离子色谱原理

1、一、离子色谱基本原理离离 子子 色色 谱谱 理理 论论l色谱 从物理化学的发展派生而来 l色谱原理 从离子交换到离子对l检测器 从伏安检测器到电导率检测器 l带抑制的离子色谱 降低背景电导l抑制和非抑制 从膜抑制到填从柱抑制 l色谱 从简单的颜色变化分离到专业的分析方法 2色 谱 的 发 展色谱是某种颜色的混合物分离为不同颜色的成份。该方法用于分离化学性质相似但又难于分离的化学物质希腊语 chromatographychroma = 颜色graphein = 记录 3教学的简单实验: 准备一张纸滴加一小滴黑墨水在墨水的中央滴加一滴水 观察黑墨水的颜色变化色 谱 从教学角度 11_khvppti

2、c_theory_au.ppt 4色 谱 从物理化学角度 色谱一词是指待分离的成份在固定相和流动相之间进行物理化学分离过程。气体流动相 液体固定相 液体 GLC, LLC 固体 GSC, LSC (HPLC - IC) 5色 谱 从极性角度 色谱方法基于固定相和流动相的极性分为： 一类 传统的 TLC + HPLC1. 正相色谱2. 反相色谱一类 离子色谱4. 离子交换色谱3. 离子对色谱5. 离子排斥色谱 6色 谱 传统方法 一类一类 传统的传统的 TLC + HPLC1. 正相色谱正相色谱固定相固定相 = 极性极性 ( 例如：例如：SiO2) 流动相流动相 = 非极性非极性 ( 例如：例如

3、： n-己烷己烷)2. 反相色谱反相色谱固定相固定相 = 非极性非极性 ( 例如：例如：C18) 流动相流动相 = 极性极性 (例如：乙腈或甲醇例如：乙腈或甲醇/水水) 7另一类 IC4. 离子交换色谱阳离子和阴离子与固定相形成弱离子键。C: 固定相 = 极性 ( 例如：R-SO3) 流动相 = 极性 ( 例如：HNO3 水溶液) 或A: 固定相 = 极性 ( 例如：R-NR3+) 流动相 = 极性( 例如：Na2CO3 水溶液)色 谱 离子色谱方法 8另一类 IC3. 离子对色谱通过加入亲脂性对离子，阳离子和阴离子与非离子 分子反应。分离生成的非极性分子在反相模式中得以分离。固定相 = 非极

4、性 ( 例如：C18) 流动相 = 极性 ( 例如：乙腈或甲醇/水)5. 离子排斥色谱H+离子型固定相表面形成非极性Donan 膜。只有非极性和非离解的分子可以进入该膜。离解的离子受到固定相Donnan 膜的排斥。依据分子的离解常数不同进行分离。 流动相 = 极性 ( 例如： Na2CO3 水溶液)色 谱 离子色谱方法 9概 括离子色谱是分离离子型成份的所有色谱方法的统称。包括： 离子对色谱 (3), 离子交换色谱 (4) 和 离子排斥色谱 (5)。待测成份和流动相通常是极性和/或离子型的。离子交换色谱是离子色谱中最重要的分离方式。色 谱 离子色谱 10色 谱 焦点 HPLC 和 IC 液相-

5、固相-色谱 流动相 = 液体 固相 = 固体自从20世纪60年代末，高压或高效液相色谱(HPLC)的问世，液相色谱 发 展 成 为 最 综 合 和 最 重 要 的 现 代 分 析 仪 器 之 一 。 离子色谱是HPLC家族的分支。 11tM死时间(dead time） 不被固定相滞留的组分，从进样到出现峰最大值所需的时间tR.2保留时间(rention time) 组分从进样到出现峰最大值所需时间tS.2净保留时间(net rention time) 减去死时间的保留时间 tS.2 tR.2tM色 谱 色谱图 K tS/tM 保留因子(retention factor) K越小，越接近死时间洗

