主题：【资料】离子色谱基本原理(共19讲)

第一章离子色谱简介 （2）

H.Small和T.S.Stevens采用这一原理，制成了第一台离子色谱仪，在分离用的离子交换柱后端加入不同极性的离子交换树脂填料，该树脂填料呈氢型或氢氧根型。如阴离子交换柱后端加入氢型的阳离子交换树脂填料，阳离子交换柱后端加入氢氧根型的阴离子交换树脂填料。当由分离柱流出的携带待测离子的洗脱液，在检测前发生两个简单而重要的化学反应：一个是将淋洗液转变成低电导组分，以降低来自淋洗液的背景电导；另一个是将样品离子转变成其相应的酸或碱，以增加其电导。
这种在分离柱和检测器之间降低背景电导值而提高检测灵敏度的装置，后来组成独立组件称为抑制柱(或抑制器)，通过这种方式使电导检测的应用范围扩大了，在H.Small等人提议下，称这种液相色谱为离子色谱。离子色谱一经诞生就立即商品化，美国从20世纪70年代中期就生产了离子色谱仪，并获得有关的专利。Dow化学公司组建Dionex公司专门生产和研制离子色谱仪。
由于H.Small等人研制的抑制型离子色谱仪是专利产品，只有Dionex公司可以生产和销售，人们设想采用其他途径研制离子色谱仪。这其中最为成功的是在美国依阿华州立大学J.S. Fritz等人提出非抑制型离子色谱，即采用低交换容量的离子交换树脂制成色谱柱，采用弱酸及其盐类作为淋洗液对不同离子进行淋洗，在控制一定pH值的条件下，背景电导比较低，可以不加抑制器直接电导检测。该方法称为非抑制电导离子色谱。由于非抑制型离子色谱只采用了分离柱，人们通常称之为单柱型离子色谱；而对应的称为抑制型离子色谱，由于采用分离柱和抑制器，又称为双柱型离子色谱。
20世纪80年代初，离子色谱已经广泛地被人们所认同、接受，离子色谱的销售量每年以15%以上的速度递增。美国化学文摘及英国的分析化学文摘专门将离子色谱分成独立的一类；而Journal of Chromatography Science每年在介绍色谱仪器时，将其分为液相色谱、气相色谱、离子色谱和毛细管电泳4大类型。国际上每年都召开国际离子色谱学术会议，至今已经召开了十四届，而国内目前也每两年召开一次全国性离子色谱会议和一些区域性的离子色谱协作会议。由此可见，离子色谱学科以飞快的速度向前发展。
1.4离子色谱的分离类型
离子色谱的分离原理，可以分3种不同类型，主要分为离子交换色谱、离子对色谱和离子排斥色谱。
一、离子交换色谱
离子色谱分离，主要是应用离子交换的原理，采用低交换容量的离子交换树脂来分离离子，它在离子色谱中应用最广泛，其主要填料类型为有机离子交换树脂。以苯乙烯二乙烯苯共聚体为骨架，在苯环上引入磺酸基形成强酸型阳离子交换树脂，引入叔胺基而成季胺型强碱性阴离子交换树脂，此交换树脂具有大孔或薄壳型或多孔表面层型的物理结构，以便于快速达到交换平衡。离子交换树脂耐酸碱，可在任何pH范围内使用，易再生处理，使用寿命长。缺点是机械强度差，易溶胀，易受有机物污染。
硅质键合离子交换剂以硅胶为载体，将有离子交换基的有机硅烷与基表面的硅醇基反应，形成化学键合型离子交换剂。其特点是柱效高，交换平衡快，机械强度高。缺点是不耐酸碱，只宜在pH2～8范围内使用。
二、离子对色谱
离子对色谱的固定相为疏水型的中性填料，可用苯乙烯二乙烯苯树脂或十八烷基硅胶(ODS)，也有用C8硅胶或CN固定相。流动相由含有所谓"对离子"试剂和含适量有机溶剂的水溶液组成。"对离子"是指其电荷与待测离子相反，并能与之生成疏水性离子对化合物的表面活性剂离子。用于阴离子分离的对离子是烷基胺类，如氢氧化四丁基铵、氢氧化十六烷基三甲烷等。用于阳离子分离的对离子是烷基磺酸类，如己烷磺酸钠、庚烷磺酸钠等。对离子的非极性端亲脂，极性端亲水，其-CH2-键越长，则离子对化合物在固定相的保留越强。在极性流动相中往往加入一些有机溶剂以加快淋洗速度，此法主要用于疏水性阴离子以及金属络合物的分离。至于其分离机理则有3种不同的假说：反相离子对分配、离子交换以及离子相互作用。
三、离子排斥色谱
它主要根据Donnon膜排斥效应：电离组分受排斥不被保留，而弱酸则有一定保留的原理制成。离子排斥色谱主要用于分离有机酸以及无机含氧酸根，如硼酸根、碳酸根和硫酸根、有机酸等。它主要采用高交换容量的磺化H型阳离子交换树脂为填料，以稀盐酸为淋洗液。
1.5离子色谱的检测方法
随着离子色谱的广泛应用，离子色谱的检测技术，已由单一的化学抑制型电导法，发展为包括电化学、光化学和与其他多种分析仪器联用的方法。
一、抑制电导检测法
抑制型电导技术由最初的抑制柱技术，又经历了可连续再生式的纤维管、微膜抑制器阶段，最新的抑制技术采用电解抑制法，使抑制电导检测可以自动进行而不必采用传统的再生液。通过电导抑制可以使背景电导值很低，而检测灵敏度可以达到很高水平。
因此，目前大多数离子色谱基本上还是采用抑制电导法检测。无论是痕量测定的电场，还是半导体工业，抑制电导检测始终是最理想的方法。
二、直接电导检测法
目前单柱法已发展为可补偿高达6000μS背景电导的电导检测器。五极式电导仪可消除极化和电解效应，以降低噪音水平，提高单柱法检测的灵敏度和稳定性。
阳离子单柱法检测信号是离子电导与淋洗液电导之差，一般情况下为负值。只要淋洗条件得当，单柱法同样可达到很高的灵敏度。
三、紫外吸收光度法
在195～220nm具强紫外吸收的阴离子可用弱紫外吸收的淋洗液直接进行紫外吸收，其选择性和灵敏度都很高，它使硝酸根、亚硝酸根等离子可检测至μg／L。间接紫外检测用于本身不具紫外吸收离子的分析，淋洗液具强紫外吸收，检测信号为负值。阴离子淋洗液多用芳香有机酸和邻苯二甲酸盐、磺基苯甲酸盐等。阳离子则以具紫外吸收的Cu2+或Ce3+溶液为淋洗液。四、柱后衍生光度法
包括重金属、碱土金属、碱金属、稀有金属等40余种金属离子，可用吡啶偶氮间苯二胺(PAR)柱后衍生光度法检测，方法既灵敏又实用。重金属和碱土金属的检出限达μg／L级。偶氮胂Ⅲ亦为稀土金属离子的高灵敏柱后衍生剂。铬天青S、十六烷基三甲胺、Triton X 100对痕量铝离子和铁离子、水溶性卟啉衍生物对痕量Cd2+、Hg2+、Zn2+的检测，均是高选择性和高灵敏度衍生试剂。柱后衍生荧光法主要用于氨基酸和胺类化合物的检测，也可能发展为稀土测定的选择性衍生方法。
五、电化学法
安培法用于选择性检测某些能在电极表面发生氧化还原反应的离子，如亚硝酸根、氰根、硫
酸根、卤素离子、硫氰根等无机离子，以及一些胺类、酚类等易氧化还原的有机离子，亦用于重金属离子的检测，卤素和氰根亦可用库仑法检测或应用银电极的电位检测，还可用铜离子电极电位法检测阳离子和阴离子。库仑法还用于As3+／As5+和Mo6+／Cr3+的检测。
六、与元素选择性检测器联用法
将离子色谱的分离优势与元素选择性检测方法联用，可以结合分离及高选择性和高灵敏度的优势，并可用于某些元素的形态分析。如用原子吸收检测亚硒酸／硒酸、亚砷酸／砷酸等。等离子体发射光谱用于Cr3+／Cr6+和砷／硒的检测。
1.6离子色谱的新进展
一、新型电化学技术在离子色谱中的应用
当前，离子色谱发展的一个最新动向是，由电化学技术结合新型高分子材料，并逐渐在离子色谱中得到广泛的应用。最显著的例子如下：
(1)电化学自再生抑制器：电解法用于离子色谱抑制，最初由我国厦门大学田昭武院士等提出，并分别申请了中国和美国专利，实现商品化。
美国Dionex公司对这一方法进行了改进，使抑制器的再生液只加水就能完成，通过水电解产生的H+或OH-完成背景电导抑制。抑制器完全不必外加再生液就能完成电导抑制，使抑制型离子色谱的操作更为方便。而美国Alttech公司则采用固相电解法，利用树脂实现电导抑制。由电解产生H＋实现电化学再生，再将碳酸盐淋洗液中的CO2去除，以进一步降低背景电导值，从而实现了碳酸的梯度淋洗。
(2)淋洗液发生器：通过水电解法产生OH-或H+，与树脂中已经结合的K+或C-形成KOH或HCl,成为淋洗液。这种方法减少了OH-因空气中CO2干扰使基线不稳、背景改变的情况，同时所产生的KOH浓度可以通过电流进行控制，很容易地进行梯度淋洗。
(3)离子回流：H.Small等人在1998年提出了离子色谱的新设想--离子回流。其原理是将离子色谱淋洗液发生器及离子色谱电化学自再生抑制器串联。从此，离子色谱的淋洗形成一个循环系统，使离子色谱方法又有一个更新的概念。为此，他本人在1998年日本大阪再次获得离子色谱学术大奖。

