Sober 和 Peterson于1956年首次將離子交換基團(tuán)結(jié)合到纖維素上，制成了離子交換纖維素，成功地應(yīng)用于蛋白質(zhì)的分離。從此使生物大分子的分級分離方法取得了迅速的發(fā)展。離子交換基團(tuán)不但可結(jié)合到纖維上， 還可結(jié)合到交聯(lián)葡聚糖（S-ephadex）和瓊脂糖凝膠（Sepharose）上。 近年來離子交換色譜技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于蛋白質(zhì)、酶、核酸、肽、寡核苷酸、病毒、噬菌體和多糖的分離和純化。它們的優(yōu)點(diǎn)是:⑴具有開放性支持骨架，大分子可以自由進(jìn)入和迅速擴(kuò)散，故吸附容量大。⑵具有親水性，對大分子的吸附不大牢固，用溫和條件使可以洗脫，不致引起蛋白質(zhì)變性或酶的失活。⑶多孔性，表面積大、交換容量大，回收率高，可用于分離和制備。
一、基本理論
離子交換劑通常是一種不溶性高分子化合物，如樹脂，纖維素，葡聚糖，醇脂糖等，它的分子中含有可解離的基團(tuán)，這些基因在水溶液中能與溶液中的其它陽離子或陰離子起交換作用。雖然交換反應(yīng)都是平衡反應(yīng)，但在層析柱上進(jìn)行時，由于連續(xù)添加新的交換溶液，平衡不斷按正方向進(jìn)行，直至完全。因此可以把離子交換劑上的原子離子全部洗脫下來，同理，當(dāng)一定量的溶液通過交換柱時，由于溶液中的離子不斷被交換而波度逐減少，因此也可以全部被交換并吸附在樹脂上。如果有兩種以上的成分被交換吸著在離子交換劑上，用洗脫液洗脫時，在被洗脫的能力則決定于各自洗反應(yīng)的平衡常數(shù)。蛋白質(zhì)的離子交換過程有兩個階段──吸附和解吸附。吸附在離子交換劑上的蛋白質(zhì)可以通過改變pH使吸附的蛋白質(zhì)失去電荷而達(dá)到解離但更多的是通過增加離子強(qiáng)度，使加入的離子與蛋白質(zhì)競爭離子交換劑上的電荷位置，使吸附的蛋白質(zhì)與離子交換劑解開。不同蛋白質(zhì)與離子交換劑之間形成電鍵數(shù)目不同，即親和力大小有差異 ，因此只要選擇適當(dāng)?shù)南疵摋l件便可將混合物中的組分逐個洗脫下來，達(dá)到分離純化的目的。
二、離子交換的分類及常見種類
（一）分類
離子交換劑分為兩大類，即陽離子交換劑和陰離子交換劑。各類交換劑根據(jù)其解離性大小，還可分為強(qiáng)、弱兩種，即 強(qiáng)酸劑 陽離子交換劑 弱酸劑 強(qiáng)鹼型 陰離子交換劑 弱鹼型 。
1.陽離子交換劑
陽離子交換劑中的可解離基因是磺酸（-SO3H）、磷酸（-PO3H2）、 羧酸（COOH）和酚羥基（-OH）等酸性基。
某些交換劑在交換時反應(yīng)如下：
強(qiáng)酸性：R-SO3 -H+ ＋ Na+ R-SO3- Na+H+
弱酸性：R-COOH＋Na+ R-COONa ＋H+
國產(chǎn)樹脂中強(qiáng)酸1×7（上海樹脂＃732）和國外產(chǎn)品Dowex 50、Zerolit 225等都于強(qiáng)酸型離子交換劑。
2.陰離子交換劑
陰離子交換劑中的可解離基因是伯胺、（-NH2）、仲胺（-NHCH3）、叔胺[N-（CH3）2]和季胺[-N（CH3）2]等鹼性基團(tuán)。某些交換反應(yīng)如下：
強(qiáng)鹼性：R-N+（CH3）2 H·OH- ＋Cl R-N+（CH3）2 Cl＋OH-
弱鹼性：R-N+（CH3）2 H·OH- ＋Cl R-N+（CH3）2 HCl＋OH-
強(qiáng)鹼性＃201號國產(chǎn)樹脂和國外Dowex1、Dowex2、ZerolitFF等都屬于強(qiáng)鹼型陰離子交換劑。
（二）種類
1.纖維素離子交換劑：陽離子交換劑有羥甲基纖維素（CM-纖維素）， 陰離子交換劑有氯代三乙胺纖維紗（DESE-纖維素）。
2.交聯(lián)葡聚糖離子交換劑：是將交換基因連接到交聯(lián)葡聚糖上制成的一類交換劑，因而既具有離子交換作用，又具有分子篩效應(yīng)，是一類廣泛應(yīng)用的色譜分離物質(zhì)。常用的Sephadex離子交換劑也有陰離子和陽離子交換劑兩類。陰離子交換劑有DEAE-Sephadex A-25，A-50和QAE- Sephadex A25 ， A50 ； 陽離子交換劑有CM-Sephaetx C-50，C-50和Sephadex C-25，C-50。陰離子交換劑用英文字頭A，陽離子交換劑的英文字頭是C。英文字后面的數(shù)字表示Sephadex型號。
3.瓊脂糖離子離交換劑：是將DESE-或CM-基團(tuán)附著在Sepharose CL-6B 上形成，DEAE-Sephades（陰離子）和CM-Sepharose（陽離子），具有硬度大， 性質(zhì)穩(wěn)定，凝膠后的流速好，分離能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。
三、實驗操作
（一）交換劑的處理，再生與轉(zhuǎn)型
新出廠的樹脂是干樹脂，要用水浸透使之充分吸水膨脹。因其含有政績一些雜質(zhì)，所要要用水、酸、鹼洗滌。一般手續(xù)如下：新出廠干樹脂用水浸泡2 小時后減抽壓去氣泡，傾去水，再用大量無離子水洗至澄清，去水后加4倍量2N HCl攪抖4小時，除去酸液，水洗到中性，再加4倍量2N NaOH攪抖4小時，除鹼液， 水洗到中性備用。將樹脂帶上所希望的某種離子的操作稱為轉(zhuǎn)型。如希望陽樹脂帶Na+，則用4倍量NaOH攪拌浸泡2小時以上；如希望樹脂帶H+，可用HCl處理。陰樹脂轉(zhuǎn)型也同樣，若希望帶Cl-則用HCl，希望帶OH-則用NaOH。用過的樹脂使其恢復(fù)原狀的方法稱為再生。并非每次再一都用酸、鹼液洗滌，往往只要轉(zhuǎn)型處理就行了。
（二）柱上操作
⑴交換劑裝柱最簡單的交換層析柱可用鹼式滴定管代替。處理過的樹脂放入燒杯，加少量水邊攪拌邊倒入保持垂直的層析管中，使樹脂緩慢沉降。交換劑在柱內(nèi)必須分布均勻。
⑵上樣向?qū)游鲋鶅?nèi)傾入樣品液
⑶洗脫與收集
不同樣品選用的洗脫液不同。原則是用一種比吸著物質(zhì)更活潑的離子，把吸著物交換出來。由于被吸著的物質(zhì)往往不是我們所要求的單一物質(zhì)，因此除了正確選擇洗脫液外還采控制流速和分布收集的方法來獲得所需的單一物質(zhì)。