离子色谱法基本原理

1、离子色谱法基本原理Dionex 中国有限公司应用研究中心2002年 4 月 15 日离子色谱法基本原理目录第一章 引言 11. 什么是色谱？ 12. 色谱的发展 13. 液相色谱 1第二章 色谱柱理论 31. 分离度 32. 柱效 43. 传质影响 54. 纵向扩散 55. 溶质传递动力学 66. 选择性 67. 保留特性 78. 总结 7第三章 离子色谱的优点 8第四章 分离模式 91. 离子交换 92. 离子排阻色谱法（ ICE） 103. 反相色谱法 104. 离子对 115. 离子抑制 11第五章 检测方法 121. 电化学检测 122. 分光光度检测法 14第六章 抑制作用 16第七

2、章 分离方式和检测方式的选择 201. 分离度的改善 23附 录 30表1. 电化学检测器测定的组分 30表2. 用于化学抑制的典型淋洗液 31表3. 常见电化学活性化合物的施加电压 32表4. 常见无机阴离子的紫外线吸收波长 33表5. 国际现行的离子色谱标准分析方法（环境与高纯水分析） 34Dionex 中国有限公司应用研究中心离子色谱法基本原理表6. 离子色谱法中的中国国家标准（ GB ） 36Dionex 中国有限公司应用研究中心离子色谱法基本原理第一章 引言本文讲述有关离子色谱法的基本知识和分离和检测方面的理论。1. 什么是色谱？色谱法是一种物理化学分析方法。它利用混合物中组分在两相

3、间分配系 数的差别，当溶质在两相间作相对移动时，各组分在两相间进行多次分配， 从而使各组分得到分离。2. 色谱的发展色 谱 这 一 概 念是 由 俄 国 植 物 学 家 Tswett （ 茨 维特 ） 1903 提 出 的， 他 在 一 根细长的玻璃管中装入碳酸钙粉末，然后将植物绿叶的石油醚萃取液倒入管 中，萃取液的色素就被吸附在管上部的碳酸钙上，再用纯净的石油醚洗脱这 些被吸附的色素，于是在碳酸钙上形成了一圈一圈的色带，这些色带被称为 色谱。经 过 许 多 年 的发 展 ，“ 色 谱 ”一 词 已 涵 盖 许 多 技 术 领 域 。新 型 固定 相 的 发 展和气体、液体以及超临界流体作为可

4、动相的使用，色谱逐渐成为最为有效 的分离分析手段。本 文 仅 限 于 离子 色 谱 。不 过 涉及 到 的 概 念 与 所 有 其 他 色 谱 方 法 是 一 样 的 。3. 液相色谱液相色谱一词指使用的流动相是液体的色谱方法。可以分为四类：1. 反 相 色 谱 ： 固 定 相 为 非 极 性 物 质 （ 疏 水 性 ）， 流 动 相 为 极 性 溶 液 （ 如 甲 醇 或 乙 腈 水溶 液 ）。分 离 方 式 基 于 多 次 吸 附 -解 吸 的 重 复 过 程 ， 非 极 性 化合物较极性化合物在柱中具有较强的保留。2. 正 相 色 谱 ：固 定 相 是 极 性 物 质 ，流 动 相 是

5、非 极 性 或 弱 极 性 的 溶 液（ 如 正 己 烷 或 四 氢 呋 喃 ），如 前 所 述 ，分 离 过 程 也 是 基 于 被 分 离 组 分 在 流 动 相 与固定相之间的分配平衡。Dionex 中国有限公司应用研究中心离子色谱法基本原理3. 分 子 排 阻色 谱 ：固 定相 由 一 些 起 分 子 筛 作 用 的 多孔 材 料 组 成 ，较 大 的 分子被较快地从色谱柱中洗脱，较小分子则滞留在填充材料的细小孔径 中，保留较长的时间。4. 离 子 色 谱： 离 子 色谱 法 基 于三 种 分离 机 理A. 高 效 离 子 交 换 色谱 法 （ HPIC ）： 分 离 是 基 于 发

6、生 在 流 动 相 和 键 合 在基质上的离子交换基团之间的离子交换过程，也包括部分非离子的相 互作用。这种分离方式可用于有机和无机阴离子和阳离子的分离。B. 高 效 离子 排 斥 色 谱（ HPICE ）：分 离 是 基 于 固 定 相和 被 分析 物 之 间 三 种 不 同 的 作 用 -Donnan 排 斥 、 空 间 排 斥 和 吸 附 作 用 。 这 种 分 离 方 式 主 要用于弱的有机和无机酸的分离。C. 流 动 相 离 子 色 谱 法（ MPIC ）： 分离 是 基 于 被分 析 物 在 分 析 柱 上 的 吸附作用。分析柱的选择性主要取决于可动相的组成和浓度。流动相除 了加入

7、有机改进剂之外，还需加入离子对试剂。这种分离方式可用于表 面活性阴离子和阳离子以及过渡金属络和物的分离。Dionex 中国有限公司应用研究中心离子色谱法基本原理第二章 色谱柱理论本章将简要描述色谱柱性质的术语和概念。1. 分离度任何分离的目标都是使两个相邻的峰完全分开。分离度定义为两个相邻色谱峰的峰中心之间的距离与两峰的平均峰宽的比值。方程 1 两色谱峰的分离方程 1 给出了 一个 衡量分 离好坏 的尺度 ，但 它并没 有告诉 我们如 何获 得一个 较好的分离。为 了搞 清这个问题， 我们将 分离 度表示 为含有 3 个 色谱分离参 数的函数，这三个参数分别为柱效、选择性和保留时间，这些参数与