6、脱，分离效果差； K越大，分离越好，峰形展宽。 K 2 5 最佳。T B/A 不对称因子(asymmetry factor) 10%峰高处前半峰的宽度B与同高度处后半 峰宽度B的比值。色 谱 色谱图 RtR/w 分离度(resolution) 如果两个峰的保留时间的差值大于其基线 宽度或半峰宽度，表示分离效果好。 R = 0.5，两个组分仍可区分开。 R = 1(相当4分离)，可以定性分离。 R = 1.2 1.5，定量最佳。 避免分离度 R 2 (相当8分离)的情况， 因为分析时间过长。 色 谱 色谱图 色 谱 色谱图 分离柱容量分离柱交换离子的能力。柱容量的测定： 可通过氯离子完全占有离子

7、交换位置的方法，测量分离柱的交换容量。先用去离子水冲洗，再用碳酸盐洗脱液洗脱氯离子。然后用离子色谱法或银量滴定法定量氯离子。从而推算出交换容量。色 谱 色谱图 分离柱容量分离柱过载现象： 随后离子的保留时间变短， 主成份的峰平头， 主成份峰拖尾， 理论塔板数变小， 面积/高度比变差 (固定面积，峰高降低) 和 峰的对称性变差。 色 谱 色谱图 分离柱容量分离柱过载色谱图： 平头峰(cut-off peak) 鲨鱼鳍峰(shark-fin-shaped peak) 拖尾峰(tailing peak) 伸舌峰(fronting peak) 色 谱 色谱图 分离柱容量 实例：含非常高氯离子浓度的标准

8、溶液大的氯峰干扰其随后峰的评估。通过向样品中加入相应的阴离子，才可能正确地判断各峰。 色谱图(a) 放大(a) 色 谱 仪器结构 色 谱 当今最常用的分析手段 20淋洗液淋洗液泵泵进样阀进样阀分离柱分离柱抑制器抑制器检测器检测器色 谱 色谱过程 21淋洗液淋洗液泵泵进样阀进样阀分离柱分离柱检测器检测器色 谱 离子交换色谱 就固定相而言 . 阳离子需要阳离子交换基团 .阴离子需要阴离子交换基团固定相结构固定相结构: 22苯乙烯苯乙烯二乙烯基苯二乙烯基苯苯乙烯苯乙烯-二乙烯基苯树脂二乙烯基苯树脂阳离子交换基团阳离子交换基团阴离子交换基团阴离子交换基团离 子 色 谱 离子交换色谱 固定相由3部分组成

9、: l 乳胶物质或 树脂载体 l 间隔基l 承载离子交换的基团 23材料: 苯乙烯/二乙烯基苯 聚甲基丙烯酸酯 硅酸盐 / 硅胶 羟乙基甲基丙烯酸酯 (HEMA)阴离子交换剂: 季胺功能团 碱性胺基 羟基碱性季胺盐 丙烯酸基碱性季胺盐 交联方式阳离子交换剂: 磺酸基 羧酸盐间隔基: 烷基链离离 子子 色色 谱谱 离子交换色谱 流动相解吸和运载样品 . 水相洗脱液:阴离子阴离子 (I)l 邻苯二甲酸邻苯二甲酸l 邻羟基苯甲酸（水杨酸）邻羟基苯甲酸（水杨酸） l p-羟基苯甲酸羟基苯甲酸l 苯甲酸苯甲酸l 硼酸盐硼酸盐l 硼酸盐硼酸盐 / 乙酸盐乙酸盐l 氢氧化钾氢氧化钾.阴离子阴离子 (II)l

10、 碳酸盐碳酸盐 / 碳酸氢盐碳酸氢盐l 氢氧化钾氢氧化钾l 硼酸盐硼酸盐阳离子阳离子 (I)l 硝酸硝酸l 酒石酸酒石酸l 酒石酸酒石酸 / 吡啶二羧酸吡啶二羧酸 l 酒石酸酒石酸 / 柠檬酸柠檬酸l 磷酸二磷酸二 氢钾氢钾l 草酸草酸 / 乙二胺乙二胺 / 丙酮丙酮. 24离 子 色 谱 离子交换色谱 固定相和流动相竞争待测组份 阳离子分离机理 25离 子 色 谱 离子交换色谱 阳离子 色谱实例 淋洗液: 2.0 mmolHNO3 分离柱: Metrosep C4-50 26离 子 色 谱 离子交换色谱 固定相和流动相竞争待测组份 阴离子 分离机理 27离子色谱 离子交换色谱 阴离子色谱 淋

