离子色谱简介与原理
1.1色谱的发展历史 L{)t(H>O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。 R-OO1~W= "k} R8j/i6{N5ry
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、易分解物质的分析具有气相色谱不可替代的作用。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。 ~$j;@ 4
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。 _29 wQn@ ] d6e+fiG
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1.2色谱的分类 JEWc{)4QD
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。 W(4 $.uZ)
1.按应用领域不同分类 Y` 4 LMK[]
制备色谱 0rI/ $ s+vv8H jxo
半制备色谱 )s, t BU+N
色谱分析 I_Gz~qk6
2.以流动相和固定相的状态分类 yZgWFf.X hz0^+d d]L,OI4EN
气相色谱：气固色谱；气液色谱 'kY/=*=Q
液相色谱：液固色谱；液液色谱 ePJ_O~c
超临界色谱 5G(dvM-n
毛细管电泳 FBB<1({A
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。 C,$o+q*)W9 1M'B$@-j/LF6B G ~
1.3 离子色谱的诞生 vxC];nCC# o t w;Q(e#[@
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。 d4^x,hzV M p vD8] G+a1Du }
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。 39 zfbxX (I&b+Vb+u9R;r9v$o
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。 oe|;>0yf
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。 Z4As'al
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。 r nr-wUW@
1.4离子色谱的分离类型 fKr_u<|
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。 Db*b "/]
一、离子交换色谱 glU9A39qx?
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。 X@tA+ Z I R&QBC
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。 IZLCwaW
二、离子对色谱 - ry ;][ub-W/~ Mv+z SV
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。 CALD7qMK #Q Y2OT,{ F#a
三、离子排斥色谱 dz/fSA /GU:n,cF+k/wd
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。 |IzL4>m:;
1.5离子色谱的检测方法 MMET^SO
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。 tK{#kApHGG
一、抑制电导检测法 z@\mn 3t#f0k9i9MF{V
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。 2|RoN)% vF j_H t0o"D!L
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。 LCA+y1LP-_
二、直接电导检测法 !J<0.nO/:
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。 7^! zT
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。 qy KR]%yzi
三、紫外吸收光度法 o::9M_;
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 knV*,
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。 Zj ^e8u=T
五、电化学法 +C SR! 4S VY7L vT m
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 if\`M'3Xx %}"jU%`7B'N q~
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。 *L*{FnsV
六、与元素选择性检测器联用法 ObreDv^, !y4T mP:\0mR\)k
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。 {dE(.Z?]!# 9jCA G(I$s A b
1.6离子色谱的新进展 <)sL 8G9Y
一、新型电化学技术在离子色谱中的应用 jMS>B)'TO
当前，离子色谱发展的一个最新动向是，由电化学技术结合新型高分子材料，并逐渐在离子色谱中得到广泛的应用。最显著的例子如下： G6x 'Myg I
(1)电化学自再生抑制器：电解法用于离子色谱抑制，最初由我国厦门大学田昭武院士等提出，并分别申请了中国和美国专利，实现商品化。 {:n1|_r4Z w4Y0f5G&S;Q,G3Za
美国Dionex公司对这一方法进行了改进，使抑制器的再生液只加水就能完成，通过水电解产生的H+或OH-完成背景电导抑制。抑制器完全不必外加再生液就能完成电导抑制，使抑制型离子色谱的操作更为方便。而美国Alttech公司则采用固相电解法，利用树脂实现电导抑制。由电解产生H＋实现电化学再生，再将碳酸盐淋洗液中的CO2去除，以进一步降低背景电导值，从而实现了碳酸的梯度淋洗。 4_'BoU4 a:u2x7g0^m.q+Kd;Z
(2)淋洗液发生器：通过水电解法产生OH-或H+，与树脂中已经结合的K+或C-形成KOH或HCl,成为淋洗液。这种方法减少了OH-因空气中CO2干扰使基线不稳、背景改变的情况，同时所产生的KOH浓度可以通过电流进行控制，很容易地进行梯度淋洗。 :+ 1Wmg
(3)离子回流：H.Small等人在1998年提出了离子色谱的新设想--离子回流。其原理是将离子色谱淋洗液发生器及离子色谱电化学自再生抑制器串联。从此，离子色谱的淋洗形成一个循环系统，使离子色谱方法又有一个更新的概念。为此，他本人在1998年日本大阪再次获得离子色谱学术大奖。 1B~Z1w E2b.f4}*m
二、新型离子色谱柱研制和应用 fu F{8-ua gz;m4^ ^I b-|
新型离子色谱柱的发展方向除了提高离子色谱的效率外，主要从两个方面进行。首先，为了进一步开发离子色谱的功能，提出了新型的离子色谱柱。目前，除了常规离子色谱柱外，还有同时具有阳离子和阴离子交换功能的混合床离子色谱柱和同时具有离子交换功能和反相保留机理的多维色谱柱，这些柱的应用使离子色谱的使用领域得到扩大。特别在阴、阳离子的同时分析和有机物疏水性离子的分析中得到广泛应用。 Z^_zcH' 7j:ay^L7HE[
其次，就是从提高离子色谱柱寿命，扩大可用范围上发展。采用特殊的离子交换材料，高的交联度，使离子色谱柱可以承受有机溶剂，以大大增强离子色谱柱的抗有机污染能力。 qFq$a9w|@
三、新型分离方法 qss )5a/x. 5p)yq B9MN dL+U
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。 F>X<=YO0
四、新的检测手段的应用 fYh <S puD:Y6| i&X#C
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。 9ZY,T]ym? _y V1WU&GK x&m't
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 Ire\i7MF:
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。 }Hx d*S
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图2.1离子色谱仪组件示意图 _G.>+!"2/ )| L-C I*c:C4w J
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2.1离子色谱流动相输运系统 V` 1/SQX 9k/[0u(x;x%Sr%\
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。 _Gjk;|Sx<I
一、贮液罐 .b-f9qc= .M5A{2f%^ @ x6x
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： E8n)}[k!0
(1)必须有足够的容积，以保证重复分析时有足够的供液； X~<("
(2)脱气方便； .G)(0z("s (ST$h F2k
(3)能承受一定的压力； ?$6Y2 g'L,~I;| J b1Kv'O^
(4)所选用的材质对所使用的溶剂一律惰性。 |*'cF-lp6v l E3O~*v.z
由于离子的流动相一般是酸、碱、盐或络合物的水溶液，因此贮液系统一般是以玻璃或聚四氟乙烯为材料，容积一般以0.5～4L为宜，溶剂使用前必须脱气。因为色谱柱是带压力操作的，在流路中易释放气泡，造成检测器噪声增大，使基线不稳，仪器不能正常工作，这在流动相含有有机溶剂时更为突出。 lq>+~z X{
脱气方法有多种，在离子色谱中应用比较多的有如下方法： 3`B6w$z>( H4U$Jf(Li8~E
(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。 J]G? Rc *PT-C%uW.[%XH"u,_
(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。 OV%Q3$15 C_ ni3^1v7p
(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。 ,^x4sA[/ ~'LN1m){[C~u\
二、高压输液泵 Fx $Q;H!.
