離子色譜法(IC)

1、離子色譜法（IC）一、 離子色譜（IC）基本原理離子色譜是高效液相色譜（HPLC）的一種，其分離原理也是通過(guò)流動(dòng)相和固定相之間的相互作用，使流動(dòng)相中的不同組分在兩相中重新分配，使各組分在分離柱中的滯留時(shí)間有所區(qū)別，從而達(dá)到分離的目的。二、 離子色譜儀的結(jié)構(gòu)離子色譜儀一般由四部分組成，即輸送系統(tǒng)、分離系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)、和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。輸送系統(tǒng)由淋洗液槽、輸液泵、進(jìn)樣閥等組成；分離系統(tǒng)主要是指色譜柱；檢測(cè)系統(tǒng)（如果是電導(dǎo)檢測(cè)器）由抑制柱和電導(dǎo)檢測(cè)器組成。離子色譜的檢測(cè)器主要有兩種：一種是電化學(xué)檢測(cè)器，一種是光化學(xué)檢測(cè)器。電化學(xué)檢測(cè)器包括電導(dǎo)、直流安培、脈沖安培、和積分安培；光化學(xué)檢測(cè)器包括紫外可見(jiàn)和

2、熒光。電導(dǎo)檢測(cè)器是IC的主要檢測(cè)器，主要分為抑制型和非抑制型（也稱為單柱型）兩種。抑制器能夠顯著提高電導(dǎo)檢測(cè)器的靈敏度和選擇性，其發(fā)展經(jīng)歷了四個(gè)階段，從最早的樹(shù)脂填充的抑制器到纖維膜抑制器，平板微膜抑制器和先進(jìn)的只加水的高抑制容量的電解和微膜結(jié)合的自動(dòng)連續(xù)工作的抑制器。三、 離子色譜基本理論離子色譜主要有三種分離方式：離子交換離子排斥和反相離子對(duì)。這三種分離方式的柱填料樹(shù)脂骨架基本上都是苯乙烯/二乙烯苯的共聚物，但是樹(shù)脂的離子交換容量各不相同，以下就主要介紹離子交換色譜的分離機(jī)理。在離子色譜中應(yīng)用最廣的柱填料是由苯乙烯-二乙烯基苯共聚物制得的離子交換樹(shù)脂。這類樹(shù)脂的基球是用一定比例的苯乙烯和二

3、乙烯基苯在過(guò)氧化苯酰等引發(fā)劑存在下，通過(guò)懸浮物聚合制成共聚物小珠粒。其中二乙烯基苯是交聯(lián)劑，使共聚物稱為體型高分子。典型的離子交換劑由三個(gè)重要部分組成：不溶性的基質(zhì)，它可以是有機(jī)的，也可以是無(wú)機(jī)的；固定的離子部位，它或者附著在基質(zhì)上，或者就是基質(zhì)的整體部分；與這些固定部位相結(jié)合的等量的帶相反電荷離子。附著上去的集團(tuán)常被稱作官能團(tuán)。結(jié)合上去的離子被稱作對(duì)離子，當(dāng)對(duì)離子與溶液中含有相同電荷的離子接觸時(shí)，能夠發(fā)生交換。正是后者這一性質(zhì)，才給這些材料起了“離子交換劑”這個(gè)名字。離子交換法的分離基理是離子交換，用于親水性陰、陽(yáng)離子的分離。陽(yáng)離子分離柱使用薄殼型樹(shù)脂，樹(shù)脂基核為苯乙烯/二乙烯基苯的共聚物，

4、核的表面是磺化層，磺酸基以共價(jià)鍵與樹(shù)脂基核共聚物相連；陰離子分離柱使用的填料也是苯乙烯/二乙烯基苯的共聚物，核外是磺化層，它提供了一個(gè)與外界陰離子交換層以離子離子鍵結(jié)合的表面，磺化層外是流動(dòng)均勻的單層季銨化陰離子膠乳微粒，這些膠乳微粒提供了樹(shù)脂分離陰離子的能力，其分離基理基于流動(dòng)相和固定相（樹(shù)脂）陽(yáng)離子位置之間的離子交換。淋洗液中陰離子和樣品中的陰離子爭(zhēng)奪樹(shù)脂上的交換位置，淋洗液中含有一定量的與樹(shù)脂的離子電荷相反的平衡離子。在標(biāo)準(zhǔn)的陰離子色譜中，這種平衡離子是CO32-和HCO3-；在標(biāo)準(zhǔn)的陰離子色譜中，這種平衡離子是H+。離子交換進(jìn)行的過(guò)程中，由于流動(dòng)相可以連續(xù)地提供與固定相表面電荷相反的平

