离子色谱

离子色谱2011年9月（研究生）离子色谱的分离方式根据三种不同分离机理，离子色谱可分为以下三种：离子交换色谱（HPIC）离子排斥色谱（HPIEC）离子对色谱（MPIC）离子色谱系统的组成IC系统的构成与HPLC相同，仪器由流动相传送部分、分离柱、检测器和数据处理四个部分组成。ICS-1500离子色谱仪免化学试剂（RFIC)ICS-2000离子色谱仪ICS3000型多功能离子色谱离子交换色谱基本原理HPIC的分离机理主要是离子交换，是基于离子交换树脂上可离解的离子与流动相中具有相同电荷的溶质离子之间进行的可逆交换，依据这些离子对交换剂（固定相）有不同的亲和力而被分离，这是离子色谱的主要分离方式，用于亲水性阴、阳离子的分离。smsmRXYRYXsmsmRXYRYX阳离子交换：阴离子交换：离子交换达到平衡状态时为可逆反应1．离子交换选择性离子交换色谱的固定相具有固定电荷的功能基，阴离子交换固定相的功能基一般是季胺基(树脂-NR3+)；阳离子交换固定相一般为磺酸基(树脂-SO3-)。在离子交换进行的过程中，样品离子与淋洗离子竞争固定相上的电荷位置，当固定相上的离子交换位置被样品离子置换时，由于样品离子与固定相电荷之间的库仑力不同，即亲和力不同，因此被固定相保留的程度不同。这种样品离子在淋洗液和树脂之间的置换，具有不同的选择性过程，是离子交换作为一种分离离子方法的关键，将使样品离子以不同的速度流出柱子。2．分配系数KD分配系数KD表示溶质在固定相和流动相中的浓度比，即KD=Cs/Cm，Cs和Cm分别表示溶质在固定相和流动相中的浓度。IC中用分配系数KD来描述离子的色谱保留行为。不同离子分配系数的差异是色谱分离的基础。影响溶质在两相间分配的主要因素：离子交换反应的选择性系数；离子交换剂的容量；流动相中电解质的浓度；淋洗离子和溶质离子的电荷；流动相的PH；流动相的络合反应。阳离子、阴离子对固定相亲和力（保留时间）大小的顺序：碱金属的亲和力顺序为：Cs+Rb+K+Na+Li+碱土金属的亲和力顺序为：Ba2+Sr2+Ca2+Mg2+卤素离子的亲和力顺序为：I-Br-Cl-F-对无机和有机阴离子，一般是有机阴离子和一价无机阴离子先出峰，二价和三价的无机阴离子和有机酸后出峰，价数越高保留越强，出峰时间越长。（在特殊情况下，出峰顺序会发生变化）。常见无机阴阳离子的出峰顺序：F-、Cl-、NO2-、SO42-、Br-、NO3-、PO43-Li+、Na+、NH4+、K+、Mg2+、Ca2+淋洗液的组成样品离子和淋洗离子必须有相近的亲和力，以便于分离和洗脱。在离子色谱中，常用的淋洗液是阴离子分析：氢氧化物、硼酸盐、碳酸盐等。阳离子分析：硫酸、甲基磺酸等。用不同的淋洗液有不同的选择性。Cl-和SO42-对固定相具有不同的亲和力。SO42-被较强地保留并且在Cl-之后洗脱。Na+和Ca2+对固定相具有不同的亲和力。Ca2+比Na+较强地被保留，在较长时间时被洗脱，易于与Na+分离。与高效液相色谱不同的是：离子色谱有抑制器和电导检测器离子色谱用的管路、阀门、泵、柱子及接头等要求耐酸碱腐蚀，为匹克（PEEK）材料全塑系统。离子色谱的流动相一般是酸、碱和缓冲溶液或者含有少量的有机试剂（甲醇、乙腈）。主要分离极性和部分弱极性的化合物。ＨＰＬＣ的流动相一般是水、缓冲溶液和有机试剂。主要分离非极性的有机化合物。离子交换色谱系统中的主要部分：1.分离柱2.检测器3.抑制器1.分离柱柱填料是由苯乙烯-二乙烯基苯共聚物制得的离子交换树脂。共聚物基球与浓硫酸反应制成带有磺酸基团的强酸型阳离子交换树脂；经氯甲基化反应后其苯环上接上氯甲基，再与三甲胺反应即可接上季胺基团，得到强碱型阴离子交换树脂。分析柱技术涵盖了阴离子、阳离子、过渡金属、有机酸、氨基酸、糖、蛋白质、多肽、核酸等分析的广阔领域。