離子色譜原理

一、離子色譜基本原理離子色譜理論色譜

–從物理化學(xué)的發(fā)展派生而來

–色譜原理

–從離子交換到離子對檢測器–從伏安檢測器到電導(dǎo)率檢測器

–帶抑制的離子色譜

–降低背景電導(dǎo)–抑制和非抑制–從膜抑制到填從柱抑制

–色譜–從簡單的顏色變化分離到專業(yè)的分析方法

–2色譜的發(fā)展

?色譜是某種顏色的混合物分離為不同顏色的成份。該方法用于分離化學(xué)性質(zhì)相似但又難于分離的化學(xué)物質(zhì)?

希臘語chromatography chroma

=

顏色

graphein=記錄3教學(xué)的簡單實(shí)驗(yàn):

準(zhǔn)備一張紙

滴加一小滴黑墨水

在墨水的中央滴加一滴水

觀察黑墨水的顏色變化色譜

–從教學(xué)角度

–11_khv\ppt\ic_theory_au.ppt4色譜

–從物理化學(xué)角度

–?色譜?一詞是指待分離的成份在固定相和流動相之間進(jìn)行物理化學(xué)分離過程。

氣體

流動相

液體

固定相

液體

GLC,LLC

固體

GSC,LSC

(HPLC-IC)

5色譜

–從極性角度

–

色譜方法基于固定相和流動相的極性分為：

一類–傳統(tǒng)的

TLC+HPLC1.

正相色譜

2.

反相色譜一類–離子色譜

4.

離子交換色譜

3.

離子對色譜

5.

離子排斥色譜

6色譜

–傳統(tǒng)方法

–一類–傳統(tǒng)的

TLC+HPLC1.正相色譜固定相

=極性

(例如：SiO2)–

流動相

=非極性

(例如：n-己烷)2.反相色譜固定相

=非極性

(例如：C18)–

流動相

=極性

(例如：乙腈或甲醇/水)7另一類–IC

4.離子交換色譜陽離子和陰離子與固定相形成弱離子鍵。C:固定相

=極性

(例如：R-SO3–)–流動相

=極性

(例如：HNO3

水溶液)或

A:固定相

=極性

(例如：R-NR3+)–流動相

=極性(例如：Na2CO3

水溶液)色譜

–離子色譜方法

–8另一類–IC

3.離子對色譜通過加入親脂性對離子，陽離子和陰離子與非離子分子反應(yīng)。分離生成的非極性分子在反相模式中得以分離。固定相

=非極性(例如：C18)–流動相

=極性

(例如：乙腈或甲醇/水)5.離子排斥色譜H+離子型固定相表面形成非極性Donan膜。只有非極性和非離解的分子可以進(jìn)入該膜。離解的離子受到固定相Donnan膜的排斥。依據(jù)分子的離解常數(shù)不同進(jìn)行分離。–流動相

=極性

(例如：Na2CO3

水溶液)色譜

–離子色譜方法

–9概括離子色譜是分離離子型成份的所有色譜方法的統(tǒng)稱。包括：

離子對色譜

(3),

離子交換色譜

(4)

和

離子排斥色譜

(5)。待測成份和流動相通常是極性和/或離子型的。離子交換色譜是離子色譜中最重要的分離方式。色譜

–離子色譜

–10色譜

–焦點(diǎn)–

HPLC和

IC

液相-固相-色譜

流動相

=液體

–固相

=固體自從20世紀(jì)60年代末，高壓或高效液相色譜(HPLC)的問世，液相色譜發(fā)展成為最綜合和最重要的現(xiàn)代分析儀器之一。

離子色譜是HPLC家族的分支。

11tM－死時(shí)間(deadtime）

不被固定相滯留的組分，從進(jìn)樣到出現(xiàn)峰最大值所需的時(shí)間tR.2－保留時(shí)間(rentiontime)

組分從進(jìn)樣到出現(xiàn)峰最大值所需時(shí)間tS.2－凈保留時(shí)間(netrentiontime)

減去死時(shí)間的保留時(shí)間

tS.2＝tR.2－tM色譜

–色譜圖–K`＝tS/tM－保留因子(retentionfactor)K`越小，越接近死時(shí)間洗脫，分離效果差；K`越大，分離越好，峰形展寬。K`＝2～5最佳。T＝B/A－不對稱因子(asymmetryfactor)10%峰高處前半峰的寬度B與同高度處后半峰寬度B的比值。色譜

–色譜圖–R＝tR/w

－分離度(resolution)