5、衡離子，這種平衡離子與樹(shù)脂以離子對(duì)的形式處于平衡狀態(tài)，保持體系的離子電荷平衡。隨著樣品離子與連續(xù)離子（即淋洗離子）的交換，當(dāng)樣品離子與樹(shù)脂上的離子成對(duì)時(shí)，樣品離子由于庫(kù)侖力的作用會(huì)有一個(gè)短暫的停留。不同的樣品離子與樹(shù)脂固定相電荷之間的庫(kù)侖力（即親和力）不同，因此，樣品離子在分離柱中從上向下移動(dòng)的速度也不同。樣品陰離子A-與樹(shù)脂的離子交換平衡可以用下式表示：陰離子交換 A- （淋洗離子）NR4-R A-+NR4-R （淋洗離子）對(duì)于樣品中的陽(yáng)離子，樹(shù)脂交換平衡如下（H+為淋洗離子）：陽(yáng)離子交換 C+ H+O3S-R C+O3S-R H+在陰離子交換平衡中，如果淋洗離子是HCO3-，可以用下式表示

6、陰離子交換平衡：K是選擇性系數(shù)。K值越大，說(shuō)明樣品離子的保留時(shí)間越常。選擇性系數(shù)是電荷、離子半徑、系統(tǒng)淋洗液種類和樹(shù)脂種類的函數(shù)。離子半徑樣品離子的價(jià)數(shù)越高，對(duì)離子交換樹(shù)脂的親和力越大。因此，在一般的情況下，保留時(shí)間隨離子電荷數(shù)的增加而增加。也就是說(shuō)，淋洗三價(jià)離子需要采用高離子強(qiáng)度的淋洗液，二價(jià)離子可以用較低濃度的淋洗液，而低于一價(jià)離子，所需淋洗液濃度更低。離子半徑電荷數(shù)相同的離子，離子半徑越大，對(duì)離子交換樹(shù)脂的親和力越大，即隨著離子半徑的增加，保留時(shí)間延長(zhǎng)。例如：鹵素離子的洗脫順序依次是F-、Cl-、Br-、I-；堿金屬離子的洗脫順序是：Li+、Na+、K+、Rb+、Cs+。淋洗液的pH值淋

7、洗液的pH值影響多價(jià)離子的分配平衡，例如：隨著淋洗液pH值的增加，PO43-從一價(jià)變?yōu)槎r(jià)或三價(jià)。因此，pH值較低時(shí)，它在NO3-之后，SO42-之前洗脫，pH>11時(shí)，在SO42-之后洗脫。樹(shù)脂的種類 離子交換樹(shù)脂的粒度、交聯(lián)度、功能基性質(zhì)及親水性等因素對(duì)分離的選擇性也起很大作用。四、 檢測(cè)器電導(dǎo)檢測(cè)器是離子色譜中使用最廣泛的檢測(cè)器。其作用原理是，用兩個(gè)相對(duì)電極測(cè)量溶液中離子型溶質(zhì)的電導(dǎo)，由電導(dǎo)的變化測(cè)定淋洗液中溶質(zhì)的濃度。電導(dǎo)檢測(cè)器的電導(dǎo)池結(jié)構(gòu)如圖所示。電導(dǎo)池體一般采用材質(zhì)較硬的工程塑料如PEEK等，電極通常為316不銹鋼并固定在電導(dǎo)池內(nèi)。另外，電導(dǎo)池上通常有一個(gè)溫度傳感器，用于探測(cè)