高压输液泵是离子色谱仪的重要部件，它将流动相输入到分离系统，使样品在柱系统中完成分离过程。离子色谱用的高压泵应具备下述性能： }p!HT6 tZ
(1)流量稳定：通常要求流量精度应为±1%左右，以保证保留时间的重复和定性定量分析的精度。 DWID$w i [5f#sF)]
(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。 8 XICF sXm1M'zC YNL T"t6i
(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。 "=+ 7-` Y:C#N n5R]7B)HPJ B
(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。 Q" t<3-"
(5)流量在一定范围任选，并能达到一定精度要求。 @~ #Ym1{W
(6)部分输液泵具有梯度淋洗功能。 ]6{*^4 kX f%HC{"JE1?
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。 d ,Y#H0`
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 s7l;\XBy #So$[ \V9b:Q-b$AHA9M D
Cf:#( D
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sk 2-5S
图2.2往复单柱塞泵结构示意图 V~hlq$jn<Y
T`9 u!#mT= DJ,MjuIZ4t*QB T
1.电机2.凸轮3.柱塞]4.泵腔5、6.吸、排单向阀7.密封环8.弹簧 RiTa \
rC7 ``#5 \5XoVj I L
一般来说，双柱塞流量更平稳，脉动小，但构造复杂，价格也比较高。 sz9G3artK& vF6T A)H5dr
高效液相色谱采用不锈钢或钛合金材料，与高效液相色谱相比，离子色谱的泵体则采用全塑系统，从而对酸、碱、盐有抗污染的性能，并保证了对金属离子测定的准确性。 hx f'5uc
1.单柱塞泵 1 O!/ g
单柱塞泵结构如图2.2所示，这种泵的压力和流量波动大。采取一些必要的措施如增加阻尼器，对凸轮形状作特别设计以及利用先进的电子技术也可获得满意的结果。早期的离子色谱和一些简易型离子色谱仪常采用单柱塞泵系统。 d7&eLLx 2HH xi;j*v0u
2.双柱塞泵 7nVRn9Hn e$o O&VQ;fb
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。 QeDQ o 3B/M^"H eyJm
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。 y')RT R{>M
三、梯度淋洗装置 )g|xpb
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： /oL; YIoQX 0xAS'`9u7f(a:b
1.低压梯度 `$604+G
图2.3是一种目前离子色谱较为广泛采用的低压梯度装置，可进行四元梯度，它通过电磁比例阀的开关频率，由控制器控制，再改变控制器程序，即可得一任意混合浓度。 @[ 6,6:h|
5 #]4YI; d'r Wr1xet cU"T
O3N_\B: t1x gb/D:s/U
s-W[ .r|
图2.3低压梯度淋洗装置图 +<.\5+ &b7E3j+p%l@-VNx f5v
J.R AmU<
1# t6`N]?V VM)WpsML2h P
1.淋洗液槽2.(隔板)接头3.真空室4.比例阀5.起动阀6.泵头7.压力传感器 Fvxu >BK C!Q!l,Hd4?1U
q6wr=OWD 9S'b g-n(?#\f&A
@("}]/O V:
2.高压梯度 #^ &j W
它是由两台高压输液泵、梯度程序控制器、混合器等部件所组成。两台泵分别将两种淋洗液输入混合器，经充分混合后，进入色谱分离系统。它又称为泵后高压混合形式。 HXJ9xkrr
梯度淋洗的溶剂混合器必须具备容积小、无死区、清洗方便、混合效率高等性能，能获得重复的、滞后时间短的梯度淋洗效果。 {5 Eyr$ YY ]Ui4ae ?w
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。 L"rcv:QWZa "K5rRZq;hy8Z,R
2.2离子色谱的进样系统 wH!#aB>k P
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。 (3md:r<- m0[6W+e6J.v2r
一、手动进样阀 Yb= 6C3l@ o4c'd^ Z/\
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。 u fw cF* `"G7q5cWe$nX
二、气动进样阀 viuiqs5[Bi 2g| |Z3n,j8wz
气动阀采用一定氦气或氮气气压作动力，通过两路四通加载定量管后，进行取样和进样，它有效地减少了手动进样因动作不同所带来的误差，其结构如图2.5所示。 _@E "7<\
6.Bh3p
PV,"-Nv , ^'_'B0t/xG }6hD V}
图2.5气动进样阀装置图 lA{(8sKN
/{DaPqRa
1.气路接头2.密封圈3.活塞4.活塞密封圈5.三通阀芯6.阀体7.孔面8.压力螺栓 '\L0xw4
_j 5N=I{U
三、自动进样 (zm Na}- r*\'W)f3f@
自动进样器是在色谱工作站控制下，自动进行取样、进样、清洗等一系列操作，操作者只须将样品按顺序装入贮样机中。圆盘式自动进样的工作步骤如下： "=ElCaP} #}Orq/i4C2H M
(1)电机带动贮样盘旋转，待分析样品置于取样针正下方。 L *{Q jH
(2)电机正转，丝杆带动滑块向下移，把取样针插入样品塑料盖，滑块继续下移，将瓶盖推入瓶内，在瓶盖挤压下样品经管道流入进样阀定量管，完成取样动作。 E&9!1! B
(3)进样阀切换，完成进样。 7(@(Hm c;Ln$D.Y{ S{/_
(4)电机反转，丝杆带动滑块上移，取样针恢复原位。 <c \]Ct X s q&BP.f
自动进样可以达到很宽的样品进样量范围的目的。 H%cp^G
2.3离子色谱的分离系统 Nor`c+,4 `,R8yX.e.il1|K
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。 u6p5:oJj, I!CmmY$c7Z
一、高分子聚合物填料 a! ?.F_T9A ~,Wb vYd
