摘要：多孔石墨碳柱有独特的性质，不仅可耐受pH值0-14的流动相体系，而且耐高温，同时具有很高的机械强度，不易因淋洗液极性改变而发生溶胀或收缩，稳定性较聚合物及硅胶基质更好。本文基于多孔石墨化碳（porous graphitized carbon，PGC）可用于极性物质和离子化合物分离的特点，以Thermo Hypercarb多孔石墨碳柱作为分析柱，选择了两种常见试剂，即四丙基氢氧化铵（TPAOH）和四丁基氢氧化铵（TBAOH）作为添加剂，分别在不同淋洗液体系（碳酸盐和氢氧根体系）下探究其对水中常见7种阴离子（F^-、Cl^-、Br^-、NO₂^-、NO₃^-、SO₄^2-、PO₄^3-）保留效果的影响，同时考察了具有立体构型的N,N,N-三甲基-1-金刚烷基氢氧化铵（N,N,N-TMAdOH）的引入对阴离子在PGC柱上的保留影响。尝试建立一种新型离子色谱分析体系，并探究新体系的分离机理。实验结果表明PGC柱-改性剂体系下，七种无机阴离子在PGC柱上得以分离的机理属于动态复合离子交换模型，改性剂在流动相中会与阴离子结合生成络合物，同时改性剂疏水的一端吸附于多孔石墨化碳表面，而另一端与阴离子结合形成络合物，三种添加剂的拟合结果表明，其R²值基本可达0.99以上。该模型是一种不同于传统离子交换或是离子对色谱的分离模式。通过选择合适的淋洗液及改性剂，可用于PGC柱上实现多种常见阴离子的分离，建立了一种全新的离子色谱体系。

关键词：多孔石墨碳柱；阴离子；淋洗液改性剂；离子色谱

前言

离子色谱（Ion Chromatography，IC）广义上看，是作为液相色谱的一个分支，从狭义看讲，可作为一个独立的色谱分支，与液相色谱并列。而从本质上看，离子色谱是液相色谱中离子交换色谱的特殊形式。对于离子交换色谱，各交换物质并没有限制，而对于经典的离子色谱，则要求淋洗液与交换基团交换后生成的是低背景电导的物质，例如碳酸或水，这个过程往往借助专用的抑制器来实现。因此能用于抑制型离子色谱的淋洗液体系相对有限，在阴离子抑制体系中，目前仅有碳酸盐、氢氧根以及硼酸盐三大体系。其它类型难以实现。

离子色谱中常用的固定相基质有聚合物基质、硅胶基质以及极少涉及的碳质填料等等。硅胶基质色谱柱的理论塔板数高达15000-20000，具有超高的色谱效率^[1]，但一般只能在pH值2-8范围内使用，而聚合物基质在pH值8以上，甚至极端的pH值条件下也很稳定。多孔石墨碳（porous graphiticcarbon，PGC）材料同聚合物基质一样，可在pH值0-14范围内耐受，并耐高温。PGC柱填料为100%多孔石墨化碳，其表面光滑平坦，有着不同于反相液相色谱硅胶键合相及离子色谱柱上的离子交换树脂所观察到的保留机制，对极性化合物^[2]具有相当的保留作用。在水性流动相中，离子型化合物（阴离子型化合物^[3^-⁵^]和阳离子型化合物^[6]）在PGC上也有一定保留。当利用PGC柱对无机离子或未衍生化的氨基酸进行分离分析时，在某些情况下需在流动相中添加离子对试剂^[7,^8]。Nagashima等人^[9-11]在自主研发制备的特殊石墨碳柱上，利用改性剂与乙腈相结合实现了F^-、Cl^-、NO₂^-、Br^-、NO₃^-、SO₄^2-、HPO₄^2-及I^-8种阴离子的分离，配有化学抑制器及电导检测器进行检测，其中乙腈主要起到缩短保留时间、改善峰形的作用；随后对碱金属离子在PGC柱上的保留进行研究，使用四苯基硼酸钠作为添加剂，五种碱金属离子（Li⁺、Na⁺、K⁺、Rb⁺、Cs⁺）得到的较好的保留，但分离效果较差^[12]。Elfakir等人^[13]证明了在水基流动相中加入挥发性电子作用添加剂（甲酸、乙酸或三氟乙酸）可以在PGC柱上分离无机阴离子（F^?、H₂PO₄^?、Cl^?、IO₃^?、IO₄^?、Br^?、BrO₃^?、SO₄^2?、ClO₃^?、NO₃^?、I^?和ClO₄^?），利用蒸发光散射检测器进行测定，但存在灵敏度偏低的问题，加入吡啶可以提高检测器的响应。他们认为该保留是由于溶质的孤对电子与PGC的π电子之间的电子相互作用所引起的。

