離子交換層析技術的原理、實驗流程及關鍵工藝全解析
在生物制藥的下游純化過程中，離子交換層析（Ion Exchange Chromatography, IEX）因其分辨率高、處理量大、操作方便、適用范圍廣等優勢，成為抗體、疫苗、重組蛋白等生物大分子純化過程中不可或缺的關鍵步驟。
什么是離子交換層析？
原理
離子交換層析是一種基于帶電分子與填料表面電荷之間的靜電相互作用來實現分離純化的技術。目標分子在一定pH條件下帶有正電或負電，可分別與陽離子交換或陰離子交換填料結合。通過調節緩沖體系中的pH和電導率，可實現目標分子與雜質的高效分離。
蛋白質滴定曲線
• 蛋白質滴定曲線的理解是設計離子交換工藝的關鍵之一，幫助我們確定最適結合和洗脫條件。
• 每種蛋白質都有其獨特的凈電荷與pH的關系，可以將其顯示為滴定曲線。
• 在不同的pH條件下，不同的蛋白質分子表面凈電荷不同，尋找合適的pH，使得目標蛋白的表面凈電荷強度或者性質與其他分子不同，從而導致目標蛋白與填料的結合強度與其他分子不同，從而達到分離純化。
注：當分子所在溶液pH小于分子的pI（等電點）時，分子表面凈電荷為正（+）；當分子所在溶液pH大于分子的pI時，分子表面凈電荷為負（-）。
Fig.1 蛋白滴定曲線
• 平衡：用平衡緩沖液清洗層析柱至出口處的緩沖液的pH和電導率與平衡緩沖液基本一致，通常需要3~5CV。
• 上樣與清洗：按工藝載量進樣，然后使用緩沖液清洗層析柱至紫外吸收接近基線。
• 梯度洗脫：采用線性或步級梯度提高鹽濃度，將不同結合強度的物質從層析柱中洗脫，收集不同的組分。
• 再生：采用高鹽(如1~2M NaCl)及NaOH(如0.1~0.5M NaOH)進行再生清洗，堿洗后需使用緩沖液清洗至中性。
Fig.2 典型離子交換實驗流程示意圖
• 選擇合適的填料種類與粒徑；
• 優化緩沖液的pH與離子強度；
• 開發并優化合適的洗脫方式及條件等參數實現高效分離。
隨著生物工藝對產品質量要求的不斷提升，離子交換層析及離子交換填料的開發正從“標準化工藝”向“精細化控制”方向發展。
離子填料的組成與分類
基本組成
離子填料主要由填料基架與配基組成。
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Fig.3 離子交換層析填料的組成
離子交換填料根據配基的帶點性質主要分為以下兩類：
• 陽離子交換填料（Cation Exchange Resins）：配基帶負電，結合帶正電的分子。常見配基如磺酸（SP）、羧基（CM）。
• 陰離子交換填料（Anion Exchange Resins）：配基帶正電，結合帶負電的分子。常見配基如季胺（Q）、二乙基氨基乙基（DEAE）。
此外，配基根據其解離度是否隨pH顯著變化還有強弱離子型之分，決定了其在不同pH范圍內的適用性。
Table 1.不同類型離子交換填料的特性
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• 若工藝需要更寬pH穩定性和更強結合力，優選強離子交換劑；
• 若希望更精細選擇性或更溫和的結合/洗脫條件，優選弱離子交換劑；
• 在放大工藝時，強交換劑更適合標準化操作，而弱交換劑適用于特定蛋白分離純化。
博格隆離子交換層析產品介紹
隨著市場和技術的發展，博格隆的產品形成了豐富的填料種類，可滿足不同應用需求。
Table 2.博格隆離子交換層析產品
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離子交換層析被廣泛應用于：
• 抗體純化中的中度及精細純化，用于雜蛋白去除；
• 疫苗生產中的病毒雜質清除；
• 重組蛋白的高效捕獲。
• 樣品：某單克隆抗體，調pH5.0，電導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
• 層析柱：Diamond CD-S
• 層析柱規格：BHR 5/17，2mL，柱高10cm
• 流速：6RT
Fig.4 Diamond CD-S層析圖譜
Table 3.實驗結果
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在整個下游工藝中，離子交換層析不僅是“分離工具”，更是實現高純度產品質量的“關鍵武器”。了解它、掌握它、優化它，是每一位生物工藝開發者的必修課。
博格隆的Diamond CD-S與MegaPoly BXS系列產品，可實現單抗、雙抗、ADC的高效、精準、穩定的分離，助力生物制藥流程優化與降本增效。