离子色谱中使用得最广泛的填料是聚苯乙烯二乙烯苯共聚物。其中阳离子交换柱一般采用磺酸或羧酸功能基，阴离子交换柱填料则采用季胺功能基或叔胺功能基。离子排斥柱填料主要为全磺化的聚苯乙烯二乙烯苯共聚物，这类离子交换树脂可在pH0～14范围内使用。如果采用高交联度的材料来改进，还可兼容有机溶剂，以抗有机污染。一般来说，离子交换型色谱柱的交换容量均很低。 qf)C%3gXI
二、硅胶型离子色谱填料 O!yakU+
该填料采用多孔二氧化硅柱填料制得，是用于阴离子交换色谱法的典型薄壳型填料。它是用含季胺功能基的甲基丙烯十醇酯涂渍在二氧化硅微球上制备的。阳离子交换树脂是用低相对分子质量的磺化氟碳聚合物涂渍在二氧化硅微粒上制备的。这类填料的pH值使用范围为4～8，一般用于单柱型离子色谱柱中。 ;* .(. $fP0D}*@ N1]bA)H
BL0 |\&*1 #rW`#F.b0]`
三、色谱柱结构 l`G(O$ct
一般分析柱内径为4mm，长度为100～250mm,柱子两头采用紧固螺丝。高档仪器特别是阳离子色谱柱一般采用聚四氟乙烯材料，以防止金属对测定的干扰。随着离子色谱的发展，细内径柱受到人们的重视，2mm柱不仅可以使溶剂消耗量减少，而且对于同样的进样量，灵敏度可以提高4倍。 -!i;7 [N /xCA,T:x
2.4离子色谱的抑制系统 d b<q-u
对于抑制型(双柱型)离子色谱系统，抑制系统是极其重要的一个部分，也是离子色谱有别于高效液相色谱的最重要特点。抑制器的发展经历了多个发展时期，而目前商品化的离子色谱仪亦分别采用不同的抑制手段及相关研究成果。 E Z..^M 3
一、树脂填充抑制柱 )-)ss"\+Ju
该抑制系统采用高交换容量的阳离子树脂填充柱(阴离子抑制)，通过硫酸，将树脂转化为氢型。它抑制容量不高，需要定期再生，而且死体积比较大，对弱酸根离子由于离子排斥的作用，往往无法准确定量。 Sy4 mZ}:
这类抑制器目前已经基本不用，但美国Alttech公司将这类抑制器加以改进，使填充柱需要再生时会变色，并采用电化学法再生，大大改进了传统的方法，提高了抑制器的性能。 n G!&u1 * *ww BD k iu{
阳离子抑制的情况与此正好相反，它采用高交换容量的阴离子树脂作填充柱。 aMBL 1d7 %Q"`u4xn` f,P FZ
二、纤维抑制器 D~5yj&&T; x0e6G ]4T#Y
这种抑制系统采用阳离子交换的中空纤维作为抑制器，外通硫酸作为再生液，可连续对淋洗液进行再生，这种抑制器的死体积比较大，抑制容量也不高。 aB=vu=hF 3T'H6`+]4n
三、微膜抑制器 xOwNCh
这种抑制系统采用阳离子交换平板薄膜，中间通过淋洗液，而外两侧通硫酸再生液。这种抑制器的交换容量比较高，死体积很小，可进行梯度淋洗。 _{lx*dq
四、电解抑制器 <\E"clZI
这种抑制系统采用阳离子交换平板薄膜，通过电解产生的H+，对淋洗液进行再生。早期的这类抑制器是由我国厦门大学田昭武发明，并投入了生产，但它需要定期加入硫酸来补充H+。美国Dionex公司对这类抑制器进行了改进，使之成为自再生，只要用淋洗液自循环或去离子水电解就可能实现再生，抑制容量可以通过改变电流的大小加以控制，而且死体积很小。美国Alttech公司采用填充柱抑制器，通过合适的电解进行再生，同样具有方便、高效的功能；其最新的DS Plus型抑制器，在化学抑制和电化学再生的基础上，再进行了二氧化碳的排除，可以有效降低背景电导值以实现不同碳酸盐的梯度淋洗。 <sgZ3*, A
2.5离子色谱的检测系统 $?[ 1#%
电导检测是离子色谱检测方式中最常用的一种。由于电导池中的等效电容的影响，施加到电导池上的电压和电流之间的关系是非线性的，这给测量电导值带来很大困难。另外，流动相中本底电导值很高，从较大的背景值中准确测量待测组分的信号，也是电导检测中的重要问题。目前采用较多的方法有：双极脉冲化学抑制型电导检测、五电极检测和模拟信号交流锁相放大等技术。 kyy0&L I4S\Kl:I6n|8nr
一、双极脉冲电导检测 ;[;)P tFz\ )S#Qt(i]
采用可变频率双极脉冲化学抑制型电导检测方式，以美国Dionex公司为代表。该检测方式有效地抑制了电导池等效电容和流动相本底电导的影响，测定灵敏度高，线性范围宽，稳定性好。 qgwv=5|
它采用8085芯片作为中心处理器(CPU)，通过处理机输入输出部件(PIO)对其他单元进行控制，由CPU时钟分频触发后产生双极脉冲，经整形后送至电导池；电导池返回的信号在第二个脉冲后被采样，并转换为一个直流信号，此信号与温度测定信号交替送入电压频率变换器，数字信号送至CPU。在进行补偿时，CPU将这个信号处理后，通过D／A(补偿)转换器，送回放大电路，对原信号进行补偿，直至比较输出呈"OK"状态。信号的输出也是通过V／F变频电路送至CPU，CPU对其处理后通过D／A(输出)变频电路，经驱动器输出至数据处理器。 (:_%kmu @K;H7[y:J
二、五电极电导检测 i!CK A} ",
采用五电极电导测量技术，能有效地消除双电层电容和电解效应的影响。其结构特点是在流路上设置4个电极，在电路设计中维持两测量电极间电压恒定不受负载电阻、电极间电阻和双电层电容变化的影响。因此，两测量电极间的电流变化，可从负载电阻两端取出信号进行放大和显示。第五电极为屏蔽电极，它有助于提高测量的稳定性。五电极式电导检测器有效地消除了极化和电解效应的影响，在高背景电导下仍能获得极低的噪声水平，适合作非化学抑制型电导检测器。 Aivu%}_| !I P(oj s {.I{
此外，离子色谱还可以采用紫外、可见光、荧光、安培等高效液相色谱常用的检测器，其原理与常规的高效液相色谱检测相似。检测的原理和应用将在第四章详细讨论。 EO4 " Z@ji
2.6离子色谱的数据处理系统 *4(/t$)pEl
离子色谱一般柱效不高，与气相色谱和高效液相色谱相比一般情况下离子色谱分离度不高，它对数据采集的速度要求不高，因此能够用于其他类型的数据处理系统，同样也可用于离子色谱中。而且在常规离子分析中，色谱峰的峰形比较理想，可以采用峰高定量分析法进行分析。主要数据处理系统为： k) H[Xp M
一、记录仪 844tXMtPB\ i T sW `a
记录仪要求满刻度行程时间≤1s，输入阻抗高，屏蔽好，纸速稳定。采用双笔式记录仪，可以同时测量样品中高浓度和痕量浓度组分，也可进行双检测器分析。 (P E# Y(
二、自动积分仪 Fpj6Atk 3t WW5x{1T
它是一种通过A／D转换，采用固定程序，分析色谱信息，打印色谱图的仪器。采用自动积分仪大大减少了记录仪中色谱手工处理的繁琐手续。 AJ;u&&c4C\ q-{#w/\ }1pZ
三、数据工作站 &+E'1h10
通过A／D转换，将数据采集于电脑，然后通过对采集的数据分析，得到相关的色谱信息。随着个人电脑的普及，数据工作站将得到广泛的应用。 ;k yL>mV{ I{!{9@"b0U