PGC柱对于分析物的保留作用大多集中于疏水作用及电子间作用等，但同时流动相的组成容易影响待测物的电离状态和PGC的极化表面，从而导致PGC对待测物保留作用的强度变化^[14]。本课题组在对PGC柱分离无机阴离子方面进行过一定探究，贺伟^[15]对PGC柱进行酸碱活化，但长时间淋洗后，柱效发生急剧下降。马浩^[16]则先利用十六烷基三甲基铵对PGC柱进行涂覆，再进行“老化”处理，可使柱效稳定性大幅提升。黄彩勇^[17]选择带有芳香基团的氯化十六烷基吡啶作为涂覆液，并用高浓度淋洗液进行“老化”处理，可使PGC柱在碳酸盐淋洗液下柱效稳定，他们三个采用碳酸钠（NaOH）作为淋洗液，抑制电导检测，与常规的抑制型离子色谱模式一致，与离子色谱仪兼容性好，可实现典型7种无机阴离子的分离。赵晓含^[18]利用离子对试剂在PGC柱上的吸附作用，通过在淋洗液中添加改性剂（离子对试剂）的方式增强I^-在PGC柱上的保留。

值得一提的是，贺伟和马浩等的淋洗液体系仅有碳酸钠（氢氧化钠），而赵晓含则在淋洗液中进一步添加了流动相改性剂，可在PGC柱上分析I^-。为实现无涂覆PGC柱上更多常见无机阴离子的分离，本文设计了双组份的淋洗液体系（洗脱剂+改性剂（交换基团）），其中Na₂CO₃/NaOH作为洗脱剂起到洗脱效果，同时还能维持pH环境为强碱性，流动相改性剂需在碱性条件下才能发挥其离子交换的功能，吸附于PGC表面，实现对阴离子的保留效果，这也是PGC柱区别于传统C18柱的地方，C18柱不耐碱，即使在该淋洗液体系下也无法分离多种阴离子。此外，本文还选择了未曾报道的具有立体构型的金刚烷胺作为新型改性剂进行探究，利用不同种类的改性剂在不同流动相体系下探究水中常见七种无机阴离子（F^?、Cl^?、Br^?、NO₂^?、NO₃^?、SO₄^2?和PO₄^3?）在PGC柱上的保留效果，并以此探讨阴离子在PGC柱上的保留机理。目的是以PGC柱为分离柱，通过添加不同的淋洗液改性剂来改变阴离子在PGC柱上的保留，建立一种新型离子色谱分离体系。

1 实验部分

1.1 仪器、试剂与材料

ICS 5000+双系统离子色谱仪，配电导检测器（美国ThermoFisher公司）；Millipore-QA10超纯水机（美国Millipore公司）；100-1000 μL移液枪（北京大龙公司）。

无水碳酸钠（优级纯，上海aladdin生化科技公司）；50%氢氧化钠（电子级，德国Merck公司）；水中F^-、Cl^-、NO₂^-、Br^-、NO₃^-、SO₄^2-、PO₄^3-标准溶液（100 mg/L)（上海计量测试技术研究院）；四丙基氢氧化铵（TPAOH，10%水溶液，色谱纯，日本TCI公司）；四丁基氢氧化铵（TBAOH，40%水溶液，北京伊诺凯科技有限公司）；N,N,N-三甲基-1-金刚烷基氢氧化铵（25%水溶液，N,N,N-TMAdOH，Alfa Aesar 公司）。

1.2色谱条件

色谱柱：Hypercarb^TM多孔石墨碳柱（4.6í100mm，5 μm），（美国ThermoFisher公司）；柱温：30℃；流速：1 mL/min；进样量：25 μL；检测器：抑制电导检测器；阴离子抑制器，AERS 500（4mm），（美国ThermoFisher公司）；淋洗液：具体见下文。