8、液體流出電導(dǎo)池時(shí)的溫度和補(bǔ)償由于溫度改變而導(dǎo)致的電導(dǎo)變化。改變兩電極之間的距離可以調(diào)整池的常數(shù)，對(duì)檢測(cè)的靈敏度有很大的影響。通常電極間的距離越小，死體積越小，靈敏度越高。目前先進(jìn)的商品電導(dǎo)池的池體積為0.51ul左右。測(cè)量電導(dǎo)過(guò)程中的物理化學(xué)原理如圖： 當(dāng)電場(chǎng)施加于兩電極時(shí)，溶液中陰離子趨向陽(yáng)極，陽(yáng)離子趨向陰極。溶液中離子數(shù)目和遷移速度的大小決定溶液的電導(dǎo)值。離子的相對(duì)遷移率，由其極限當(dāng)量電導(dǎo)值決定。離子在電場(chǎng)作用下的運(yùn)動(dòng)速度，除受離子電荷和離子的大小等因素影響外，還與溫度、介質(zhì)的性質(zhì)及施加電壓的大小有關(guān)。兩電極之間可以施加直流電壓，但通常是施加正旋波或方波型交流電壓。當(dāng)施加的有效電壓確定后，

9、測(cè)量出電路中的電流值，即能測(cè)出電導(dǎo)值。然而，如上圖所示，由于電極表面附近形成的雙電層極化電容（或稱法拉第交流阻抗）的影響，會(huì)引起有效電壓的改變，因而電路施加于兩極的電壓不等于有效電壓。雙電層形成機(jī)理的解釋如下：當(dāng)電極兩端的電壓低于離子的分解電壓時(shí)，電極附近的溶液層將吸引反電荷的離子形成一雙電層，此雙電層由兩部分組成：（1）內(nèi)壁薄層，在此層內(nèi)離子濃度隨電極距離的增加而減少呈現(xiàn)線性關(guān)系；（2）擴(kuò)散層，在此層內(nèi)離子濃度隨電極距離的增加而減少呈指數(shù)關(guān)系。雙電層的存在，亦會(huì)產(chǎn)生電壓降，實(shí)際上施加電壓為有效電壓（由溶液電阻產(chǎn)生的電壓降）和雙電層電壓降的總和。 為了消除電極表面附近形成的雙電層極化電容對(duì)有效

10、電壓的影響，電導(dǎo)池的設(shè)計(jì)多采用雙極脈沖技術(shù)。該技術(shù)是通過(guò)在持續(xù)很短的時(shí)間內(nèi)（約100us），連續(xù)施加兩個(gè)脈沖高度和持續(xù)時(shí)間相同而極性相反的脈沖電壓于電導(dǎo)池上，并采用測(cè)量第二個(gè)脈沖終點(diǎn)時(shí)的電流，此點(diǎn)的電導(dǎo)池電流遵從歐姆定律，不受雙層極化電容的影響，可以準(zhǔn)確測(cè)量池電阻。將電解質(zhì)溶液置于施加電場(chǎng)的兩個(gè)電極間，則溶液將導(dǎo)電，此時(shí)溶液中的陰離子移向陽(yáng)極，陽(yáng)離子移向陰極。并遵從以下關(guān)系：式中，為電導(dǎo)率，是電阻率的倒數(shù)（1/R）；A為電極截面積；L是兩電極間的距離；Ci是離子濃度，以mol/l為單位；i為離子的極限摩爾電導(dǎo)（指溶液無(wú)限稀釋后離子的電導(dǎo)）。 在測(cè)量中，對(duì)一給定電導(dǎo)池電極截面積A和兩極間的距離L

11、是固定的，L/A稱為電導(dǎo)池常數(shù)K，則電導(dǎo)值等于：當(dāng)知道io后，就可以計(jì)算溶液中所含離子的電導(dǎo)值。例如：25時(shí)，NaCl的當(dāng)量電導(dǎo)值是Na+和Cl-的當(dāng)量電導(dǎo)值（50.1，76.4）之和（126.5），因此，0.1mMNaCl溶液的電導(dǎo)值0.1×126.512.65us/cm。由此可知0.1mM NaCl和0.1mM Na2SO4溶液的電導(dǎo)值如下：離子數(shù) 電荷數(shù) 濃度 io us/cm3 × 1 × 0.1 × 50.1 15.0 （Na+）1 × 1 × 0.1 × 76.4 7.6 （Cl-）1 × 2 