如果兩個(gè)峰的保留時(shí)間的差值大于其基線寬度或半峰寬度，表示分離效果好。

R=0.5，兩個(gè)組分仍可區(qū)分開。

R=1(相當(dāng)4分離)，可以定性分離。

R=1.2～1.5，定量最佳。

避免分離度

R2(相當(dāng)8分離)的情況，因?yàn)榉治鰰r(shí)間過長。

色譜

–色譜圖–色譜

–色譜圖–分離柱容量分離柱交換離子的能力。柱容量的測定：可通過氯離子完全占有離子交換位置的方法，測量分離柱的交換容量。先用去離子水沖洗，再用碳酸鹽洗脫液洗脫氯離子。然后用離子色譜法或銀量滴定法定量氯離子。從而推算出交換容量。色譜

–色譜圖–分離柱容量分離柱過載現(xiàn)象：

→隨后離子的保留時(shí)間變短，→主成份的峰平頭，→主成份峰拖尾，→理論塔板數(shù)變小，→面積/高度比變差(固定面積，峰高降低)和→峰的對稱性變差。

色譜

–色譜圖–分離柱容量分離柱過載色譜圖：

平頭峰(cut-offpeak)

鯊魚鰭峰(shark-fin-shapedpeak)

拖尾峰(tailingpeak)

伸舌峰(frontingpeak)色譜

–色譜圖–分離柱容量

實(shí)例：含非常高氯離子濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液大的氯峰干擾其隨后峰的評估。通過向樣品中加入相應(yīng)的陰離子，才可能正確地判斷各峰。

色譜圖(a)

放大(a)

色譜

–儀器結(jié)構(gòu)–色譜

–當(dāng)今最常用的分析手段

–20淋洗液泵進(jìn)樣閥分離柱抑制器檢測器色譜

–色譜過程

–21淋洗液泵進(jìn)樣閥分離柱檢測器色譜

–離子交換色譜

–就固定相而言

......陽離子需要陽離子交換基團(tuán)...陰離子需要陰離子交換基團(tuán)固定相結(jié)構(gòu):22苯乙烯二乙烯基苯苯乙烯-二乙烯基苯樹脂陽離子交換基團(tuán)陰離子交換基團(tuán)離子色譜

–離子交換色譜

–固定相由3部分組成:

?乳膠?物質(zhì)或樹脂載體

間隔基

承載離子交換的基團(tuán)23材料:

苯乙烯/二乙烯基苯

聚甲基丙烯酸酯

硅酸鹽/硅膠

羥乙基甲基丙烯酸酯

(HEMA)陰離子交換劑:

季胺功能團(tuán)

堿性胺基

羥基堿性季胺鹽

丙烯酸基堿性季胺鹽

交聯(lián)方式陽離子交換劑:

磺酸基

羧酸鹽間隔基:

烷基鏈離子色譜

–離子交換色譜

–流動相解吸和運(yùn)載樣品

...

...水相洗脫液:陰離子

(I)

鄰苯二甲酸

鄰羥基苯甲酸（水楊酸）

p-羥基苯甲酸

苯甲酸

硼酸鹽

硼酸鹽/乙酸鹽

氫氧化鉀...陰離子

(II)

碳酸鹽/碳酸氫鹽

氫氧化鉀

硼酸鹽陽離子

(I)

硝酸

酒石酸

酒石酸/吡啶二羧酸

酒石酸/檸檬酸

磷酸二氫鉀

草酸/乙二胺/丙酮...24離子色譜

–離子交換色譜

–固定相和流動相競爭待測組份

–陽離子分離機(jī)理

–25離子色譜

–離子交換色譜

–陽離子色譜實(shí)例

[淋洗液:2.0mmolHNO3–分離柱:MetrosepC4-50]26離子色譜

–離子交換色譜

–固定相和流動相競爭待測組份

–陰離子分離機(jī)理–27離子色譜

–離子交換色譜

–陰離子色譜

[淋洗液:Na2CO3/NaOH(5.0/0.3mmol/L)–分離柱:MetrosepASupp15150]28離子色譜

–離子交換色譜

–陽離子與固定相上堿性離子交換位置發(fā)生反應(yīng)。

依據(jù)鍵合強(qiáng)度(離子交換平衡常數(shù))，

陽離子在洗脫液中的質(zhì)子之前或之后洗脫出來。29陰離子與固定相上酸性離子交換位置發(fā)生反應(yīng)。

依據(jù)鍵合強(qiáng)度(離子交換平衡常數(shù))，陰離子在洗脫液中的碳酸鹽之前或之后洗脫出來。陽離子或陰離子的離子交換常數(shù)不同，其相應(yīng)的保留時(shí)間不同。從而使“化學(xué)質(zhì)相似”的成份得以分離。檢測器