第一章离子色谱简介 （3）

二、新型离子色谱柱研制和应用
新型离子色谱柱的发展方向除了提高离子色谱的效率外，主要从两个方面进行。首先，为了进一步开发离子色谱的功能，提出了新型的离子色谱柱。目前，除了常规离子色谱柱外，还有同时具有阳离子和阴离子交换功能的混合床离子色谱柱和同时具有离子交换功能和反相保留机理的多维色谱柱，这些柱的应用使离子色谱的使用领域得到扩大。特别在阴、阳离子的同时分析和有机物疏水性离子的分析中得到广泛应用。
其次，就是从提高离子色谱柱寿命，扩大可用范围上发展。采用特殊的离子交换材料，高的交联度，使离子色谱柱可以承受有机溶剂，以大大增强离子色谱柱的抗有机污染能力。
三、新型分离方法
新的分离方法，也为离子色谱的应用领域的扩大打下基础。在众多创新的分离手段中，旅居日本的中国学者胡文治等提出的"静电离子色谱"颇有创意。其方法可以用纯水洗脱，并用于多种阴、阳离子的分离和离子的形态分析。大环类化合物如烷冠醚等结合在离子色谱柱上可以对一些化合物有特定的选择性，也是离子色谱分离的一个新动向，它为离子色谱的分离提供了一条新的发展途径。
四、新的检测手段的应用
离子色谱的检测方式也在不断发展，新的检测技术在离子色谱中得到广泛应用。目前，国外主要是向新的联用技术方向发展。如离子色谱通过电解质抑制后，进入质谱进行检测，该分析方法已经用于农药的分析。
国内也从扩大离子色谱应用领域着手，如通过间接抑制电导检测方法，解决抑制电导检测无法测定弱电离物质等问题。姚守拙院士等提出压电体声波检测，可以使高背景电导在单柱型离子色谱中得到广泛的应用，解决了长期困扰单柱型离子色谱检测的不稳定问题。而由汪尔康院士等提出的采用电化学安培检测原理，对电极进行膜修饰，研制成通用型阴离子和阳离子的检测器，则使离子色谱更为小型化，更为方便、快捷。

第二章离子色谱仪器 (1)


离子色谱仪器一般由流动相输运系统、进样系统、分离系统、抑制或衍生系统、检测系统及数据处理系统等几部分组成，其组件构造如图2.1所示。



图2.1离子色谱仪组件示意图
2.1离子色谱流动相输运系统
离子色谱仪器的输液系统包括贮液罐、高压输液泵、梯度淋洗装置等，与高效液相色谱的输液系统基本相似。
一、贮液罐
溶剂贮存主要用来供给足够数量并符合要求的流动相，对于溶剂贮存器的要求是：
(1)必须有足够的容积，以保证重复分析时有足够的供液；
(2)脱气方便；
(3)能承受一定的压力；
(4)所选用的材质对所使用的溶剂一律惰性。
由于离子的流动相一般是酸、碱、盐或络合物的水溶液，因此贮液系统一般是以玻璃或聚四氟乙烯为材料，容积一般以0.5～4L为宜，溶剂使用前必须脱气。因为色谱柱是带压力操作的，在流路中易释放气泡，造成检测器噪声增大，使基线不稳，仪器不能正常工作，这在流动相含有有机溶剂时更为突出。
脱气方法有多种，在离子色谱中应用比较多的有如下方法：
(1)低压脱气法：通过水泵、真空泵抽真空，可同时加温或向溶剂吹氮，此法特别适用纯水溶剂配制的淋洗液。
(2)吹氦气或氮气脱气法：氦气或氮气经减压通入淋洗液，在一定压力下可将淋洗液的空气排出。
(3)超声波脱气法：将冲洗剂置于超声波清洗槽中，以水为介质超声脱气。一般超声30min左右，可以达到脱气目的。新型的离子色谱仪，在高压泵上带有在线脱气装置，可自动对淋洗液进行在线自动脱气。
二、高压输液泵
高压输液泵是离子色谱仪的重要部件，它将流动相输入到分离系统，使样品在柱系统中完成分离过程。离子色谱用的高压泵应具备下述性能：
(1)流量稳定：通常要求流量精度应为±1%左右，以保证保留时间的重复和定性定量分析的精度。
(2)有一定输出压力，离子色谱一般在20MPa状态下工作，比高效液相色谱略低。
(3)耐酸、碱和缓冲液腐蚀，与高效液相色谱不同，离子色谱所有淋洗液含有酸或碱，泵应采用全塑Peek材料制作。
(4)压力波动小，更换溶剂方便，死体积小，易于清洗和更换溶剂。
(5)流量在一定范围任选，并能达到一定精度要求。
(6)部分输液泵具有梯度淋洗功能。
目前离子色谱应用较多的是往复柱塞泵，只有低压离子色谱采用蠕动泵，但蠕动泵所能承受的压力太小，实际操作过程中会出现问题。
由于往复柱塞泵的柱塞往复运动频率较高，所以对密封环的耐磨性及单向阀的刚性和精度要求都很高。密封环一般采用聚四氟乙烯添加剂材料制造，单向阀的球、阀座及柱塞则用人造宝石材料。往复泵有单柱塞、双柱塞,往复单柱塞泵的结构如图


图2.2往复单柱塞泵结构示意图
1.电机2.凸轮3.柱塞]4.泵腔5、6.吸、排单向阀7.密封环8.弹簧
一般来说，双柱塞流量更平稳，脉动小，但构造复杂，价格也比较高。
高效液相色谱采用不锈钢或钛合金材料，与高效液相色谱相比，离子色谱的泵体则采用全塑系统，从而对酸、碱、盐有抗污染的性能，并保证了对金属离子测定的准确性。
1.单柱塞泵
单柱塞泵结构如图2.2所示，这种泵的压力和流量波动大。采取一些必要的措施如增加阻尼器，对凸轮形状作特别设计以及利用先进的电子技术也可获得满意的结果。早期的离子色谱和一些简易型离子色谱仪常采用单柱塞泵系统。
2.双柱塞泵
双柱塞泵即两个泵头并联使用，凸轮相差180°，使压力和流量波动减少。因此这种双柱塞泵可以不加阻尼器直接进入分离系统，可以进行低压梯度淋洗。如今大多数高档离子色谱仪均已经采用双柱塞泵。
目前，最新型的微孔型离子色谱仪，由于其采用的色谱柱为2mm内径，为常规的4mm内径的色谱柱横截面的1／4，因此在线速度不变的条件下，其流速为常规色谱的1／4，因此它采用的泵的流速为0.01～2.50 ml／min。其主要特点是柱塞比较小，但结构与常规的离子色谱仪相似。由于流速的减小，可以大大减少溶剂的用量。如以同样的量进样，灵敏度可以增大到原来的4倍。
三、梯度淋洗装置
梯度淋洗和气相色谱中的程序升温相似，给色谱分离带来很大的方便，但离子色谱电导检测器是一种总体性质的检测器，因此梯度淋洗一般只在含氢氧根离子的淋洗液中采用抑制电导检测时才能实现。采用梯度淋洗技术可以提高分离度、缩短分析时间、降低检测限，它对于复杂混合物，特别是保留强度差异很大的混合物的分离，是极为重要的手段。另外，新型抑制器通过脱气使淋洗液中CO2去除，碳酸盐的淋洗液背景电导很低，使灵敏度大大增加，也可以实现碳酸盐的梯度淋洗。离子色谱梯度淋洗可分为低压梯度和高压梯度两种，现分别介绍如下：
1.低压梯度
图2.3是一种目前离子色谱较为广泛采用的低压梯度装置，可进行四元梯度，它通过电磁比例阀的开关频率，由控制器控制，再改变控制器程序，即可得一任意混合浓度。


