主题：离子色谱介绍

l离子色谱（ion chromatography，IC）是由经典的离子交换色谱发展而成的一种液相色谱技术。利用物质在离子交换柱上迁移的差异而达到分离，用于亲水性阴阳离子的测定。
lIC自1975年问世以来，已有了惊人的发展。广泛应用于环境、水文地质、能源、化工冶金、半导体、食品、饮料等领域。也已进入了生命科学有关领域，如氨基酸、核酸、糖类的分析。在超纯分析、价态和形态分析方面，离子色谱法显示出独特的优越性。

l根据分离机理不同，离子色谱的分离方式可分为：
l高效离子色谱（HPIC）–离子交换原理，主要用于分析普通的无机阴、阳离子、羧酸化合物（甲酸、乙酸、酒石酸、草酸等）、碳水化合物、胺类化合物。

l高效离子排斥色谱（HPICE）
–离子排斥原理，主要用于有机酸、氨基酸等分析，以及从有机物中分离无机组分。
l流动相离子色谱（MPIC）
–吸附和离子对的形成原理，主要用于疏水性阴、阳离子以及金属络合物的分离（如Fe(CN)63-，BF4-，SCN-，I-，ClO4-等）

l固定相（离子交换剂）
l是一类带有离子交换功能基的固体微粒，在离子交换反应中，离子交换剂的本体结构不发生明显变化，仅由其带有的离子与外界同电性离子发生等当量数的离子交换。
l应用最广泛的柱填料是由苯乙烯-二乙烯基苯共聚物制得的离子交换树脂。

l离子交换剂的性质
l交换容量—指单位重量或单位体积离子交换剂所能交换某类离子的毫克当量数。由离子交换剂内含有离子交换功能基的浓度来确定。

l亲水性——树脂颗粒与水接触时，水分子进入离子交换树脂骨架内，使树脂颗粒增大，处于溶胀态，有利于外界离子进入树脂内部与骨架上同电性离子发生交换。
    树脂中水的溶胀量与交联度有密切关系，过度溶胀会影响树脂的刚性。所以一般为兼顾溶胀性和刚性，离子交换树脂的交联度在8～16%范围内。


l常用淋洗液
l分离阴离子用的淋洗液——弱酸的碱金属盐或碱溶液。
–例 NaOH，Na2CO3/NaHCO3溶液。
l分离阳离子用的淋洗液——无机酸溶液。
–例  HCl，HNO3溶液。
l分离过渡金属离子常用的淋洗液——添加有机络合剂的淋洗液。
–例  EDTA，酒石酸盐，柠檬酸盐，乳酸盐，a-羟基异丁酸盐等。

l检测器
–通用检测器（总体性能检测器）
    ——对所有离子都有响应。
l例 ：电导检测器
–选择性检测器（溶质专一性检测器）
    ——只对某些离子有响应。
l例 ：紫外-可见检测器，电化学检测器

l电导检测器
将电解质溶液置于施加电场的两个电极间，溶液导电，其电导值（电阻R的倒数）1/R与电极截面积A，两极间距离L和各离子电导的总和∑Cili之间有以下关系：
1/R=1/1000· A/ L ·∑Cili
其中Ci为离子的当量浓度，li为离子的当量电导。

lL/A称为电导池常数K，即
l1/R=1/1000·1/K ·∑Cili
l当K=1时，测得的电导值称为比电导率，其单位为欧姆/厘米或微欧姆/厘米。
l由于离子间的相互作用，离子的当量电导一般随浓度的变化而变化，浓度增大，当量电导下降。在无限稀释情况下，离子的当量电导达到最大值，称为极限当量电导。

l电导池的工作原理
l将电场施加于电解质溶液中的两个电极上时，溶液中阴离子向阳极移动，同时阳离子向阴极移动，电解质中离子的数量和运动速度决定溶液的电阻（电导）。离子的相对迁移率，由其极限当量电导值决定，离子的淌度，即在单位电场的速度，取决于离子的电荷和离子的大小、温度、介质的性质、施加的电压大小、离子的浓度等因素。

l高效离子色谱（HPIC）
–HPIC 的分离机制是离子交换，是离子色谱法的主要分离方式，用于亲水性阴阳离子的测定。根据是否采用抑制柱又可分为抑制型离子色谱和非抑制型离子色谱（单柱离子色谱）。
–离子交换机理
–淋洗液中含有一定量与树脂的离子电荷相反的平衡离子。在离子交换过程中，流动相连续提供平衡离子，与树脂以离子对的形式处于平衡状态，保持体系的电荷平衡。当样品离子进入色谱柱后，就与平衡离子交换，由于样品离子对树脂的亲和力，使样品离子在树脂上有一个短暂的停留，样品离子的亲和力不同，在柱中停留时间不同，迁移速度也不同，经一定时间后达到分离。

l阴离子交换
lA-＋R-N+R3-HCO3-→R-N+R3-A- ＋ HCO3-
l      （淋洗离子）              （淋洗离子）         
l阳离子交换
lM+＋R-SO3--H+ → R-SO3-- M+ ＋ H+
l      （淋洗离子）              （淋洗离子）   