8、固定相 和流动相性质有关。R 14 N式中，1N4-1方程 2 保留 时间表示柱效表示选择性表示保留特性Dionex 中国有限公司应用研究中心离子色谱法基本原理分离初始，在零时间，样品位于色谱柱的顶端。被分析的样品随流动相 进入固定相，样品组分基于对两相亲和力的不同而被分离。一般地讲，固定 相与流动相之间化学性质的差别应该足够大，被分析物才能与其中一相发生 较强作用。正是由于保留时间的不同，使得分离得已实现。2. 柱效柱效是指色谱柱保留某一化合物而不使其扩散的能力，柱效能是一支色 谱柱得到窄谱带和改善分离的相对能力。我们可以通过一根柱子的理论塔板 数来衡量色谱柱 柱的 柱效，在色谱 柱中， 理

9、论 塔板数 N 定 义为：式中，T 是 色谱峰中心 与进样 起始点 间的 距离，W1/2是峰高一 半处峰 的宽度。 理论塔板是指固定相和流动相之间平衡的理论状态。在一个塔板的平衡完成 之后，分 析物进 入下一 个平 衡塔板 ，这 种 传送过程重复 不断，直 到分离完 全。 分子根据自身的性质（分子大小和电荷）进行转移或迁移，基于它们对固定 相和流动相的亲和力的不同进行分离。分子移动并形成一条带状，以正态分 布（高斯）的色谱峰流出。理论塔板数可以用于衡量整个色谱系统谱带的扩散程度。谱带扩散程度 越小（即色谱峰 越窄 ），理论塔 板数 N 越大。理论塔板数 N 与色谱 柱长度 成比例 ；也 就是说

10、 ，色谱 柱越长，理 论塔板Dionex 中国有限公司应用研究中心离子色谱法基本原理数 N 越大 。方程 4 理论塔板高度理论塔板高度 HETP 一词 是单位 长度色谱柱 效能的量度，可以用 于比较不同 长度的色谱柱的 理论 塔板数 N。这个方程表明高效率的色谱柱具有较大的理论塔板数。也就是说，具有 较小的理论塔板高度。影响理论塔板高度的因素有：1. 多 流 路2. 纵 向 扩 散3. 传 质 影 响3. 传质影响传质影响是描述由于柱子装填不均，造成流路分叉而引起的扩散。分析 物在色谱柱中的流路受到柱子装填和树脂等许多因素的影响。填料颗粒的直 径直接影响柱效。一般来说，粒径越小，分离效率越高。

11、同时，颗粒大小和 装填的均匀度越好，柱效也越高。如果一根柱子由大小不均匀的颗粒填充， 溶质分子将由于相遇颗粒粒径大小的不同而以不同速度移动。这样造成溶质 分子的流出谱带变宽。在一些装填不均匀的柱子中，溶质分子经过一些未填 满的空隙或溶质分子或与树脂颗粒的相互作用将导致谱带扩散。因此，提高 颗粒的均匀度和减小粒径可以减小谱带的扩散。4. 纵向扩散用于描述任何气体和液体扩散或分散的内在趋势。这种情况可以发生在 整个色谱系统中的任何地方。最初，在窄的谱带中的溶质分子向周围的溶剂 扩散，使 谱带变宽。理 论上讲，纵 向扩散也可以在流动相和在固定相中发生。 结果表明，扩散问题在离子色谱填充柱中并不象在气

12、相色谱中那样普遍。Dionex 中国有限公司应用研究中心离子色谱法基本原理5. 溶质传递动力学是描述溶质分子在固定相和流动相之间运动的速率。理想状态下，与填 充柱作用的溶质分子不断出入固定相中。当分子在固定相中时，分子被保留 而位于谱带中央的后面。当分子在流动相中时，由于液体流动速率总是大于 谱带的速率，则它的速率总是大于谱带中心的速率。这种在两相之间的随意 出入引起谱带扩散。如果不发生流动，溶质分子就会在两相之间达成平衡。 正因为存在流动，在流动相中真实的溶质浓度无法与相邻的固定相中浓度达 到平衡。色谱峰的扩散可以通过减小不平衡程度和增加交换速率来降低。溶 质 传 递 的 动 力 学 经常

13、是 谱 带 扩 散 的 主要 原 因 ，因 此 对 柱 效 的 影 响也 是 最 大 的 。6. 选择性是交换过程的一个热力学函数。色谱柱的选择性是两个化合物的调整保 留时间的比值，也等于两个化合物在固定相和流动相之间平衡常数的比值。方程 3 柱的选择性其 中 T2 和 T1 是 两 峰 峰中 心 与进 样 点 的 时 间 差 值， T0 是死 体 积 保留 时 间。 当 保 留 时 间 的 比 值 等于 1 时 ， 没有 任 何 分 离 度 或 或称 共 洗 脱 。 选 择 性越 好 或 比 值越大，对于两个化合物的分离越容易。公式中相对较小的改变，就会使分 离度发生较大的改变。较高选择性可

14、以在柱效相对较低的柱子上得到较好的 分离。一般来说，流速和柱压的改变，对选择性没有影响。Dionex 中国有限公司应用研究中心离子色谱法基本原理7. 保留特性用 容 量 因 子 k 描 述 化 合 物 保 留 性 质 ， 其 定 义 如 下 ：方程 6 容量 因子式中，T 是色谱峰中央到进样起始时间点的差值，T0是死体积时间。本 质上， 容量因子 给出 了分析物在固 定相 的时间 超过在 流动 相中时 间的数 量。 k 值小 说明化合 物被柱 子保 留弱， 化合物 洗脱 体积与 死体积 相近 。k，值大的 说明被 分析物与固定相作用较强而具有好的分离，但 是较大的 k，值导致较长的分析 时间和

