主题：离子色谱基本原理

第一章离子色谱简介
1.1色谱的发展历史
色谱(chromatography)是一种分离的技术,随着现代化学技术的发展应运而生20世纪初在俄国的波兰植物化学家茨维特(Twseet)首先将植物提取物放入装有碳酸钙的玻璃管中植物提取液由于在碳酸钙中的流速不同分布不同因此在玻璃管中呈现出不同的颜色这样就可以对各种不同的植物提取液进行有效的成分分离到1907年茨维特的论文用俄文公开发表他把这种方法命名为chromatography,即中文的色谱这就是现代色谱这一名词的来源但由于茨维特当时没有知名度而且能看懂俄文的人也不多加之很快爆发了第一次世界大战茨维特的分离方法一直被束之高阁
20世纪20年代许多植物化学家开始采用色谱方法对植物提取物进行分离色谱方法才被广泛地应用自20世纪40年代以来以Martin为首的化学家建立了一整套色谱的基础理论使色谱分析方法从传统的经验方法总结归纳为一种理论方法马丁等人还建立了气相色谱仪器使色谱技术从分离方法转化为分析方法20世纪50年代以后由于战后重建和经济发展的需要化学工业特别是石油化工得到广泛的发展亟需建立快速方便有效的石化成分分析而石化成分十分复杂结构十分相似且多数成分熔点又比较低气相色谱正好吻合石化成分分析的要求效果十分明显有效同样石化工业的发展也使色谱技术特别是气相色谱得到广泛的应用气相色谱的仪器也不断得到改进和完善气相色谱逐渐成为一种工业分析必不可少的手段和工具20世纪60年代气相色谱分析法逐渐趋于成熟但20世纪60年代以来生物技术飞速发展生物成分复杂相对分子质量大而且熔点沸点高在高温条件下易分解因此用气相色谱作为分析方法已经不能满足对生物成分分析测试的要求于是人们就重新考虑采用液相色谱并进一步提高传统的液相色谱的分离效率因此液相色谱成为一种分析工具即高效液相色谱(HPLC)与传统液相色谱不同的是高效液相色谱采用了高压泵及填有很细的颗粒高效色谱柱可以对许多成分进行高效分离和分析由于高效液相色谱通常采用紫外可见光度检测而大多数有机化合物均有紫外可见吸收因此高效液相色谱可以对大量有机化合物进行分析它在生物科学中得到广泛的应用特别是对高沸点高熔点20世纪70年代以后国际上不论是气相色谱还是高效液相色谱均成为各行各业必不可少的分析工具广泛应用于各个生产研究领域20世纪80年代以后我国也大规模采用气相色谱和高效液相色谱随着环境科学的发展不仅需要对大量有机物质进行分离和检测而且也要求对大量无机离子进行分离和分析1975年美国Dow化学公司的H.Small等人首先提出了离子交换分离抑制电导检测分析思维即提出了离子色谱这一概念离子色谱概念一经提出便立即被商品化产业化由Dow公司组建的Dionex公司最早生产离子色谱并申请了专利我国从20世纪80年代开始引进离子色谱仪器在我国八五九五科技攻关项目中均列有离子色谱国产化的项目对其进行了重点技术攻关对离子色谱技术的高度重视使离子色谱目前有了中国产品20世纪80年代以后一种新型的色谱技术毛细管电泳技术随之出现毛细管电泳分离效率高取样量少与传统的色谱分析相比更为优越这些优点使毛细管电泳的研究成为色谱技术又一新的热点而20世纪90年代以来以毛细管电泳为基础的微分析芯片又将分析科学带入一个全新的领域
色谱技术作为一种成熟的分析方法广泛应用于世界各国的生产研究领域当前在国外不论是气相色谱还是高效液相色谱离子色谱毛细管电泳均是各行各业分析测试的首选工具特别是作为科学研究中的色谱技术更是一种必不可少的分析方法我国这几年的色谱技术也有了长足的进展但由于经费仪器设备等问题的制约色谱在我国还没有像发达国家那样得到广泛应用(除了气相色谱技术之外)因此在我国色谱技术还有进一步开发利用的广阔前景
1.2色谱的分类
色谱的分类有多种主要按两相的状态及应用领域的不同可分为两大类
1.按应用领域不同分类
制备色谱
半制备色谱
色谱分析
2.以流动相和固定相的状态分类