12、5; 0.1 × 80.0 16.0 （SO42-） 我們僅討論稀釋溶液。因?yàn)殡S著溶液濃度的增加，電導(dǎo)和濃度之間的比例關(guān)系將消失。不過(guò)在離子色譜正常的分析濃度范圍內(nèi)（<1mM），電導(dǎo)與濃度仍成正比關(guān)系。例如：25時(shí)，KCl的當(dāng)量電導(dǎo)為149.9，在濃度為1mM時(shí)為146.9，僅減少2%。然而淋洗液樣品的電導(dǎo)不被假定與濃度成比例，因?yàn)榱鲃?dòng)相的離子成分被包含在淋洗體積當(dāng)中。如果電解液是部分電離的弱酸和弱堿，那么Ci將被已電離部分的濃度所取代，pK和pH將被用來(lái)計(jì)算電離程度。影響電導(dǎo)測(cè)定的幾個(gè)因素：1、 濃度溶液的電導(dǎo)與溶液中溶質(zhì)的濃度呈線性關(guān)系。同時(shí)這種線性關(guān)系也受溶液中離子的離解

13、度、離子的遷移率和溶液中離子對(duì)的形成等因素的影響。 對(duì)弱電解質(zhì)溶液，影響檢測(cè)器線性的主要因素是解離度或離子化程度。解離度代表了總?cè)苜|(zhì)中能夠傳遞電流的部分，它由溶質(zhì)的濃度和溶劑的性質(zhì)所決定。弱電解質(zhì)在溶液中不能完全電離，因此總有某些分子以非離子化的形式存在著。非離子化的分子是不能傳遞電流的，因此，測(cè)量的離子濃度會(huì)小于溶液中該組分的總濃度。對(duì)大多數(shù)離子來(lái)說(shuō)，若線性范圍能夠達(dá)到mg/l或ug/l級(jí)，離解基本上被認(rèn)為是完全的。對(duì)強(qiáng)電解質(zhì)來(lái)說(shuō)，溶液中它們是完全離解的，影響檢測(cè)器線性的主要因素是離子的淌度（遷移率）。離子淌度的定義是：在一個(gè)電場(chǎng)中，電位改變1V/cm時(shí)離子的遷移速度。影響離子遷移的因素是每

14、一離子周圍形成的溶劑化電荷球?qū)﹄x子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的阻滯力。在溶液中，離子被帶相反電荷的溶劑化電荷球所包圍著。在外加電位的影響下，離子和它的溶劑化電荷球向相反的方向移動(dòng)，減少了離子的遷移速度。離子本身性質(zhì)的不同對(duì)其遷移率的影響也很大。具有較大水合半徑的離子，其活性較差，電導(dǎo)值較低；而具有較小水合半徑的離子其活性大，淌度較高，因此其電導(dǎo)值較高。2、 溫度對(duì)電導(dǎo)的影響離子的流動(dòng)性和電導(dǎo)受溫度的影響很大。溫度每升高1時(shí)，水溶液的電導(dǎo)將增加2%。因此，流動(dòng)相的溫度應(yīng)該盡可能的保持穩(wěn)定。另外，可以將所測(cè)量的電導(dǎo)值修正至25時(shí)的測(cè)量值?，F(xiàn)在的電導(dǎo)檢測(cè)器都設(shè)計(jì)有能消除溫度影響的功能。例如Dionex公司的電導(dǎo)檢測(cè)器

15、中，其電導(dǎo)池中設(shè)計(jì)有能對(duì)電導(dǎo)池流出液體的溫度進(jìn)行連續(xù)自動(dòng)測(cè)量的熱敏元件，通過(guò)在檢測(cè)器中設(shè)定一個(gè)以25時(shí)為基準(zhǔn)的溫度補(bǔ)償系數(shù)進(jìn)行歸一化處理，來(lái)消除溫度變化對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。 電導(dǎo)檢測(cè)器的常見(jiàn)故障以及處理方法1、電導(dǎo)池的清洗 電導(dǎo)檢測(cè)器常見(jiàn)的故障是檢測(cè)池被污染。污染物主要來(lái)源于沒(méi)有經(jīng)過(guò)前處理的樣品，如濃度過(guò)高、復(fù)雜的樣品基體等。檢測(cè)池被污染后可使檢測(cè)器的基線噪音變大，靈敏度下降。當(dāng)確認(rèn)是檢測(cè)池受到污染時(shí)，可以采用下列方法清洗，使其恢復(fù)原來(lái)的性能。具體步驟如下：（1）配置少許3mol/lHNO3溶液；（2）在電導(dǎo)池的入口處連接一個(gè)可接駁注射器的接頭；（3）用一個(gè)10ml的注射器向電導(dǎo)池內(nèi)推注約20m