2 结果与讨论

2.1 改性剂（离子对试剂）的选择

为探究不同体系下不同添加剂对水中常见7种阴离子（F^-、Cl^-、NO₂^-、Br^-、NO₃^-、SO₄^2-、PO₄^3-）在PGC柱上的保留影响，采用离子色谱-抑制电导模式，在常用的两种体系（碳酸盐体系和氢氧根体系）上结合改性剂进行研究。前期赵晓含^[18]在探究I^-在PGC柱上的保留情况时，采用了四甲基氢氧化铵（Tetramethylammonium hydroxide，TMAOH）、四乙基氢氧化铵（Tetraethylammoniumhydroxide，TEAOH）、四丙基氢氧化铵（Tetrapropylammonium hydroxide，TPAOH）和四丁基氢氧化铵（Tetrabutylammonium hydroxide，TBAOH）四种试剂进行探究，结果表明后两种对于增强I^-在PGC柱上的保留效果更为显著，TPAOH和TBAOH这两种改性剂的区别在于碳链长度不同，故选择此两种试剂来探究水中7种阴离子在PGC柱上保留受淋洗液改性剂的影响变化。

此外考虑引入环状结构的改性剂探究其对7种阴离子在PGC上的保留影响，为保证电导检测器背景值处于稳定状态，需要选择强碱型试剂。考虑N,N,N-三甲基金刚烷-1-氢氧化铵（N,N,N-Trimethyl-1-ammonium adamantane，N,N,N-TMAdOH）和环己基三甲基氢氧化铵这两种带有环状基团的试剂，但后者并无商品化在售试剂，只能先选择N,N,N-TMAdOH进行实验探究。

图1 添加剂结构式:(a) 四丙基氢氧化铵；(b) 四丁基氢氧化铵；(c) N,N,N-三甲基-1-金刚烷基氢氧化铵；(d) 环己基三甲基氢氧化铵

2.2不同体系下不同添加剂对阴离子保留的影响

2.2.1 不同 Na₂CO₃浓度体系下添加改性剂

在30 ℃柱温及1mL/min流速的条件下，分别考察了1.0、1.5、2.0mmol/L Na₂CO₃为背景添加改性剂的影响。首先选择TBAOH试剂，在三种不同的Na₂CO₃浓度体系下，考察其浓度不同时7中阴离子的保留情况。随着碳酸钠的浓度降低，7种阴离子的峰面积、峰高和理论塔板数均降低，即各峰检测灵敏度随碳酸钠浓度升高、流动相的洗脱能力增强而增大；因此就碳酸钠体系而言，以2.0 mmol/L Na₂CO₃作为淋洗液较为合适。

在该浓度碳酸钠体系下，结果表明，TBAOH对一价离子的保留作用较弱，对二、三价离子保留作用明显，这是由离子电荷及半径导致的，当添加到流动相中的TBAOH浓度为0.18mmol/L时，7种阴离子的分离度较好，此后随着离子对试剂TBAOH浓度不断增加，各色谱峰的分离度均在1.5以上。

图 2 2 mmol/L Na₂CO₃和不同浓度TBAOH下的7种阴离子色谱图

图 3 2mmol/L Na₂CO₃和不同浓度TBAOH下的7种阴离子保留因子图

其次分别在1.0、2.0mmol/L Na₂CO₃背景下，以不同浓度的TPAOH试剂考察7种阴离子的保留情况。结果表明，同样随着碳酸钠浓度下降，阴离子保留时间延长。并且在使用浓度上TPAOH比TBAOH要高接近一个数量级才能使7种阴离子获得较好的分离度。由图2可知，这些阴离子均在10 min前出峰，但Br^-和NO₂^-分离度差强人意，可见TPAOH- Na₂CO₃淋洗液体系在PGC柱上分离7种阴离子能力较TBAOH弱。

图 4 2 mmol/L Na₂CO₃和不同浓度TPAOH下的7种阴离子色谱图

图 5 2mmol/L Na₂CO₃和不同浓度TPAOH下的7种阴离子保留因子图

2.2.2 不同 NaOH浓度体系下添加改性剂

同样在柱温30 ℃及流速1mL/min的条件下，改变NaOH淋洗液浓度，选择10mmol/L和20mmol/L为背景添加改性剂。首先选择TBAOH，考察其不同浓度下7种阴离子的保留情况。由于在淋洗液中起洗脱作用的氢氧化钠浓度降低，阴离子的保留时间相应延长，尤其PO₄^3-的保留愈加强烈，峰形更加矮胖，故取20mmol/L的NaOH体系下的结果进一步探究。

结果表明，氢氧根体系下7种阴离子受TBAOH保留作用影响更大，当添加TBAOH浓度在0.09 mmol/L时，7种阴离子均得到较好的分离，除PO₄^3-外的6种阴离子均在10min前出峰，色谱峰峰形较尖锐（见图6）。由于PO₄^3-在氢氧根体系下是以完全三价的形式存在的，使得TBAOH对其保留作用更明显。