图2.3低压梯度淋洗装置图
1.淋洗液槽2.(隔板)接头3.真空室4.比例阀5.起动阀6.泵头7.压力传感器

2.高压梯度
它是由两台高压输液泵、梯度程序控制器、混合器等部件所组成。两台泵分别将两种淋洗液输入混合器，经充分混合后，进入色谱分离系统。它又称为泵后高压混合形式。
梯度淋洗的溶剂混合器必须具备容积小、无死区、清洗方便、混合效率高等性能，能获得重复的、滞后时间短的梯度淋洗效果。
目前美国Dionex公司最新的淋洗液发生器EG40，只要加入纯水就能自动生成淋洗液，它可以通过控制电流达到淋洗液梯度的目的。
2.2离子色谱的进样系统
离子色谱的进样主要分为3种类型：即气动、手动和自动进样方式。
一、手动进样阀
手动进样采用六通阀，其工作原理与HPLC相同，但其进样量比HPLC要大，一般为50μL。它的结构如图2.4所示，其定量管接在阀外，一般用于进样体积较大时的情况。样品首先以低压状态充满定量管，当阀沿顺时针方向旋至另一位置时，即将贮存于定量管中固定体积的样品送入分离系统。


图2.4六通阀进样装置图

第二章离子色谱仪器 (2)

二、气动进样阀
气动阀采用一定氦气或氮气气压作动力，通过两路四通加载定量管后，进行取样和进样，它有效地减少了手动进样因动作不同所带来的误差，其结构如图2.5所示。


图2.5气动进样阀装置图
1.气路接头2.密封圈3.活塞4.活塞密封圈5.三通阀芯6.阀体7.孔面8.压力螺栓
三、自动进样
自动进样器是在色谱工作站控制下，自动进行取样、进样、清洗等一系列操作，操作者只须将样品按顺序装入贮样机中。圆盘式自动进样的工作步骤如下：
(1)电机带动贮样盘旋转，待分析样品置于取样针正下方。
(2)电机正转，丝杆带动滑块向下移，把取样针插入样品塑料盖，滑块继续下移，将瓶盖推入瓶内，在瓶盖挤压下样品经管道流入进样阀定量管，完成取样动作。
(3)进样阀切换，完成进样。
(4)电机反转，丝杆带动滑块上移，取样针恢复原位。
自动进样可以达到很宽的样品进样量范围的目的。
2.3离子色谱的分离系统
离子色谱是一种分离分析方法，因此分离系统是离子色谱的核心和基础。而离子色谱柱是离子色谱仪的"心脏"，要求它柱效高、选择性好、分析速度快等。离子色谱是一种液固色谱，为高效液相色谱的一种，但柱填料和分离机理有其自身特点，离子色谱柱的研究也是离子色谱领域的一个热点课题。离子色谱柱填料的粒度一般在5～25μm之间，比高效液相色谱的柱填料略大，因此其压力比高效液相色谱的要小，一般为单分散，而且呈球状。
一、高分子聚合物填料
离子色谱中使用得最广泛的填料是聚苯乙烯

第三章离子色谱分离的类型(1) 


3.1离子交换树脂
离子色谱直接采用了离子交换技术，了解离子交换剂即离子交换树脂方面的知识对于深入理解离子色谱是十分有用的。下面我们对离子交换树脂作一个大体的介绍。
一、离子色谱剂
常规的离子交换反应被人们所识别已经有许多年了，早在古希腊时代，人们就采用特定的黏土来纯化海水。许多天然物质均有离子交换功能，如沸石、特定的玻璃、一些无机氧化物和不溶性盐类，但它们的用途比较有限。只有到20世纪出现合成树脂的高分子聚合物后，才使离子交换技术得到广泛应用。最初的合成树脂是由甲醛和不同的多羟基苯化合物缩聚而成的，这种离子
交换树脂有着广泛的用途。随后人们不断合成新的离子交换树脂，来增加离子交换树脂的容
量和选择性。在第一种离子交换树脂合成不久，就产生了苯乙烯-二乙烯苯树脂，这种树脂牢固，并且有很大的通用性。
1.高分子聚合物树脂
苯乙烯-二乙烯苯型的离子交换树脂是由苯乙烯和二乙烯苯单体悬浮聚合而得到的。这种聚合物具有网状结构，如图3.1所示。


图3.1苯乙烯-二乙烯苯网状结构
二乙烯苯的交联给予树脂一定的物理强度，而通过化学反应引入功能基使之成为有一定容量的离子交换树脂。在聚合物合成过程中，要注意的是合成过程中的温度、混合速度和其他许多因素，从而制备具有单分散性的聚合树脂。
根据树脂二乙烯苯的含量(即交联度的不同)，离子交换树脂可以分为微孔型和大孔型。微孔型树脂交联度比较小，树脂为软体凝胶状，容易发生收缩；而大孔型离子色谱树脂交联度比较大，树脂为钢性结构，树脂内部含有一定的空隙。
第二步是在苯乙烯-二乙烯苯的聚合物上引入离子交换基团，通过不同的反应，产生不同化学性质的树脂，它们有各自不同的用途。
在离子色谱中用得最多的是磺酸基强酸型阳离子交换树脂和季胺基强碱型阴离子交换树脂。磺酸离子交换基的引入，通常称为磺化，它是由硫酸、氯磺酸、发烟硫酸等与苯乙烯-二乙烯苯树脂反应，在树脂的苯环上接入磺酸基形成的。其反应过程如图3.2所示。通常的离子交换容量为4.5 mmol／g。


图3.2苯乙烯-二乙烯苯的磺化
将季铵盐引入苯乙烯-二乙烯苯树脂的过程由两个步骤组成，树脂的直接胺基化是不可行的。因此第一步是修饰树脂形成氯甲基化，然后第二步是中间体采用三甲基胺或二甲基胺氨解，图3.3为两种季铵盐树脂的反应示意图。第一种类型比第二种类型有更强的碱性。由于第一步反应可能导致树脂结构的交联，因此反应条件必须严格控制，以减少副反应，产生高的交联度。一般其离子交换容量为3.5～4.0 mmol／g。