16、l 3mol/lHNO3溶液；（4）用去離子水沖洗電導(dǎo)池至pH值達(dá)中性。 注意：清洗時(shí)應(yīng)當(dāng)將電導(dǎo)池的出口處直接連接至廢液，嚴(yán)禁強(qiáng)酸進(jìn)入抑制器。2、 電導(dǎo)池的校正電導(dǎo)池清洗后一般需重新校正。在正常使用的情況下，電導(dǎo)池應(yīng)每年校正一次。校正的方法如下：（1）將分析泵的出口管路直接連接到電導(dǎo)池的路口。（2）以8.0ml/min的流速泵入0.001mol/l KCl校正溶液，2min后將流速降至分析時(shí)的正常流速。最大不要超過(guò)2ml/min。（3）此時(shí)電導(dǎo)值顯示因?yàn)?47us，如果不是，調(diào)節(jié)檢測(cè)器上的校正螺絲至147us。（4）用去離子水以8ml/min的流速?zèng)_洗電導(dǎo)池2min，停泵，將系統(tǒng)管路恢復(fù)至正常

17、狀態(tài)。五、 抑制器的工作原理電導(dǎo)檢測(cè)器是離子色譜最通用的檢測(cè)器，但本身存在著一個(gè)問(wèn)題，即對(duì)淋洗液有很高的檢測(cè)信號(hào)，這就使它難以識(shí)別淋洗時(shí)樣品離子所產(chǎn)生的信號(hào)。為了降低淋洗液的背景電導(dǎo)，就需要用到抑制器，抑制器就是在這種情況產(chǎn)生及發(fā)展起來(lái)的。圖.抑制柱反應(yīng)的效果圖抑制器主要起兩個(gè)作用，一是降低淋洗液的背景電導(dǎo)，二是增加被測(cè)離子的電導(dǎo)值，改善信噪比。下圖說(shuō)明了離子色譜中化學(xué)抑制器的作用：圖中的樣品為陰離子的混合液，淋洗液為NaOH。若樣品經(jīng)分離柱直接進(jìn)入檢測(cè)器，則得到右圖上部的色譜圖。圖中非常高的背景電導(dǎo)來(lái)自于淋洗液NaOH，被測(cè)離子的峰很小，即信噪比不好。而當(dāng)洗脫液通過(guò)抑制器之后再進(jìn)入檢測(cè)器，則

18、達(dá)到右下部的色譜圖。在抑制器中，OH-和H+結(jié)合成水，樣品離子在很低的電導(dǎo)下進(jìn)入電導(dǎo)池，這樣淋洗液的背景電導(dǎo)就變成水的電導(dǎo)，從而降低了背景電導(dǎo)，改善了信噪比。電化學(xué)抑制（陽(yáng)離子交換） 為了提高離子交換的速度，提高抑制容量和縮短平橫時(shí)間，現(xiàn)在的抑制器為電化學(xué)抑制柱，采用電場(chǎng)力為離子遷移的動(dòng)力，采用電解水的方法來(lái)提供再生液。下圖為陰離子抑制器使用NaOH為流動(dòng)相時(shí)的抑制機(jī)理圖：所分析的離子與Na+結(jié)成離子對(duì)，從分離柱洗脫，兩層離子交換膜底部都有電極，其極性與流動(dòng)相相反，水被電解成OH-和H+后，H+穿過(guò)離子交換膜，與流動(dòng)相中的OH-中和成水；同時(shí)Na+穿過(guò)另一離子交換膜，與陽(yáng)極提供的OH-結(jié)成離子

