离子色谱原理

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chromatography chroma

=

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_khv\ppt\ic_theory_au.ppt4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

(例如：乙腈或甲醇/水)7另一类–IC

4.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–IC

3.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析仪器之一。

离子色谱是HPLC家族的分支。

11tM－死时间(deadtime）

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(rentiontime)

组分从进样到出现峰最大值所需时间tS.2－净保留时间(netrentiontime)

减去死时间的保留时间

tS.2＝tR.2－tM色谱

–色谱图–K`＝tS/tM－保留因子(retentionfactor)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(asymmetryfactor)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–R＝tR/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

R2(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：

→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-offpeak)

鲨鱼鳍峰(shark-fin-shapedpeak)

拖尾峰(tailingpeak)

伸舌峰(frontingpeak)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淋洗液泵进样阀分离柱抑制器检测器色谱

–色谱过程

–21淋洗液泵进样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基团...阴离子需要阴离子交换基团固定相结构: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:

«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

...

...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

[淋洗液:2.0mmolHNO3–分离柱:MetrosepC4-50]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

[淋洗液:Na2CO3/NaOH(5.0/0.3mmol/L)–分离柱:MetrosepASupp15150]28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淋洗液泵进样阀分离柱检测器检测器

–离子色谱检测器

–31

电导检测器

电化学检测器(选件)

UV/VIS检测器

(选件)

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/orS]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

i

为单位浓度的电导。下表列举的常数适用于浓度低于0.001mol/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/orS]

=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0.001mol/L。

=当量电导率

[Scm2/mol]

阴离子

OH– 198

F– 54

Cl– 76

Br– 78

I– 77

NO2– 72

NO3– 71

HCO3– 45½CO32– 72

½SO42– 80

½Phthalate 38阳离子

H+ 350

Li+ 39

Na+ 50

K+ 74

NH4+ 73

½Mg2+ 53

½Ca2+ 60

Sr2+ 59

½Ba2+ 64

½Zn2+ 53

½Cu2+ 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T2%/°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

=淋洗液色谱峰的电导率数值=淋洗液＋样品测量值

=样品

减去淋洗液检测器

–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

测量样品离子和淋洗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，反荷离子通常也是淋洗液的反荷离子。39化学抑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

淋洗液泵进样阀分离柱检测器抑制器抑制与非抑制43(样品=NaCl–淋洗液

=HNO3)非抑制抑制(样品=NaCl–淋洗液

=HNO3)–阳离子

–抑制与非抑制抑制与非抑制–阳离子

–45(样品=NaCl–淋洗液

=邻苯二甲酸)非抑制带抑制(样品

=NaCl–淋洗液

=Na2CO3)–阴离子

–抑制与非抑制46抑制与非抑制–阴离子抑制

–11_khv\ppt\ic_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

成本低

淋洗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个数量级)

高灵敏度的阳离子

成本高

淋洗液必须抑制后生成H2O或低电离物质

抑制与非抑制R-SO3–H++Na++HCO3– R-SO3–Na++H2O+CO2

R-SO3–H++Na++Cl– R-SO3–Na++H++Cl–

阴离子抑制

淋洗液－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：100

%丙酮)

允许含强酸的再生

反相压力可达

2

MPa，不影响分析

不因压力受损

使用寿命长

价格实惠抑制与非抑制再生－20mm0l/LH2SO4：

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50150100150150500500(ug/L)RSD0.660.701.920.780.840.970.78(n=18)抑制与非抑制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测量原理电化学安培检测器IIIIIIIVVVIVIIVIIIIIIIIIIVVVIVIIVIIIHHeLiBeBCNOFNeNaMgAlSiPSClArKCaScTiVCrMnFeCoNiCuZnGaGeAsSeBrKrRbSrYZrNbMoTcRuRhPdAgCdInSnSbTeIXeCsBaLaHfTaWReOsIrPtAuHgTlPbBiPoAtRnFrRaAcKuDC和

PAD电化学安培检测器Detection791电化学检测器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

–酚类电化学安培检测器871Bioscan脉冲安培检测器

三种模式:DC/PAD/ScanAu/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ICNet软件==>不仅是电化学检测器==>最佳的色谱工具电化学安培检测器测量原理UV/VIS检测器测量信号是吸光度

A吸光度Ais正比于分析物浓度

根据Beer’s定律UV:190–400nm,VIS:400–900nm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分类直接UV/VIS检测,e.g.NO2,I,SCN

间接UV/VIS检测,e.g.Cl,SO4柱前衍生后UV/VIS检测,e.g.EDTA,NTA柱后衍生

(pcr)后UV/VIS检测,e.g.BrO3,CrO3,过渡金属离子UV/VIS检测UV/VISIIIIIIIVVVIVIIVIIIIIIIIIIVVVIVIIVIIIHHeLiBeBCNOFNeNaMgAlSiPSClArKCaScTiVCrMnFeCoNiCuZnGaGeAsSeBrKrRbS