美国Dionex公司的离子色谱数据工作站Peak Net，可以同时处理多个色谱仪信息，并可对离子色谱的泵、检测器、自动进样器等系统进行控制. 第三章离子色谱分离的类型 BDRYip[Sa
3.1离子交换树脂 $+lz<~R
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。 m]-v IUpb
一、离子色谱剂 6uCk0 B| IVhO g b
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 ( Qx-K RH
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 (. quX@w"m
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。 r .a9W? (E
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1.高分子聚合物树脂 # )PGQ)( J x7R s#B6a+l
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。 QN} 3S0
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图3.1苯乙烯-二乙烯苯网状结构 eX l%Qs#Y
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。 V&,<,iNN %}0HoFg7f m
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。 @8<uAu%
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。 ' ! UF&
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。 0ZID @^ w J/J`_4X)T
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图3.2苯乙烯-二乙烯苯的磺化 _[OEE<(
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。 PcSoG\- G< Ni jo tB
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图3.3苯乙烯-二乙烯苯的氨化 'ZZ WH
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2.硅胶树脂 9@z|2z2\G 3J s G-d%w"G4ut
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。 ZNC?Ntw
3.2阴离子交换分离 F']%q 0 ^c So+g7X
一、阴离子交换填料 Q.E^9giC
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。 f}ij=Y9
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。 8J?`_
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。 BaTO h'52 0Y M*S j~/{ j:k
二、阴离子交换平衡 (Rg!km%2T
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： MG5Sn*(C
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， +P)[|y +e
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。 -j=&J8Za
以上公式如果以校正保留时间表示，则为 0uJzff!| 3oAs-H4B7_:c
三、影响阴离子交换的因素 } 9s
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： : It W| 2i xa&Y:Si/e7P
四、影响离子保留的因素 Y[]+C8"O l'ra8gtE Z4v rT
1.离子电荷 +9F#~{v`4a G[:Q&h` d;k}
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。 6$<o^Ha*R
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。 f>/ 1KV
2.离子半径 Y4!q 1]TGX 1_ Y.? \U&n
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。 w$:)wyR- wy~+\Z.r
3.树脂的种类 G ZVl384@
离子交换树脂的交联度、功能基性质及其亲水性的大小等对离子分离的选择性起了很大作用，因为它们直接影响样品离子和淋洗离子的分配平衡。 |5B9tjJ" &[1]!f'pR.@'j
一般树脂上季铵基的"R"基团不同，因而亲水性或疏水性不同，如果"R"基的碳链较长，疏水性强；反之，亲水性强。 ioCkPj f^O+nx ?"|*v9iU7C
3.3阳离子交换分离 JP*mQzZL
阳离子分离柱使用薄壳型树脂，树脂核是惰性而疏水的苯乙烯-二乙烯基苯的共聚物(简称PS-DVB)，核的表面是磺化层，磺酸功能基以共价键与树脂核共聚物相连。由于功能基只存在于树脂基核的表面，缩短了这些交换位置与流动相之间的扩散距离。因此，用较低容量的离子交换树脂可得到高的分离结果。 U)]natB
3.4离子排斥分离 Qs X59d TMr'i a!AN
一、离子排斥的分离机理 \9zC?Cw
离子排斥又称为高效离子排斥(HPICE)，在阴离子HPICE中，它采用的分离柱较大(9cm×250cm)，柱中填充粒度均匀、总体磺化的H+型高容量阳离子交换树脂，树脂的电荷密度较大，样品阴离子由于受到Donnan排斥，不能进入树脂微孔；而非离子型的组分则不受Donnan排斥，可进入树脂微孔。树脂上的功能基导致在树脂颗粒间隙的液体和树脂微孔内吸留的液体之间形成一个"半透膜"。强离解的组分，不能透过这个膜进入树脂内孔，因此不被保留；非离解组分，能透过这个膜进入树脂的微孔内。在这种情况下，树脂对组分的保留就是树脂的内微孔体积和树脂表面积的函数。阴离子的保留体积必须介于总的排斥体积(相当于填充柱的间隙体积和树脂微孔体积之和)和死体积之间，即样品离子需用大于排斥体积的淋洗液将其洗脱。 e-=PT 1T` p S#a2h%a`