19、對(duì)。因此，流動(dòng)相中的NaOH將穿過(guò)離子交換膜，而不會(huì)到達(dá)檢測(cè)器。因此，流動(dòng)相的背景電導(dǎo)幾乎為零（大大低于抑制以前），并且所分析的離子與H+結(jié)成離子對(duì)后，其電導(dǎo)比Na離子高7倍，所以其相應(yīng)值提高。這種抑制作用也可以通過(guò)在離子交換膜的另一側(cè)加入稀H2SO4（再生液）而達(dá)到。 對(duì)于陽(yáng)離子檢測(cè)而言，其抑制器中是陰離子交換膜，允許陰離子只有穿行。流動(dòng)相中經(jīng)常使用甲烷磺酸，在抑制器中，甲烷磺酸離子對(duì)被電解水產(chǎn)生的OH-所取代，它可以中和酸性流動(dòng)相，以便為分析離子提供低的背景電導(dǎo)。六、 離子色譜的定性與定量分析（一）定性分析 離子色譜的定性是將檢測(cè)器輸出的信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大，用記錄議或積分儀以峰的形式記錄出來(lái)。

20、確定色譜峰所代表的離子對(duì)組分時(shí)，要根據(jù)其保留時(shí)間進(jìn)行判斷。這種定性方法必須依靠與自己已知成分和濃度的標(biāo)準(zhǔn)物對(duì)照，如果標(biāo)準(zhǔn)與樣品顯示出相同的保留行為，說(shuō)明樣品組分與標(biāo)準(zhǔn)相同。（二）定量分析 在一定條件下，色譜峰高或峰面積與離子濃度成正比，這是離子色譜分析的定量依據(jù)。測(cè)量峰高或峰面積主要有以下四種方法：1、 峰高法測(cè)量從峰的頂點(diǎn)到基線之間的垂直距離就是峰高法。其理想條件是：洗脫條件一致，色譜峰形尖銳呈正態(tài)分布，重現(xiàn)性好，基線穩(wěn)定，線性范圍寬，樣品數(shù)不宜過(guò)多等。峰高法的測(cè)量精密度通常為12%。2、 峰面積3、 近似三角形4、 電子學(xué)方法測(cè)量峰面積面積積分（三）定量方法1、標(biāo)準(zhǔn)曲線法 如同HPLC一樣

21、，離子色譜首先用標(biāo)準(zhǔn)溶液制成高于儀器檢測(cè)限的標(biāo)準(zhǔn)系列。在給定的色譜條件下，依次做出標(biāo)準(zhǔn)系列的響應(yīng)值，并以橫坐標(biāo)為濃度、縱坐標(biāo)為響應(yīng)值在坐標(biāo)紙上做出標(biāo)準(zhǔn)曲線。在正常情況下，標(biāo)準(zhǔn)曲線的線性范圍內(nèi)，可找出對(duì)應(yīng)的含量。在大量的例行分析中，可用單點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)法求得到未知溶液的含量：2、標(biāo)準(zhǔn)加入法標(biāo)準(zhǔn)加入法用于存在基體干擾的樣品測(cè)定。該方法是在至少三份具有相同體積的試樣中，分別加入不同量的待測(cè)元素的標(biāo)準(zhǔn)溶液（其中有一份不加標(biāo)準(zhǔn)溶液），稀釋到相同的體積后進(jìn)樣，分別測(cè)量其峰或峰面積。如圖所示，以橫坐標(biāo)為濃度、縱坐標(biāo)為響應(yīng)值做出一條直線，直線向左延長(zhǎng)至與橫坐標(biāo)相交，交點(diǎn)與坐標(biāo)原點(diǎn)的距離即為試樣中離子的濃度。響應(yīng)值試樣樣品濃度濃度0試樣標(biāo)樣1試樣標(biāo)樣2試樣標(biāo)樣3七、 色譜參數(shù)（條件）的優(yōu)化（一）改善分離度1、稀釋樣品 對(duì)組成復(fù)雜的樣品，若待測(cè)離子對(duì)樹(shù)脂親和力相差頗大，就要作幾次進(jìn)樣，并用不同濃度或強(qiáng)度的淋洗液或梯度淋洗。若待測(cè)離子之間的濃度相差較大，而且對(duì)固定相親和力差異較大的離子，增加分