置换色谱是一种高通量、高分辨率的色谱分离方法,其基本原理是采用一种与固定相亲和力强于所有目标溶质的物质(置换剂)将吸附在色谱柱上的目标溶质置换下来,从而实现分离。但是,由于在机理和应用方面的一些困难,目前置换色谱在生物分离过程中的应用相对较少。本文以置换色谱为核心,针对限制其发展应用的一系列问题展开研究,以期推动置换色谱在生物分离过程中的应用。本文首先提出了“疏水电荷诱导置换色谱”这一新型分离方法,以解决传统置换色谱中色谱柱再生困难的问题。疏水电荷诱导置换色谱采用具有适当解离性质的疏水性分子作为固定相配基,吸附和置换过程通过疏水相互作用进行。置换完成后调节pH值使配基和置换剂带上同种电荷而产生静电排斥,从而使置换剂洗脱而实现色谱柱的再生。采用氯化苄乙氧铵作为置换剂,疏水电荷诱导介质MEP Hypercel作为固定相,在pH 5.0的条件下成功实现了溶菌酶和α-胰凝乳蛋白酶原A的分离,其收率和纯度与其他形式的置换色谱相当。利用低pH值下置换剂和配基之间的静电排斥作用实现了色谱柱的高效再生,其效果明显优于传统再生方法。针对置换色谱中置换剂选择困难这一问题,本文开发了置换剂-固定化配基对接的方法进行置换剂的虚拟筛选。采用文献中阳离子置换剂、阴离子置换剂和疏水置换剂的实验数据对该方法进行验证,计算结果和实验结果吻合较好,Spearman排序相关系数均在0.5以上,表明该方法用于置换剂筛选是可行的。以新型疏水电荷诱导介质5-Aminoindole Superose为目标介质,采用该方法从1000余种现有化合物中筛选出了多种置换剂,这些置换剂均未见文献报道。置换色谱实验表明,筛选出的置换剂具有良好的置换性能。置换色谱的微观机理对其过程设计和优化具有重要意义,但目前此方面的研究还未见文献报道。本文采用共聚焦激光扫描显微镜对置换色谱的微观机理进行了初步研究。采用荧光标记的蛋白和具有适当荧光性能的置换剂实现了置换色谱过程的可视化观察。结果表明,置换色谱中,小分子置换剂的传质速率较快,而蛋白脱附过程则是置换过程的限速步骤。这些结论对置换色谱的过程开发有重要的指导意义。