lK是选择性系数， K值越大，样品离子的保留时间越长。其值受多种因素影响。
•影响离子洗脱顺序的因素
•离子电荷——样品离子的价数越高，对离子交换树脂的亲和力越大。
•离子半径——电荷数相同的离子，离子半径越大（易极化），对树脂的亲和力越大，保留时间越长。
  例 卤素的洗脱顺序为：F- → Cl - → Br - →I –
        碱金属的洗脱顺序为：Li+ → Na + → K + → Rb + （铷）→ Cs + （铯）

l淋洗液pH
–淋洗液pH影响多价离子的分配平衡，
–例    提高淋洗液pH，可使磷酸根从一价变为三价。因此在不同pH时，其洗脱的顺序不同。
l树脂种类
–离子交换树脂的交联度、功能基及其亲水性的大小等对离子分离的选择性起了很大作用。
–
l抑制反应和抑制柱
–离子色谱法的基础是抑制柱反应。它是构成离子色谱的高灵敏度和选择性的重要因素，也是选择分离柱、抑制柱和淋洗液时必须考虑的重要因素。
–抑制反应
–在离子色谱中所用淋洗液是离子型水溶液，用电导检测器检测时，淋洗液信号强，掩盖了样品离子产生的信号，即本底高、样品信号小，信噪比小，难以识别样品离子所产生的信号。
lSmall等人提出了一个办法，在分离柱和检测器之间加一个柱子，如果分离阴离子，则加一个H+型强酸性阳离子交换树脂柱；若分析阳离子，则加一个OH-型强碱性阴离子交换树脂柱。这样淋洗液中离子被中和，降低了本底电导值。这种柱称为抑制柱。
l在抑制柱上发生了两个重要的反应：
–淋洗液中碱或酸变成了水；
–被测离子变成了响应的酸或碱。
l抑制柱起了两个重要作用：
–将样品离子转变成响应的酸碱后，检测灵敏度大大提高。
–将淋洗液转变成水或很弱的酸，使本底大大降低。
–以上两个作用同时改善了信噪比，提高了检测灵敏度。

l例 用NaHCO3作为淋洗液，测定Cl-，从分析柱出来的溶液含有NaCl和NaHCO3。如果不经抑制柱，直接进入电导池，测得的总电导为：
–样品 NaCl ：50+76=126
–淋洗液 NaHCO3 ： 50+45=95
l经抑制柱处理后，进入检测器的是HCl和H2CO3，其电导值为：
–样品  HCl：350+76=426
–淋洗液  弱酸（要求pKa﹥6） 电离有限，电导很低。

l若用NaOH为淋洗液，则抑制前
–淋洗液NaOH：50+198=248
–样品 NaCl ：50+76=126
l抑制后
–淋洗液NaOH →H2O，电导由248 →0
–样品 NaCl →HCl，电导由126 →426
l抑制柱——自动再生抑制柱采用电解流出液中的水分子进行自动再生，使操作大大简化。
lHCO3- /CO32- 是最通用的淋洗液，也称阴离子标准淋洗液，可同时淋洗一价和多价阴离子，通过改变两者比例、浓度，可改变淋洗液的pH值、选择性和淋洗速度。
lNaOH和Na2B4O7用于弱保留离子的分离，就抑制柱反应而论， NaOH是最理想的淋洗液，抑制柱反应产物是水。但其洗脱能力弱，一般加到其它淋洗液中以改变淋洗液的选择性。
l甘氨酸、3-对羟基丙氨酸、硅酸盐、对氰酚是较新的淋洗液。


l阴离子有两种基本的淋洗液
–HCl用于淋洗一价阳离子， HCl/间苯二胺用于淋洗碱土金属离子。
–甲磺酸（CH3·SO3H）作淋洗液，可同时分离碱金属和碱土金属。

l非抑制型离子色谱（单柱离子色谱）l特点：
–用低容量大孔型阴离子交换树脂为填料
–选用低电导的淋洗液，如苯甲酸盐，邻苯二甲酸盐（分离阴离子），二乙胺盐（分离阳离子）
–样品峰有正、负，
–可测定过渡元素和稀土元素，
–灵敏度较差
l高效离子排斥色谱（HPICE）
l该法是利用Donnan排斥效应而建立起来的一种离子色谱技术。
l所谓Donnan排斥是指树脂的离子交换位置上的电荷与被测离子相同，使被测离子进入树脂微孔时受到阻碍，只能从树脂颗粒间隙间通过。

l例如在阴离子的HPICE中，采用H型高容量阳离子交换树脂，样品阴离子受到Donnan排斥，不能进入树脂微孔，不被保留。而非离子型组分则不受Donnan排斥，可进入树脂孔而被保留。
l其分离原理是基于溶质进入树脂微孔的扩散能力。改变溶质的解离度可改变其保留时间。
–
l流动相离子色谱（MPIC）
–本法采用疏水性固定相（中性无离子交换功能基的聚苯乙烯大孔树脂），含有离子对试剂的亲水性流动相和抑制型电导检测器。用于分离疏水性的阴阳离子。
–离子的保留机制——表面活性分子的疏水性部分被吸附在树脂的表面上，而其亲水性的一端则朝向极性的流动相。

l过渡金属和重金属的离子色谱分析
–过渡金属离子对阳离子交换树脂有较强的亲和力。需要用高离子强度的淋洗液进行洗脱。由于这些离子能与OH-离子形成不溶性的金属氢氧化物，故不能用抑制型电导检测器进