–離子色譜檢測器

–30淋洗液泵進(jìn)樣閥分離柱檢測器檢測器

–離子色譜檢測器

–31

電導(dǎo)檢測器

電化學(xué)檢測器(選件)

UV/VIS檢測器

(選件)

聯(lián)用技術(shù)：IC-MS或IC-ICP-MS樣品中的組份在分離柱分離后，通過檢測器檢測和定量

...檢測器

–電導(dǎo)

–32電導(dǎo)檢測電導(dǎo)檢測就是測量電導(dǎo)率

–電導(dǎo)測量檢測器測量溶液中離子的電導(dǎo)率。測量雙鉑電極兩端間的電導(dǎo)。離子在該雙鉑電極兩端間遷移。陰離子向陽極遷移，陽離子向陰極遷移，從而測量溶液的電阻。電導(dǎo)為電阻的倒數(shù)。為了避免改變組份和電極表面形成雙電層，采用交流電。R=電阻

[]Kc=電導(dǎo)池常數(shù)

[1/cm]

=電導(dǎo)

[1/orS]檢測器

–電導(dǎo)

–33電導(dǎo)離子的電導(dǎo)與離子i的濃度c及其與濃度有關(guān)的當(dāng)量電導(dǎo)率i有關(guān)。當(dāng)量電導(dǎo)率

i

為單位濃度的電導(dǎo)。下表列舉的常數(shù)適用于濃度低于0.001mol/L的情況。Zi

為相應(yīng)離子的電荷。i

=當(dāng)量電導(dǎo)率

[Scm2/mol]

zi

=電荷

[]

ci=濃度

[mol/L]

=電導(dǎo)

[1/orS]

=所有離子

–陽離子和陰離子之和檢測器

–電導(dǎo)率

–34當(dāng)量電導(dǎo)率下表列舉的當(dāng)量電導(dǎo)率適用于濃度低于0.001mol/L。

=當(dāng)量電導(dǎo)率

[Scm2/mol]

陰離子

OH– 198

F– 54

Cl– 76

Br– 78

I– 77

NO2– 72

NO3– 71

HCO3– 45?CO32– 72

?SO42– 80

?Phthalate 38陽離子

H+ 350

Li+ 39

Na+ 50

K+ 74

NH4+ 73

?Mg2+ 53

?Ca2+ 60

Sr2+ 59

?Ba2+ 64

?Zn2+ 53

?Cu2+ 55檢測器

–電導(dǎo)率–35測量值的影響因素

相應(yīng)離子的當(dāng)量電導(dǎo)率

相應(yīng)離子的電荷

電導(dǎo)池常數(shù)

常數(shù)

溫度

常數(shù)

濃度

實(shí)際濃度T2%/°C36非抑制型離子色譜抑制型離子色譜檢測器

–非抑制或抑制電導(dǎo)率

–檢測器

–非抑制電導(dǎo)率

–37背景電導(dǎo)率

=淋洗液色譜峰的電導(dǎo)率數(shù)值=淋洗液＋樣品測量值

=樣品

減去淋洗液檢測器

–非抑制電導(dǎo)率

–38測量陰離子和陽離子關(guān)鍵詞:

單柱技術(shù)

–非抑制離子色譜

測量樣品離子和淋洗液離子電導(dǎo)率的差值。樣品中的反荷離子不保留，隨死體積一并洗脫出來。因此，反荷離子通常也是淋洗液的反荷離子。39化學(xué)抑制型離子色譜在陽離子色譜中，采用陰離子交換劑

–所有陰離子被OH取代

在陰離子色譜中，采用陽離子交換劑–所有陽離子被H+取代通過以上反應(yīng)，高電導(dǎo)率的洗脫液轉(zhuǎn)換為低電導(dǎo)率的(H2O+CO2)。抑制降低背景電導(dǎo)率。抑制改變樣品中的反荷離子。檢測器

–抑制電導(dǎo)率

–檢測器

–抑制后的電導(dǎo)率

–40背景電導(dǎo)率

=水

=0色譜峰電導(dǎo)率

=水

＋

樣品測量值

=（水

+樣品）－

背景檢測器

–抑制后的電導(dǎo)率

–41測量

陽離子和陰離子關(guān)鍵詞:

雙柱技術(shù)