理解HPICE分离机理的一个简单方式是与空间排阻色谱比较。空间排阻色谱的分离是以溶质(样品待测组分)进入和移出柱填料内部微孔的能力为基础的，其保留时间取决于溶质的大小和形状。离子排斥也取决于溶质进入微孔的扩散能力，但分析者可改变溶质的离解度来改变其保留时间。例如，用改变淋洗的pH值来改变弱有机酸的离解。pH值越高，离解的分子越多，由离子排斥作用导致的保留就越小。反之，pH值越低，离解越小，由离子排斥作用所引起的保留就越大。 h l'k_<a*
二、影响离子排斥保留的因素 Nj 8)HR
如前所述，离子排斥色谱分离主要取决于组分在树脂内微孔(固定相)的液体和树脂颗粒间隙中的液体(流动相)之间的分配。影响组分在两相间分配的主要因素有以下几个： YKd?)$J oU,Z nC @ a
1.溶质的pKa，pKa越大，保留时间越长 ur7a%NH )l&N7F(p;fN
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。 (9|K}IM: Ie'}9v A `A_ R
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。 XX6)(
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。 kA`qExw%
5.温度升高温度会增加溶质的离解，因而减少保留时间。 - [j0B|cwG ?a Tt/qW C N3sf/l
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。 ! iqz 4E *~FJr"d5w7{6B Y
3.5流动相离子分离 *n5g";k| GD$fDtu-i
流动相离子色谱(MPIC)用疏水性树脂为固定相，用含有离子对试剂的亲水性为流动相。这种方式具有反相离子对色谱的高分离效率和选择性，在高效液相色谱中又被称为离子对色谱，可用于分离多种阴阳离子，特别是疏水性的阴阳离子。 5 ]JXXdt
一般而言，流动相离子色谱(MPIC)是离子对色谱与抑制电导检测结合的技术。离子对色谱通常采用紫外检测，一般称为反相离子对色谱(RPIPC)，MPIC具有电导检测的特点，是离子对色谱分离后的通用型检测器。 4HAfTQ 1G
MPIC特别适合于带有电荷的大分子(例如表面活性剂)，和一些不适合于离子交换分离的其他离子。例如，脂肪族的季铵盐离子可以附着在离子交换树脂上，在离子色谱分离过程中，导致峰形变差或回收率降低。由于离子对的动态特性，往往加入有机溶剂于流动相，使被测离子不粘附于MPIC的中性树脂上。另外，在一些系列被测物的选择性出现问题时，可以加入离子对试剂进行改进。 ' ?t{-z,
抑制电导检测，可以用于离子交换，也同样可以作为MPIC的检测。通过抑制器后，降低了淋洗液中的背景电导，也同时增强了被测物的电导。最新的抑制器可高效地抑制，并对有机溶剂兼容。 <o}t-Bgg 8x`5Lg&x3V*_#D?
洗涤剂和其他一些化学制造品的成分分析如离子态表面活性剂或季铵盐化合物通常采用MPIC进行分析。这种技术还可以用于化妆品中添加剂如链烷醇胺的分析和药品工业中一系列无紫外吸收的离子态物质的分析。 u c8 >B&B%
一、分离机理 d"a`?+(Q x`$g ?'TU+P3~-|O
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。 ;H.r6 4z(HR&n2B[2V
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。 K\PS$ 5g eE:H {.~
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： 1Cthi[ B y&VI&c7k KT!D
1.离子对的形成 3:RZ@~ u=
2.动态离子交换 n r}H;wB
3.离子间作用 &q+ %OPV W(dCy$T,n x k
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。 x<].mx
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。 3e "G.0vJ 5x as8Fc
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。 7~ 2X/ &i(G }7D,f qIK5Y
k0,~wn\#h
}9'rTLM
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 v/)dsSNZ0u ~9` }nn-~ ~
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。 q\ ?6-?Mr
二、影响MPIC分离的因素 Pai {?<zGi 4t,TV4k.D!{}g'^oR
1.离子对试剂的类型 %'P58
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。 o o2VT
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+。 Ly3^zF W
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。 X)Kd '6 zg
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。 !X8:#a (
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 !Y5O3^I=u e.\$K8]N \9vC
、己烷磺酸、庚烷磺酸和辛烷磺酸。 #Ez>]`]TB v3D(Q#O'j%Mu F#B@~
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。 /mv uSNk 0|-E0Jc\[U Gk
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。 C:W}hA! ]{(Wh2\\
3.有机改进剂的类型和浓度 \acjv|]
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。 >l RX+?