15、色谱峰的展宽。一 般来说，k，的最佳范围在 210 之间；可 以通过改变 流动相来获得最 佳的 k，值。8. 总结分离度表示为一个与柱效、选择性、保留特性有关的函数。利用这些参 数可以获得一个较好的分离度。其中每一项都可以用于改善分离效果。当建立 一个得 方法 时，柱子 的选择 性是十 分重 要的，因 为它对 分离 的影响 是最大的。柱效与流速有关。流 速越慢，柱 效越高。这 是由于流动相中的被分析物可 以有更多的时间与固定相作用。不幸的是这样会导致峰形的扩散。 作为容 量因子 的一 个函数 ，保留特 性是 确定柱 子的状 态最有用的 参数，因 此需要适当清洗和恢复柱子。Dionex 中国有限

16、公司应用研究中心离子色谱法基本原理第三章 离子色谱的优点1 速 度 ： 一 般 10min 即 可 分 别 完 成 阴 、 阳 离 子 的 剖 面 。2 灵 敏 度 ： 直 接 进 样 可 达 ppb 级 ， 用 浓 缩 柱 可 达 ppt 级 ； 限 制 的 因 素 是 对普遍存在离子如 Cl- 和 Na+的高灵敏度，由此而存在的污染。3 选 择 性 ： Dionex 已 有 多 种 成 熟 的 固 定 相 ， 以 及 选 择 性 的 检 测 器 。4 多 组分 同时测定，但 对样品成分 之间的浓度 差太大的样品 （如半 导体 级化学试剂中杂质的测定）有一定的限制。5 运 行费用非常 低，勿

17、 需特殊 试剂。6 柱 填 料 在 广 的 PH 范 围 内 和 对 有 机 试 剂 的 稳 定 性 ， 广 的 应 用 范 围 及 对 复杂基体分析的可行性。Dionex 中国有限公司应用研究中心离子色谱法基本原理第四章 分离模式1. 离子交换离子交换是用于分离阴离子和阳离子常见的典型分离方式。在色谱分离 过程，样品中的离子与流动相中对应离子进行交换，在一个短的时间，样品 离子会附着在固 定相 中的固定电荷 上。由于 样品 离子对固定相 亲和力 的不 同， 使得样品中多种组分的分离成为可能。如图所示 ，Cl-和 SO42-对固 定相具 有不同的亲 和力。 SO42-被较强 地保 留并且 在

18、Cl - 之 后 洗 脱 。Dionex 中国有限公司应用研究中心离子色谱法基本原理与前述相似，由 于 Na+和 Ca2+对固定相具有不同的亲和力。Ca2+比 Na+较强地 被保留，在较长 时间 时被洗脱，易 于与 Na+分离。最佳的应用是在不同基质中对常见阴离子（ F-、Cl-、NO3-、Br-、PO43- 等），和常见阴离子（Li +、Na+、NH 4+、K+、Ca2+等）的分离测定。一些碳水 化合物也可以用离子交换法进行分离分析。2. 离子排阻色谱法（ ICE ）这种分离模式包括 Donnan 排斥、空间排斥和吸附过程。固定相通常是由 总体磺化的聚乙 烯/二乙烯 基苯共 聚物 形成的 高

19、容量 阳离子 交换 树脂。 ICE 可 以用于从完全离解的强酸中分离有机弱酸和硼酸盐的测定。在上面的保留模 式中 ，带 有负电 荷的 Donnan 膜允许 未解离的化合 物通 过而不 允许完全解离的酸如盐酸通过，因为氯离子带负电荷。一元羧酸的分离主要由发生在固定相表面的 Donnan 排斥和吸附决定。而 对于二元、三元羧酸的分离，空间排斥则起主要作用。在这种情况下，保留 主要取决于样品分子的大小。3. 反相色谱法反相色谱法应用中性、非极性大孔的填充材料和极性流动相。分离基于被分析物质与固定相之间的相互作用，换句话说，也就是样品的疏水性。10Dionex 中国有限公司应用研究中心离子色谱法基本原

20、理4. 离子对在流动相中加入一种与被分析物相反电荷的疏水性离子，与样品离子形 成离子对。这种方法适用于分离金属络和物和表面活性阳离子/阴离子。5. 离子抑制是用于反相色谱法的一种技术。加 入一种特殊离子改变溶液的 PH，抑制化合 物如羧酸或胺类化合物的解离。得到的中性化合物与固定相相互作用，化合物得以分离。11Dionex 中国有限公司应用研究中心离子色谱法基本原理第五章 检测方法Dionex 的 检测方 式可 以分为 以下两 类：1. 电化 学A.电导检测B.安培检测2. 光 度 法A.吸收光度法B.发射光度法1. 电化学检测电导 检测法 电导率 是在阴 极和阳极之 间的离 子化 溶液传 导