图3.3苯乙烯-二乙烯苯的氨化
2.硅胶树脂
多孔硅胶是高效液相色谱最通用的填料，也可以作离子交换的填料。通常的阴离子交换色谱填料是由硅胶颗粒外层涂上一层含有季胺基的十二烷基甲基丙烯酸酯聚合物(相对分子质量为500)。一般的离子交换容量为0.012 mmol／g，可允许的pH范围为4～9。硅胶层涂以磺化的低相对分子质量的碳氟化合物的聚合物形成阳离子交换树脂。这类树脂对分离有机阴、阳离子比较理想，有时也用于非抑制型离子色谱中。
3.2阴离子交换分离
一、阴离子交换填料
阴离子交换柱使用的填料为附聚薄壳型阴离子交换树脂，与阳离子分离柱使用的填料相似，树脂核也是苯乙烯二乙烯基苯的共聚物，核外是一层磺化层，该磺化层提供了一个与外面的阴离子交换层以离子键结合的表面。外面为粒度均匀的单层季铵化阴离子胶乳微粒。由于几何原因，并非所有磺酸位置都联结季铵化小球，可能会留下一些能结合阴离子的磺酸基团。一般说来，这些留下的磺酸基团对阴离子分离影响不大。
树脂最外层的阴离子交换胶乳提供了树脂分离阴离子的能力，其分离机理是基于流动相和固定相(树脂)阳离子位置之间离子的交换。它表明了用阴离子交换树脂进行离子交换分离的机理。淋洗液中阴离子和样品阴离子争夺树脂上的正电荷位置。淋洗液中含有一定量与树脂的离子电荷相反的平衡离子，在标准阴离子色谱中，这种平衡离子为CO2-和HCO－3；在标准阳离子色谱中，为Cl-或NO3-。在离子交换进行的过程中，由于流动相可以连续提供与固定相(离子交换树脂)表面电荷相反的平衡离子，这种平衡离子与树脂以离子对的形式处于平衡状态，保持体系离子的电荷平衡。随之样品离子与淋洗离子(即平衡离子)交换，当样品离子与树脂上的离子成对时，样品离子由于库仑力会有一个短暂的停留。不同样品离子与树脂固定电荷之间库仑力不同，即亲合力不同，因此，样品离子在柱中从上向下移动的速度亦不同。
单柱型阴离子色谱法的柱填料，通常为pH4～9的有机酸盐缓冲液。因此，其柱填料既可用低容量的阴离子交换树脂，又可用硅球键合型阴离子交换剂，其分离机理是基本相同的，但硅球键合型阳离子交换剂的离子交换容量更低，一般柱效亦略低。
二、阴离子交换平衡
设用阴离子交换树脂BRx为色谱固定相，在树脂和淋洗液达到平衡后，树脂上吸附的反电荷离子即为淋洗剂阴离子B-x。当样品阴离子A-y进入色谱系统后，将与淋洗剂阴离子B-x争夺树脂上的正电荷位置，这种离子交换过程可用如下方程式表示：
离子交换树脂的交换容量越大，淋洗剂浓度越小，保留体积就越大。淋洗剂离子的电荷越高，
淋洗的能力就越强。各阴离子的选择性系数KAB决定其保留特性，是衡量该离子对离子交换树脂亲合力大小的标准。常用某离子作参比离子来比较一系列离子的选择性系数。
以上公式如果以校正保留时间表示，则为
三、影响阴离子交换的因素
以上两公式定量地表明了交换容量、淋洗剂浓度、选择性系数及其他因素对保留值 (保留时间或保留体积)的影响。详细讨论如下：
四、影响离子保留的因素
1.离子电荷
样品离子的价态越高，对离子交换树脂的亲合力越大，保留时间随价数升高而增加。
一般来说，淋洗三价离子需要用高离子强度的淋洗液，二价离子用较低浓度的淋洗液，而一价离子需要的淋洗液浓度最低。
2.离子半径
对电荷数相同的离子，离子半径越大越易极化，对离子交换树脂的亲合力也越大，即随离子半径增加，保留时间增长。
3.树脂的种类
离子交换树脂的交联度、功能基性质及其亲水性的大小等对离子分离的选择性起了很大作用，因为它们直接影响样品离子和淋洗离子的分配平衡。
一般树脂上季铵基的"R"基团不同，因而亲水性或疏水性不同，如果"R"基的碳链较长，疏水性强；反之，亲水性强。
3.3阳离子交换分离
阳离子分离柱使用薄壳型树脂，树脂核是惰性而疏水的苯乙烯-二乙烯基苯的共聚物(简称PS-DVB)，核的表面是磺化层，磺酸功能基以共价键与树脂核共聚物相连。由于功能基只存在于树脂基核的表面，缩短了这些交换位置与流动相之间的扩散距离。因此，用较低容量的离子交换树脂可得到高的分离结果。
3.4离子排斥分离
一、离子排斥的分离机理
离子排斥又称为高效离子排斥(HPICE)，在阴离子HPICE中，它采用的分离柱较大(9cm×250cm)，柱中填充粒度均匀、总体磺化的H+型高容量阳离子交换树脂，树脂的电荷密度较大，样品阴离子由于受到Donnan排斥，不能进入树脂微孔；而非离子型的组分则不受Donnan排斥，可进入树脂微孔。树脂上的功能基导致在树脂颗粒间隙的液体和树脂微孔内吸留的液体之间形成一个"半透膜"。强离解的组分，不能透过这个膜进入树脂内孔，因此不被保留；非离解组分，能透过这个膜进入树脂的微孔内。在这种情况下，树脂对组分的保留就是树脂的内微孔体积和树脂表面积的函数。阴离子的保留体积必须介于总的排斥体积(相当于填充柱的间隙体积和树脂微孔体积之和)和死体积之间，即样品离子需用大于排斥体积的淋洗液将其洗脱。
理解HPICE分离机理的一个简单方式是与空间排阻色谱比较。空间排阻色谱的分离是以溶质(样品待测组分)进入和移出柱填料内部微孔的能力为基础的，其保留时间取决于溶质的大小和形状。离子排斥也取决于溶质进入微孔的扩散能力，但分析者可改变溶质的离解度来改变其保留时间。例如，用改变淋洗的pH值来改变弱有机酸的离解。pH值越高，离解的分子越多，由离子排斥作用导致的保留就越小。反之，pH值越低，离解越小，由离子排斥作用所引起的保留就越大。

第三章离子色谱分离的类型 (2)

二、影响离子排斥保留的因素
如前所述，离子排斥色谱分离主要取决于组分在树脂内微孔(固定相)的液体和树脂颗粒间隙中的液体(流动相)之间的分配。影响组分在两相间分配的主要因素有以下几个：
1.溶质的pKa，pKa越大，保留时间越长
2.淋洗液的pH值离子的保留时间在很大程度上取决于淋洗液的pH值。pKa值小于淋洗液pH值的离子将被排斥，不能进入树脂的内微孔。在HPICE中，虽然存在吸附现象，但选择性主要与被测离子的pKa值有关，除淋洗液pH值之外其他淋洗条件的改变对HPICE选择性的影响不大。
3.溶质的浓度这一点对弱电解质很重要，因为其离解度是浓度的函数。
4.树脂的性质树脂的交联度影响树脂内的微孔体积，交联度越高，微孔体积越小，对组分的分离就越差。当阳离子交换树脂的交联度降低时，电荷密度也随之降低，而后者决定树脂对阴离子的排斥力。因此，用低交联度的阴离子交换树脂(即低的电荷密度)能改善在高交联度的阳离子树脂上被完全排斥的离子的分离度。
5.温度升高温度会增加溶质的离解，因而减少保留时间。
6.流速因为分离程度受扩散控制，要求用较低的流速，一般小于1mL／min。
3.5流动相离子分离
流动相离子色谱(MPIC)用疏水性树脂为固定相，用含有离子对试剂的亲水性为流动相。这种方式具有反相离子对色谱的高分离效率和选择性，在高效液相色谱中又被称为离子对色谱，可用于分离多种阴阳离子，特别是疏水性的阴阳离子。
一般而言，流动相离子色谱(MPIC)是离子对色谱与抑制电导检测结合的技术。离子对色谱通常采用紫外检测，一般称为反相离子对色谱(RPIPC)，MPIC具有电导检测的特点，是离子对色谱分离后的通用型检测器。
MPIC特别适合于带有电荷的大分子(例如表面活性剂)，和一些不适合于离子交换分离的其他离子。例如，脂肪族的季铵盐离子可以附着在离子交换树脂上，在离子色谱分离过程中，导致峰形变差或回收率降低。由于离子对的动态特性，往往加入有机溶剂于流动相，使被测离子不粘附于MPIC的中性树脂上。另外，在一些系列被测物的选择性出现问题时，可以加入离子对试剂进行改进。
抑制电导检测，可以用于离子交换，也同样可以作为MPIC的检测。通过抑制器后，降低了淋洗液中的背景电导，也同时增强了被测物的电导。最新的抑制器可高效地抑制，并对有机溶剂兼容。
洗涤剂和其他一些化学制造品的成分分析如离子态表面活性剂或季铵盐化合物通常采用MPIC进行分析。这种技术还可以用于化妆品中添加剂如链烷醇胺的分析和药品工业中一系列无紫外吸收的离子态物质的分析。
一、分离机理
离子交换选择性是由流动相和固定相相互作用引起的。而与之相反，离子对分离的选择性主要是由流动相决定的。水相中两种主要组分是离子对试剂和有机溶剂，由这两种组分的类型和浓度的变化来完成设定的分离。
离子对试剂是一种大离子态分子，它带有特定被测物的相反电荷。它往往含有一个亲脂区域与固定相相吸，而且有一个电荷区域与被测物作用。用于MPIC的固定相是中性的亲脂性树脂如聚苯乙烯-二乙烯苯(PS／DVB)或键合相硅胶，而且单一的固定相可以用于阴离子或阳离子的分析。
MPIC的分离机理较复杂，一直存在着不同的观点，概括地说主要有3种理论：
1.离子对的形成
2.动态离子交换
3.离子间作用
在第一种模式中，被测物和离子对试剂间形成一种中性"离子对"，然后在流动相和固定相之间进行分配。保留值可以通过改变流动相中有机溶剂来控制，类似于传统的反相色谱。
在动态离子交换模式中，认为离子对试剂的亲脂端吸附在固定相上，形成一层动态的离子交换表面。被测物保留在这一表面，就像传统的离子色谱一样。在这种情形下，流动相中的有机溶剂可以改变离子对试剂在固定相的作用力，从而进一步改变色谱柱容量。
图3.4所示为两种理论的主要作用力。例如，一个阳离子被测物(如C+)可以采用含有辛烷磺酸的乙腈／水流动相进行分离。如采用苯乙烯/二乙烯苯色谱柱作固定相，阳离子通过固定相吸附的辛烷磺酸被保留，而在流动相中的辛烷磺酸与阳离子形成"离子对"，使阳离子可以在流动相和固定相之间分配。在流动相中的乙腈也可以被树脂所吸附，从而降低色谱柱的容量。


