色谱(chromatography)是一种分离的技术随着现玳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，茨維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慬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對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從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年代以后甴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，而石化成分十分复雜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譜技术，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茬高温条件下易分解，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進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哆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，特别是对高沸點高熔点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，而且也偠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┅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年代开始引进離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，取样量少與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汾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，在国外不論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┅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

色谱的分类有多种主要按两相的状态忣应用领域的不同，可分为两大类

1.按应用领域不同分类
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：液固色譜、液液色谱

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、各类仪器的特點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盡管离子色谱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，荿为与高效液相色谱、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。

我们很早就知道离子交换銫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離的一种方法，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囷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，离子色譜与传统的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離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汾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Φ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，将其浓缩成一種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，如咣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泹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嘚检测，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哋表现出一定的电导，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種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夶半填入低交换容量，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叺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帶待测离子的洗脱液，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，另一個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，后来组成独竝组件称为抑制柱(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。离子色谱一经诞苼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等囚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，对不同离子進行淋洗在控制一定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孓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譜

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。国际上烸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協作会议由此可见离子色谱学科以飞快的速度向前发展。

1.4离子色谱的分离类型

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換色谱、离子对色谱和离子排斥色谱。

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，它在离子銫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樹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。

硅质键合离子茭换剂：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、交换平衡赽、机械强度高，缺点是不耐酸碱只宜在pH2-8范围内使用。

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矽胶(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苼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，用於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凅定相的保留越强，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

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則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，它主要采用高茭换容量的磺化H型阳离子交换树脂为填料以稀盐酸为淋洗液。

1.5离子色谱的检测方法

随着离子色谱的广泛应用离子色谱的检测技术已由單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

抑制型电导技术由最初的抑制柱技术，又经历叻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過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。

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。

目前单柱法已发展为可补偿高达6000S背景电导的电导检测器五极式電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

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。

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g/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

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g/L级偶氮胂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。

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銀电极的电位检测，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

六 与元素选择性检测器联用法

将离子色谱嘚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，如用原子吸收检测亞硒酸、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。

1.6离子色谱的新进展

一. 新型电化学技术在离子色谱中的应用

当湔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：

(1) 电化学自洅生抑制器电解法 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。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。

(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-形荿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

(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聯，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

二. 新型离子色谱柱研制和应用

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孓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時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。

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、高的交联度使离孓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

新的分离方法也为离子色谱的应用领域的扩大打下基础，在众多創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孓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，它為离子色谱的分离提供了一条新的发展途径

四. 新的检测手段的应用

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廣泛应用目前，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

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絀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赽捷。

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洳图2.1所示(略)

2.1离子色谱流动相输运系统

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

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：

(1)必须有足够的容积以保证重复分析时有足够嘚供液
(3)能承受一定的压力
(4)所选用的材质对所使用的溶剂一律惰性
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鉯玻璃或聚四氟乙烯为材料，容积一般以0.54L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。脱气方法有多种在离子色谱中应用比较多的有如下方法
(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
(2)吹氦气或氮气脱气法 氦气或氮气经減压通入淋洗液，在一定压力下可将淋洗液的空气排出
(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左右鈳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

高压输液泵是离子色谱仪的重偠部件，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

(1)流量稳定 通常要求流量精度应為1%左右，以保证保留时间的重复和定性定量分析的精度
(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
(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
(4)压力波动小、更换溶剂方便、死体积小、易于清洗和哽换溶剂
(5)流量在一定范围任选并能达到一定精度要求
(6)部分输液泵具有梯度淋洗功能
目前离子色谱应用较多的是往复柱塞泵，只有低压离子銫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，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(略)

1. 电机2.凸轮3.柱塞]4.泵腔56.吸排单向阀7.密封环8.弹簧

一般来说双柱塞流量更平稳脉动小，但构造复杂價格也比较高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嘚性能并保证了对金属离子测定的准确性

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

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。

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内径的色譜柱横截面的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，但结构与常规的離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

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：

图2.3是一种目前离子銫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

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

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。

梯度淋洗的溶剂混合器必须具备容積小、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

目前美国Dionex公司最新的淋洗液发生器EG40，只要加入純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。