11、洗液: Na2CO3/NaOH (5.0/0.3 mmol/L) 分离柱: Metrosep A Supp15 150 28012345678910111213min-202468101214mVch2fluoridechloridenitritesystem peakbromidenitratesulfatephosphate离子色谱 离子交换色谱 阳离子阳离子与固定相上碱性离子交换位与固定相上碱性离子交换位 置发生反应。置发生反应。 依据键合强度依据键合强度( 离子交换平衡常数离子交换平衡常数)， 阳离子阳离子在洗脱液中的质子之前或之在洗脱液中的质子之前或之后洗脱出来。后洗脱出来。 29阴

12、离子阴离子与固定相上酸性离子交换位与固定相上酸性离子交换位 置发生反应。置发生反应。 依据键合强度依据键合强度( 离子交换平衡常数离子交换平衡常数)，阴阴离子离子在洗脱液中的碳酸盐之前或之在洗脱液中的碳酸盐之前或之后洗脱出来。后洗脱出来。阳离子阳离子或或阴离子阴离子的离子交换常数不同，其相应的保留时间不同。从而使的离子交换常数不同，其相应的保留时间不同。从而使“化化学质相似学质相似”的成份得以分离。的成份得以分离。检 测 器 离子色谱检测器 30淋洗液淋洗液泵泵进样阀进样阀分离柱分离柱检测器检测器检 测 器 离子色谱检测器 31l 电导检测器l 电化学检测器( 选件 )l UV/VIS 检测器

13、 ( 选件 )l 联用技术：IC-MS或IC-ICP-MS样品中的组份在分离柱分离后，通过检测器检测和定量 .检 测 器 电 导 32电导电导检测检测电导检测电导检测就是测量电导率就是测量电导率 电导测量电导测量检测器测量溶液中离子的检测器测量溶液中离子的电导率电导率。测量双铂电极两端间的电导。离子在该双铂电极两端间迁移。阴离子向测量双铂电极两端间的电导。离子在该双铂电极两端间迁移。阴离子向阳极迁移，阳离子向阴极迁移，从而测量溶液的电阻。电导为电阻的倒阳极迁移，阳离子向阴极迁移，从而测量溶液的电阻。电导为电阻的倒数。为了避免改变组份和电极表面形成双电层，采用交流电。数。为了避免改变组份和电极表

14、面形成双电层，采用交流电。1RcK*R = 电阻电阻 Kc = 电导池常数电导池常数 1/cm = 电导电导 1/ or S检 测 器 电导 33电导电导离子的电导离子的电导 与离子与离子i的浓度的浓度c及其与浓度有关的当量电导率及其与浓度有关的当量电导率 i有关。当量有关。当量电导率电导率 i 为单位浓度的电导。下表列举的常数适用于浓度低于为单位浓度的电导。下表列举的常数适用于浓度低于0.001 mol/L的情况。的情况。 Zi 为相应离子的电荷。为相应离子的电荷。 i = 当量电导率当量电导率 S cm2/mol zi = 电荷电荷 ci = 浓度浓度 mol/L = 电导电导 1/ or

15、 S = 所有离子所有离子 阳离子和阴离子之和阳离子和阴离子之和( * * )iiiz c检 测 器 电导率 34当量电导率当量电导率下 表 列 举 的 当 量 电 导 率 适 用 于 浓 度 低 于下 表 列 举 的 当 量 电 导 率 适 用 于 浓 度 低 于 0 . 0 0 1 m o l / L 。 = 当量电导率当量电导率 S cm2/mol 阴离子阴离子OH198F 54Cl 76Br 78I 77NO2 72NO3 71HCO3 45CO32 72SO42 80Phthalate 38阳离子阳离子H+350Li+ 39Na+ 50K+ 74NH4+ 73Mg2+ 53Ca2+