图 6 20mmol/L NaOH和不同浓度TBAOH下的7种阴离子色谱图

图 7 20mmol/L NaOH和不同浓度TBAOH下的6种阴离子保留因子图

同样选择在10 mmol/L和20mmol/L的NaOH体系下添加TPAOH进行探究，在低浓度NaOH淋洗时也出现了PO₄^3-保留时间过长的问题，因此以20 mmol/LNaOH淋洗的结果进行探讨。发现TPAOH对7种阴离子的保留作用相较于TBAOH体系更加明显，在添加低浓度TPAOH后，Br^-先于NO₂^-出峰，随着TPAOH浓度逐渐提高，除Br^-和NO₂^-趋于共淋洗外，NO₃^-和SO₄^2-也趋于共淋洗，这可能与离子对试剂碳链缩短及PGC柱的独特分离机理有关。

图 8 20mmol/L NaOH和不同浓度TPAOH下的7种阴离子色谱图

图 9 20mmol/L NaOH和不同浓度TPAOH下的7种阴离子保留因子图

2.2.3 1mmol/L Na₂CO₃下添加金刚烷胺

鉴于氢氧根洗脱能力弱于碳酸根，且PGC柱结合改性剂在碳酸盐体系下能获得较好的色谱峰型及合适的保留时间，故选择在Na₂CO₃体系下进行。由于N,N,N-TMAdOH同时具有立体构型和类似的平面结构，能与PGC发生平面的吸附作用，分别选择在不同浓度Na₂CO₃体系下，考察N,N,N-TMAdOH对7种阴离子在PGC柱上保留作用的影响。结果表明保持1.0 mmol/L Na₂CO₃为背景时可获得较好的分离效果，七种阴离子在7 min前全部流出且色谱峰峰形良好，噪音平稳，N,N,N-TMAdOH对7种阴离子的保留作用介于TBAOH和TPAOH之间，说明金刚烷基这一立体结构的引入是有利的，可以增强7种阴离子的保留。

图 10 1mmol/L Na₂CO₃和不同浓度N,N,N-TMAdOH下的7种阴离子色谱图

图 11 1mmol/L Na₂CO₃和不同浓度N,N,N-TMAdOH下的7种阴离子保留因子图

2.3 保留机理的探讨

鉴于PGC柱与传统C18柱存在诸多不同之处，其分离机理难以用一般理论进行解释，为探究PGC柱的交换机理，本文参考邹汉法^[19]等人的专著中给出的几种计量模型，包括动态离子交换模型、离子对模型以及动态复合离子交换模型，对PGC柱可能的分离模式进行探讨。

动态复合离子交换模型可以看成前两种假设模型的复合。假设添加改性剂后七种阴离子在PGC柱上遵循的是动态复合离子交换模型，则意味着七种阴离子作为溶质与流动相中的改性剂形成络合物A_MB并与已吸附在多孔石墨碳固定相表面的改性剂再形成络合物A_MBA_S，这一复合并吸脱附过程（动态复合离子交换）最终达到动态可逆平衡。

图 12 动态复合离子交换物理模型

公式推导过程如下：

无机离子作为溶质在流动相中与改性剂形成络合物并到达动态平衡：

表1 Na₂CO₃体系下不同添加剂的动态复合离子交换模型拟合结果

计算结果表明，前两者的模型并不符合PGC柱-改性剂体系下的分离机理，而由动态符合离子交换模型的拟合数据可以看出，TBAOH体系下，除淋洗液改性剂保留较弱的F^-和Cl^-外，其他离子的拟合曲线R²值在0.999以上，其中二、三价离子拟合曲线R²值可达0.9999；在TPAOH及N,N,N-TMAdOH两种改性剂体系下，各离子拟合曲线R²值则与TBAOH体系的相反，但基本均在0.99以上，可见该模型是较为符合的。

基于PGC-改性剂体系，探究了PGC柱对于无机离子的分离机理，是一种动态符合离子交换模型的表现。添加到淋洗液中的改性剂具有疏水性的长碳链一端，同平坦的多孔石墨化碳表面产生吸附作用，另一端则与离子发生离子交换作用，进而在表面形成一个动态平衡且相对稳定的离子交换层。由于改性剂的碳链长度及立体构型存在差异，故在拟合结果中吻合程度不同。尽管该模式下其离子交换容量相较于传统离子交换柱的交换容量要低，但在无机离子的分离过程中，改性剂的疏水碳链部分起到了类似于有机相的作用，能够改变流动相的离子强度以及待分析离子的水合度，从而影响离子与改性剂的交换能力，达到改善分离的效果。就固定相而言，改性剂分别起到了反相疏水性和离子交换作用；就淋洗液而言，改性剂又起到了有机调节剂以及同无机离子结合形成离子对的效果。此种分离模式需在等度淋洗的条件下进行，梯度淋洗难以达到此等效果，是不同于一般的离子对或离子交换色谱机理的特殊机理模型。