21、电流 的能力。溶液中的离子越多，在两电极间通过的电流越大。在低浓度时，电导率直接 与溶液中导电物质的浓度成正比。欧姆定律R =Resistance(Ohm)VVoltage(Volt)/ ICurrent(Ampere)电导G =Conductance(Siemen)I/ R浓度C =cGConcentrationConstantConductance欧姆 定律 表 明电 阻 等 于电 压与 电 流的 比值。 电导 用 西门 子 (S) 作单 位 表 示，定义为电阻的倒数，直接与溶液的浓度和电导池的常数有关。这个常数 与电极之间的距离和池子的体积有关。如果电导池中电极之间的距离越近，12Dio

22、nex 中国有限公司应用研究中心离子色谱法基本原理离子流遇到的电 阻越 小，检测 器的灵 敏度 也就越 高。( Dionex 采 用惰性的 316 不锈钢微电极和 1 微升的池体积)。经过对电导池校正之后(1mM KCl 显示电导为 147mS )，测定不同浓度 的标准溶液，得到浓度和响应值的线性关系。在浓度非常低或高时，线性关 系存在一定的偏差。甚至在理论上，由于溶液中离子的性质也会产生非线性 关系。温度 对电导 率的影响 温 度是严 重影响 电导的另一 个因素 。一 般来 说，温 度和电导率在一定范围内存在线性关系。因此，必须消除和减弱温度对电导 测定的影响。这些可以通过保持电导池温度的恒

23、定或通过电导率乘以一个与 温度有关的校正 因子 ，将测定值修正到温 度为 25时的电 导率。 这个常数为 温度补偿因子，以每摄氏度改变的百分率表示。G nor m= (C T ) (G measur ed)Normali zedConducti vit y(Si emens)Temperature Compensation FactorCT = e k(25-T)where: k = Solution temperaturecoefficient (%/C)T = solution temperature ( C)在 CRC 化 学 手 册 中 ， 对 几 种 缓 冲 溶 液 中 得 到 的

24、数 据 进 行 回 归 分 析 ， 发 现 在 18 25 之间， 具有很 好的 线性。 当温度 在 25 以上时 ，盐类 具有 很好的 线性，碱类继续保持基本的线性，酸类则表现为非线性。抑制 作用 电 导检测 器测定 的离子型成 分，离子 交换和 离子对 色谱 法是广泛采用的分离方法。这些方法用高电导的流动相。化学抑制通过降低流动相的背景电导值，提高被测物的电导值，使信噪比得到显著的提高。有关抑制13Dionex 中国有限公司应用研究中心离子色谱法基本原理的作用和技术将在抑制一节中详细介绍。安培检测 安培检测用于测定在一个施加电位下能够进 行电化学反应的 电活性物质。在 单电位安培法中，一

25、个固定电位连续施加到电化学检测池上。 测量样品物质在工作电极表面的氧化或还原作用所产生的电流。产生电流的 大小与进行电化学反应的被测物浓度成正比。单 电 位 时 ，由 于 一 些 反 应 产 物 使 电 极 表 面“ 中 毒 ”，导 致 测 定 重 现 性 差 和 检测的灵敏度迅速降低。用多电位时，选择第二电位、第三电位、甚至第四 电位(在特定的时间内)形成电化学清洗电极表面的依次重复的电位。这样 就可以得到好的重现性和测定那些无法用单电位安培法测定的组分。当采用 脉冲安培法时，施加电位、脉冲时间和工作电极的材料都可以根据被测物进 行选择优化以达到高的灵敏度和选择性。2. 分光光度检测法吸收

26、法 光度 检测法 是基于 某些分子对 光的吸 收。被吸收的能 量激 发外层 价电子由基态到较高的能级态。吸收能量的波长取决于分子内的化学键。当样品中的 分子 吸收部分紫外 或可见 光时，检测器检测光线的强 度减小。 光强度的减小与样品中吸收光的分子的浓度成正比。Beers LawA =a bCAbsorbancemolarcell path lengthconcentration ofabsorptivity(cm)absorbing species(moles/L)摩尔吸光度与分子的结构有关，对任何一种特定的物质，其值是常数。 检测池的长度 b 由检测池的物理尺寸决定，因此也是一个常数。由于

27、 a 和 b 都是常数，一旦 吸光 度已知，就可 以容易 地测 定被测 物 C 的浓度 。在大多数 的定量分析中，通过测定已知浓度的被测物溶液的吸收度，作出吸光度与浓 度的工作曲线，然后就可以求出未知样品的浓度。 因为任何检测方式都存在吸光度和浓度之间线性关系的限制。比尔定律的偏14Dionex 中国有限公司应用研究中心离子色谱法基本原理差主要由以下的因素造成：化学的仪器的1. 络 和 反 应2. 与溶剂 的反应3. 温 度 的 变 化1. 电 源 不 稳 定2. 散 射 光 的 影 响3. 单 色 光 的 纯 度4. 检 测 器 的 误 差5. 仪器噪 音偏差是普遍的，但是可以通过工作曲线或

28、标准加入的方法减少。发射光度法 关于痕量分析，有一些检测器可以检测柱流出物中 p 克和 f 克水平。普通的吸光度检测器可以在 p 克范围测定具有很强生色基团的物质， 但是测定经常受样品基体的干扰。荧光检测具有较高选择性和灵敏度。不是所有能吸收光的化合物都产生 荧光。因此有高的选择性。灵敏度的增加是由于较弱的荧光容易在非常低的 背景条件下检测到的缘由。自身具有荧光性质的化合物大多数含有一个环状的结构功能基。如果化 合物不具备这样的功能基，可以将化合物或分子进行柱前或柱后衍生转变为 具有荧光的化合物。15Dionex 中国有限公司应用研究中心离子色谱法基本原理第六章 抑制作用Kohlraush s