图3.4阳离子对作用示意图流动相：OSA／ACN／H2O,C+=阳离子；ACN=乙腈；OSA=辛烷磺酸
第三个模式是离子对试剂参与固定相时形成，载入一个辅助的对离子。在这个模式中被测离子的保留取决于几个因素的组合，包括上述两种模式。
二、影响MPIC分离的因素
1.离子对试剂的类型
为了使样品离子能被非极性的固定相保留，必须使其具有足够的疏水性(即亲脂性)。为此，在淋洗液中加入一种具有与样品离子相反电荷的平衡离子与样品离子生成中性疏水的离子对。MPIC的分离取决于这种中性离子对在亲水性的流动相和疏水性的固定相之间的分配。由于柱填料为非离子交换位置的中性大孔树脂，只要选择适当的平衡离子(离子对试剂)，这种柱子就可用于阴离子或阳离子的分离，以及疏水性或亲水性组分的分离。

第三章离子色谱分离的类型 (3)

当选用MPIC这种分离方式时，首先必须选择适宜的离子对试剂。常用的阳离子分离的离子对试剂为脂肪族磺酸，已用于非表面活性阳离子的离子对试剂有丁烷磺酸、戊烷磺酸、己烷磺酸、庚烷磺酸、辛烷磺酸、十二烷基磺酸、甲苯磺酸、全氟代癸酸、樟脑磺酸和双2乙基己基膦酸。在同一系列化合物如烷基磺酸系列中，试剂分子中的亚甲基数增加，则非表面活性阳离子的保留时间亦增加。但对不同系列的离子对试剂，选择性的估计则是相当困难的。一般情况下，最佳的离子对试剂是较弱的表面活性剂。这是因为在MPIC中，非表面活性剂样品离子的保留是通过与表面活性的MPIC试剂生成离子对来进行的。一个高效的表面活性剂，当其平衡离子改变时，它的表面活性剂改变不大，因此在MPIC中的选择性亦不高。在多数应用中，己烷磺酸是较好的离子对试剂。为了得到较低的本底电导，需要用高纯度的试剂。己烷磺酸是用乙酸酸化己烷磺酸钠制成的，制备时必须尽量除去试剂中的杂质Na+。
这种离子对到达中性的树脂表面时，由于相似物质相溶的原理，吸附于其表面。离子对的疏水性越强，吸附越强，即树脂对离子对的保留越强。乙醇胺分子中的乙烷基使其形成的离子对疏水性较氨基的离子对更强，因此对树脂的吸附也更强，根据这种差异可使两者很好地分离。
用于阴离子分离的离子对试剂主要是氢氧化钠和季铵化合物，包括氢氧化四甲铵、四乙铵、四丙铵、四丁铵和氢氧化十六烷基三甲烷。一般规律是：当离子对试剂中的亚甲基数增加时，非离子活性阴离子(样品离子)的保留增加。若样品阴离子的疏水性较大，应选用分子中亚甲基数较少的离子对试剂。分子中亚甲基数多的离子对试剂能使几乎所有的阴离子被树脂保留，但选择性不好，而且所需平衡时间长。在多数应用中，氢氧化四丁基铵是较好的离子对试剂。用电导检测器检测时，由于要用化学抑制来降低背景电导值，这些试剂必须为OH-型。在溶剂中，这种类型的试剂是以阳离子形式存在时，与被分离的离子形成中性的离子对。
离子对试剂亲水性或疏水性的选择主要取决于被分析离子以及样品基体中其他离子的疏水性。一般规律是：对亲水性的样品离子选择疏水性的离子对试剂(如TBAOH)，而疏水性的样品离子，如长链的烷基磺酸盐或其硫酸盐，所需离子对试剂的疏水性就较小(如NH4OH)。对于离子对试剂，可以简单地采用两个规则。第一个规则亲脂性离子选择亲水性离子对试剂；而亲脂性离子选择亲水性离子对试剂，其中亲脂性次序如下：阴离子分析离子对试剂次序为氨离子、四甲基铵离子、四乙基铵离子、四丙基铵离子和四丁基铵离子。对于抑制电导必须采用其氢氧根形态。而阳离子分析的离子对试剂次序为盐酸、高氯酸、全氟羧酸、戊烷磺酸
、己烷磺酸、庚烷磺酸和辛烷磺酸。
第二个规则是选择相对分子质量较小的离子对试剂往往有利于分析，因为被测物的结构和性质将对被测物试剂络合离子的形成影响较大。
对在疏水性的固定相中的溶解度越大，其保留就越强，即K′越大。也就是说，增加离子对试剂的疏水性可增加离子对在固定相的溶解度。当离子对试剂的浓度增加时，保留时间也相应增加，当离子对试剂的浓度增加到所有阴离子都生成之后，其浓度的增加就不再影响保留时间。实验表明，对于某些离子，当平衡离子的浓度大于某一最大值时，保留时间反而减少，其原因是离子对试剂在高浓度时，发生胶束化作用，使离子对在流动相中的浓度增加。离子对试剂的最佳浓度与所形成的离子对的强度、离子对在固定相上吸附的强弱以及离子对试剂有胶束化作用等有关。一般情况下，分子较大的离子对试剂的浓度应小于0.005mol／L，分子较小的离子对试剂的浓度可大于0.005mol／L，一般典型的离子对试剂浓度在0.5～20mmol／L。
3.有机改进剂的类型和浓度
在淋洗液中加入有机改进剂以增加淋洗液的疏水性，可使流动相更易接近疏水性的固定相，从而改变离子对对固定相的亲合力，减少保留时间和改进分离的选择性。
有机改进剂的作用有两种方式：(1)阻止固定相上吸附离子对试剂，从而降低了色谱柱容
量。(2)减少流动相的极性，影响被测物试剂的离子对进入亲脂环境。
有机试剂改进的最优浓度取决于离子对试剂的亲脂性。亲脂性强的离子对试剂往往需要比较强的有机改进剂。对强保留物质，有机改进剂对峰形有明显的改善。
常用的有机改进剂有乙腈、甲醇和异丙醇，也可用普通反相色谱中的其他溶剂。其中以乙腈为最好，因为它与水的混合物粘度低，而且与水的混合吸热反应，使淋洗液不易产生气泡。被测组分的疏水性越强，所需有机改进剂的浓度越高。理论上，大多数阴离子都可用不同类型和不同浓度的离子对试剂及有机改进剂来分离。
4.pH值的影响
当降低pH值时，应使阴离子保持在离子状态，否则不能产生离子对。通常使用硼酸来降低淋洗液的pH值。
5.温度的影响
柱温的提高加快了传质过程，一般可缩短保留时间，而且由于流动相的粘度减少，使柱效增加，有时还可改善分离度。
6.其他添加剂
为了减少多价阴离子的保留，往往加入碳酸盐进行。加入碳酸盐后对二价阴离子的保留的减弱，明显要比一价阴离子的保留减少得更多。一般碳酸盐的浓度范围在0.1～1mmol／L之间。3.6螯合树脂的分离和富集
螯合树脂是将具有螯合作用的有机官能团偶联在聚合物基体上，然后与过渡金属离子生成稳定的螯合物，利用螯合物中定位的金属离子与其他物质分离或富集。
常用的有机螯合剂，如亚胺基二乙酸(IDA)、亚胺基二乙醛肟(IDAO)、硫脲、吡啶咪唑、打萨宗、8-羟基喹啉等，都可键联到亲和色谱基体上。以亚胺基二乙酸(IDA)为例，苯乙烯二乙烯基苯共聚物基体首先进行氯甲基化反应。氯甲基醚可由甲醇、甲醛与氯磺酸反应产生，并立即与共聚物基体反应，再与IDA偶联。
因此通过调整适当的pH值和选择更强的螯合剂，就可以将富集的金属离子洗脱进行分离和检测，该色谱柱可以用于富集和去除杂质。
另外，冠醚也用于离子色谱柱之中，在阳离子色谱柱加入适量的键合冠醚，可以改变阳离子洗脱次序，用于特殊物质的分离和分析。如Dionex CS15色谱柱，加入键合了适量的冠醚后，K+的保留明显增大，使这类色谱柱可以用于复杂基体中痕量的氨和钠离子的测定和高钠中低氨及高氨中低钠的测定。这是阳离子交换和螯合树脂组合的结果。
3.7其他分离方式
离子色谱除了上述常见的分离方式外，还有吸附、反相、体积排阻等分离方式和它们之间的组合如多维分离等新型分离方式，这些分离方式均已经在离子色谱中得到运用。它一般在离子色谱的样品处理中采用，特别是样品富集、浓缩和去除干扰等。也有新型的离子色谱同时具有离子交换和反相功能，Dionex公司的OmniPac色谱柱就是如此，它既可以进行离子交换分离，又同时进行反相分离，结合离子色谱和高效液相色谱两者的分离优势。

