离子色谱原理

1、一、离子色谱基本原理离 子 色 谱 理 论色谱 从物理化学的发展派生而来 色谱原理 从离子交换到离子对检测器 从伏安检测器到电导率检测器 带抑制的离子色谱 降低背景电导抑制和非抑制 从膜抑制到填从柱抑制 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_khvpptic_theory_au.p

2、pt4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 传统的 TLC + HPLC1. 正相色谱固定相 = 极性 ( 例如：SiO2) 流动相 = 非极性 ( 例如： n-己烷)2. 反相色谱固定相 = 非极性 ( 例如：C18) 流动相 = 极性

3、 (例如：乙腈或甲醇/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

4、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-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

5、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

6、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：

7、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洗脱液泵注射阀分离柱抑制器

8、检测器色 谱 色谱过程 21洗脱液泵注射阀分离柱检测器色 谱 离子交换色谱 就固定相而言 . 阳离子需要阳离子交换剂 .阴离子需要阴离子交换剂。固定相结构:22苯乙烯二乙烯基苯苯乙烯-二乙烯基苯树脂阳离子交换剂阴离子交换剂离 子 色 谱 离子交换色谱 固定相由3部分组成: 乳胶物质或 树脂载体 间隔基 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 子 色 谱 离子交换色谱 流动相解吸和运载样品

9、. 水相洗脱液:阴离子 (I) 邻苯二甲酸 邻羟基苯甲酸（水杨酸） p-羟基苯甲酸 苯甲酸 硼酸盐 硼酸盐 / 乙酸盐 氢氧化钾.阴离子 (II) 碳酸盐 / 碳酸氢盐 氢氧化钾 硼酸盐阳离子 (I) 硝酸 酒石酸 酒石酸 / 吡啶二羧酸 酒石酸 / 柠檬酸 磷酸二 氢钾 草酸 / 乙二胺 / 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 洗脱液: 5 mmol酒石酸 分离柱: Metrosep Cation 1-226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

10、 离子交换色谱 阴离子色谱 洗脱液: Na2CO3/NaHCO3 (1.3/2.0 mmol/L) 分离柱: Metrosep Dual 228离子色谱 离子交换色谱 阳离子与固定相上碱性离子交换位 置发生反应。 依据键合强度( 离子交换平衡常数)， 阳离子在洗脱液中的质子之前或之后洗脱出来。29阴离子与固定相上酸性离子交换位 置发生反应。 依据键合强度( 离子交换平衡常数)，阴离子在洗脱液中的碳酸盐之前或之后洗脱出来。阳离子或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“化学质相似”的成份得以分离。检 测 器 离子色谱检测器 30洗脱液泵注射器分离柱检测器检 测 器 离子色谱检测器

11、 31 电导检测器 安培检测器 UV/VIS 检测器 ( 选件 ) RI 检测器 ( 选件) 电子捕获质谱法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电导检测电导检测就是测量电导率 电导测量检测器测量溶液中离子的电导率。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。R = 电阻 Kc = 电导池常数 1/cm = 电导 1/ or S检 测 器 电导 33电导离子的电导与离子i的浓度c及其与浓度有关的当量电导率i有关。当量电导率

12、i 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。 Zi 为相应离子的电荷。i = 当量电导率 Scm2/mol zi = 电荷 ci = 浓度 mol/L = 电导 1/ or S = 所有离子 阳离子和阴离子之和检 测 器 电导率 34当量电导率下表列举的当量电导率适用于浓度低于0.001 mol/L。 = 当量电导率 Scm2/mol 阴离子OH198F 54Cl 76Br 78I 77NO2 72NO3 71HCO3 45CO32 72SO42 80Phthalate 38阳离子H+350Li+ 39Na+ 50K+ 74NH4+ 73Mg2+ 53Ca2

13、+ 60Sr2+ 59Ba2+ 64Zn2+ 53Cu2+ 55检 测 器 电导率 35测量值的影响因素 相应离子的当量电导率 相应离子的电荷 电导池常数 常数 温度 常数 浓度 实际浓度 T 2 %/C36非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 = 洗脱液色谱峰的电导率 = 洗脱液 样品测量值 = 样品 减去洗脱液检 测 器 非抑制电导率 38测量阴离子和阳离子关键词: 单柱技术 非抑制离子色谱 测量样品离子和洗脱液离子电导率的差值。样品中的反荷离子不保留，随死体积一并洗脱出来。因此，反荷离子通常也是洗脱液的反荷离子。39化学抑

14、制型离子色谱在阳离子色谱中，采用阴离子交换剂 所有阴离子被OH取代在阴离子色谱中，采用阳离子交换剂 所有阳离子被H+取代通过以上反应，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 = 水 = 0色谱峰电导率 = 水 样品测量值 = （水 + 样品） 背景检 测 器 抑制后的电导率 41测量 阳离子和阴离子关键词: 双柱技术 带抑制的离子色谱 pcr 测量样品离子和H+或 OH之和 洗脱液电导率为0，反荷离子为 OH或H+离子色谱分为：单柱离子色谱非化学抑制双柱离子色谱化学抑制

