이온교환 (Ion Exchange)

단백질 분석의 표준

단백질 분석에 특화된 이온교환 크로마토그래피

단백질은 단백질을 구성하고 있는 물질에 따라 특성이 천차만별입니다. 이러한 특성으로 인하여 순도가 낮은(불순물이 많은) 단백질을 분석할 때 단백질 분석에 쓰이는 친화성 크로마토그래피로는 충분한 분리를 얻어낼 수 없습니다.

따라서 분리를 개선하기 위하여 단백질이 가지는 특성 중 극성을 이용하여 단백질 간의 극성 차이를 이용한 이온교환 크로마토그래피가 사용되어지고 있습니다.

Shodex에서는 이러한 수요에 부응하기 위해 양이온 교환 컬럼, 음이온 교환 컬럼을 개발하고 공급하고 있습니다.

이온교환 크로마토그래피에 사용되는 이온교환 수지의 종류

극성

강도

Functional Group

명칭

약어

양이온 교환수지
(Cation exchanger)

Strong

-SO3
-CH2SO3
-C2H4SO3
-C3H6SO3
-PO3H

Sulfo-
Sulfomethyl-
Sulfoethyl-
Sulfopropyl
Phospho-

S-
SM-
SE-
SP-
P-

Weak

-COO
-CH2COO

Carboxy-
Carboxymethyl-

C-
CM-

음이온 교환수지
(Anion exchanger)

Strong

-CH3N+(CH3)3
-CH2N+(CH3)3
-C2H4N+(C2H5)3

Quaternary ammonium
Trimethylaminomethyl-
Triethylaminoethyl-

QA-
TAM-
TEAE-

Weak

-C2H4N+H3
-C2H4+H(C2H5)2
-CH2-C6H4N+H3

Aminoethyl-
Diethylaminoethyl-
p-ainobenzyl-

AE-
DEAE-
PAB-

*Shodex 컬럼에 사용되는 Functional group을 볼드 처리 하였습니다.

이온교환 크로마토그래피?
이온크로마토그래피는 양이온, 음이온을 분리하는 ‘이온 교환 크로마토그래피(Ion exchange)’와 더불어 ‘이온 배제 크로마토그래피(Ion exclusion)’, 이온쌍 크로마토그래피(Ion pair)’와 같은 다양한 방법이 있습니다. 여기서는 양이온, 음이온을 분석하는 좁은 의미의 이온교환 크로마토그래피 간단히 설명하고자 합니다.

이온크로마토그래피는 Coulomb’s force(쿨롱 법칙)에 따른 전자기적 상호작용의 차이를 이용하여 분리하는 방법입니다.

‘두 점전하 사이(샘플과 고정상의 functional group)에 작용하는 힘 F는 고정상의 전하량(q1), 샘플의 전하량(q2)의 곱에 비례한다’라고 간단히 정리할 수 있습니다. 즉, 단백질의 전하량이 강할수록 Retention time이 길어진다는 것을 의미할 수 있죠.

(Anion 이온교환 컬럼 Gel 구조, Quaternary anion exchanger)

위는 일반적인 Anion exchanger를 나타내었습니다. Gel은 제4급암모늄기로 Positive charge를 띄고 있는 상황입니다.

음이온 분석 시에는 Gel에 달라붙을 샘플(단백질)을 떼어낼 목적으로 버퍼(Sodium phosphate buffer 등)와 염(NaCl 등)을 사용합니다. 이러한 버퍼&염 이동상 내부에서 사용되며 이동상 비율에 맞게 아래 그림과 같이 Gel 표면에 결합되어 있습니다.

예를 들어, 트립시노겐(Trypsinogen)과 리소자임(Lysozyme)을 분석한다고 가정해봅시다. 조건은 인산버퍼를 이용하여 pH는 7.0을 맞춘 상태이고, 약간의 NaCl이 포함되어 있는 이동상 입니다.

트립시노겐과 리소자임 모두 pH 7.0 상태에서 음성을 띄기 때문에 컬럼을 바로 통과하지 않고 Functional group과 결합 합니다.

이 조건에서 단백질의 극성에 따라 Functional group과 강하게 결합되어있는 단백질과 약하게 결합되어있는 단백질이 있을 것입니다. 이제 이러한 단백질을 ‘떼어내기 위해’ 이동상 에서 NaCl비율을 증가시킬 경우 Chloride 이온의 증가로 약하게 결합되어있는 단백질이 먼저 떨어지게 될 것입니다.

이러한 원리로 NaCl의 농도를 지속적으로 증가시키게 될 경우 비교적 강하게 결합해 있었던 Lysozyme도 최종적으로 떨어져서 컬럼 밖으로 나가게 될 것입니다.

 

이러한 원리에 의하여 일반적인 용출 순서를 아래와 같이 정리할 수 있습니다.

■ 양이온 & 음이온 교환수지에 대해 약한 양성, 약한 음성을 띄우는 단백질부터 먼저 용출

(단 pH조건에 따라 단백질의 양성, 음성이 달라질 수 있음)

Anion Exchange Column Specification

#단백질&펩타이드, DNA 분석, #USP L23(QA-825)

 

  1. Strong 음이온 교환 컬럼 : Quaternary ammonium(QA) Group

Product
code

Product name

Ion Exchange Capacity
(meq/g)

Particle size
(μm)

Poresize
()

Size (mm)
I.D. x Length

Shipping solvent

F66110011

IEC QA-825

0.45

12

5,000

8.0 x 75

50mM Na2SO4 aq.