29、 定 律 表 明 在 稀 溶 液 中 溶 液 的 电 导 率 是 溶 液 中 每 个 离 子 电 导 率 乘以它们各自的离子浓度之和。也就是说溶液的电导率直接与离子浓度成比 例。简单地说，在整个溶液中每种离子的电导率对整个溶液的电导率的贡献 中与其他离子无关。Equivalent Conductances, 25CCationsAnionsH+350OH -198Li +39F-55Na +50Cl -76K+74Br -78NH 4+73NO 3-71Mg 2+53PO 43-80Ca 2+60SO4 2-80抑制是通过弱酸和弱碱盐的离子交换中和作用。抑 制的结果是：1)降 低 流动相的背景

30、电导值，2)增加被测物的响应值。化 学抑制的结果是改善被测 物的灵敏 度和 检测限 。例如 ，在常 见阴 离子分析中， 以 Na 2 CO 3/NaHCO 3 为 淋洗液 ，Cl- 以 盐的 形式 存在 。NaCl 的总 的 电导 是 126S( 50uS/cm Na+76uS/cm Cl-)。在抑制 器中，盐经 过离子 交换后，待测 离子 Cl-变 为强酸， 其电导值为 426 S( 350 S/cm H + +76 S/cm Cl -)。16Dionex 中国有限公司应用研究中心离子色谱法基本原理化学抑制的发展如上图所示。第一 个化学抑制 器是树 脂填充抑制装 置。但是为了重复使用需要经常

31、离线再生。1981 年，出现 了纤维 薄膜抑制器。其明 显的优 点是连续再生 。这 种抑制 技术的缺点是较低的抑制容量和机械脆性。1985 年微 膜的 引入， 化学抑制器的发展 又进入了另一 个发展 阶段。使用 一种非常薄而耐用的膜，这种抑制器不仅可以连续抑制，而且具有很高的抑 制容量，能够满足梯度洗脱和等度洗脱的要求。17Dionex 中国有限公司应用研究中心离子色谱法基本原理第四代化学 抑制 器是自动再生 抑制器 （ SRS ）。 SRS 是 第一个 利用 水的电 化学反应产生氢和氢氧根离子，因此不再需要再生液。在自动再生抑制器中，阴极和阳极之间施加一个直流电流，在施加电场 下，在阳极水被

32、 氧化 产生 H+和 氧气， 同时在 阴极水 被还 原为 OH-和氢气。抑 制器产生的氢离 子和 氢氧根离子用 于抑制 背景 电导。连续抑制较非连续抑制具有以下几处优点：无需周期性再生稳定 的基线易于操作适于 常规梯 度分析可与高容量的柱子相匹配第五代电抑 制器 是自动电解再 生抑制 器， 简称 AES TM。用离 子交换叠片 代替微膜。采用连续电解再生抑制的单一循环模式。可应用于碳酸盐溶液或 MSA 淋 洗 液 的 IC 方 法 。有 三 种 尺 寸 可 选 用 ，即 4-mm ， 3-mm 以 及 2-mm 。该18Dionex 中国有限公司应用研究中心离子色谱法基本原理抑制器具有低噪音、

33、快速启动、耐久性和可靠性等优点。19Dionex 中国有限公司应用研究中心离子色谱法基本原理第七章 分离方式和检测方式的选择分析者对待测离子应有一些一般信息，首先应了解待测化合物的分子结 构和性质以及样品的基体情况，如无机还是有机离子，离子的电荷数，是酸 还是碱，亲水还是疏水，是否为表面活性化合物等。待测离子的疏水性和水 合能是决定选用何种分离方式的主要因素。水合能高和疏水性弱的离子，如 Cl -或 K+，最 好用 HPIC 分离 。水 合 能 低 和 疏 水 性 强的 离 子 ，如 高 氯 酸（ ClO 4-） 或 四 丁 基 铵 ， 最 好用 亲 水 性 强 的 离 子交 换 分 离 柱或

34、 MPIC 分离 。 有 一 定 疏 水 性 也 有 明 显 水 合 能的 pKa值 在 1 与 7 之 间的 离 子 ， 如 乙 酸 盐 或 丙 酸 盐 ， 最 好 用 HPICE 分 离 。有 些 离 子 ，既 可 用 阴 离 子 交 换 分 离 ，也 可 用 阳 离 子 交 换 分 离 ， 如氨基酸，生物碱和过渡金属等。很多离子可用多种检测方式。例如测定过渡金属时，可用单柱法直接用 电 导 或 脉 冲 安 培 检测 器 ，也 可用 柱 后 衍 生 反 应 ，使 金 属 离 子 与 PAR 或 其它 显 色 剂 作 用 ， 再 用 UV/VIS 检 测。 一 般 的 规 律 是 ：对 无

35、紫外 或 可 见 吸收 以 及强 离解的酸和碱，最好用电导检测器；具有电化学活性和弱离解的离子，最好 用安培检测器；对离子本身或通过柱后反应后生成的络合物在紫外可见有吸 收 或 能 产 生 荧 光 的离 子 和 化 合 物 ， 最好 用 UV/VIS 或 荧 光 检测 器 。 若 对 所 要 解 决 的 问 题 有 几 种方 案 可 选 择 ，分 析 方 案 的 确 定 主要 由 基体 的 类 型 、选 择 性 、 过 程 的 复 杂 程 度 以及 是 否 经 济 来 决 定。 表 1 和 2 总 结 了 对 各 种 类 型离 子 可 选 用的分离方式和检测方式。离子色谱柱填料的发展推动了离子