第四章 离子色谱检测的类型 (1)

离子色谱的检测手段主要有电导检测、电化学(安培)检测和光度检测。电导检测主要用于在水溶液中化合物的酸式离解常数(pKa)或碱式离解常数(pKb)小于7的离子的检测，有时也可用于间接法检测；安培检测有直流、脉冲和扫描3种操作方式，用于能发生电化学反应的化合物分析，即在某一特定的外加电压下能产生氧化或还原反应的化合物的测定。光学检测的工作原理及性能与HPLC完全相同，在离子色谱中主要用于通过柱后衍生反应生成在可见光区有较强吸收的离子的测定，如过渡金属、镧系元素以及磷、硅等。
离子色谱的检测器是用于连续监测样品被色谱系统分离后的柱流出物的组成和含量变化的装置。其作用是将柱流出物中样品组成和含量的变化转化为可供检测的信号，以完成定性定量的任务。因此，检测器是一种信号接收和能量转换装置。
对于离子色谱检测器要满足以下几个方面的要求：
(1)灵敏度高，可以检测出μg／mL以下溶质的含量；
(2)线性范围宽，在样品含量有几个数量级变化时，也能落在检测器的线性动态范围之内，以便准确、方便地进行定量测定；
(3)响应快，以便能快速、精确地将流出物转换成能记录下来的电信号；
(4)稳定性好，对流量、温度的变化不敏感；
(5)可靠性高，操作简单，维修方便；
(6)噪声低，漂移小，对冲洗剂组分的变化不敏感，从而在进行梯度淋洗时也能测定；
(7)〖JP2〗不会引起很大的柱外谱带扩张效应，以保持高的分离效能。
检测器按照用途分类，可分为通用型和选择型两类。通用型的检测器如直接电导检测器，它能连续地测定柱后流出物某些物理参数如电导值的变化，这是任何淋洗液都存在的物理量，因此具有广泛的适应性。但因其灵敏度低，且对流动相也有响应，因此容易受流动相的组成、流速、温度等的影响，引起较大的噪声和波动，它不能使用梯度淋洗，限制了使用范围。选择型检测器有光度检测器、安培检测器，它们对检测物质的响应有特异性，而对流动相则没有响应或响应很小，因此灵敏度很高，受操作条件变化和外界环境影响很小，可用作梯度淋洗。
离子色谱检测器除了上述常用的检测器外，已经开发了离子色谱与原子吸收、电感耦合等离子体光谱、质谱等联用技术，并取得了很大的进展。
检测器的性能指标如下：
一、噪声和漂移
噪声和漂移是检测器稳定性的主要表现。噪声是指与被测物无关的检测器输出信号的随机扰动变化，分短期噪声和长期噪声两种。如图4.1中(a)和(b)所示分别为短期噪声和长期噪声图，(c)为漂移图。



图4.1噪声和漂移
短期噪声使基线呈"绒毛状"，因信号频率的波动而引起，由有关电子部件的质量和泵的脉动等产生。长期噪声反映输出信号随机和低频的变动情况，是不规则的变化，大部分情况是由于检测器本身不稳定或溶剂不纯、温度和流速等的波动所引起的。只有通过改进结构和设计，更换部件，控制周围环境等来加以消除。
噪声通常在最高灵敏度下，用记录器满量程的百分比来表示，也可用检测器自身的物理量来
表示。
基线随时间的增加而产生的偏离称为漂移，如图4.1(c)所示。它反映的是信号的连续递增与递减，可用一定时间范围内(如1h)信号的变化作为漂移大小的量度。它是由于电源电压不稳、色谱系统没有达到平衡、固定相的流失、冲洗剂的变化、温度和流量等的波动而引起的，要根据不同情况采取相应措施予以消除。
二、灵敏度
灵敏度是检测器最主要的性能指标。它表示一定量的样品物质通过检测器时所给出信号的大小。假如所得的分离谱图是以高斯型分布，对于微分型检测器，此时进入检测器的样品量是随时间或淋洗液体积而变化的，当以淋洗液体积为计算单位，通过检测器的样品量等于它在淋洗液中的浓度c(g／mL)在全部淋洗液体积下的积分值。
三、敏感度
检测器灵敏度的高低，并不等于它检测最小样品量或最低样品浓度能力的高低。因为在定义检测器灵敏度S值时，并没有考虑噪声的大小，而敏感度与噪声的大小是直接有关的，通常以2倍的基线浓度(或噪声)Ib作为可检测出的最小测定信号。
其物理意义为每毫升淋洗液中含有样品的量进入检测器时产生的信号，恰好等于噪声的2倍。对于浓度型检测器，其单位为g／mL(或mg／mL)；对于质量型检测器，其单位为g／s(或mg／s)。
值得注意的是，敏感度除与检测器的噪声和灵敏度有关外，还与色谱分离条件及各种柱外因素引起的峰的展宽有关。通常是把一个已知量的标准溶液直接注入到检测器中来测定其敏感度的大小。
四、谱峰的扩张
近年来由于离子微型柱的出现和发展，加之色谱柱的柱效不断改进和提高，在检测器中所造成的色谱峰的扩展变得越来越大。除制备色谱外，大多数离子色谱的池体积都小于10μL。在使用细径离子色谱柱时，池体积应减少到1～2μL，甚至更低，不然检测系统所带来的峰扩张问题就会变得很严重。因此这时池体、检测器与色谱柱的连接、接头等都要精心设计，不然就会严重影响柱效能和灵敏度。
上述6项性能指标是影响离子色谱检测器质量的主要因素，使用者在选择检测器时需要把它们综合起来考虑。此外，检测器对周围环境的适应性、操作维修的简易性、使用时的耐用可靠性及成本价格的合理性等都是必须考虑的因素。
4.1直接电导检测
当电场施加于两电极时，溶液中阴离子趋向阳极，阳离子趋向阴极。溶液中离子数目和迁移速度的大小决定溶液的电导值，离子的相对迁移率由其极限摩尔电导值决定。离子在电场作用下的运动速度，除受离子电荷和离子大小等因素影响外，还与温度、介质的性质及施加电压的大小有关。两极间可以施加直流电压，但通常是施加正弦波或方波型交流电压。当施加的有效电压确定后，测量出电路的电流值，即能测出电导值。然而，由于电极表面附近形成的双电层极化电容(或称法拉第交流阻抗)的影响，会引起有效电压的改变，因而电路施加于两极的电压不等于有效电压。双电层形成机理的解释如下：当电极两端的电压低于离子的分解电压时，电极附近的溶液层将吸引反电荷的离子形成一双电层，此双电层由两部分组成：(1)内壁薄层，在此层内离子浓度随电极距离的增加而减少，呈线性关系。
(2)扩散层，在此层内离子浓度随电极距离的增加而减少，呈指数关系。双电层的存在，亦会产生电压降，实际上施加电压为有效电压(由溶液电阻产生的电压降)和双电层电压降的总和。如果施加电压大于分解电压，则将发生电解，电流通过时阳极表面发生氧化反应，阴极表面发生还原反应。这种过程产生的法拉第交流阻抗也会延迟电子的转移过程，在电极的表面将发生离子的增加或部分离子的消耗，同样亦改变了有效电压。
为了精确地测量溶液电导的真实值，在电导检测器设计中采用多种体系。