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 F.K7w
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。 y$ 7<ZBG
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。 : >4{m) 9T4y9[wVi:c1[/| NU
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。 ?u"MsnCXYn
4.pH值的影响 ,vl][MhM
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。 5Jlz$]f
5.温度的影响 aovRm|aOo' *caR C G@:]9N
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。 H[BY(a@c LceDN:u+] } Y,E
6.其他添加剂 -=I*{dzly v.u2}`(?;Z5d ]
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 Zqc+PO3lw
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。 [/.o>R#J(
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。 :'' ^a a SFN9m;\M
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。 VQ I MR8W,TL GV n
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。 L}7c{6!F7
3.7其他分离方式 { AdPC?R` oczC(l\
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 4 qMO@E_ (K%c8U$pL;z/X
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。 y8=p;7DY
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。 c@H:?s!0R 9W2W QDG,Z3W
对于离子色谱检测器要满足以下几个方面的要求： ~u | k1
(1)灵敏度高，可以检测出μg／mL以下溶质的含量； )* < =: 0t d+]!hWe5Q
pt[H5
(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； ] XX9.Xh=-
(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； IRy!8A=X !jLoy)mT
(4)稳定性好，对流量、温度的变化不敏感； IO/%X;Y_ Rv~%q Xe rN
(5)可*性高，操作简单，维修方便； l -|hvv5g
`R:p-"'b b!?'vu9} }_wA
9v[cy`\ ,K6zSC${ E&o H#} g
(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； S<), ,( #D.C*k*VW7U Za
(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。 Cm)_xnv
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。 2 de[ yz i&A5x a+^ y]$a
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。 'EF\=o)^Y $['C;lm.W*V ^cb ~8T,Z(g6V
检测器的性能指标如下： M DETAd Q2xm6jN#f7l!x
一、噪声和漂移 ziFg+i%s ?A])[Pe
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。 (dSf>p r 2 (By"S A)hn m0W G
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图4.1噪声和漂移 gQ]WNJ~> 6k)x;l+A Jyl6H a%o)o1]
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。 ^1d"Rqtv
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 JE~ci#|! 9q{+G U B G
表示。 PFP/Pe Ng;
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。 L,I 5/ K6
二、灵敏度 SG6@Rn* ^
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。 7 S^iGe 6PsU1O!BTf\]Z*X
三、敏感度 9v7l@2 /
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。 K]mR9$/ IAN z9I*A$T tW?
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)。 B1]5%B _&Sn)S Di.D E&\
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。 } $:uN
四、谱峰的扩张 \k?uh+xl
近年来由于离子微型柱的出现和发展，加之色谱柱的柱效不断改进和提高，在检测器中所造成的色谱峰的扩展变得越来越大。除制备色谱外，大多数离子色谱的池体积都小于10μL。在使用细径离子色谱柱时，池体积应减少到1～2μL，甚至更低，不然检测系统所带来的峰扩张问题就会变得很严重。因此这时池体、检测器与色谱柱的连接、接头等都要精心设计，不然就会严重影响柱效能和灵敏度。 ~GL"s6C$`; CTU;Nv.A-j
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*性及成本价格的合理性等都是必须考虑的因素。 ?2ZggV
4.1直接电导检测 VV/6~jy0
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。 n-m +@jRz Jr|2a&g HND
(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。 v J*IUy $G)T\^&Q cP`m*vy2M
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。 2mS3gk
五、电极间施加交流电压及采用有关的测量技术 5ru&In&
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102～105Hz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。 4^1B'>I
六、双脉冲电导测量技术 YDBQ6X +yaA z's9i5o]
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。 y=y=W5#;77
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图4.4美国Dionex公司电导检测器示意图 @/}{Trmg/ n8@5u U.N
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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 xB{0lI
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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 RC Fb&,51
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七、四电极或五电极电导仪测量技术 z<c^<hE:l &Z k,R2m/@"gaG
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。 XG ]yfux`
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图4.5五电极式电导检测器 P{5p'g ,
