基本原理
離子交換層析法 （ion exchange chromatography，簡稱IEC）是從複雜的混合物中，分離性質相似大分子的方法之一，依據的原理是物質的酸鹼性、極性，也就是所帶陰陽離子的不同。電荷不同的物質，對管柱上的離子交換劑有不同的親和力，改變沖洗液的離子強度和pH值，物質就能依次從層析柱中分離出來。
離子交換層析法大致分為5個步驟：
1. 離子擴散到樹脂表面。
2. 離子通過樹脂擴散到交換位置。
3. 在交換位置進行離子交換；被交換的分子所帶電荷愈多，它與樹脂的結合愈緊密，也就愈不容易被其它離子取代。
4. 被交換的離子擴散到樹脂表面。
5. 沖洗液通過，被交換的離子擴散到外部溶液中。
離子交換樹脂的交換反應是可逆的，遵循化學平衡的規律，定量的混合物通過管柱時，離子不斷被交換，濃度逐漸降低，幾乎全部都能被吸附在樹脂上；在沖洗的過程中，由於連續添加新的交換溶液，所以會朝正反應方向移動，因而可以把樹脂上的離子沖洗下來。
如果被純化的物質是胺基酸類的分子，則分子上的淨電荷取決於胺基酸的等電點和溶液的pH值，所以當溶液的pH 值較低，胺基酸分子帶正電荷，它將結合到強酸性的陽離子交換樹脂上；隨著通過的緩衝液pH逐漸增加，胺基酸將逐漸失去正電荷，結合力減弱，最後被洗下來。由於不同的胺基酸等電點不同，這些胺基酸將依次被洗出，最先被洗出的是酸性胺基酸，如apartic acid和glutamic acid（在約pH3~4時），隨後是中性胺基酸，如glycine和alanine。鹼性胺基酸如arginine和lysine在pH值很高的緩衝液中仍帶有正電荷，因此這些在約pH值高達10~11時才出現。
離子交換層析法樹脂材質
最常見的離子交換樹脂材質是聚苯乙烯-苯二乙烯（polystyrenedivinylbenzene），它是由苯乙烯（styrene）和苯二乙烯（divinylbenzene）聚合產生的三維網狀結構，舉例來說，Dow化學公司所生產的樹脂Dowex 50×8，表示含8%苯二乙烯。
根據交換樹脂的性能，分為陽離子與陰離子交換樹脂。
1. 陽離子交換樹脂
分為強酸型、中強酸型和弱酸型三類，強酸型樹脂含有－R－SO3H，中強酸型樹脂含有－PO3H2、－PO2H2或－O－PO2H2，弱酸型樹脂含有－COOH或－OH。 陽離子交換樹脂進行的反應如下：
離子交換層析法2. 陰離子交換樹脂
分為強鹼型、中強鹼型和弱鹼型三類，含有銨鹽，四級銨鹽 [ －N+(CH3)3] 為強鹼型樹脂，三級以下銨鹽 [－N(CH3)2]、[ －NHCH3]、[ －NH2] 都屬弱鹼型樹脂；同時具有強鹼和弱鹼型基團的，為中強鹼型的樹脂。陰離子交換樹脂進行的反應如下：
離子交換層析法除了樹脂以外，纖維素（cellulose）、 葡聚糖凝膠（Sephadex gel）和瓊脂糖凝膠（Sepharose）也是常用的離子交換材質，特性是具有親水性和較大的表面積，對生物活性物質而言，是一個較為溫和的環境，同時也是大分子所適用的分離純化材質 。常用的種類如下：
離子交換層析法實驗證明，纖維材質對蛋白質和核酸的分離純化效果相當好，因為離子交換纖維的種類多，能依據不同分離目的使用，且功能團基主要在表面，對生物大分子的交換十分有利。
離子交換劑的選擇
離子交換劑的選擇，首重保持欲分離物質的生物活性，以及在不同pH值環境中，此物質所帶的電荷和電性強弱。
1. 陰陽離子交換劑的選擇
若被分離物質帶正電荷，例如polymyxin、 cytochrome C這些鹼性蛋白質，它們在酸性溶液中較穩定，親和力強，故採用陽離子交換劑；其它像heparin、nucleic acid這類酸性物質，在鹼性溶液中較穩定，則使用陰離子交換劑；如果欲分離的物質是兩性離子，一般考慮在它穩定的pH範圍帶有何種電荷，作為交換劑的選擇。以胰島素（insulin）為例，它的等電點為pH 5.3，因此在pH<5.3（酸性）溶液中，採用陽離子交換劑，在pH>5.3的鹼性溶液中，使用陰離子交換劑。
簡言之，已知等電點的物質，在高於等電點的pH條件下，因帶有負電荷，應採用陰離子交換，在低於等電點的pH下，則採用陽離子交換。未知等電點的物質，在一定pH條件下進行電泳，向陽極移動較快的物質，在同樣條件下可被陰離子交換劑吸附，向陰極移動較快的物質可被陽離子交換劑吸附。
2. 緩衝液的選擇
緩衝液酸鹼度的選擇，決定於被分離物質的等電點、穩定性、溶解度和交換劑離子的pK值。使用陰離子交換纖維時要選用低於pK值的緩衝液，若欲分離的物質屬於酸性，則緩衝液的pH值要高於該物的等電點；用陽離子交換纖維時要選用高於 pK值的緩衝液，目的物屬於鹼性物質的話，緩衝液要低於該物等電點的pH值。
緩衝液離子以不干擾分離物活性測定、不影響待測物溶解度、不發生沉澱為原則，如使用UV吸收法測樣品，那么pyridine或barbital這類會吸收UV的物質就不適用。
離子交換樹脂的前處理
離子交換樹脂使用前，先以蒸餾水除去其內之雜質 ，並以NaOH和HCl處理樹脂，使其上的官能基完全露出。陰離子交換樹脂先以15倍於樹脂量的0.5 N HCl 浸泡30~120分鐘，再以水清洗至pH 7.0，之後用0.5 N NaOH浸泡30~120分鐘，同樣以水清洗至pH 7.0，最後用欲使用的緩衝液浸泡。陽離子交換樹脂用15倍於樹脂量的0.5 N NaOH浸泡30~120分鐘，以水清洗至pH 7.0，之後用0.5 N HCl 浸泡30~120分鐘，再以水清洗至pH 7.0，最後用欲使用的緩衝液浸泡。