15、 洗脱液泵注射阀分离柱检测器抑制器抑 制 与 非 抑 制43(样品 = NaCl 洗脱液 = HNO3)非抑制抑制(样品 = NaCl 洗脱液 = HNO3) 阳离子 抑 制 与 非 抑 制抑 制 与 非 抑 制 阳离子 45(样品 = NaCl 洗脱液 = 邻苯二甲酸)非抑制带抑制(样品 = NaCl 洗脱液 = Na2CO3) 阴离子 抑 制 与 非 抑 制46抑 制 与 非 抑 制 阴离子抑制 11_khvpptic_theory_au.ppt47非抑制抑制高背景电导率低灵敏度的阴离子高灵敏度的阳离子高度的线性校正成本低洗脱液选择无限制低背景电导率高灵敏度的阴离子(检测限低 2-4 个数

16、量级)高灵敏度的阳离子非线性校正成本高洗脱液必须与H2O反应抑 制 与 非 抑 制R-SO3 H+ + Na+ + HCO3R-SO3 Na+ + H2O + CO2 R-SO3 H+ + Na+ + Cl R-SO3 Na+ + H+ + Cl 阴离子抑制 洗脱液基线(背景)： 样品信号( 以NaCl为例)抑 制 与 非 抑 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 制 与 非 抑 制MSM抑制器 特点 分析流路外的再生 允许含有机溶剂的再生( 例如 ：25% 丙酮) 允许含强酸的再生 反相压力可达 2MPa ，不

17、影响分析 不因压力受损 使用寿命长 价格实惠抑 制 与 非 抑 制再生 20 mm0l/L H2SO4 ： R-SO3 Na+ + H+ R-SO3 H+ + Na+ 冲洗 水： 除去多余的H2SO4 抑 制 与 非 抑 制MSM抑制器再生 重现性极佳ppb浓度范围18次进样 结果: F- Cl- NO2- Br- NO3- HPO42- SO42-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 制 与 非 抑 制MSM抑制器 特点 MIC Advanced-New!MIC 研究

18、型Metrohm离子色谱仪实验室离子色谱仪792 标准型790 通用型761 卓越型Metrohm离子色谱仪实验室离子色谱仪811 Online IC821 Online ICMetrohm离子色谱仪器在线离子色谱仪用于一般IC应用: 日常的阴，阳离子的分析 可分析的最低样品浓度为50 ppb (进样体积100 uL时，可测10 ppb) 可用于带抑制和不带抑制的阴离子的分析 简单的操作技术56761 Compact IC 2个非金属材料型号 2.761.0010 用于非抑制的 IC 2.761.0020 用于抑制和非抑制的 IC 高性能的电导池检测块 恒温精度 +/- 0.01 C PC-控

19、制 只用一个 RS-232 线 积分数据处理57761 Compact ICIC 泵在线过滤进样阀排气阀58761 Compact IC紧凑型 双阀泵 低脉冲 基线稳定 流速可调 0.2 . 2.5 mL/min 压力最高可达25Mpa( 250 bar ) 在线非金属过滤 脉冲阻尼 保护分析柱 注射器 非金属材料 电驱动 6通阀59紧凑型761 Compact ICMSM抑制器蠕动泵检测器分离柱60761 Compact IC紧凑型 检测器 恒温范围 25 . 45C 温度稳定 +/- 0.01C 测量范围 50, 250, 1000 S/cm 可调的电导池常数 可选择极性 积分信号可预放大

20、 数据获得 内置 22 bit 模拟/数码转换器 漏液检测 突发事件停止功能 Metrohm Suppressor Module MSM 同 Modules (733/753)一样61761 Compact IC 完全 PC-控制 一根电缆即可 有根据Metrohm IC Application Notes预先设置的方法 可通过远程线自动控制 761 750 自动进样器 766 IC 样品处理器62761 Compact IC 用于 761 Compact IC的PC软件 761 硬件控制 参数: 流速, 测量范围等 . 时间程序 系统安全防护 数据获得 多重积分方式 样品表 数据处理 批式再

21、处理63Metrodata 761 软件761 Compact IC 建立方法容易 可从系统文件下载方法，用于第一个样品的测定 所有的程序都在 CD中 系统文件和方法可通过 CD-ROM安装 提供了约 80种IC Application Notes 6411_khvpptic_modules_au.pptMetrodata 761 软件761 Compact ICMIC离子色谱仪 电导检测器集60年电化学分析经验之精华超高灵敏度：进样量100 L，即可分析0.1ppb(MIC); 1ppb(761)超高分辨率:MIC: 0.05 pS/cm(优于其他品牌2000倍)761: 0.028 nS/cm(优于其他品牌3.6倍)MIC离子色谱仪 analogue output cell constant can be calibrated噪音50 nSFS 1000 S; Auto Zero on; 22 nS noiseFS 1000 S; Auto Zero off; 45 nS noiseFS 10 S; Auto Zero on; 2 nS noiseRange 1000 S/cm Range Autozero