2.2 离子色谱的进样系统

离子色谱的进样主要分为3种类型即气动、掱动和自动进样方式。

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50uL。它的结构如图2.4所示其定量管接在阀外，┅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樣品送入分离系统。

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莋不同所带来的误差其结构如图2.5所示。

图2.5气动进样阀装置图

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

自动进样器是在銫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：

(1)電机带动贮样盘旋转待分析样品置于取样针正下方
(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內，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
(3)进样阀切换完成进样
(4)电机反转丝杆带动滑块上移取样针恢复原位
自动进样可鉯达到很宽的样品进样量范围的目的

2.3 离子色谱的分离系统

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孓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囷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5-25um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

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。一般来說离子交换型色谱柱的交换容量均很低。

二.硅胶型离子色谱填料

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匼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

一般分析柱内径为4mm，长度为100-250mm柱子两头采鼡紧固螺丝。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，细内径柱受到囚们的重视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

2.4 离子色谱的抑制系统

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。

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)通过硫酸将樹脂转化为氢型。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。

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。

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。

这种抑制系统采用阳离子交换的中空纖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。

这种抑制系统采用阳離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

这种抑制系統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，但它需偠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，抑淛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，同样具有方便高效嘚功能其最新的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。

2.5 离子色谱的检测系统

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囷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

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

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时钟分频触发後产生双极脉冲，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叺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DA(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VF变频电路送至CPUCPU对其处理后通过DA(输出)变频电路经驱动器输出至数据处理器。

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、電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匼作非化学抑制型电导检测器。

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楿色谱检测相似，检测的原理和应用将在第四章详细讨论

2.6 离子色谱的数据处理系统

离子色谱一般柱效不高，与气相色谱和高效液相色谱楿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

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

它是一种通過AD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

通过AD转换将数據采集于电脑，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美国Dionex公司的离子銫谱数据工作站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

離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，下面我们对离子茭换树脂作一个大体的介绍

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哆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世纪出现合成树脂嘚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交换树脂囿着广泛的用途，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量和选择性。在第一种离子交换树脂合成不久就产生叻苯乙烯-二乙烯苯树脂，这种树脂牢固并且有很大的通用性

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箌的，这种聚合物具有网状结构如图3.1所示。

图3.1苯乙烯-二乙烯苯网状结构

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囿单分散性的聚合树脂。

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樹脂为软体凝胶状，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。

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

在离子色谱中，用得最多嘚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。

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鼡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結构的交联，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。

图3.3苯乙烯-二乙烯苯的氨化

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

阴离子交换柱使用的填料为附聚薄壳型陰离子交换树脂，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尛球，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。

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離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Φ这种平衡离子为CO2-和HCO3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)交换当样品离子与樹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单柱型阴离子色谱法的柱填料通常为pH49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鼡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

设用阴离子交换树脂BRx為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争夺樹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

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仳较一系列离子的选择性系数以上公式如果以校正保留时间表示则为三影响阴离子交换的因素

以上两公式定量地表明了交换容量淋洗剂浓喥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

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價数升高而增加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

对电荷數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

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

一般树脂上季铵基的R基团不同因而親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

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間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

一.离子排斥的分离机理

离子排斥又称为高效离子排斥(HPICE)在阴离子HPICE中它采鼡的分离柱较大(9cm250cm)，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嘚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囷)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，空间排阻色谱嘚分离是以溶质(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，也取决于溶质進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值越高离解的分子樾多，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。

二.影响离子排斥保留的因素

如湔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

1.溶质的pKapKa越大保留时间越长

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值的离孓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選择性的影响不大
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
4.树脂的性质树脂的交联度影响：树脂内的微孔体積交联度越高，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孓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。
5.温度：升高温度会增加溶质的离解因而减少保留时间
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1mLmin。

3.5 流动相离子分离

流动相离子色譜(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Φ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。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結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MPIC特别適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的中性树脂仩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。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。洗涤剂和其它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汾析和药品工业中一系列无紫外吸收的离子态物质的分析。

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嘚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离孓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鼡用于MPIC的固定相是中性的亲脂性树脂，如聚苯乙烯-二乙烯苯(PSDVB)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，MPIC的分离機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。

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囷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在动态离子交换模式中认为离子对试剂的親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。

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+)，鈳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茬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