*Base material : Polyhydroxymethacrylate(PHMA)

Product
name

Max. usable
pressure (MPa)

Max. usable
flow rate
(mL/min)

Usable temp.
range (°C)

Usable
pH range

Usable organic
solvent conc.

Usable
salt conc.

QA-825

2.0

1.5

10 to 50

2 to 12

≤ 20 %

20 mM to 1.0 M

  1. Weak 음이온 교환 컬럼 : Diethylaminoethyl Group

Product
code

Product name

Ion Exchange Capacity

(meq/g)

Particle size

(μm)

Poresize

()

Size (mm)
I.D. x Length

F6118255

IEC DEAE-825

0.6

8

5,000

8.0 x 75

F7640002

Asahipak ES-502N 7C

0.55

9

2,000

7.5 x 100

*Base material : DEAE-825, WA-624 – Polyhydroxymethacrylate(PHMA)

*Base material : ES-502N 7C – Polyvinylalcohol(PVA)

Product name

Shipping Solvent

DEAE-825

50 mM Na2SO4 aq.

ES-502N 7C

50 mM 1,3-Diaminopropane+ 50 mM NaCl (pH10.0)

Product
name

Max. usable
pressure (MPa)

Max. usable
flow rate
(mL/min)

Usable temp.
range (°C)

Usable
pH range

Usable organic
solvent conc.

Usable
salt conc.

DEAE-825

2.0

1.5

10 to 50

2 to 12

≤ 20 %

20 mM to 1.0 M

ES-502N 7C

1.2

1.5

10 to 50

2 to 12

≤ 100 %

20 mM to 0.6 M

 

Cation Exchange Column Specification

#단백질&펩타이드, DNA 분석, #USP L22, L58(P-421S), #Fast(ST-FT 4A)

 

  1. Strong 양이온 교환 컬럼 : Sulfopropyl group

Product
code

Product name

Ion Exchange Capacity

(meq/g)

Particle size

(μm)

Poresize

()

Size (mm)
I.D. x Length

Shipping solvent

F6118250

IEX SP-825

0.4

8

5,000

8.0 X 75

50mM Na2SO4 aq.

F6113100

IEC SP-4F 4A

0.2

2.7

4.6 X 10

20mM MES buffer

(pH5.6)

*Base material : Polyhydroxymethacrylate(PHMA)

*MES : 2(-N-Morpholino)ethansulfonic acid)

Product
name

Max. usable
pressure (MPa)

Max. usable
flow rate
(mL/min)

Usable temp.
range (°C)

Usable
pH range

Usable organic
solvent conc.

Usable
salt conc.

SP-825

2.0

1.5

10 to 50

2 to 12

≤ 20 %

20 mM to 1.0 M

SP-FT 4A

**20

3.0

5 to 45

2 to 12

≤ 20 %

≤ 1.5 M

 

  1. Weak 양이온 교환 컬럼 : Carboxylmethyl Group

Product
code

Product name

Ion Exchange Capacity

(meq/g)

Particle size

(μm)

Poresize

()

Size (mm)
I.D. x Length

F6110002

IEC CM-825

0.4

8

5,000

8.0 x 75

F7640001

Asahipak ES-502C 7C

0.55

9

2,000

7.5 x 100

*Base material : CM-825 – Polyhydroxymethacrylate(PHMA)

*Base material : ES-502C 7C – Polyvinylalcohol(PVA)

Product name

Shipping Solvent

CM-825

50 mM Na2SO4 aq.

ES-502C 7C

0.1 M Sodium phosphate buffer (pH4.4)

 

Product
name

Max. usable
pressure (MPa)

Max. usable
flow rate
(mL/min)

Usable temp.
range (°C)

Usable
pH range

Usable organic
solvent conc.

Usable
salt conc.

CM-825

2.0

1.5

10 to 50

2 to 12

≤ 20 %

20 mM to 1.0 M

ES-502C 7C

1.2

1.5

10 to 50

2 to 12

≤ 100 %

20 mM to 0.6 M

 

  1. 아미노산 분석 컬럼 : Sulfo(Na+) group

roduct code

Product name

Plate number
(TPN/column)

Functional
group

Particle size
(μm)

Size (mm)
I.D. x Length

F6354211
F6700210

CXpak P-421S
CXpak P-G

≥ 3,500
Guard column

Sulfo (Na+)
Sulfo (Na+)

6
6

4.6 x 150
4.6 x 10

*Base material : Styrenedivinylbenzene(SDB)

Product
name

Max. usable
pressure (MPa)

Max. usable
flow rate
(mL/min)

Usable temp.
range (°C)

Usable
pH range

Usable organic
solvent conc.

Usable
salt conc.

P-421S
P-G

5.0

0.7

15 to 63
15 to 63

≥ 3
≥ 3

≤ 15 %
≤ 15 %

H2O
H2O