-와 교환되어 수지에 결합됩니다.

수지에 결합된 물질의 결합 강도에는 차이가 있으며, 적절한 용리액을 선택함으로써 혼합물 내 성분을 하나씩 용출시켜 분리 및 정제 목적을 달성할 수 있다.

✔1. 평형 단계: 이온 교환체와 역이온의 결합

✔2. 흡착 단계: 시료 및 역이온 교환

✔3. 탈착 단계: 먼저, 농도 구배 완충 용액이 약하게 흡착된 물질을 씻어낸 다음, 강하게 흡착된 물질을 씻어냅니다.

✔4. 재생 단계: 재사용 가능한 원래의 밸런스 용액으로 완전히 세척합니다.

이온 교환 크로마토그래피 수지:

양이온 교환기의 하전 그룹은 음전하를 띠고, 반대 이온은 양전하를 띠므로 용액 내의 양이온 또는 양전하를 띤 화합물과 교환 반응을 할 수 있습니다.

하전된 작용기의 세기에 따라 강산형(술폰산기, R-SO3H 함유), 중강산형(인산기 또는 인산기, R-PO3H2 함유), 약산형(카르복실기 및 페놀계 수지, R-COOH 또는 R-벤젠 고리-OH 함유)의 세 가지 유형으로 나눌 수 있다.

이러한 이온교환 과정에서 수소 이온은 다음 공식에 나타낸 바와 같이 외부 양이온으로 대체됩니다.

R-COOH+Na+=R-COONa++H+

음이온 교환기는 매트릭스에 4차 아민 [-N(CH3)3], 3차 아민 [-N(CH3)2], 2차 아민 [-NHCH3] 및 1차 아민 [-NH2] 그룹을 도입하여 형성됩니다.

아민기의 알칼리도에 따라 강염기성(4차 아미노기 포함), 약염기성(3차 및 2차 아미노기 포함), 중염기성(강염기성기와 약염기성기 모두 포함)의 세 가지 유형으로 나눌 수 있다.

용액 속 이온과 이온 교환이 일어날 때의 반응식은 다음과 같습니다.

이온 교환 크로마토그래피 수지의 구체적인 유형에 대한 자세한 내용은 다음 이온 교환 크로마토그래피 관련 기사를 참고해 주세요.