IonPacCS12A（碱金属和碱土金属）IonPacAS14A、IonPacAS11-HC、IonPacAS19（有机和无机阴离子）CarboPacPA20、CarboPacPA10(糖)AminoPacPA10(氨基酸)离子交换剂（固定相）2.检测器有两大类：电化学检测器（电导、安培）光学检测器（紫外-可见、荧光）。电导检测器主要用于有机和无机阴离子和阳离子的测定；安培检测器用于糖类、氨基酸的检测；紫外检测器主要用于多价阴离子、硅、过渡金属、重金属和稀有元素的测定；荧光检测器主要用于氨基酸的分析。电导检测法：电导率是在阴极和阳极之间的离子化溶液传导电流的能力。溶液中的离子越多，在两电极间通过的电流越大。在低浓度时，电导率直接与溶液中导电物质的浓度成正比。电导用西门子(S)作单位表示，定义为电阻的倒数，直接与溶液的浓度和电导池的常数有关。这个常数与电极之间的距离和池子的体积有关。如果电导池中电极之间的距离越近，离子流遇到的电阻越小，检测器的灵敏度也就越高。3.抑制器阳离子抑制器阴离子抑制器抑制器的作用废液BackGround：Na2CO3/NaHCO3(700μS)NaF,NaCl,NaNO3Na2HPO4,Na2SO4～～RetentiontimeConductivityNaFNaClNaNO3Na2HPO4Na2SO4BackGround：Na2CO3/NaHCO3(700μS)～～RetentiontimeConductivityHFHClHNO3H3PO4H2SO4RetentiontimeBackGround：H2CO3(15μS)Conductivity阴离子抑制器抑制器的作用原理淋洗液(Na2CO3)阴离子分析柱HF,HCI,H2SO4inH2CO3NaF,NaCl,Na2SO4inNa2CO3废液H2O阳离子S时间S时间经过抑制废液H2OH+Na+12943样品F,CI,SO42---FSO42CI---FSO42CI---负极正极OH-自动连续再生阴离子抑制器中电化学反应和离子移动NaOH,H2H+废液废液阳极检测器H++O2H2+OH-H2OH2ONa+H++OH-H2OH+,X-H+,X-inH2OH2OH2OH2O,O2阳离子交换膜Na+,X-在NaOH淋洗液中阴极水的电解反应：阳极：3H2O→2H3O++1/2O2（气）+2e-（水被氧化形成H+和氧气）阴极：2H2O+2e-→2OH-+H2（气）（水被还原成OH-离子和氢气）自动连续再生阳离子抑制器的电化学反应和离子移动抑制的结果安装在电导池之前提高待测离子的电导率：提高灵敏度Na+,Cl-H+,Cl-降低背景电导(淋洗液):减少噪音Na+,HCO3-H2CO3Na+,OH-H2O极限摩尔电导值Cation＋－AnionＨ＋Ｌｉ＋Ｎａ＋Ｋ＋ＮＨ４＋Ｍｇ２＋Ｃａ２＋３５０３９５０７４７３５３６０ＯＨ－Ｆ－Ｃｌ－Ｂｒ－ＮＯ３－ＰＯ４３－ＳＯ４２－１９８５５７６７８７１８０８０Totalconductivity＝（）＋（）＋－（unit：μS/mequivalent）抑制器的两个主要作用：1）降低淋洗液的背景电导2）增加被测离子的电导值(增加灵敏度)，改善信噪比。离子色谱流程淋洗液泵色谱柱检测器泵液分离检测记录F-NO3-SO42-Cl-NO2-Br-HPO42-进样阀抑制器检测池进样离子交换的分离方式流动相：阴离子交换：弱酸的盐、碱（Na2CO3/NaHCO3,KOH、NaOH）阳离子交换：强酸（H2SO4、甲基磺酸）检测方式：电导检测可测定的离子：最佳的应用是在不同基质中对常见阴离子（F-、Cl-、Br-、NO2-、NO3-、SO42-、PO43-等），和常见阳离子（Li+、Na+、NH4+、K+、Mg2+、Ca2+等）及一些碳水化合物（低分子量有机酸）。表1分离方式和检测器的选择（阴离子）表2分离方式和检测方式的选择（阳离子）对复杂离子采用梯度洗脱：用戴安公司RFC-30淋洗液自动发生器，可使ICS-1500离子色谱升级为免试剂离子色谱RFIC系统（ReagentFreeIonChromatography），对原有的恒流泵系统可以方便地实现梯度淋洗。