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。