36、色谱应用的快速发展，对多种离子分 析 方 法 的 开 发 提 供 了 多 种 可 能 性 。 特 别 应 提 出 的 是 在 pH 0-14 的 水 溶 液 和 100% 有 机 溶剂 （ 反 相 高 效 液 相 色 谱 用 有 机 溶 剂 ）中 稳 定的 亲 水 性 高效 高 容量 柱填料的商品化，使得离子交换分离的应用范围更加扩大。常见的在水溶液 中以离子形态存在的离子，包括无机和有机离子，以弱酸的盐 （ Na 2CO 3 /NaHCO 3, KOH 、 NaOH ） 或 强酸 （ H2SO4、 甲基 磺 酸 、 HNO 3、HCl ） 为流动相，阴离子交换或阳离子交换分离，电导检测，已是

37、成熟的方法，有 成熟的色谱条件可参照。对近中性的水可溶的有机“大”分子（相对常见的 小 分 子 而 言 ），若 待 测 化 合 物 为 弱 酸，则 由 于 弱酸 在 强 碱性 溶 液 中 会 以 阴 离子 形态存在，因此选用较强的碱为流动相，阴离子交换分离；若待测化合物为20Dionex 中国有限公司应用研究中心离子色谱法基本原理弱碱，则 由于在强酸性溶液中会以阳离子形态存在，选 用较强的酸作流动相， 阳离子交换分离；若待测离子的疏水性较强，由于与固定相之间的吸附作用 而使保留时间较长或峰拖尾，则 可在流动相中加入适量有机溶剂，减 弱吸附， 缩短保留时间、改善峰形和选择性。对该类化合物的分离也

38、可选用离子对色 谱分离，但流动相中一般含有较复杂的离子对试剂。此外，对弱保留离子可 选用高容量柱和弱淋洗液以增强保留，对 强保留离子则反之。表 1，2 列出了 离子色谱中常用 的两 种主要检测器 :电化学检 测器（ 包括电 导和 安培）和光学 检测器。在水溶液中以离子形态存在的离子，即较强的酸或碱，应选用电导 检测。具 有对紫外或 可见光 有吸收 基团或 经柱 后衍生 反应后（IC 中较少用柱 前衍生）生成有吸光基团的化合物，选用光学检测器。具有在外加电压下可 发生氧化或还原反应基团的化合物，可选用直流安培或脉冲安培检测。对一 些复杂样品，为了一次进样得到较多的信息，可将两种或三种检测器串联使

39、 用。21Dionex 中国有限公司应用研究中心离子色谱法基本原理表 1 分离方式和检测器的选择（阴离子）分析离子分 离（ 机 理 ）方 式检测器无机 阴离子亲水 性强酸F-、Cl-、NO2-、Br -、SO32-、 NO 3-、 PO43-、 SO 42-、 PO2-、 PO3-、 ClO -、 ClO 2- 、 ClO 3-、 BrO 4-、低分 子量 有机酸阴离子交换电 导 、 UVSO32-离子排斥安培砷酸盐、硒酸盐、亚硒酸盐阴离子交换电导亚砷酸盐离子排斥安培弱酸BO 3-、 CO 32-离子排斥电导SiO 32-离子交换 、离子 排斥柱后衍生/VIS疏水性CN - 、HS -（ 高

40、离 子 强 度 基 体 ） BF4-、S2O32-、SCN -、 ClO 4I-离子排斥 阴离子交 换、离 子对 阴离子交换安培 电导 安培/电 导缩合磷酸剂未络合阴离子交换柱后衍生/VIS多价螯合剂已络合阴离子交换电导金属络合物Au（ CN）2-、Au （CN）4-、Fe（CN） 64-、Fe（CN ）63-EDTA-Cu离子对 阴离子交换电导 电导有机 阴离子羧酸一价脂肪酸 ，C5（ 酸消解 样品， 盐水， 高离子 强度 基体）离子排斥电导脂肪酸 ，C5 芳香 酸离子对/阴离子 交换电 导 ， UV一至 三价一元、二 元、三 元羧酸 +无 机 阴离子羟基羧 酸、二元 和三元羧酸+ 醇阴离子

41、交换 离子排斥电导 电导磺酸烷基磺酸盐、芳香磺酸盐离 子 对 ，阴 离 子 交换电 导 ， UV醇类C6离子排斥安培22Dionex 中国有限公司应用研究中心离子色谱法基本原理表 2 分离 方式和 检测 方式的 选择（阳离子）分析离子分离方式检测器无机阳离 子Li +、Na+、K+、Rb+、Cs+、Mg +、Ca+、 Sr+、Ba+、NH 4+阳离子交 换电导过度 金属Cu+、Ni +、Zn +、Co+、Cd+、 Pb+、Mn +、Fe2+、Fe3+、Sn2+、 Sn4+、 Cr3+、 V 4+、 V 5+ 、UO 22+、Hg +Al 3+Cr 6+ (CrO 42-)阴离子交 换/阳离子交

42、 换阳离子交 换阴离子交 换柱后衍生/VIS电导柱后衍生 /VIS柱后衍生/VIS镧系 金属La 3+、Ce3+、Pr3+、 Nd3+、Sm3+、Eu 3+、Gd 3+、Tb 3+、Dy 3+、Ho 3+、Er3+、Tm 3+、Yb 3+、 Lu 3+阴离子交 换，阳离子交 换柱后衍生/VIS有机阳离 子低 分子量烷基 胺，醇 胺 ，+碱金 属和碱土 金属阳离子交 换电导、安 培高 分 子 量烷基 胺，芳 香胺 ，环己 胺， 季 胺，多胺阳离子交 换 ，离 子 对电导、紫 外，安培1. 分离度的改善（一）决定保留的参数与高效液相 色谱 不同，离子色谱 的选择 性主要 由固 定相性 质决定 。D