大肠杆菌发酵液中无机和有机阴离子的分析大肠杆菌发酵液中无机和有机阴离子的梯度分析亚洲玉米螟昆虫(体与血)中的阳离子分析波菜中无机和有机阴离子的分析苹果汁发酵液中苹果酸的梯度分析样品处理•过滤–样品中除去颗粒物–用0.45μm或0.22μm滤膜–用高纯水冲洗滤膜，以减少沾污•稀释–待测物浓度较高时，应预先稀释.–降低干扰物的浓度.•去除干扰物–预处理柱，超滤–固相萃取・液相萃取・离心・盐析–在线柱处理离子色谱使用的水与试剂•纯度尽可能高高纯水：电阻率≧17MΩ/cm、0.22μm滤膜过滤：淋洗液脱气（系统加氮气）试剂：尽可能使用优级纯（进口试剂）：配标准的试剂应预先干燥淋洗液的配制与保存阴离子淋洗液的配制碳酸盐(AS4A,AS12A,AS14等.）配100x浓度的淋洗液作为储备液，使用时用高纯水稀释氢氧化钠(AS10,AS11，AS15，16等.)配制50%(w/w)NaOH储备溶液.使用时用高纯水稀释阳离子淋洗液的配制甲烷磺酸(MSA)取一定浓度的MSA配成储备液(可以配制为1M的储备液)保存使用聚丙烯(PP)瓶，保存在暗处及4℃左右.（通常可以保存6个月）淋洗液要经常更换离子色谱的优点：1.快速、方便：一般10min即可分别完成阴、阳离子的剖面。2.灵敏度高：直接进样可达ppb级，用浓缩柱可达ppt级。3.选择性好：已有多种成熟的固定相，以及选择性的检测器。4.可同时分析多种离子化合物。5.分离柱的稳定性好、容量高：柱填料在广的PH范围内和对有机试剂的稳定性，广的应用范围及对复杂基体分析的可行性。离子色谱的应用离子色谱法已经广泛地用于环境、食品、材料、工业、生物和医药等许多领域。环境：１．饮用水:卤素含氧酸（氯气消毒饮用水、饮料及制面包产生致癌三卤甲烷、溴酸盐）、亚硝酸盐和硝酸盐的测定。２．生活污水和工业废水：多聚磷酸盐、铬、重金属离子(Fe2+/Fe3+、Cr3+/Cr6+、Sn2+/Sn4+)、氰化物。３．大气飘尘与降水：二氧化硫、氮氧化物、湿沉降中阴阳离子的浓度分布食品和饮料：1.无机阴离子：卤素含氧酸（饮料、面包、臭氧处理饮用水的致癌物溴酸根）、硝酸根、亚硝酸根（肉制品护色剂、防腐剂）、亚硫酸根（啤酒、酒类、食品、饮料防腐剂）、碘和其它卤素（牛奶）2.无机阳离子：钠钾（高血压）、镁钙（人体骨骼生长）3.有机酸：脂肪酸（果汁、饮料、酒）、人工合成食用色素4.胺和有机碱：阳离子与低分子量胺（致癌物质亚硝胺：鱼、肉、鸡蛋），胆碱（甲基黄嘌呤类生物碱：咖啡因、可可碱、茶碱。人体新陈代谢，婴儿食品、维生素配置），水溶性维生素，碳水化合物（糖类）生化分析：１．人体液中阳离子（K+、Na+、Mg2+、Ca2+）人血清中NO2-、NO3-２．尿液中无机阴离子和有机酸（草酸、尿酸、钠、氯分别指示尿结石、肾衰竭、高尿酸血症、电解质失调、脱水），碘（诱导甲状腺疾病）３．糖类化合物（动物、植物、微生物体内）４．蛋白质（氨基酸）微电子、电力工业中的痕量分析1．在线浓缩富集技术2．高纯水的痕量分析（锅炉水）3．高纯试剂中痕量杂质的测定（异丙醇、丙酮、N-甲基2-吡咯烷、过氧化氢、磷酸、硫酸）在石油化工分析中的应用石油勘探和钻井1．油田水中阴、阳离子的分析2．预报水垢的形成3．阻垢剂的检测石油精练过程中阴、阳离子和胺的分析石油化学产品分析1．石油化学产品中的有机酸的分析2．浓酸（浓氢氟酸、浓磷酸）中痕量阴离子的分析离子排斥色谱主要用于无机弱酸和有机酸的分离。也用于醇类、醛类、氨基酸和糖类的分离。固定相通常是总体磺化的苯乙烯/二乙烯基苯H+型阳离子交换树脂。δ-离子排斥色谱的原理这种分离模式包括Donnan排斥、空间排斥(分子量大小)和吸附过程。由于Donnan排斥，完全离解的酸不被固定相保留，在死体积处被洗脱。而未离解的化合物不受Donnan排斥，能进入树脂的内微空，分离是基于溶质和固定