3 结论

考察了在双组份淋洗液中，不同的洗脱剂和淋洗液改性剂组合对阴离子在PGC柱上的保留效果的影响，就洗脱剂而言，Na₂CO₃比NaOH和NaHCO₃更适合作为PGC柱-改性剂体系的淋洗液背景，原因在于，二价Na₂CO₃的洗脱能力强于一价的NaOH和NaHCO₃，尤其是对高价离子的洗脱，既能有较缩短7种阴离子的出峰时间，也能改善色谱峰型。在两种常见离子对试剂TBAOH、TPAOH以及一种新型添加剂N,N,N-TMAdOH中，其保留效果强度由强到弱的顺序依次是TBAOH＞N,N,N-TMAdOH＞TPAOH。

在PGC柱-改性剂体系中，七种无机阴离子在PGC柱上得以分离的机理属于动态复合交换模型，该模型是一种不同于传统离子交换或是离子对色谱的分离模式，将改性剂添加到淋洗液中，其疏水的碳链一端吸附于平坦的多孔石墨化碳表面，而另一端作为交换基团同无机离子发生离子交换，形成动态平衡的离子交换层。本文通过选择合适的淋洗液组合，将其用于PGC柱上实现多种常见阴离子的分离，建立一种全新的离子色谱体系。

参考文献：

[1] Matsushita S, TadaY, Baba N, et al. J Chromatogr A, 1983, 259:459

[2] Fu C M, Liu S K, LiZ W. Chinese Journal of Chromatography, 2007, 25(6):834

付春梅, 刘三康, 李章万. 色谱, 2007, 25(6):834

[3] Dauthieu M, Bueno M,Darrouzes J, et al. J Chromatogr A, 2006, 1114(1):34

[4] Chanbers S D, Lucy C A.J Chromatogr A,2007, 1176(1-2):178

[5] Cummins J, Hull J,Kitts K, et al. Anal Methods-UK, 2011, 3(7):1682

[6] Pyrzynska K. AnalSci, 2007, 23(6):631

[7] Chaimbault P, Petritis K, Elfakir C, et al. J Chromatogr A, 2000, 870(1):245

[8] Desportes C, Charpentier M, Duteurtre B, et al. J Chromatogr A, 2000,893(2):281

[9] Nagashima H, Okamoto T. Bunseki Kagaku, 1995, 44(2):105

[10] Okamoto T, Isozaki A, Nagashima H. Bunseki Kagaku, 1996, 45(9):865

[11] Okamoto T, Isozaki A, Nagashima H. J Chromatogr A, 1998, 800(2):239

[12] Okamoto T, Takayama K, Ikeda M, et al. Bunseki Kagaku, 1998, 47(7):389

[13] Elfakir C, Chaimbault P, Dreux M. J Chromatogr A, 1998, 829(1):193

[14] Bapiro T E, Richards F M, Jodrell D L.Anal Chem, 2016, 88(12):6190

[15] He W. ［MS Dissertation］. Shanghai: EastChina University of Science and Technology, 2013

贺伟.［硕士学位论文］.上海: 华东理工大学, 2013

[16] Ma H. ［MS Dissertation］. Shanghai: East China University of Science and Technology, 2014

马浩.［硕士学位论文］.上海: 华东理工大学, 2014.

[17] Huang C Y. ［MS Dissertation］. Shanghai: East China University of Science and Technology, 2015

黄彩勇.［硕士学位论文］.上海: 华东理工大学, 2015.

[18] Zhao X H. ［MS Dissertation］. Shanghai: EastChina University of Science and Technology, 2021

赵晓含.［硕士学位论文］.上海: 华东理工大学, 2021.

[19] Zou H F, Zhang Y K, Lu P Z. Ion Pair High Performance LiquidChromatography. Henan: Henan Science and Technology Press, 1994

邹汉法，张玉奎，卢佩章. 离子对高校液相色谱法. 1版. 河南: 河南科学技术出版社,1994