第四章 离子色谱检测的类型 （2）

五、电极间施加交流电压及采用有关的测量技术
改变电流方向，将使离子运动转到各相反方向，倒转电解方式和改变双电层结构。当然，各种过程变化的延迟时间是不同的。随着频率的增高，电解过程造成的影响可以减少，以至消除，电流易通过双电层。频率增高的极限值为1MHz。因为高于极限值后，离子不再发生迁移运动，仅发生偶极矩共振。在100kHz交流电压下，电解和双电层电容的影响已不明显。在一些电导仪的电路中，可配置一个与双电层电容相匹配的补偿电容，构成一桥路以消除法拉第双电层电容的影响。另一种设计是采用瞬间电流测量法，瞬间电流是指交流电位施加于电极时，在脉冲的初期双电层还未形成时测得的电流。采用频率为102～105Hz的正弦交流电，在测量电路中，用了同步采样测量技术，即仅测出与施加频率相同的瞬间电流。
六、双脉冲电导测量技术
其特点是，在极短的时间间隔(100μs)，向电极输入两个电压脉冲。这两个脉冲的周期相同,辐度相等，唯电压相反。电路设计中，只采样测量第二脉冲终点时的电流，在此点电导电流服从欧姆定律，不受双电层电容的影响，也不会发生电解，故可准确测量出电导值。它采用8085芯片作为中心处理器(CPU)，通过处理机输入输出部件(PIO)对其他单元进行控制，由CPU时钟分频触发后产生双极脉冲，经整形后送至电导池；电导池返回的信号在第二个脉冲的后沿被采样保持，转换为一个直流信号，此信号与温度测定信号交替送入电压频率变换器，数字信号送至CPU。在进行补偿时，CPU将这个信号处理后，通过D／A(补偿)转换器，送回放大电路，对原信号进行补偿，直至比较输出为"OK"状态。信号输出也是通过V／F变频电路送至CPU，CPU对其处理后通过D／A(输出)变频电路经驱动器输出至数据处理器，其结构见图4.4。


图4.4美国Dionex公司电导检测器示意图
CPU—中心处理器；PIO—处理机输入输出部件；1—双极化脉冲发生器2—整形驱动电路
3—电导池4—放大器5—采样保持器6—比较器7，9—数字／模拟转换器(D／A)8—模拟／数字转换器(A／D)10—驱动器11—前面板12—记录仪
七、四电极或五电极电导仪测量技术
用四电极或五电极电导测量技术，能有效地消除双电层电容和电解效应的影响。图4.5为五电极电导检测器的结构示意图及等效电路。



图4.5五电极式电导检测器
1，4—施加电压电极2，3—测量电极5—屏蔽电极
其结构特点是在流路上设置四个电极。1，4为两个施加电压电极，两极间施加2000～4000Hz的正弦波或方波交流电压，2，3为两个测量电极，在电路设计中维持两测量电极间电压恒定，不受负载电阻、1和2电极间电阻、3和4电极间电阻和双电层电容变化的影响。因此，两测量电极间的电流变化只与溶液的电阻有关，从而控制电路中的电流使之仅随溶液电阻发生变化，再从负载电阻两端取出信号进行放大和显示。第五电极为屏蔽电极，有助于提高测量的稳定性。五电极电导检测器有效地消除了极化和电解效应的影响，在高背景电导下仍能获得极低的噪声水平，非常适于作单柱离子色谱的检测器。
4.2抑制电导检测
抑制电导检测法所用的电导检测器与单柱型离子色谱电导检测器相似，但抑制电导通过了抑制器，使背景电导大大降低。因此它采用的电导检测器相对要求比较低，一般不采用五电极电导检测器，也可以不加温度保护，而抑制电导检测的基础是抑制器反应，它是构成离子色谱的高灵敏度和选择性的重要因素。因此我们在这里主要介绍抑制反应和抑制器。
一、抑制反应
采用淋洗液的抑制和电导检测器的离子交换色谱，即抑制型离子色谱，它是一种利用改变样品离子对固定相的相反电荷离子的亲合力的分离技术，所用淋洗液必须是离子型的水溶液。H. Small创始离子色谱的时候，有几种检测方式可用，其中电导检测器是最吸引人的，因为它对水溶液中的离子具有通用性。然而，正因为它的通用性，作为离子色谱的检测器，它本身就带来一个问题，即对淋洗液有很高的检测信号，这就使得它难以识别淋洗时样品离子所产生的信号。H. Small等人提出了一个简单而巧妙的解决方法，他们选用弱酸的碱金属盐为分离阴离子的淋洗液。当分离阴离子时，使淋洗液通过置于分离柱和检测器之间的一个氢(H+)型强酸性阳离子交换树脂填充柱；分析阳离子时，则通羟基(OH-)型强酸性阴离子交换树脂柱子。这样，阴离子淋洗液中的弱酸盐被质子化生成弱酸，阳离子淋洗液中的强酸被中和生成水，从而使淋洗液本身的电导大大降低。这种柱子称为抑制柱。
在阴离子分离中，最简单的淋洗液是NaOH。淋洗离子OH-从分离柱的阴离子交换位置,置换待测阴离子，当待测阴离子从柱中被洗脱下来进入电导池时，要求能检测出洗脱液中电导的改变。但淋洗液中OH-离子的浓度必须较样品阴离子的浓度大得多才能保持分离柱的线性工作范围。因此，与淋洗液的电导值相比，由于样品离子进入淋洗液中所引起的电导的改变就非常小，其结果是用电导检测器
从抑制柱流出的洗脱液中，淋洗液(NaOH)已被转变成电离很小的水，
因此其电导值也很小；而样品阴离子则变成其相对应的酸。抑制柱反应是一种新型的柱后反应，它同时起了两个非常重要的作用：第一，转变样品阴离子为相对应的酸，而由于H+离子的极限摩尔电导是其他阳离子的7倍，大大提高了所测阴离子的检测灵敏度。第二，将淋洗液离子转变为很弱的酸或水，使其检测灵敏度大大降低。以上两种作用同时改善了信噪比，使阴离子检测得到较高的灵敏度。
在阳离子分离中，也用相似的柱后化学反应，一般用无机酸为淋洗液。淋洗液进入阳离子交换柱之后，进入填充OH-型高容量阴离子交换树脂的抑制柱，抑制柱反应将酸(即淋洗液)转变成中性的水，与此同时，将样品阳离子(C+)转变成其相应的碱：
抑制反应的结果不仅降低了淋洗液的检测灵敏度，而且由于OH-离子的离子极限摩尔电导为一般离子的3倍，因而提高了所测阳离子的检测灵敏度。
使用抑制器可以显著改善强酸／碱离子的信噪比，但是对弱酸／碱而言，抑制器的中性pH值流动相会降低其离子化程度，因此检测灵敏度提高不多，但是由于背景电导的下降，信噪比仍然高于非抑制型电导检测。抑制电导有如下优点：
(1)低检测限。
(2)分析样品的浓度下降(检测稀释样品，可以延长柱子寿命)。
(3)线性范围加大。
(4)使用高浓度流动相，可以进行更宽范围的淋洗液控制，并允许增加样品浓度或进样体积。二、抑制器种类

