離子色譜講座PR

高效離子色譜

原理及其應(yīng)用

（上）

青島普仁儀器公司

青島大學(xué)IC實(shí)驗(yàn)室

余季金

目錄

1離子色譜概述

2離子色譜-柱分離的基本原理

1離子色譜概述

1.1色譜的由來(lái)俄國(guó)植物學(xué)家Tswett（茨維特）：1903年提出色譜（Chromatogrphy）。實(shí)驗(yàn)：玻璃管-碳酸鈣-植物綠葉的石油醚萃取液-色素被吸附-純凈的石油醚洗脫-管內(nèi)圈狀的色帶-色譜。新型固定相發(fā)展，和氣體、液體以及超臨界流體作為可動(dòng)相的使用，色譜逐漸成為最為有效的分離分析手段。離子色譜是色譜技術(shù)的一個(gè)分支。

1.2離子色譜的定義和發(fā)展離子色譜〔IC〕是高效液相色譜的一種。是以分析離子為主的一種液相色譜方法?，F(xiàn)代IC的開(kāi)始源于H.Small及其合作者的工作，他們于1975年發(fā)表了第一篇IC論文，采用第二根柱-抑制柱來(lái)提高分析的靈敏度，同年商品化儀器問(wèn)世。1979年Fritz等人提出了另一種分離分析無(wú)機(jī)陰離子的方法，不采用抑制柱，即非抑制型離子色譜。早期的離子色譜主要用于陰離子分析，現(xiàn)在在無(wú)機(jī)和有機(jī)陰、陽(yáng)離子及高極化分子分析起到了重要的作用。例如：離子色譜在對(duì)元素不同價(jià)態(tài)的分析及在線濃縮富集和基體消除方面有其優(yōu)勢(shì)。在強(qiáng)堿性介質(zhì)中，單糖和低聚糖以陰離子方式存在，用安培檢測(cè)器，直接進(jìn)樣檢測(cè)濃度可達(dá)pmol/L。離子色譜可用于氨基酸分析，無(wú)須衍生，用安培檢測(cè)器，檢測(cè)濃度可達(dá)pmol/L。采用多維分離柱（離子交換、離子對(duì)、反相分離機(jī)理），可同時(shí)分離離子型和非離子型化合物。淋洗液在線發(fā)生器-只加水模式（KOH型,etc）國(guó)產(chǎn)在線離子色譜分析Pb

離子等（Puren）1.3離子色譜的優(yōu)點(diǎn)

快速、方便：

對(duì)常規(guī)的7種陰離子(F-、

Cl-

、Br-

、NO2-

、NO3-

、SO42-、

PO43-)，6種常見(jiàn)的陽(yáng)離子(Li+、Na+、NH4+、K+、Mg2+、Ca2+)分析時(shí)間小于10min。

靈敏度高：

分析濃度為ug/L～mg/L，最低可達(dá)10-12g/L。

選擇性好，且可同時(shí)分析多種離子化合物。

分離柱的穩(wěn)定性好，容量高：

苯乙烯/二乙烯苯填料高PH及有機(jī)溶劑穩(wěn)定

1.4青島離子色譜技術(shù)發(fā)展

青島普仁儀器公司是中國(guó)離子色譜后起之秀，其主要技術(shù)負(fù)責(zé)人對(duì)離子色譜儀的研制己有20年的歷史。

繼PIC-8,PIC-9之后,普仁隆重推出PIC-10型PHIC。顧客可從中繼續(xù)感受到PIC系列優(yōu)異的性能/價(jià)格比和良好的售后服務(wù)。

普仁PIC-8型離子色譜儀主機(jī)

PIC-8離子色譜儀套機(jī)

PIC-9離子色譜儀主機(jī)

PIC-10套機(jī)

PIC系列的主要性能特點(diǎn)高壓泵(機(jī)械控制或電子控制兩種機(jī)型)多種色譜柱選擇（無(wú)機(jī)陰離子柱和陽(yáng)離子柱等〕高效的陰離子電化學(xué)自再生抑制器準(zhǔn)確溫度控制系統(tǒng)電化學(xué)檢測(cè)器(電導(dǎo)、伏安檢測(cè)器等)HWIC-WorkStation色譜工作站可分析各種無(wú)機(jī)、有機(jī)陰陽(yáng)離子及糖等有機(jī)極性分析。

