离子色谱讲座PR

高效离子色谱

原理及其应用

（上）

青岛普仁仪器公司

青岛大学IC实验室

余季金

目录

1离子色谱概述

2离子色谱-柱分离的基本原理

1离子色谱概述

1.1色谱的由来俄国植物学家Tswett（茨维特）：1903年提出色谱（Chromatogrphy）。实验：玻璃管-碳酸钙-植物绿叶的石油醚萃取液-色素被吸附-纯净的石油醚洗脱-管内圈状的色带-色谱。新型固定相发展，和气体、液体以及超临界流体作为可动相的使用，色谱逐渐成为最为有效的分离分析手段。离子色谱是色谱技术的一个分支。

1.2离子色谱的定义和发展离子色谱〔IC〕是高效液相色谱的一种。是以分析离子为主的一种液相色谱方法。现代IC的开始源于H.Small及其合作者的工作，他们于1975年发表了第一篇IC论文，采用第二根柱-抑制柱来提高分析的灵敏度，同年商品化仪器问世。1979年Fritz等人提出了另一种分离分析无机阴离子的方法，不采用抑制柱，即非抑制型离子色谱。早期的离子色谱主要用于阴离子分析，现在在无机和有机阴、阳离子及高极化分子分析起到了重要的作用。例如：离子色谱在对元素不同价态的分析及在线浓缩富集和基体消除方面有其优势。在强碱性介质中，单糖和低聚糖以阴离子方式存在，用安培检测器，直接进样检测浓度可达pmol/L。离子色谱可用于氨基酸分析，无须衍生，用安培检测器，检测浓度可达pmol/L。采用多维分离柱（离子交换、离子对、反相分离机理），可同时分离离子型和非离子型化合物。淋洗液在线发生器-只加水模式（KOH型,etc）国产在线离子色谱分析Pb

离子等（Puren）1.3离子色谱的优点

快速、方便：

对常规的7种阴离子(F-、

Cl-

、Br-

、NO2-

、NO3-

、SO42-、

PO43-)，6种常见的阳离子(Li+、Na+、NH4+、K+、Mg2+、Ca2+)分析时间小于10min。

灵敏度高：

分析浓度为ug/L～mg/L，最低可达10-12g/L。

选择性好，且可同时分析多种离子化合物。

分离柱的稳定性好，容量高：

苯乙烯/二乙烯苯填料高PH及有机溶剂稳定

1.4青岛离子色谱技术发展

青岛普仁仪器公司是中国离子色谱后起之秀，其主要技术负责人对离子色谱仪的研制己有20年的历史。

继PIC-8,PIC-9之后,普仁隆重推出PIC-10型PHIC。顾客可从中继续感受到PIC系列优异的性能/价格比和良好的售后服务。

普仁PIC-8型离子色谱仪主机

PIC-8离子色谱仪套机

PIC-9离子色谱仪主机

PIC-10套机

PIC系列的主要性能特点高压泵(机械控制或电子控制两种机型)多种色谱柱选择（无机阴离子柱和阳离子柱等〕高效的阴离子电化学自再生抑制器准确温度控制系统电化学检测器(电导、伏安检测器等)HWIC-WorkStation色谱工作站可分析各种无机、有机阴阳离子及糖等有机极性分析。

2离子色谱-柱分离的基本原理

2.1离子色谱的柱填料及类型

一些天然化合物如沸石和微晶高岭土，可以无机离子交换剂。HPLC中在硅胶表面键合离子交换剂（SAX，SCX型），其特点是耐压。但PH范围窄，2-8。HPIC中采用苯乙烯-二乙烯苯共聚的离子交换树脂。其特点是交换迅速，在宽PH范围内稳定，有较好的机械强度，但柱效比硅胶柱低。薄壳型阴交离子换树脂的结构5µmSO-3SO-3SO-3SO-3SO-3SO-3SO-30.1mmDiameterLatexCoreIonExchangeSurfaceR3N+R3N+N+R3N+R3N+R3R3N+R3N+N+R3N+R3R3N+R3N+N+R3N+R3R3N+R3N+N+R3N+R3

ＣＯＯ－ＣＯＯ－ＣＯＯ－ＣＯＯ－ＣＯＯ－ＣＯＯ－ＣＯＯ－ＣＯＯ－ＣＯＯ－ＨＰＯ３－ＨＰＯ３－ＨＰＯ３－ＨＰＯ３－ＨＰＯ３－ＨＰＯ３－ＨＰＯ３－阳离子交换树脂(接枝型)离子色谱的柱类型阴离子交换柱阳离子交换柱离子排斥柱多维色谱柱糖柱氨基酸柱、DNA柱、蛋白柱Column柱Separ.Mode

分离模式Analytes

分析物进口---系列常规阴柱

AnionexchangeSolventcompatible

Fastanalysisofinorganicanionsincludingfluoride,acetate,chloride,nitrite,bromide,nitrate,phosphate,andsulfate.Excellentresolutionoffluoride,acetate,glycolateandformate.国产NJ,YIC系列阴柱