43、ionex公司有数十种不同选择性的柱子可供选择，对我国的多数用户，选购多种柱23Dionex 中国有限公司应用研究中心离子色谱法基本原理子有一定困难。本节主要讨论固定相选定之后的一些主要参数。对于待测离 子而言，决定保留的主要参数是待测离子的价数，离子的大小，离子的极化 度和离子的酸碱性强度。1 价 数一般的规律是， 待测离子的价数越高，保留时间越长，如二价的 SO42- 的保留时间大于 一价 的 NO3-。例外是多 价离 子，如 磷酸盐的保留 时间 与淋洗 液 的 PH 有 关 ， 在 不 同 的 PH ， 磷 酸 盐 的 存 在 形 态 不 同 ， 随 着 PH 的 增 高 ， 磷 酸由一

44、价 阴离子（H2PO4-） 到二价（ HPO32-）和三价（PO43-），三价阴 离子 PO43-的 保留时 间大于 一价 的 H2PO4-。2 离子大 小待测离子的离子半径越大，保留时间越长。例如，下列一价离子的保留 时间按下列顺序 增加 ：F-Cl-Br-I-。3 极 化度待测离子的极化度越大，保 留时间越长，例 如二价 SO42-的保留时间小于 极化度大的一价离子 SCN -。因 为 SCN -在固定相上的保留除了离子交换之外， 还加上了吸附作用。（二）改善分离度1 稀释样 品对组成复杂的样品，若待测离子对树脂亲合力相差颇大，就要作几次进 样，并用不同浓度或强度的淋洗液或梯度淋洗。对固定

45、相亲合力差异较大的 离子，增加分离度的最简单方法是稀释样品或作样品前处理。例如盐水中 SO42-和 Cl-的分离。若 直接进样 ，其色谱 峰很 宽而且 拖尾表 明进样量已 超过分 离柱容量，在常 用的 分析阴 离子的 色谱条件下 ， 30min 之后 Cl-的 洗脱仍在继 续 。在 这 种 情 况 下 ，在 未 恢 复 稳 定 基 线 之 前 不 能 再 进 样 。若 将 样 品 稀 释 10 倍 之后再进样就可 得到 Cl-与痕 量 SO42-之间的 较好分 离。对 阴离子 分析 推荐的 最大进样量，一 般为 柱容量的 30%，超过这 个范围 就会出现大的 平头 峰或肩 峰2 改变分 离和

46、检测方 式若待测离子 对固 定相亲合力相 近或相 同，样 品稀释 的效果常不令 人满意。 对这种情况，除了选择适当的流动相之外，还应考虑选择适当的分离方式和 检测方式。例 如，NO3-和 ClO 3-，由 于它们的电荷数和离子半径相似，在 阴离24Dionex 中国有限公司应用研究中心离子色谱法基本原理子交换分离柱上共淋洗。但 ClO 3-的疏水性大于 NO3-，在离子对色谱柱上就 很容易分开了。又 如 NO2-与 Cl-在阴离子交 换分离 柱上的 保留时 间相 近，常见 样品中 Cl-的 浓度又 远大 于 NO2-，使 分离更加困 难，但 NO2-有强的 UV 吸 收， 而 Cl-则很弱 ，

47、因 此应改 用紫外 作检测器测 定 NO2-，用 电导检 测 Cl-，或将两 种检测器串联，于 一次 进样同时检测 Cl-与 NO2-。对 高浓度强酸中 有机 酸的分 析，若采用离子排斥，由于强酸不被保留，在死体积排除，将不干扰有机酸 的分离。3 样品前 处理对高浓度基体中痕量离子的测定，例如海水中阴离子的测定，最好的方 法是对样品作适 当的 前处理。除去 过量 Cl-的 前处理方法 有：使 样品通过 Ag+ 型前处理柱除去 Cl-，或 进样前加 AgNO 3到样品中沉淀 Cl-；也可 用阀 切换技 术 ，其 方 法 是 使 样 品 中 弱 保 留 的 组 分 和 90% 以 上 的 Cl -

48、 进 入 废 液 ，只 让 10% 左 右的 Cl-和 保留时 间大于 Cl-的组 分进入分离 柱进行 分离。 对含有 大的 有机分 子的样品 ，应 于进样 前除去有机 物，较 简单的 方法 是用 Dionex 的前 处理柱 OnGuard 的 RP 或 P 柱 或 在 线 阀 切 换 除 去 有 机 基 体 。4 选择适 当的 淋洗液离子色谱分离是基于淋洗离子和样品离子之间对树脂有效交换容量的竞 争，为了得到有效的竞争，样品离子和淋洗离子应有相近的亲合力。下面举 例说明选择淋洗 液的 一般原则。用 CO 3 2-HCO 3-作淋洗 液时，在 Cl-之前洗脱 的离子是弱保留离子，包括一价无机阴