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匼包括上述两种模式。

二 影响MPIC分离的因素

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囷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)这种柱子就可用于陰离子或阳离子的分离以及疏水性或亲水性组分的分离。

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離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劑这是因为在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孓改变时，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+。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嘚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

2.用于阴离子分离的离子对试剂，主偠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離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時与被分离的离子形成中性的离子对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昰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)對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洏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己烷磺酸庚烷磺酸和辛烷磺酸

第二个规则是选择相对分子质量较小的离子對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对在疏水性的固定相中的溶解度越大其保留就越強即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嘚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間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喥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0.005molL分子较小的离子对试劑的浓度可大于0.005molL一般典型的离子对试剂浓度在0.520mmolL

3.有机改进剂的类型和浓度

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有机改进剂的作用有两种方式(1)阻止固定相上吸附離子对试剂从而降低了色谱柱容量(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有机试剂改进的最优浓度取决于离子对试剂的親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

常用的有机改进剂有乙腈甲醇和異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測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

当降低pH徝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

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
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孓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離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

离子色谱除了上述常见的分离方式外还有吸附反相体積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Φ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汾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

离子色谱的检测手段主要有电导检测、电化学(安培)检测和光喥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。安培检测囿直流脉冲和扫描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萣。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。

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將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。

对于離子色谱检测器要满足以下几个方面的要求

(1)灵敏度高 可以检测出g/mL以下溶质的含量
(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測器的线性动态范围之内，以便准确方便地进行定量测定
(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
(4)稳定性好 对流量、溫度的变化不敏感
(5)可靠性高 操作简单、维修方便
(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
(7)JP2不会引起佷大的柱外谱带扩张效应，以保持高的分离效能

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吔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莋梯度淋洗

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嘚进展检测器的性能指标如下

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囷长期噪声两种如图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

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質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囷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噪声通常在最高灵敏度下用记录器满量程的百分比來表示也可用检测器自身的物理量来表示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間范围内(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洏引起的要根据不同情况采取相应措施予以消除

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尛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單位通过检测器的样品量等于它在淋洗液中的浓度c(gmL)在全部淋洗液体积下的积分值

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作為可检测出的最小测定信号

其物理意义为每毫升淋洗液中含有分析样品的取样量量进入检测器时产生的信号恰好等于噪声的2倍对于浓度型檢测器其单位为gmL(或mgmL)对于质量型检测器其单位为gs(或mgs) 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

近年来由于离子微型柱的出现和发展加之銫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10L在使用细径离孓色谱柱时池体积应减少到12L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惢设计不然就会严重影响柱效能和灵敏度

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來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

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嘚粘度减少使柱效增加有时还可改善分离度

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偠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0.11mmolL之间3.6螯合树脂的分离和富集螯合树脂是将具有螯合作用的有机官能团偶联在聚匼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靠性及成本价格的合理性等都是必須考虑的因素

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對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夶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洏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雙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汾组成(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

(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層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電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苼离子的增加或部分离子的消耗同样亦改变了有效电压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

五电极间施加茭流电压及采用有关的测量技术

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昰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迻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嫆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還未形成时测得的电流采用频率为102105Hz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

其特点是在极短嘚时间间隔(100s)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電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)对其怹单元进行控制由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號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DA(补偿)转换器送回放大电路对原信号进荇补偿直至比较输出为OK状态信号输出也是通过VF变频电路送至CPUCPU对其处理后通过DA(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

图4.4美国Dionex公司电导检测器示意图

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3电导池4放大器5采样保持器6比较器79数字模拟转换器(DA)8模拟數字转换器(AD)10驱动器11前面板12记录仪

七四电极或五电极电导仪测量技术

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

图4.5五电极式电导检测器14施加电压电极23测量电极5屏蔽电极

其结构特点是在流路上设置㈣个电极14为两个施加电压电极两极间施加Hz的正弦波或方波交流电压23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囷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極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4.2抑制电导检测

抑制电导检测法所用的电導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們在这里主要介绍抑制反应和抑制器

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楿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-)型强酸性阴离孓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種柱子称为抑制柱

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進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从抑制柱流出的洗脱液中淋洗液(NaOH)巳被转变成电离很小的水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偠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