AnionexchangeSolventcompatibleGeneralpurposeinorganicanionseparations;fluoride,chloride,nitrite,phosphate,bromide,nitrate,sulfate;mono-anddivalentorganicacidswithborategradient.IonPacAS5与性能同类

Anionexchange

Oxyanions,EDTAcomplexes,iodide,hiocyanate,thiosulfate.IonPacAS7与性能同类

Anionexchange

Hexavalentchromium;iodide,sulfideandcyanide;polyvalentcomplexingagentssuchaspolyphosphates,EDTA,NTA;arsenicspeciation.IonPacAS9-SC性能与同类

AnionexchangeSolventcompatibleCommoninorganicanionsincludingoxyhalides;fluoride,chlorite,bromate,chloride,nitrite,phosphate,bromide,chlorate,nitrate,sulfate.IonPacAS9-HC与性能同类AnionexchangeSol。compatHighcapacity.Trace-leveloxyhalidesandcommoninorganicanionsincludingfluoride,chlorite,bromate,chloride,nitrite,phosphate,bromide,chlorate,nitrate,sulfate.ColumnSeparationModeAnalytesIonPacAS12A与性能同类

AnionexchangeSolventcompatible

Idealforfluoride;generalpurposeseparationofcommoninorganicanions,includingoxyhalides;fluoride,chlorite,bromate,chloride,nitrite,phosphate,romide,chlorate,nitrate,sulfate;mono-anddivalentorganicacidswithborategradient.IonPacAS10与性能同类

AnionexchangeSolventcompatible

Highcapacity.Trace-levelanionsinhighionicstrengthmatrices;fluoride,acetate,formate,selenite,chloride,nitrite,phosphate,bromide,nitrate,sulfate,oxalate,selenate,andarsenate.IonPacAS11与性能同类AnionexchangeSolventcompatibleMono-,di-,andtrivalentaliphaticacidsandinorganicanionswithhydroxidegradient,Kreb’sCycleacids;highlychargedanionssuchaspolyphosphates,polysulfates,andpolycarbonates;hydrophobicionssuchasiodide,thiocyanate,thiosulfate,andperchlorate;nucleotides.IonPacAS11-HC与性能同类AnionexchangeSolventcompatible

Highcapacity.Mono-,di-,andtrivalentaliphaticacidsandinorganicanionswithhydroxidegradient.Idealfortracecomponentsinconcentratedsampleswithoutoverloading.Profilingorganicacidsinuncharacterizedsamples.IonPacAS15与性能同类

AnionexchangeSolventcompatible

Highcapacity.Fortracelevelinorganicanionsandlowmolecularweightorganicacidsinhighpuritywaterincludingfluoride,glycolate,acetate,formate,chloride,bromide,nitrate,andphosphate.Idealforlargeloopinjectionorsampleconcentration.ColumnSeparationModeAnalytes进口阳柱IonPacCS5A等Cation&anionexchangeTransitionandlanthanidemetals.国产阳柱

CationexchangeMono-anddivalentinorganiccations:K+,Na+,NH4+,Ca2+&Na+,etcIonPacCS11等CationexchangeSolventcompatibleMono-anddivalentinorganiccationsandamines;morpholine;manganese;usesHCl/DAPeluent.IonPacCS12A等

CationexchangeSolventcompatibleGeneralpurposeinorganiccationseparations,alkylamines,alkanolamines;usessulfuricacid,methanesulfonicacidorhydrochloricacideluent.IonPacCS14等

CationexchangeSolventcompatibleAlkylamines,aromaticamines,polyamines,quaternaryammoniumions;usesmethanesulfonicacidorhydrochloricacideluent.IonPacCS15等

CationexchangeSolventcompatibleTraceammoniuminenvironmentalsamples;tracesodiumincoolingwaters;ethanolamineandotheraminesinchemicalsandcoolingwaters.

2.2离子色谱的基本原理2.2.1简介离子色谱是高效液相色谱的一种模式，其定义同高效液相色谱。现代离子色谱(HPIC)与经典的离子交换色谱在进样方式，分离类型和检测系统上，有很大的进展。

HPIC以离子交换机理为主，以电导为主要检测器，主要检测对象早期为无机阴离子和阳离子，后应用到其它领域。抑制器的使用,提高了分析灵敏度（另有讲解）。离子交换可逆平衡（无机阴离子为例）在无机阴离子分析中,含碳酸根和碳酸氢根阴离子的流动相溶液通过阴离子交换柱,树脂上带正电荷的季铵功能基全部被碳酸根占领。当被分析的阴离子A-