气相色谱气固色谱气液色谱
液相色谱液固色谱液液色谱
超临界色谱
毛细管电泳
而许多分类均是兼顾色谱类型和色谱仪器应用的广泛性而言的如Journal of Chromatography Science它每年列出全世界主要色谱仪器和供应商各类仪器的特点和组成等从上述各类分类情况看离子色谱本身是液相色谱的一个大类但由于离子色谱的广泛应用已逐渐成为一个独立的大类尽管离子色谱1975年才诞生但国际上一些主要的文献如美国化学文摘(CA)英国分析化学文摘(AA)等从20世纪80年代开始均将离子色谱单独分类成为与高效液相色谱气相色谱和毛细管电泳并列的色谱类型这说明在色谱领域中离子色谱具有重要的地位
1.3离子色谱的诞生
我们很早就知道离子交换色谱可以对许多物质进行分离如阳离子交换树脂可以分离阳离子而阴离子交换树脂可以分离阴离子离子交换色谱是高效液相色谱分离的一种方法但传统的高效液相色谱分析方法主要采用紫外及可见光检测器大多数有机化合物有足够的共轭双键具备一定的紫外吸收因此高效液相色谱可以对大多数有机化合物进行分析对于大多数无机离子虽然可以用离子交换色谱分离但是由于没有紫外吸收和合适的检测手段使之无法用高效液相色谱(HPLC)进行分析前面已经提到离子色谱最早是在1975年由美国Dow化学公司的H.Small等人首先提出的离子色谱与传统的HPLC方法不同点在于检测原理我们知道对于大多数电离物质在溶液中电离产生电导通过对它们的电导检测就可以对它的电离程度进行分析由于在稀溶液中大多数电离物质完全电离因此可以通过电导检测被测物质的含量所以电导率的测定已经成为一种十分有用的水溶液分析工具能否采用电导作为色谱检测的工具呢?以前也有人进行了大量的尝试但问题尚未得到最后解决传统的水溶液中阴离子和阳离子的定性和定量分析往往对不同离子需要采用不同的方法而样品基体对测定会产生干扰影响测定因此痕量的性质相似的离子测定往往是十分困难的在分离离子态物质时可以采用离子交换树脂例如用树脂去除离子态的不纯将其浓缩成一种或多种物质并催化化学反应和分离不同离子对于离子的分离有大量的离子交换树脂分离方案但却没有出现相关的商品化仪器仪器在线的检测器可以提供快速重复性的分析这在离子色谱诞生前就已经出现而液相色谱中采用的检测器对离子色谱却不太适合如光度检测器是高效液相色谱中最常用的检测器它可以测定在一定波长有吸收的物质而采用的淋洗液必须是在此波长下没有任何吸收但大多数常见离子只有在低波长条件下才能吸收将这些物质转化为有光度吸收的物质需要一定的试剂反应条件和特定的分析波长这方面典型的例子就是氨基酸分析采用茚三酮(ninhydrin)和邻苯二醛(o-phthaldehyde)发色后进行吸光光度或荧光检测折光指数检测器难以对痕量离子进行高灵敏的检测而电化学检测需要离子态物质具有易氧化或还原性质它只有在特定的情况下才可以采用由于在溶液中不同离子都不同程度地表现出一定的电导所以离子色谱通用检测器可以电导检测器为基础但关键问题是不仅被测离子具有电导而且一般淋洗液本身是一种电离物质具有很强的电离度因此采用电导检测时被测离子的电导会被湮没在淋洗液电导之中以致无法对低含量被测离子进行检测为了减少高背景电导问题当时在Dow公司的W.Bauman博士提出了很关键的设想在分离柱后串联第二种树脂以减少背景电导即在一根色谱柱中一大半填入低交换容量含有磺酸基的苯乙烯二乙烯苯聚合物作为分离树脂而小部分大交换容量的季铵盐的苯乙烯二乙烯苯聚合物树脂填入色谱柱的下半部分作为抑制树脂它可以很好地分离钠离子和钾离子这一系统的关键是将高电导的HCl转化成低电导的水当色谱柱的抑制树脂中的氢离子逐步转化成氯离子后这种双功能色谱柱就不再有抑制HCl的功能而且抑制树脂从氯离子型再生成氢离子型也比较困难
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