Ioninvaihtokromatografia

Ioninvaihtokromatografia on kromatografinen erotusmenetelmä, joka perustuu ioninvaihtoon eli varautuneiden ionien sähköstaattisiin vuorovaikutukseen varautuneen paikallaan pysyvän faasin eli statiönäärifaasin kanssa. Ioninvaihtokromatografia on usein käytetty menetelmä sekä orgaanisessa että epäorgaanisessa analytiikassa.

Ioninvaihtokromatografian periaate

Ioninvaihtokromatografiassa tutkittavat yhdisteet ovat ioneita tai helposti ionisoitavissa olevia yhdisteitä. Tutkittava analyytti liuotetaan joko veteen tai orgaaniseen liuottimeen ja liuotin toimii myös liikkuvana faasina eli eluenttina. Ioninvaihtokromatografiassa eri yhdisteiden erottuminen toisistaan perustuu siihen, että stationäärifaasi on joko positiivisesti tai negatiivisesti varautunut. Analyytissä olevat ionit vuorovaikuttavat stationäärifaasin kanssa eri tavoin. Stationäärin kanssa samanmerkkisen varauksen omaavat ionit hylkivät stationäärifaasia ja liikkuvat kromatografiakolonnin läpi nopeammin kuin erimerkkiset varaukset ja niiden retentioaika on lyhyempi.
Ionin varauksen lisäksi erottumiseen vaikuttavat useat muutkin tekijät. Näitä ovat muun muassa ionin koko, lämpötila. liuoksen ionivahvuus, virtausnopeus kromatografiakolonnissa ja eluentin pH-arvo. Ionivahvuudella, lämpötilalla ja pH:lla on suuri vaikutus. Esimerkiksi proteiinianalytiikassa pienikin pH:n muutos voi aiheuttaa muutoksen proteiinin kokonaisvarauksessa ja täten muuttaa proteiinin vuorovaikutuksia stationäärifaasin kanssa. Tämä johtaa retentioajan muuttumiseen. Olosuhteita muuttamalla voidaan ioninvaihtokromatografialla saada erotetuksi toisistaan kemiallisesti ja varaukseltaan hyvin toistensa kanssa samankaltaisia yhdisteitä.

Materiaalit ja menetelmät

Ioninvaihtokromatografi koostuu tyypillisesti putkesta, joka täytetään täytemateriaalilla. Putkea kutsutaan kolonniksi ja täytemateriaali voi olla styreenin ja divinyylibentseenin kopolymeeriä, jota on muokattu. Muokkauksessa polymeeriin liitetään tyypillisesti joko vahvasti happamia sulfonihapporyhmiä tai heikompia karboksyylihappoja, jolloin saadaan positiivisiin ioneihin voimakkaammin sitoutuvia kationinvaihtokolonneja tai vahvasti emäksisiä tetraalkyyliammoniumryhmiä tai heikommin emäksisiä aminoryhmiä, jolloin saadaan anioninvaihtokolonneja. Proteiinianalytiikassa käytetään useimmiten selluloosa- tai dekstraanipohjaisia hartseja. Erityisesti bioprosessitekniikassa ioninvaihtokromatografeissa käytetään kolonnien sijasta käytetään ioninvaihtokalvoja, jotka mahdollistavat suurten virtausnopeuksien käytön ja ovat helpommin steriloitavissa analyysien jälkeen.
Ioninvaihtokromatografiassa kromatografin läpi lasketaan ensin eluenttia ja tämän jälkeen laitteeseen applikoidaan näyte. Näytteen ajon jälkeen kromatografiakolonni puhdistetaan ja tämän tapahtuu tyypillisimmin kasvattamalla eluentin ionivahvuutta. Usein käytetty tekniikka ioninvaihtokromatografiassa on niin sanottu gradienttieluutio, jossa eluentin ionivahvuutta kasvatetaan vähitelleen kromatografiaprosessin edetessä.
Ioninvaihtokromatografian sovellutuskohteita ovat erityisesti bioprosessiteioolisuudessa proteiinien, peptidien, aminohappojen, nukleotidien ja sokerien johdannaisten erottaminen toisistaan. Tekniikkaa voidaan käyttää myös muiden orgaanisten yhdisteiden kuin makromolekyylien analyysiin ja myös epäorgaanisessa analyysissä.