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1，4—施加电压电极2，3—测量电极5—屏蔽电极 {"!V&}
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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。 8Fx~ i#FT
4.2抑制电导检测 yxQ xc5/X) 1Q uL m*H I,r U t
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。 <8Nh dCO6
一、抑制反应 f<9H#S:
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。 v3Tr6[9
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 X3(:)zUL 4V:Irq+z_I7O
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， H:#b(&qw2
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。 gsI"G
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： g Z
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。 &zlwV"W
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： %Z 9<La
(1)低检测限。 "@ Bc eD _1xK:V_ B"|f:fq m
(2)分析样品的浓度下降(检测稀释样品，可以延长柱子寿命)。 b9)%,3-
(3)线性范围加大。 enj Ti5X 4^)`.UP'eZ {9Z(p q
(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。 T_ \HU*\ Kwd5`3DJ u z
二、抑制器种类 P_j ?V"i< :B!F NY li Vc,~.Tr
1.填充抑制柱 "Fy34T0N
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。 Ht5 %fcD
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。 +)^F9LPl
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。 [V T& te4X'A.A5q(j
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%)。 2*vO o^f [4f HX4[ U
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。 xQ>c.}J/i E _d Q KK~3L`T
2.纤维抑制器 W'E!5T^
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。 /," Z^=
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图4.6纤维抑制器 = PqQJE}
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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。 ~2 T_)l? z,V9^b(M?;Z
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 1(gb -u0
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： W([)b[-*
(1)淋洗液进入总消耗区。 ?Gp~i ] f&\ ]J~.D
(2)抑制反应发生的动态平衡区。 uw LT$ rb/O%t@ X
(3)总再生区，淋洗液流出。 la8se=^ P `v~6M a x8P
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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： teUCK(;23
(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 V{HZ/p_Y
充抑制柱那样，每天用一定时间进行再生。 q+~z# jFX y bW:o&s T m$^U
(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。 tW|B\p}
(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。 3 a:(\:?z
(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。 v n .wM IOK)aW6S\c {
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。 HNY{%D
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。 z:+Xs!S
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. 56>Zqtp*
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。 F Dbx"%A EQ5B0^} a[a]
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。 eY\tO "Hc ,t f.xmc };r#`r
3.平板微膜抑制器 ^[&*B#( t%z5I:I ljXS*v/s,t
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。 W;~^3Hz6 T |ar8~ oYxM
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图4.7 平板微膜抑制器 "9LPq /Vi,S!jyncxs
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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。 ZJy D/ 9y
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。 h2=zvD;
抑制容量是单位时间中和的淋洗液摩尔数。纤维抑制器的动态容量受到淋洗液离子从淋洗液流动相到膜的扩散的限制。微膜抑制器克服了这个缺点，因为微膜抑制器的淋洗液和再生液室中各有一个高容量离子交换网屏。淋洗液从淋洗液室的一端进入，沿网屏的长度方向通过网屏，从另一端出去。再生液的流路与此相似，但方向相反。拧紧外面的紧固螺丝使网屏和膜之间紧密接触，以免发生层流现象。 xs.[]>nQN "Jc!SV%N1d9F
网屏以两种方式将流路中的Na+离子移至膜上。其一，网屏的三度空间结构可有效地将淋洗液流分散并引导其与邻近的膜接触。其二，网屏上的离子交换位置对Na+离子提供了一个向膜移动的连续通道。网屏的机械结构和离子交换功能结合起来，就大大地减少了动态容量对淋洗液离子到膜的扩散的依赖关系。 (9Hc`gd)p 9Q|$V/QN D
第二个再生液室明显增加抑制器容量。这是由于它使膜的表面面积增加了一倍，而且在淋洗液室的两边都存在H+离子源，减少了扩散，增加了单位时间能中和的淋洗液离子的量。 #Sn&W o B:j tiHURM
微膜抑制器的突出优点是死体积非常小(小于50μL)和抑制容量高。因此可用较强的淋洗液，在进行高灵敏度分析时能得到稳定的基线。 c^Wm~" r
阳离子与阴离子微膜抑制器的结构相同，其不同之处只是前者用阴离子交换网屏和总体功能基的阴离子交换膜；而后者是采用阳离子交换网屏和总体功能基的阳离子交换膜。 " _H&p ?gg f [ ^
由于微膜抑制器是抑制容量高达40000μS电导的淋洗液，可适用于进行梯度淋洗。 Bm~>w`1wK 9t6p!j)D w B
4.电化学抑制器 _`D760q}