16、60Sr2+ 59Ba2+ 64Zn2+ 53Cu2+ 55检 测 器 电导率 35测量值的影响因素测量值的影响因素(* )iiizc1RcK*l 相应离子的当量电导率相应离子的当量电导率l 相应离子的电荷相应离子的电荷l 电导池常数电导池常数 常数常数l 温度温度 常数常数l 浓度浓度 实际浓度实际浓度 T 2 %/CElElElElElcc.* 36非抑制型离子色谱非抑制型离子色谱抑制型离子色谱抑制型离子色谱检 测 器 非抑制或抑制电导率 检 测 器 非抑制电导率 37背景电导率背景电导率 = 淋洗液淋洗液色谱峰的电导率数值色谱峰的电导率数值 = 淋洗液淋洗液 样品样品测量值测量值 = 样

17、品样品 减去减去淋洗液淋洗液DetPeakEl.DetSmplSmplElSmplSmplElcc.*()*()检 测 器 非抑制电导率 38测量阴离子和阳离子关键词关键词:l 单柱技术单柱技术 非抑制离子色谱非抑制离子色谱 l 测量样品离子和淋洗液离子电导率的测量样品离子和淋洗液离子电导率的差值差值。DetSmplSmplElSmplSmplElcc.*()*()D etSm plSm plElc.*()D etSm plSm plElc.*()样品中的反荷离子不保留，随死体积一并洗脱出来。因此，反荷离子通常也是淋样品中的反荷离子不保留，随死体积一并洗脱出来。因此，反荷离子通常也是淋洗液的反

18、荷离子。洗液的反荷离子。 39化学抑制型离子色谱在在阳离子阳离子色谱中，采用色谱中，采用阴离子交换剂阴离子交换剂 所有阴离子被所有阴离子被OH取代取代在在阴离子阴离子色谱中，采用色谱中，采用阳离子交换剂阳离子交换剂 所有阳离子被所有阳离子被H+取代取代通过以上反应，高电导率的洗脱液转换为低电导率的通过以上反应，高电导率的洗脱液转换为低电导率的(H2O+ CO2 ) 。抑制降低背景电导率。抑制降低背景电导率。抑制改变样品中的反荷离子。抑制改变样品中的反荷离子。检 测 器 抑制电导率 检测器 抑制后的电导率 40背景电导率背景电导率 = 水水 = 0色谱峰电导率色谱峰电导率 = 水水 样品样品测量

19、值测量值 = （水水 + 样品样品） 背景背景DetPeakEl.DetSmplSmplElSmplSmplElcc.*()*()检 测 器 抑制后的电导率 41测量测量 阳离子和阴离子阳离子和阴离子关键词关键词:l 双柱技术双柱技术 带抑制的离子色谱带抑制的离子色谱 pcrl 测量样品离子和测量样品离子和H+或或 OH之和之和 DetSmplSmplElSmplSmplElcc.*()*()DetSmplSmplHc.*()DetSmplSmplOHc.*()洗脱液电导率为洗脱液电导率为0，反荷离子为，反荷离子为 OH或或H+离子色谱分为离子色谱分为：单柱离子色谱非化学抑制单柱离子色谱非化学

20、抑制双柱离子色谱化学抑制双柱离子色谱化学抑制 淋洗液淋洗液泵泵进样阀进样阀 分离柱分离柱检测器检测器抑制器抑制器抑抑 制制 与与 非非 抑抑 制制 43(样品样品 = NaCl 淋洗液淋洗液 = HNO3)DetSmplSmplOHc.*()DetSmplSmplElc.*()DetSmplNaHc.*()D etSm plc.* (50) 350D e tS m p lc.*3 0 0非抑制抑制(样品样品 = NaCl 淋洗液淋洗液 = HNO3)DetSmplNaOHc.*()DetSmplc.* (50) 198D e tS m p lc.*2 4 8 阳离子 抑抑 制制 与与 非非 抑

21、抑 制制抑抑 制制 与与 非非 抑抑 制制 阳离子 45(样品样品 = NaCl 淋洗液淋洗液 = 邻苯二甲酸邻苯二甲酸)非抑制带抑制(样品样品 = NaCl 淋洗液淋洗液 = Na2CO3) 阴离子 DetSmplSmplElc.*()DetSmplHClc.*()DetSmplClPhthalc.*()2D etSm plc.* ()7638D e tS m p lc.*3 8DetSmplc.* ()35076DetSmplHSmplc.*()D e tS m p lc.*4 2 6抑抑 制制 与与 非非 抑抑 制制 46抑抑 制制 与与 非非 抑抑 制制 阴离子抑制 11_khvppt

