离子交换层析技术的原理、实验流程及关键工艺全解析
2025-05-09 来源:博格隆微信公众号 点击次数:190在生物制药的下游纯化过程中，离子交换层析（Ion Exchange Chromatography, IEX）因其分辨率高、处理量大、操作方便、适用范围广等优势，成为抗体、疫苗、重组蛋白等生物大分子纯化过程中不可或缺的关键步骤。
什么是离子交换层析？
原理
离子交换层析是一种基于带电分子与填料表面电荷之间的静电相互作用来实现分离纯化的技术。目标分子在一定pH条件下带有正电或负电，可分别与阳离子交换或阴离子交换填料结合。通过调节缓冲体系中的pH和电导率，可实现目标分子与杂质的高效分离。
蛋白质滴定曲线
• 蛋白质滴定曲线的理解是设计离子交换工艺的关键之一，帮助我们确定最适结合和洗脱条件。
• 每种蛋白质都有其独特的净电荷与pH的关系，可以将其显示为滴定曲线。
• 在不同的pH条件下，不同的蛋白质分子表面净电荷不同，寻找合适的pH，使得目标蛋白的表面净电荷强度或者性质与其他分子不同，从而导致目标蛋白与填料的结合强度与其他分子不同，从而达到分离纯化。
注：当分子所在溶液pH小于分子的pI（等电点）时，分子表面净电荷为正（+）；当分子所在溶液pH大于分子的pI时，分子表面净电荷为负（-）。
Fig.1 蛋白滴定曲线
• 平衡：用平衡缓冲液清洗层析柱至出口处的缓冲液的pH和电导率与平衡缓冲液基本一致，通常需要3~5CV。
• 上样与清洗：按工艺载量进样，然后使用缓冲液清洗层析柱至紫外吸收接近基线。
• 梯度洗脱：采用线性或步级梯度提高盐浓度，将不同结合强度的物质从层析柱中洗脱，收集不同的组分。
• 再生：采用高盐(如1~2M NaCl)及NaOH(如0.1~0.5M NaOH)进行再生清洗，碱洗后需使用缓冲液清洗至中性。
Fig.2 典型离子交换实验流程示意图
• 选择合适的填料种类与粒径；
• 优化缓冲液的pH与离子强度；
• 开发并优化合适的洗脱方式及条件等参数实现高效分离。
随着生物工艺对产品质量要求的不断提升，离子交换层析及离子交换填料的开发正从“标准化工艺”向“精细化控制”方向发展。
离子填料的组成与分类
基本组成
离子填料主要由填料基架与配基组成。
_1746754885_WNo_1080d402.webp)
Fig.3 离子交换层析填料的组成
离子交换填料根据配基的带点性质主要分为以下两类：
• 阳离子交换填料（Cation Exchange Resins）：配基带负电，结合带正电的分子。常见配基如磺酸（SP）、羧基（CM）。
• 阴离子交换填料（Anion Exchange Resins）：配基带正电，结合带负电的分子。常见配基如季胺（Q）、二乙基氨基乙基（DEAE）。
此外，配基根据其解离度是否随pH显著变化还有强弱离子型之分，决定了其在不同pH范围内的适用性。
Table 1.不同类型离子交换填料的特性
_1746754910_WNo_1080d615.webp)
• 若工艺需要更宽pH稳定性和更强结合力，优选强离子交换剂；
• 若希望更精细选择性或更温和的结合/洗脱条件，优选弱离子交换剂；
• 在放大工艺时，强交换剂更适合标准化操作，而弱交换剂适用于特定蛋白分离纯化。
博格隆离子交换层析产品介绍
随着市场和技术的发展，博格隆的产品形成了丰富的填料种类，可满足不同应用需求。
Table 2.博格隆离子交换层析产品
_1746754938_WNo_1080d641.webp)
离子交换层析被广泛应用于：
• 抗体纯化中的中度及精细纯化，用于杂蛋白去除；
• 疫苗生产中的病毒杂质清除；
• 重组蛋白的高效捕获。
• 样品：某单克隆抗体，调pH5.0，电导4mS/cm
• Buffer A：50mM NaAc-HAc，pH5.0，Cond：4mS/cm
• Buffer B：50mM NaAc-HAc + 0.5M NaCl，pH5.0
• Buffer C：0.5M NaOH
• 层析柱：Diamond CD-S
• 层析柱规格：BHR 5/17，2mL，柱高10cm
• 流速：6RT
Fig.4 Diamond CD-S层析图谱
Table 3.实验结果
_1746755018_WNo_1080d273.webp)
在整个下游工艺中，离子交换层析不仅是“分离工具”，更是实现高纯度产品质量的“关键武器”。了解它、掌握它、优化它，是每一位生物工艺开发者的必修课。
博格隆的Diamond CD-S与MegaPoly BXS系列产品，可实现单抗、双抗、ADC的高效、精准、稳定的分离，助力生物制药流程优化与降本增效。