49、离子、短碳链一元羧酸和一些弱离解 的组分，如 F-、甲酸、乙酸、AsO 2-、CN-和 S2-等。对乙酸、甲酸与 F-、Cl- 等的分离应选用较弱的淋洗离子，常用的弱淋洗离子有 HCO 3-、OH-和 B4O72-。 由于 HCO 3-和 OH-易吸收空气中 CO2，CO2在碱性溶液中会转变成 CO32-，CO32- 之淋洗强度较 HCO 3-和 OH-大，因而不利于上述弱保留离子的分离。B4O72- 亦为弱淋洗离子，但溶液稳定，是分离弱保留离子的推荐淋洗液。中等强度 的碳酸盐淋洗液对高亲和力组分的洗脱效率低。对离子交换树脂亲合力强的 离子有两种情况 ，一 种 是离子 的电荷 数大 ，如 PO

50、43-、AsO43-和 多聚磷 酸盐等； 一种是离子半径 较大 ，疏水性强， 如 I-、 SCN-、S2O32-，苯甲 酸和柠 檬酸等 。 对前者以增加淋洗液的浓度或选择强的淋洗离子为主。对后一种情况，推荐 的方法是在淋洗 液中 加入有机改进 剂（如甲醇 、乙 腈和对 氰酚等）或 选用亲水性 的柱子，有机改进剂的作用主要是减少样品离子与离子交换树脂之间的非离25Dionex 中国有限公司应用研究中心离子色谱法基本原理子交换作用，占据树脂的疏水性位置，减少疏水性离子在树脂上的吸附，从 而缩短保留时间，减少峰的拖尾，并增加测定灵敏度。在离子色谱中，可由加入不同的淋洗液添加剂来改善选择性，这种淋洗

51、液添加剂只影响树脂和所测离子之间的相互作用，而不影响离子交换。对与 树脂亲合力较强的离子，如一些可极化的离子，I-和 ClO 4-，以及疏水性的离 子 ，苯 甲 酸 和 三 乙 胺 等 ，在 淋 洗 液 中 加 入 适 量 极 性 的 有 机 溶 剂 如 甲 醇 或 乙 腈 ， 可缩短这些组分的保留时间并改善峰形的不对称性。为了减少样品离子与树 脂之间的非离子交换作用，减 少树脂对疏水性离子的吸附，在 阴离子分析中， 可在淋洗液中加入对氰酚。如 测定 1% NaCl 中的痕量 I-和 SCN -时，加 入对氰 酚占据树脂对 I-和 SCN -的吸附位置，从而减少峰的拖尾并增加测定的灵敏度。 I

52、C 中，一价淋洗离 子洗脱一价待测离子 ，二价淋洗离子洗 脱二价 待测离子， 淋洗液浓度的改变对二价和多价待测离子保留时间的影响大于一价待测离 子。若多价离子的保留时间太长，增加淋洗液的浓度是较好的方法。（三）减少保留时间缩短分析时间与提高分离度的要求有时是相矛盾的。在能得到较好的分 离结果的前提下分析的时间自然是越短越好。为了缩短分析时间，可改变分 离柱容量、淋洗液流速、淋洗液强度，在淋洗液中加入有机改进剂和用梯度 淋洗技术。以上方法中最简便的是减小分离柱的容量，或用短柱。例 如用 3 500mm 分离柱分离 NO3-和 SO42-，需 用 18min ，而用 3 250mm 的 分离 柱，

53、用 相同浓 度的淋洗液只用 9min 。但 NO3-和 SO42-的分 离不好 ，若改用稍弱 的淋洗液就 可得到较好的分离。大的进样体积有利于提高检测灵敏度，但导致大的系统死体积，即大的 水负峰，因而推 迟样 品离子的出峰 时间。 如在 Dionex 的 AS11 柱上用 NaOH 为淋洗液，进样量分别为 25、 250 和 750L 时，F-的保留时间分别为 2.0、 2.5 和 3.6 分。为了 减小保 留时间 ，最好用小 的进样 体积。增加淋洗液的流速可缩短分析时间，但流速的增加受系统所能承受的最 高压力的限制，流速的改变对分离机理不完全是离子交换的组分的分离度的 影响较大，例如 对 B

54、r-和 NO2-之 间的分离， 当流速 增加时 分离度 降低 很多， 而分离机理主要 是离 子交换的 NO3-和 SO42-，甚至在很高的流速 时，他们之间26Dionex 中国有限公司应用研究中心离子色谱法基本原理的分离度仍很好。增加淋洗液的强度对分离度影响与缩短分离柱或增加淋洗液的流速相 同。用较强的淋洗离子可加速离子的淋洗，但对弱保留和中等保留的离子， 会降低分 离度。 当用弱淋洗 液（如 B4O72-） 分离弱 保留样 品离子时， 弱保留 离子，如奎尼酸盐、 F-、乳酸盐、乙酸盐、丙酸盐、甲酸盐、丁酸盐、甲基 磺酸盐、丙酮酸盐、戊酸盐、一氯醋酸盐、BrO 3-和 Cl-等得到较好分离。但 一般样品中都含 有一 些对阴离子交 换树脂 亲合 力强的 离子， 如 SO42-、PO43-、 草酸盐等，如 果用等浓度淋洗，它们将在一小时之后甚至更长时间才被洗脱。对这种情况，应 于 3-5 次 进样之 后，用高浓 度的强 淋洗液作样品 进一 次样， 将强保留组分从柱中推出来，或者用较强的淋洗液洗柱子半小时。在淋洗液中加入有机改进剂，可缩短保留时间和减小峰的拖尾。（四）改善检测灵敏度首先是按说明书操作，是仪器在最佳工作状态，得到稳定的基线，才可 将检测器的灵敏度设置在较高灵敏档，这是提高检测灵