22、ic_theory_au.ppt 47非抑制抑制高背景电导率高背景电导率低灵敏度的阴离子低灵敏度的阴离子高灵敏度的阳离子高灵敏度的阳离子成本低成本低淋洗液选择无限制淋洗液选择无限制低背景电导率低背景电导率高灵敏度的阴离子高灵敏度的阴离子(检测限低检测限低 2-4 个数量级个数量级)高灵敏度的阳离子高灵敏度的阳离子成本高成本高淋洗液必须抑制后生成淋洗液必须抑制后生成H2O或低电离物或低电离物质质抑抑 制制 与与 非非 抑抑 制制R-SO3 H+ + Na+ + HCO3R-SO3 Na+ + H2O + CO2 R-SO3 H+ + Na+ + Cl R-SO3 Na+ + H+ + Cl 阴离

23、子抑制阴离子抑制 淋洗液基线(背景)： 样品信号( 以NaCl为例)抑抑 制制 与与 非非 抑抑 制制MSM抑制器 柱抑制 三根高容量、长寿命和易操作的微填充抑制柱： 一根在流路 一根用硫酸再生 一根用去离子水冲洗 抑抑 制制 与与 非非 抑抑 制制MSM抑制器 特点 l l 分析流路外的再生 l 允许含有机溶剂的再生( 例如 ：100 % 丙酮) l 允许含强酸的再生 l 反相压力可达 2 MPa ，不影响分析 l 不因压力受损 l 使用寿命长 l 价格实惠抑抑 制制 与与 非非 抑抑 制制再生再生 20 mm0l/L H2SO4 ： R-SO3 Na+ + H+ R-SO3 H+ + Na

24、+ 冲洗冲洗 水：水： 除去多余的除去多余的H2SO4 抑抑 制制 与与 非非 抑抑 制制MSM抑制器再生 重现性极佳ppb浓度范围18次进样 结果结果: F- Cl- NO2- Br- NO3- HPO42- SO42-浓度浓度 50 150 100 150 150 500 500 (ug/L)RSD 0.66 0.70 1.92 0.78 0.84 0.97 0.78(n=18)抑抑 制制 与与 非非 抑抑 制制MSM抑制器 特点 三电极系统的流通池分析物质在达到工作电位时发生氧化还原反应工作电极表面由于电子转移发生的电化学反应产生的电流被检测在工作电极表面5 10 % 的物质被转换可简单

25、连接到任何IC- 或 HPLC系统工作电极材料的选择 (GC, Pt, Ag, Au)DC 和 PAD 模式, 扫描模式高灵敏度，高选择性最佳的信价比IIIIIIIVVVIVII VIIIHHeLiBeBCNOFNeNaMgAlSiPSClArKCaScTiVCrMnFeCoNiCuZnGaGeAsSeBrKrRbSrYZrNbMoTcRuRhPdAgCdInSnSbTeIXeCsBaLaHfTaWReOsIrPtAuHgTlPbBiPoAtRnFrRaAcKuDetection固定工作电位的安培检测器 (DC)Pt/Ag/Au/GC 工作电极Ag/AgCl 参比电极Au 辅助电极应用举例: 亚硝酸盐 亚氯酸盐 碘 CN 硫离子 酚类脉冲安培检测器 三种模式: DC/PAD/Scan Au/Pt/Ag/GC 工作电极固体参比电极 不锈钢辅助电极含A/D 转换器含柱温箱含进样阀含IC Net 软件= 不仅是电化学检测器= 最佳的色谱工具测量信号是吸光度 A吸光度 A is 正比于分析物浓度 根据 Beers 定律UV: 190 400 nm, VIS: 400 900 nm光源发出光通过透镜到达检测池淋洗液或分析物通过池分析物吸收入射光光束被狭缝聚焦光栅选择波长光电池或二极管检测直接 UV/VIS 检测, e.g. NO2, I, SCN 间接 UV/VIS 检测