–帶抑制的離子色譜

–pcr

測量樣品離子和H+或OH之和洗脫液電導(dǎo)率為0，反荷離子為

OH或H+離子色譜分為：單柱離子色譜－非化學(xué)抑制雙柱離子色譜－化學(xué)抑制

淋洗液泵進(jìn)樣閥分離柱檢測器抑制器抑制與非抑制43(樣品=NaCl–淋洗液

=HNO3)非抑制抑制(樣品=NaCl–淋洗液

=HNO3)–陽離子

–抑制與非抑制抑制與非抑制–陽離子

–45(樣品=NaCl–淋洗液

=鄰苯二甲酸)非抑制帶抑制(樣品

=NaCl–淋洗液

=Na2CO3)–陰離子

–抑制與非抑制46抑制與非抑制–陰離子抑制

–11_khv\ppt\ic_theory_au.ppt47非抑制抑制高背景電導(dǎo)率

低靈敏度的陰離子

高靈敏度的陽離子

成本低

淋洗液選擇無限制低背景電導(dǎo)率

高靈敏度的陰離子

(檢測限低

2-4個(gè)數(shù)量級)

高靈敏度的陽離子

成本高

淋洗液必須抑制后生成H2O或低電離物質(zhì)

抑制與非抑制R-SO3–H++Na++HCO3– R-SO3–Na++H2O+CO2

R-SO3–H++Na++Cl– R-SO3–Na++H++Cl–

陰離子抑制

淋洗液－基線(背景)：

樣品－信號(以NaCl為例)抑制與非抑制MSM抑制器－柱抑制

三根高容量、長壽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離子水沖洗

抑制與非抑制MSM抑制器－特點(diǎn)

分析流路外的再生

允許含有機(jī)溶劑的再生(例如：100

%丙酮)

允許含強(qiáng)酸的再生

反相壓力可達(dá)

2

MPa，不影響分析

不因壓力受損

使用壽命長

價(jià)格實(shí)惠抑制與非抑制再生－20mm0l/LH2SO4：

R-SO3–Na++H+

R-SO3–H++

Na+

沖洗－水：除去多余的H2SO4

抑制與非抑制MSM抑制器再生

重現(xiàn)性極佳－ppb濃度范圍18次進(jìn)樣

結(jié)果:F-Cl-NO2-Br-NO3-HPO42-SO42-

濃度50150100150150500500(ug/L)RSD0.660.701.920.780.840.970.78(n=18)抑制與非抑制MSM抑制器－特點(diǎn)

三電極系統(tǒng)的流通池分析物質(zhì)在達(dá)到工作電位時(shí)發(fā)生氧化還原反應(yīng)工作電極表面由于電子轉(zhuǎn)移發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的電流被檢測在工作電極表面5–10%的物質(zhì)被轉(zhuǎn)換可簡單連接到任何IC-或HPLC系統(tǒng)工作電極材料的選擇(GC,Pt,Ag,Au)DC和PAD模式,掃描模式高靈敏度，高選擇性最佳的信價(jià)比測量原理電化學(xué)安培檢測器IIIIIIIVVVIVIIVIIIIIIIIIIVVVIVIIVIIIHHeLiBeBCNOFNeNaMgAlSiPSClArKCaScTiVCrMnFeCoNiCuZnGaGeAsSeBrKrRbSrYZrNbMoTcRuRhPdAgCdInSnSbTeIXeCsBaLaHfTaWReOsIrPtAuHgTlPbBiPoAtRnFrRaAcKuDC和

PAD電化學(xué)安培檢測器Detection791電化學(xué)檢測器固定工作電位的安培檢測器(DC)Pt/Ag/Au/GC–工作電極Ag/AgCl–參比電極Au–輔助電極應(yīng)用舉例:–亞硝酸鹽

–亞氯酸鹽

–碘

–CN–硫離子

–酚類電化學(xué)安培檢測器871Bioscan脈沖安培檢測器

三種模式:DC/PAD/ScanAu/Pt/Ag/GC–工作電極固體參比電極

不銹鋼輔助電極含A/D轉(zhuǎn)換器含柱溫箱含進(jìn)樣閥含ICNet軟件==>不僅是電化學(xué)檢測器==>最佳的色譜工具電化學(xué)安培檢測器測量原理UV/VIS檢測器測量信號是吸光度

A吸光度Ais正比于分析物濃度

根據(jù)Beer’s定律UV:190–400nm,VIS:400–900nm光源發(fā)出光通過透鏡到達(dá)檢測池淋洗液或分析物通過池分析物吸收入射光光束被狹縫聚焦光柵選擇波長光電池或二極管檢測分類直接UV/VIS檢測,e.g.NO2,I,SCN

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

(pcr)后UV/VIS檢測,e.g.BrO3,CrO3,過渡金屬離子UV/VIS檢測UV/VISIIIIIIIVVVIVIIVIIIIIIIIIIVVVIVIIVIIIHHeLiBeBCNOFNeNaMgAlSiPSClArKCaScTiVCrMnFeCoNiCuZnGaGeAsSeBrKrRbS