第四章 离子色谱检测的类型 （3）

1.填充抑制柱
离子色谱中所用的第一代抑制柱是树脂填充抑制柱。所用树脂为中到高交联度的常规强酸型阳离子和强碱型阴离子交换树脂。在抑制过程中，阴离子抑制柱树脂逐渐从H+型变成Na+型，阳离子抑制柱树脂逐渐从OH-型变成Cl-(或NO-3)型。由于抑制柱积累了来自淋洗液中的Na+离子或Cl-离子会逐渐失去抑制能力，需要定期分别用酸或碱进行再生，使其恢复到原来的抑制能力。
填充抑制柱的一个主要问题是再生前的使用时间。用高容量离子交换树脂填充的抑制柱具有较长的使用寿命。
填充抑制柱的另一个主要问题是弱酸阴离子和弱碱阳离子在阴、阳离子抑制柱中的行为。例如，在阴离子抑制柱中，当样品离子Cl-进入H+型抑制柱与抑制柱中H+型树脂接触时即转变成HCl。一般情况下HCl是完全离解的，Cl-会相继通过抑制柱的其余部分，但这只限于抑制柱中树脂颗粒之间的间隙体积。抑制柱树脂具有高的电荷密度，其离子交换位置的负电荷与Cl-离子相同。这就使Cl-离子进入抑制柱时由于受到Donnan排斥的阻碍，不能进入树脂的微孔内。未经转变为HCl的NaCl中的Cl-也是完全离解的，也不能进入树脂的微孔。
现在来讨论弱酸阴离子如NO－2通过抑制柱的行为。当NO－2以NaNO2形式存在时，它与Cl-一样受到Donnan排斥。当NO-2与抑制柱中H+接触时，NO-2就从NaNO2转变成HNO2。因为HNO2是较弱的酸，即使在稀溶液中也有相当大部分HNO2处在不离解状态。未离解的HNO2不受Donnan排斥，不仅能进入抑制柱树脂颗粒之间的间隙体积，也能进入树脂微孔内。随着抑制柱的Na+，H+界面不断向下移动，NO－2进入树脂微孔的程度不断改变，因此得不到好的再现性，甚至无法进行定量分析，解决的办法是减少树脂的微孔。高离子交换容量树脂的微孔体积与交联度成反比，因此可以通过增加抑制柱树脂的交联度来缩小微孔。但另一方面弱电解质在树脂微孔的吸附也与树脂的交联度成正比。因此对抑制柱树脂交联度的选择只能用一个折衷方案(一般为8%～12%)。
填充抑制柱在今天的离子色谱上已经基本不采用，但美国Alttech公司将填充抑制柱改进，将其抑制柱中加入指示剂，使抑制柱可以通过颜色的改变指示其再生情况，而再生时采用电化学方法进行，从而实现自动再生。而更新的DSPlus抑制器，在抑制柱后加入脱气装置，淋洗液经化学抑制后去除CO2，进一步降低背景电导值，可以提高弱电离物质的灵敏度和实现碳酸盐梯度淋洗。
2.纤维抑制器
纤维抑制器是一种新型抑制柱，其功能与树脂填充的抑制柱相同，但通过离子交换纤维膜来进行抑制反应，如图4.6所示。


图4.6纤维抑制器
这种纤维抑制柱是由一根纤维管绕在一个圆柱轴上制成。纤维膜管内填充惰性小珠以减小死体积和增加流动相离子与管壁的接触。对阴离子分离，推荐的再生液是硫酸或磺酸；对阳离子分离，再生液是Ba(OH)2。用重力或气体压力将再生液导入抑制柱。
对阴离子纤维膜抑制器，透过膜壁所发生的反应，纤维管本身是一种离子交换膜，具有磺酸(R-SO-3)阳离子交换基团。当淋洗液(NaHCO3)通过纤维管时，阳离子Na+被库仑力吸引到管壁的离子SO-3基上，同时再生液(H2SO4)中的质子H+也被吸引，并通过下述反应不断消耗H+，使H+透过膜的扩散不断进行
由于H2CO3是很弱的酸，反应趋向于生成H2CO3。为了保持离子平衡，Na+离子就会不断扩散进入流动的再生液中，这种纤维膜类似一个"半透膜"，只允许阳离子通过，不允许阴离子通过。在纤维管壁的反应可分为3个区：
(1)淋洗液进入总消耗区。
(2)抑制反应发生的动态平衡区。
(3)总再生区，淋洗液流出。
平衡一建立，只要有关的参数不改变，就会保持动力学平衡。由于能保持动态平衡，与树脂填充的抑制柱比较，纤维膜抑制器有下述优点：
(1)工作时，纤维管的外部一直是浸在新鲜的再生液中，可自动连续再生，不需要像树脂填
充抑制柱那样，每天用一定时间进行再生。
(2)无填充抑制柱的Donnan排斥现象。填充抑制柱在工作时柱内H+型树脂逐渐转变成Na+型，使H+型的量不断减少，Na+型的量逐渐增加，而纤维抑制器中H+型和Na+型的量处在动态平衡状态。这样，对分析如NO－2之类的弱酸根离子可得到比用填充抑制柱时更好的峰形和再现性，而且提高了灵敏度。
(3)当填充抑制柱逐渐消耗时，水负峰的保留时间逐渐变长，这就造成对F-、Cl-和NO-2定量分析的困难。当用纤维膜抑制器时，水峰在F-峰前出现，使Cl-的定量不受影响。由于纤维膜抑制器存在动力学平衡，负峰的保留时间恒定不变，而且在定量计算时易于选择积分参数。
(4)当用纤维膜抑制器时，所有阴离子的灵敏度均得到提高。这主要是由于纤维膜抑制器的体积小，减少了柱外效应和对谱带的扩散作用。
用纤维膜抑制器时，背景电导取决于淋洗液和再生液的组成和流速。淋洗液的浓度较低时，背景电导也较低；淋洗液浓度相同时，流速增加，背景电导也增加。当淋洗液的浓度较高时，可通过增加再生液的浓度或流速来得到较低的背景 ，但不能超过纤维膜抑制器的容量。
如果淋洗液浓度比较高，就可能很快地使纤维抑制器的容量完全消耗，此时可用更浓的再生液。但若再生液的浓度太高，硫酸根离子就可能穿透"半透膜"，这是由于Donnan排斥力不能阻止高浓度的硫酸根离子透过。为此可用相对分子质量较大的磺酸衍生物，如十二烷基苯磺酸作再生液，这种大分子不会从"半透膜"上"漏"过去，可以使用较高的浓度。
阳离子纤维管抑制器的结构和工作原理与阴离子纤维抑制柱相似。纤维管含有进行阴离子交换的季铵基(N+R4)。工作时，管内淋洗液(HCl)中阴离子Cl-被管壁上的N+R4基吸引，管外再生液Ba(OH)2中的OH-也被N+R4基吸引，并透过管壁进入内部与淋洗液中的H+结合生成水.
为了保持离子的平衡，淋洗液中的Cl-离子透过膜进入再生液，由此进行抑制反应，即将高电导的HCl变成低电导的水，同时将样品离子变成高电导的OH-型。
用纤维膜抑制器时，单位时间内再生液的总摩尔数必须是淋洗液的2倍以上，这可以通过增加再生液的流量或浓度来达到。但当选择再生离子浓度时，还必须考虑来自纤维膜上离子的不完全Donnan排斥。当再生液平衡离子的大小和电荷数最大时，再生液平衡离子受到的Donnan排斥力最大。在阴离子纤维膜抑制器中用H2SO4作再生液较用HCl好，这是因为SO2-4为二价，而Cl-为一价。当再生液的浓度增加时，为了避免再生液平衡离子透过纤维膜，一般采用较大分子的再生液平衡离子为好。因此，若淋洗液浓度较高时，在阴离子抑制柱中用甲苯磺酸或烷基苯磺酸，阳离子抑制柱中用氢氧化四甲基铵。
3.平板微膜抑制器
纤维抑制器的出现，克服了填充抑制器的缺点，但仍受淋洗液的强度和性质的限制。同时，也不能进行梯度淋洗，死体积比较大。经过改进成为平板微膜抑制器，它同时具有树脂填充抑制器的高容量和纤维膜抑制柱能自动连续再生以及保持动态平衡的优点。图4.7为平板微膜抑制器示意图。


图4.7 平板微膜抑制器
与一般抑制反应相同，平板微膜抑制器的抑制作用也是通过酸碱中和反应。淋洗液一般为弱酸的钠盐，其pKa应大于5，再生液通常是无机酸，如硫酸。由于抑制器的洗脱液一般接近中性，即pH6～7，淋洗液的pKa越大，在洗脱液中它的离子型与质化酸型的比值越小，洗脱液的背景电导越低。一个最好的例子是NaOH，它是弱酸(水)的钠盐，pKa=14。抑制器的作用是使淋洗液中的Na+离子与再生液中的H+离子完全反应，由Na＋型转化为H+,由此完成中和反应。
微膜抑制器完成抑制反应的方式与纤维膜抑制器相同。淋洗液中的Na+离子通过强酸型阳离子交换膜与再生液中的H+离子交换。与填充抑制器的树脂比较，膜的离子交换容量很低。这种膜具有对阳离子的可透性并同时具有对阴离子的排斥性，从而为膜两边以相反方向流过的淋洗液和再生液之间提供了一个"桥"或"门"。消耗H+离子形成弱酸的中和反应，对H+离子直接提供了一个推动力，使这些H+离子脱离再生液，通过膜进入淋洗液流动相以中和弱酸淋洗液。为了保持淋洗液、膜和再生液的电中性，等化学计量的Na+离子向反方向流动，即淋洗液到再生液。最后Na+离子被反相流动的再生液带入废液。