电化学方法对离子色谱中的电导进行抑制，是厦门大学田昭武等人最早提出并商品化的。它采用电解水产生H+和OH-，使电解产生的H+和OH-透过阳离子或阴离子交换膜，使淋洗液的Na+或Cl-与之发生交换，进行电导抑制，其结构类似于平板膜抑制器。由于国内的膜技术相对落后等各方面原因，厦大生产的电化学抑制器在使用前要通入一些硫酸或氢氧化物，再进行抑制，但它不必采用连续再生。因此，它实际上是电化学和化学抑制法的组合。 &qe:|M {Gv7u+X%p8\(Z
美国Dionex公司将这一电化学抑制法进行改进，在它的平板微膜抑制器生产的基础上，设计了电化学自再生抑制器，其结构示意如图4.8所示。 ~_S`zzcZy4 D;[p6hP*N8e$fr
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图4.8 电化学自再生抑制器示意图及连接方式 %/sf#8^m
其工作原理与平板微膜抑制器相同，所不同的是它的H+源或OH-不是通过连续再生液得到的，而是通过水的电解产生，其水源可以外接蒸馏水，也可以是检测器流出的淋洗液，图4.8(a)为采用环循方式进行自再生，(b)为采用外接水源方式进行自再生，一般外接水源方式在淋洗液含有有机溶剂时采用。 d[O.UzQ
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、离子排斥色谱中的抑制 S B'.
对阴离子的离子排斥淋洗液的抑制，最早是利用盐酸(淋洗液)和银型树脂之间的沉淀反应.此反应中，Ag+与Cl－生成AgCl沉淀。为了保持树脂的电荷平衡，淋洗液中的H+进入树脂的交换位置，这样就从淋洗液中完全除去了HCl。样品离子An-在抑制柱中通过下述反应转变成银型抑制柱之后,加一个H+型的后置抑制柱，将样品阴离子从银型转变成酸型。 xpSMbX{e 4_w"l-a!L5U{
因为只有样品阴离子进入后置抑制柱，所以此柱的消耗(即树脂从H+型转变成Ag+型)速度很慢，一般使用一个月之后需要再生。由于这种抑制反应是一种沉淀反应，理论上可用浓NH4OH再生，但需要很长时间，无实用意义。此外随着AgCl沉淀的增加，抑制柱的压力逐渐上升，可观察到明显的扩大的AgCl沉淀带，必须用峰面积计算才能得到准确的结果。 * [ A%tj% dQ'L `o ]h5b
后来发展了一种适合于阴离子排斥的纤维抑制柱，其纤维是一种磺酸型离子交换膜，结构与一般纤维抑制柱相同，淋洗液在纤维管内流动，再生液在纤维管外与淋洗液相反的方向流动。用烷基磺酸盐作淋洗，用氢氧化四丁基铵(TBA)为再生液，再生液中的TBA+与淋洗液中的H+交换，再生液中的OH-与淋洗液中的H+结合生成水，从而降低了H+的高背景电导。RSO-3／TBA+离子对的电导比RSO－3／H+低很多，可得到很低的背景电导。 yfaXScbE { O6ymGx;V
这种抑制方式还可以在平板微膜型离子排斥抑制器中实现，但目前还没有电化学自再生型的离子排斥抑制器。 <0lfkeD m:x8\?/JXhS J
四、流动相离子对色谱的抑制 rJg! 2
流动相离子对色谱与普通离子对色谱的主要区别在于它用化学抑制型电导检测器。抑制器的作用是从淋洗液中除去离子对试剂，同时将待测离子转变为对应的酸型或碱型。例如，在阴离子流动相离子对色谱中，在H+型抑制柱发生两个重要反应： r,0> 40^
(1)离子对试剂(R4N+OH-)中的阳离子(R4N+)被除去，OH-离子对被树脂的H+离子中和成水. k^I D d%G0F'@P+[
(2)转变样品离子A-成对应的酸. .YLg^JfZ
五、抑制电导检测的种类 &@{ Ba~S ,eWV:df
电导检测是检测进入检测池的离子，包括有机和无机离子，最适用于强酸／碱的阴／阳离子。例如SO2-4、Cl-、Na+、K+、三氯乙酸等。当检测弱酸／碱的离子时，检测的灵敏度主要取决于它们的pK值。 } Z%*gfp P\*z&Dy3y
1.阴离子 .F> c Z,
pKa＜3时，检测灵敏度最高，pKa在3～7之间灵敏度比较低、信噪比下降，pKa＞7时的阴离子，在某种条件下可以被检出，这是由于随着pKa的增大，电离度减少，使背景电导值与被测离子电导值相似。因此，有机酸、羟基化合物、磺化物、磷化物等官能团的pKa＜4.75，可以采用电导检测，而检测普通的无机强酸阴离子，如Cl-、NO3-、SO2-4、PO3-4，电导检测是最理想的。 8Zwq:l V Q
2.阳离子 8[xb+_
无机阳离子的检测包括碱金属和碱土金属，而过渡金属离子由于水解或在抑制器中产生沉淀，不易检出。过渡金属离子通常在加入螯合剂发生柱后反应时，进行可见波长的检测。几乎全部有机阳离子都是胺类，脂肪胺的pKa＜7易被检出，但芳香胺和杂环胺的pKa值在2～7之间一般保留很强，采用阳离子交换时加入有机改进剂，从而使电导检测的噪声增大，因此不适宜于抑制型电导检测。虽然非抑制型电导检测可以分离检测，但灵敏度很低，通常应使用紫外或直流／积分脉冲安培检测。 o6oZk0 :I#b S6q0Y;xx
3.两性离子 "r.pU(uxt
两性离子不宜通过抑制电导检测，它们一般包含阴／阳离子的官能团(例如：氨基酸带有氨基和羧基)。在通过抑制器时，将改变形态以致于不能到达检测器；非抑制型电导检测时，特定pH值的流动相可以使分子保持电荷而被检出。大部分包含胺基的两性分子，最好使用脉冲／积分安培检测；而紫外检测可以用于芳香胺族的两性分子的检测。 pbju;h)O!|
六、电导检测的流动相 F) < f8F
选择流动相时，必须考虑到分离和检测方法。为了保证最佳的分离效果，流动相的淋洗强度、分离效率是主要依据。对于电导检测而言，一个好的流动相与目标离子的电导响应值和背景的大小相联系。 [T !#s
流动相一律是由水和强电解质组成。如果使用有机溶剂兼容的柱子(如OmniPac或MPIC)，就可以使用典型的反相溶剂(甲醇或乙腈)，有机溶剂是离子对流动相的重要成分，并可在离子交换分离中控制灵敏度。由于有机溶剂不导电，也就不会干扰电导检测。 X[BKF8,
1.阴离子交换分离 (CO8t~J=
使用抑制器时，流动相的离子化成分在抑制器中转化为弱电导成分，使用弱酸的钠盐，是因为它们在抑制器中被转化成为近中性的酸。酸的pKa值越高，其背景电导就越低，使用pKa＞5的弱酸可以进行等浓度的淋洗，然而进行梯度淋洗时pKa应大于8，这样可使基线漂移减至最小。 [%z~0\lu8 &U Y1n ] zO
NaOH溶液是用于阴离子交换的一种很好的淋洗液，因为OH-在抑制器中被中和成水，它更多地用在梯度淋洗中。另一种常见的流动相是Na2CO3／NaHCO3缓冲溶液，它被抑制为碳酸(pKa=6.2)，其背景电导值约为10～20μS，可适用于等浓度淋洗，但不适用于梯度淋洗。 El]Rrku {`2js(~ d
其他用于抑制型阴离子交换色谱的流动相还有硼酸的钠盐(pKa=9.2)和对氰酚(pKa=8.0)。硼酸盐是弱电离的水合无机酸，由于它的pKa值大，抑制后的背景电导很低，对梯度淋洗很有用。对氰酚具有疏水性的一元取代基，用于淋洗强保留的疏水性一价阴离子如I-、SCN-等。在非抑制型阴离子中，流动相中离子成分的电导与目标离子的电导不同。应使用苯甲酸盐和邻苯二甲酸盐这些大分子、低摩尔电导的物质作淋洗液。葡萄糖酸盐／硼酸盐溶液也具有低的背景电导值。在进行高浓度分析时，灵敏度和基线噪音应在可以接受的程度之内。 @dD70T Lm WkCR q j
2.阳离子交换分离 >\3=h8zw m%WZ }*O2qT!]
稀强酸经常与有机溶剂混合。作为分离碱金属和碱土金属的淋洗液，配备自再生阳离子抑制器可以使用甲磺酸。使用甲磺酸／乙腈进行梯度淋洗，一次进样可以分离多种胺类和无机阳离子。 `R=8=6Z+$q .g jf+fm ?t(_
某些分离柱需要一种比H+更强的取代离子，淋洗保留性比碱土金属还强的离子，这就需要将2，3二氨基丙酸(DAP)与强酸混合后使其质子化。 w/E4wp
对阳离子非抑制型离子色谱而言，最好的流动相是稀释的强酸(1mmol／L HNO3),但其背景电导值很高(1mS)，以至于信噪比不足以检测低浓度离子，既然H+的电导高于其他阳离子，因此洗脱被测离子时电导值降低，所以分离过程出现负峰。 ZGe+w]( L p9m*KA1C S
3.离子对 \0'o*nlJ
用于离子对色谱的流动相通常由水、有机溶剂和疏水性离子对试剂组成。分离阴离子使用四元胺的钠盐，分离阳离子使用长链的磺酸盐。对于抑制型电导检测，这些试剂可以提供离子对：OH-(阴离子对)和H+(阳离子对)。 ,8cw jS2E *n3Z S-E5T4K
4.3吸光光度检测 _(TavL>l =
离子色谱用的吸光光度检测器主要有紫外和可见光光度检测器，它们也是高效液相色谱中用得最早而又广泛使用的检测器。目前，离子色谱采用吸光光度检测，其原理几乎与现有的高效液相色谱所配置的吸光光度的检测器完全相同。它不仅有高的选择性和灵敏度，而且对环境温度、流速波动、淋洗液组成的变化不敏感。因此无论等浓度淋洗还是梯度淋洗，都可采用。对强吸收物质的检测下限可达1ng。
阐述综合度高
层次感丰富，特点突出。好好学习，多阅。 受益匪浅！！11页:
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