2離子色譜-柱分離的基本原理

2.1離子色譜的柱填料及類(lèi)型

一些天然化合物如沸石和微晶高嶺土，可以無(wú)機(jī)離子交換劑。HPLC中在硅膠表面鍵合離子交換劑（SAX，SCX型），其特點(diǎn)是耐壓。但PH范圍窄，2-8。HPIC中采用苯乙烯-二乙烯苯共聚的離子交換樹(shù)脂。其特點(diǎn)是交換迅速，在寬PH范圍內(nèi)穩(wěn)定，有較好的機(jī)械強(qiáng)度，但柱效比硅膠柱低。薄殼型陰交離子換樹(shù)脂的結(jié)構(gòu)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－陽(yáng)離子交換樹(shù)脂(接枝型)離子色譜的柱類(lèi)型陰離子交換柱陽(yáng)離子交換柱離子排斥柱多維色譜柱糖柱氨基酸柱、DNA柱、蛋白柱Column柱Separ.Mode

分離模式Analytes

分析物進(jìn)口---系列常規(guī)陰柱

AnionexchangeSolventcompatible

Fastanalysisofinorganicanionsincludingfluoride,acetate,chloride,nitrite,bromide,nitrate,phosphate,andsulfate.Excellentresolutionoffluoride,acetate,glycolateandformate.國(guó)產(chǎn)NJ,YIC系列陰柱

AnionexchangeSolventcompatibleGeneralpurposeinorganicanionseparations;fluoride,chloride,nitrite,phosphate,bromide,nitrate,sulfate;mono-anddivalentorganicacidswithborategradient.IonPacAS5與性能同類(lèi)

Anionexchange

Oxyanions,EDTAcomplexes,iodide,hiocyanate,thiosulfate.IonPacAS7與性能同類(lèi)

Anionexchange

Hexavalentchromium;iodide,sulfideandcyanide;polyvalentcomplexingagentssuchaspolyphosphates,EDTA,NTA;arsenicspeciation.IonPacAS9-SC性能與同類(lèi)

AnionexchangeSolventcompatibleCommoninorganicanionsincludingoxyhalides;fluoride,chlorite,bromate,chloride,nitrite,phosphate,bromide,chlorate,nitrate,sulfate.IonPacAS9-HC與性能同類(lèi)AnionexchangeSol。compatHighcapacity.Trace-leveloxyhalidesandcommoninorganicanionsincludingfluoride,chlorite,bromate,chloride,nitrite,phosphate,bromide,chlorate,nitrate,sulfate.ColumnSeparationModeAnalytesIonPacAS12A與性能同類(lèi)

AnionexchangeSolventcompatible

Idealforfluoride;generalpurposeseparationofcommoninorganicanions,includingoxyhalides;fluoride,chlorite,bromate,chloride,nitrite,phosphate,romide,chlorate,nitrate,sulfate;mono-anddivalentorganicacidswithborategradient.IonPacAS10與性能同類(lèi)

AnionexchangeSolventcompatible

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

Highcapacity.Mono-,di-,andtrivalentaliphaticacidsandinorganicanionswithhydroxidegradient.Idealfortracecomponentsinconcentratedsampleswithoutoverloading.Profilingorganicacidsinuncharacterizedsamples.IonPacAS15與性能同類(lèi)

AnionexchangeSolventcompatible

Highcapacity.Fortracelevelinorganicanionsandlowmolecularweightorganicacidsinhighpuritywaterincludingfluoride,glycolate,acetate,formate,chloride,bromide,nitrate,andphosphate.Idealforlargeloopinjectionorsampleconcentration.ColumnSeparationModeAnalytes進(jìn)口陽(yáng)柱IonPacCS5A等Cation&anionexchangeTransitionandlanthanidemetals.國(guó)產(chǎn)陽(yáng)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離子色譜的基本原理2.2.1簡(jiǎn)介離子色譜是高效液相色譜的一種模式，其定義同高效液相色譜。現(xiàn)代離子色譜(HPIC)與經(jīng)典的離子交換色譜在進(jìn)樣方式，分離類(lèi)型和檢測(cè)系統(tǒng)上，有很大的進(jìn)展。

HPIC以離子交換機(jī)理為主，以電導(dǎo)為主要檢測(cè)器，主要檢測(cè)對(duì)象早期為無(wú)機(jī)陰離子和陽(yáng)離子，后應(yīng)用到其它領(lǐng)域。抑制器的使用,提高了分析靈敏度（另有講解）。離子交換可逆平衡（無(wú)機(jī)陰離子為例）在無(wú)機(jī)陰離子分析中,含碳酸根和碳酸氫根陰離子的流動(dòng)相溶液通過(guò)陰離子交換柱,樹(shù)脂上帶正電荷的季銨功能基全部被碳酸根占領(lǐng)。當(dāng)被分析的陰離子A-

等進(jìn)入色譜柱,則在樹(shù)脂功能基位置上發(fā)生淋洗劑陰離子與樣品陰離子A-等的離子交換可逆平衡。如下式：

（接上）

反應(yīng)式Resin-NR3+HCO3+A-

Resin-NR3+A-+HCO3-（接上）不同陰離子與季銨功能基之間的電荷吸引力不同,個(gè)體即具有不同的保留時(shí)間的特性，總體上表現(xiàn)了不同種離子的不同分離程度，因此不同陰離子的色譜峰能相互分開(kāi)，藉此可進(jìn)行定性分析。各種離子的濃度不同，形成的峰高（或峰面積）不同，且與各自的濃度成正比，藉此可進(jìn)行定量分析。