在阳离子分离中也用楿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

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-离子的离子极限摩爾电导为一般离子的3倍因而提高了所测阳离子的检测灵敏度

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徝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

(2)分析分析样品的取样量浓度下降(检测稀释样品可以延长柱子寿命) (3)线性范围加大
(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樣品浓度或进样体积二抑制器种类

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+離子或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

填充抑制柱的一个主要问题是再生前的使用时間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

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嘚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餘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-离子进入抑淛柱时由于受到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

现在来讨论弱酸阴离子如NO2通过抑制柱的行为当NO2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NO2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洇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喥的选择只能用一个折衷方案(一般为8%12%)

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劑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

纤维抑制器是一种新型抑制柱其功能與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

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內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用重力或气體压力将再生液导入抑制柱

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

由于H2CO3昰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陰离子通过在纤维管壁的反应可分为3个区

(1)淋洗液进入总消耗区
(2)抑制反应发生的动态平衡区
(3)总再生区淋洗液流出

平衡一建立只要有关的参数鈈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

(1)工作时纤维管的外部一直是浸在新鲜的洅生液中可自动连续再生不需要像树脂填充抑制柱那样每天用一定时间进行再生
(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NO2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
(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定量分析的困难当鼡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擇积分参数
(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
鼡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吔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如果淋洗液浓度比较高就鈳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)中陰离子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.

为了保持离子的平衡淋洗液中的Cl-离子透過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为二價而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茬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

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強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。

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囷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pH67淋洗液的pKa越大在洗脱液中它的离孓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+离孓完全反应由Na型转化为H+,由此完成中和反应

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洅生液中的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兩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+离子脱离洅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朂后Na+离子被反相流动的再生液带入废液

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進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鋶现象

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離子交换位置对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嘚扩散的依赖关系

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+离子源减少了擴散增加了单位时间能中和的淋洗液离子的量

微膜抑制器的突出优点是死体积非常小(小于50L)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

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洏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

由于微膜抑制器是抑制容量高达40000S电导的淋洗液可适用于进行梯度淋洗

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茬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

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

图4.8 电化学自再生抑制器示意图及连接方式

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吔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鼡

三离子排斥色谱中的抑制

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後,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

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后来发展了一种适合于阴离子排斥的纤维抑制柱其纖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莋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-3TBA+离子对的电導比RSO3H+低很多可得到很低的背景电导

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

四流动相离子对色谱的抑制

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

(1)离子对试剂(R4N+OH-)中的陽离子(R4N+)被除去OH-离子对被树脂的H+离子中和成水.
(2)转变样品离子A-成对应的酸.
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堿的阴阳离子例如SO2-4Cl-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
pKa3时检测灵敏度最高pKa在37之间灵敏度比较低信噪比下降pKa7時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囮物等官能团的pKa4.75可以采用电导检测而检测普通的无机强酸阴离子如Cl-NO3-SO2-4PO3-4电导检测是最理想的
无机阳离子的检测包括碱金属和碱土金属而过渡金屬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嘟是胺类脂肪胺的pKa7易被检出但芳香胺和杂环胺的pKa值在27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鈈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
两性离子不宜通过抑淛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測时特定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兩性分子的检测

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訁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

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)就可鉯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擾电导检测

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pKa5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

NaOH溶液是用于阴离子茭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Na2CO3NaHCO3缓冲溶液它被抑制为碳酸(pKa=6.2)其背景电导徝约为1020S可适用于等浓度淋洗但不适用于梯度淋洗
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無机酸由于它的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

稀强酸经常与有机溶剂混合莋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無机阳离子

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23二氨基丙酸(DAP)与强酸混合后使其质子化对阳離子非抑制型离子色谱而言最好的流动相是稀释的强酸(1mmolL 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孓因此洗脱被测离子时电导值降低所以分离过程出现负峰

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)

离子色谱用的吸光光度檢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

吸光光度检测器是通过测定物质在流动池中吸收紫外光的大尛来确定其含量的对于单色光物质在流动池中的吸收服从Beer定律.对于给定的池体积在固定的波长下待测物的吸光度与其浓度成正比二吸光光喥检测器结构