等进入色谱柱,则在树脂功能基位置上发生淋洗剂阴离子与样品阴离子A-等的离子交换可逆平衡。如下式：

（接上）

反应式Resin-NR3+HCO3+A-

Resin-NR3+A-+HCO3-（接上）不同阴离子与季铵功能基之间的电荷吸引力不同,个体即具有不同的保留时间的特性，总体上表现了不同种离子的不同分离程度，因此不同阴离子的色谱峰能相互分开，藉此可进行定性分析。各种离子的浓度不同，形成的峰高（或峰面积）不同，且与各自的浓度成正比，藉此可进行定量分析。

（接上）

阳离子交换树酯上的功能基为磺酸基。所用的淋洗液为酸性物质，如低浓度硫酸溶液等。其分离作用机理，可予类推。（接上）固定相基团对被分析的离子的吸引，有一定的选择性。不同的选择性，有利于被分析物的分离。分离过程是个动态过程。在此过程中，离子处于被吸着和顶替出的双重变化状态。从总体上看，它们在固定相上的浓度和在流动相里的浓度存在着一定的比例，即分配系数。

（接上）每根分离柱里所装的树酯颗粒数是巨大的。从横断面的概念来看，一根柱子里的树酯柱体，是由数量众多的薄层有序的堆积而成。每层象一块板，通常称踏板。在一定柱长时，每个板厚度越薄，所含的踏板数就越多。柱子对被分析物的分离度就越高，即柱效也就越高。色谱发展史上百年的经验积累，上升为理论，并形成为系统的可指导实践的计算公式。2.2.2涉及基本理论的公式

（1）分配系数：物质的分配系数：物质在固定相中的浓度：物质在流动相中的浓度

（2）保留时间

：保留时间：死时间：溶质保留时间（3）容量因子：色谱柱的容量因子：总保留体积

：空保留体积（4）峰高峰高横坐标的某一位置峰高极值标准偏差（5）分离度

分离度R为两峰保留时间差与两峰峰底宽平均值之商。R=2时，两峰完全达到基线分离。若两组份浓度相差不大，R=0.5，即可看出峰顶分开。为半峰距。（6）选择性系数被定义为两色谱峰真实保留时间之比。（7）理论塔板数：理论塔板数：保留时间：峰底宽（8）有效塔板数：有效塔板数：真实保留时间（9）有效理论塔板高度：有效理论塔板高度：色谱柱长（10）柱分离度：柱分离度：柱效：选择性系数：容量因子（11）柱效为分离度为选择性系数，表示固定相对离子的选择能力为容量因子N

为柱效：峰总展宽：涡流扩散引起展宽：纵向扩散引起展宽：流动相传质阻力引起展宽：固定相中传质阻力引起引起展宽（12）速率理论

范第姆特理论塔板高度方程

（VanDeemterEquation）（13）塔板高度（VanDeemterEquation）简式（当其他色谱条件确定,只有流速是变量时成立。）第一项A与流速无关。第二项表示溶质分子纵向扩散引起的好谱带展宽。第三项表示流动相和固相中传质阻力引起的谱带展宽。快中等慢Temporalcourse淋洗液遵循上述理论的色谱分离示意图A.

高效离子交换色谱法（HPIC）：分离是基于发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及醇类的分离。离子色谱的分离方式ＳＯ４２－ＣＯ３２－ＣＯ３２－ＨＣＯ３－ＨＣＯ３－ＨＣＯ３－ＨＣＯ３－ＨＣＯ３－＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋ＳＯ４２－ＣＯ３２－ＳＯ４２－ＣＯ３２－ＣＯ３２－ＨＣＯ３－ＨＣＯ３－ＨＣＯ３－ＨＣＯ３－Ｃｌ－＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋Ｃｌ－ＨＣＯ３－ＣＯ３２－ＣＯ３２－ＣＯ３２－ＨＣＯ３－ＨＣＯ３－ＨＣＯ３－ＨＣＯ３－ＨＣＯ３－＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋ＣＯ３２－ＳＯ４２－ＨＣＯ３－Ｃｌ－ＳＯ４２－Ｃｌ－ＨＣＯ３－ＣＯ３２－ＣＯ３２－ＨＣＯ３－ＨＣＯ３－ＣＯ３２－ＣＯ３２－ＣＯ３２－ＨＣＯ３－ＨＣＯ３－ＨＣＯ３－ＨＣＯ３－Temporalcourse离子交换分离机理示意图ＣＯ３２－ＨＣＯ３－ＣＯ３２－ＨＣＯ３－ＣＯ３２－ＨＣＯ３－ＨＣＯ３－ＣＯ３２－ＨＣＯ３－ＣＯ３２－＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋ＨＣＯ３－ＳＯ４２－ＣＯ３２－ＣＯ３２－ＨＣＯ３－ＨＣＯ３－ＨＣＯ３－Ｃｌ－＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋Resin-NR3+HO3+A-≒Resin-NR3+A-+HCO3-离子排斥法分离机理ＳＯ３－

Ｈ＋ＣＯＯ－

Ｈ＋ＳＯ