（接上）

陽(yáng)離子交換樹(shù)酯上的功能基為磺酸基。所用的淋洗液為酸性物質(zhì)，如低濃度硫酸溶液等。其分離作用機(jī)理，可予類(lèi)推。（接上）固定相基團(tuán)對(duì)被分析的離子的吸引，有一定的選擇性。不同的選擇性，有利于被分析物的分離。分離過(guò)程是個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程。在此過(guò)程中，離子處于被吸著和頂替出的雙重變化狀態(tài)。從總體上看，它們?cè)诠潭ㄏ嗌系臐舛群驮诹鲃?dòng)相里的濃度存在著一定的比例，即分配系數(shù)。

（接上）每根分離柱里所裝的樹(shù)酯顆粒數(shù)是巨大的。從橫斷面的概念來(lái)看，一根柱子里的樹(shù)酯柱體，是由數(shù)量眾多的薄層有序的堆積而成。每層象一塊板，通常稱(chēng)踏板。在一定柱長(zhǎng)時(shí)，每個(gè)板厚度越薄，所含的踏板數(shù)就越多。柱子對(duì)被分析物的分離度就越高，即柱效也就越高。色譜發(fā)展史上百年的經(jīng)驗(yàn)積累，上升為理論，并形成為系統(tǒng)的可指導(dǎo)實(shí)踐的計(jì)算公式。2.2.2涉及基本理論的公式

（1）分配系數(shù)：物質(zhì)的分配系數(shù)：物質(zhì)在固定相中的濃度：物質(zhì)在流動(dòng)相中的濃度

（2）保留時(shí)間

：保留時(shí)間：死時(shí)間：溶質(zhì)保留時(shí)間（3）容量因子：色譜柱的容量因子：總保留體積

：空保留體積（4）峰高峰高橫坐標(biāo)的某一位置峰高極值標(biāo)準(zhǔn)偏差（5）分離度

分離度R為兩峰保留時(shí)間差與兩峰峰底寬平均值之商。R=2時(shí)，兩峰完全達(dá)到基線分離。若兩組份濃度相差不大，R=0.5，即可看出峰頂分開(kāi)。為半峰距。（6）選擇性系數(shù)被定義為兩色譜峰真實(shí)保留時(shí)間之比。（7）理論塔板數(shù)：理論塔板數(shù)：保留時(shí)間：峰底寬（8）有效塔板數(shù)：有效塔板數(shù)：真實(shí)保留時(shí)間（9）有效理論塔板高度：有效理論塔板高度：色譜柱長(zhǎng)（10）柱分離度：柱分離度：柱效：選擇性系數(shù)：容量因子（11）柱效為分離度為選擇性系數(shù)，表示固定相對(duì)離子的選擇能力為容量因子N

為柱效：峰總展寬：渦流擴(kuò)散引起展寬：縱向擴(kuò)散引起展寬：流動(dòng)相傳質(zhì)阻力引起展寬：固定相中傳質(zhì)阻力引起引起展寬（12）速率理論

范第姆特理論塔板高度方程

（VanDeemterEquation）（13）塔板高度（VanDeemterEquation）簡(jiǎn)式（當(dāng)其他色譜條件確定,只有流速是變量時(shí)成立。）第一項(xiàng)A與流速無(wú)關(guān)。第二項(xiàng)表示溶質(zhì)分子縱向擴(kuò)散引起的好譜帶展寬。第三項(xiàng)表示流動(dòng)相和固相中傳質(zhì)阻力引起的譜帶展寬。快中等慢Temporalcourse淋洗液遵循上述理論的色譜分離示意圖A.

高效離子交換色譜法（HPIC）：分離是基于發(fā)生在流動(dòng)相和鍵合在基質(zhì)上的離子交換基團(tuán)之間的離子交換過(guò)程，也包括部分非離子的相互作用。這種分離方式可用于有機(jī)和無(wú)機(jī)陰離子和陽(yáng)離子的分離。B.

高效離子排斥色譜（HPICE）：分離是基于固定相和被分析物之間三種不同的作用-Donnan排斥、空間排斥和吸附作用。這種分離方式主要用于弱的有機(jī)和無(wú)機(jī)酸及醇類(lèi)的分離。離子色譜的分離方式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離子交換分離機(jī)理示意圖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-離子排斥法分離機(jī)理ＳＯ３－

Ｈ＋ＣＯＯ－

Ｈ＋ＳＯ