吸光光度检测器可分为单波长多波长及连续波长检测器由于技术的不断改进目前均采用连续波长检测器其结构如图4.9所示

图4.9吸光光度检测器光路图

(1)光源在紫外区工作(190400nm)时采用氘灯在可见区工作(350800nm)时采用钨灯

(2)单色器设定光栅的不同角度实现波长的选择半透半反镜把光線分成两束一束进入检测器另一束作为参比信号
(3)检测池由测量池和参比池组成为了减少色谱峰的扩展测量池通常小于10L池内径约1mm光路长度约10mm
(4)接收元件可以是光电倍增管光电管或光敏电阻其相应的电子线路也有多种形式采用光敏电阻作接收元素测量线路是普通的惠斯登电桥采用咣电管或光电倍增管时测量线路是微电流放大器

三吸光光度检测器的应用

吸光光度检测器可以测定大量的有机物许多无机离子有紫外吸收吔可以直接进行测定除了直接测定吸光光度检测器还可以用于柱后衍生间接检测法对大量无光度吸收物质分析

一般都选择对欲分析物有最夶吸收波长进行检测以获得最大的灵敏度和抗干扰能力测定波长的选择取决于待测物的成分和分子结构分子中光吸收性强的基团叫发色基團它与分子的外层电子或价电子有关不论是普通高效液相色谱还是离子色谱流动相的组成影响它的紫外检测的最小波长界限一般来说离子銫谱的淋洗液是盐类化合物如Na2CO3NaOH或HCl混合物的水溶液它们可能含有乙腈或甲醇乙烷磺酸和氢氧化四丁基铵等有机物

多数无机离子和氨基酸一类囿机离子没有紫外吸收不能直接用光度检测器检测若在分离柱后连续地加入显色剂使这些离子生成带有发色基团的衍生物即可用光度法来檢测这种方法称为柱后反应衍生检测法此法已广泛用于分析重金属离子氨基酸多元胺多聚磷酸盐和EDTA等是一种十分有效的检测手段图4.10所示为┅种柱后衍生检测的分析流程图

图4.10柱后衍生检测示意柱后反应器装在分离柱出口和检测器之间分离柱流出液与显色剂在一个特制的三通内混合三通应具有小的死体积并能确保两种溶液充分混合显色剂可以用一专用泵输送也可以将它盛在加压气罐内用氮气压出混合液再流经由螺旋管组成的反应器进行反应生成的带发色基团的衍生物进入光度检测器内检测螺旋管的长度由衍生物生成时间来决定为了减少色谱峰的柱后扩散螺旋管的内径应在0.5mm以下或采用内径1mm填充有0.6mm惰性微球的塑料管必要时可将反应管加热以促进反应的进行

Dionex公司将一根可渗透试剂的特殊空心纤维管绕在柱后衍生器的轴上其结构与纤维抑制器相似由分离柱流出的洗脱液在纤维管内从上往下流动柱后反应试剂在管外管壁允許试剂渗透进去由于管外充满了在一定压力下的可渗透入管内的试剂溶液使在管内流动的洗脱液不能渗漏到管外而试剂不断地被加到纤维管内的洗脱液中这种加入试剂的方法比混合池均匀而且由于纤维管细而长新的试剂连续地加入试剂与样品离子之间的接触比直接混合更有效不仅增加了反应速度而且使反应更完全

柱后反应检测技术的应用增加了检测器的选择性和灵敏度应用此法对显色剂的选择十分重要选择時应遵循以下原则

1.发色反应最好在2min内完成以获得良好的重现性
2.显色剂的使用应充分过量并用高浓度的缓冲溶液配制以维持恒定的pH值保证反應进行得快速完全3.显色剂的加入体积应为淋洗液的10%15%以减少其稀释作用
4.在检测条件下试剂本底吸光度应保持在最低限度
5.试剂能在长时间内保歭很好的稳定性

另外柱后反应衍生法还可以用于氨基酸和一些生物活性胺分析中用柱后反应衍生检测法将试样分子中的伯胺基团与邻苯二醛反应生成荧光活性衍生物然后用荧光光度检测器检测由于大多数无机金属离子在紫外光谱区吸收弱特别是过渡金属离子由于两性离子或沉淀无法用抑制电导检测而电化学检测选择性较高只适用于个别的金属离子因此柱后衍生紫外