離子色譜法(IC)(共10頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上離子色譜法（IC）一、 離子色譜（IC）基本原理離子色譜是高效液相色譜（HPLC）的一種，其分離原理也是通過流動相和固定相之間的相互作用，使流動相中的不同組分在兩相中重新分配，使各組分在分離柱中的滯留時間有所區(qū)別，從而達到分離的目的。二、 離子色譜儀的結(jié)構(gòu)離子色譜儀一般由四部分組成，即輸送系統(tǒng)、分離系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)、和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。輸送系統(tǒng)由淋洗液槽、輸液泵、進樣閥等組成；分離系統(tǒng)主要是指色譜柱；檢測系統(tǒng)（如果是電導檢測器）由抑制柱和電導檢測器組成。離子色譜的檢測器主要有兩種：一種是電化學檢測器，一種是光化學檢測器。電化學檢測器包括電導、直流安培、脈沖安培、和積分安培；

2、光化學檢測器包括紫外可見和熒光。電導檢測器是IC的主要檢測器，主要分為抑制型和非抑制型（也稱為單柱型）兩種。抑制器能夠顯著提高電導檢測器的靈敏度和選擇性，其發(fā)展經(jīng)歷了四個階段，從最早的樹脂填充的抑制器到纖維膜抑制器，平板微膜抑制器和先進的只加水的高抑制容量的電解和微膜結(jié)合的自動連續(xù)工作的抑制器。三、 離子色譜基本理論離子色譜主要有三種分離方式：離子交換離子排斥和反相離子對。這三種分離方式的柱填料樹脂骨架基本上都是苯乙烯/二乙烯苯的共聚物，但是樹脂的離子交換容量各不相同，以下就主要介紹離子交換色譜的分離機理。在離子色譜中應(yīng)用最廣的柱填料是由苯乙烯-二乙烯基苯共聚物制得的離子交換樹脂。這類樹脂的基

3、球是用一定比例的苯乙烯和二乙烯基苯在過氧化苯酰等引發(fā)劑存在下，通過懸浮物聚合制成共聚物小珠粒。其中二乙烯基苯是交聯(lián)劑，使共聚物稱為體型高分子。典型的離子交換劑由三個重要部分組成：不溶性的基質(zhì)，它可以是有機的，也可以是無機的；固定的離子部位，它或者附著在基質(zhì)上，或者就是基質(zhì)的整體部分；與這些固定部位相結(jié)合的等量的帶相反電荷離子。附著上去的集團常被稱作官能團。結(jié)合上去的離子被稱作對離子，當對離子與溶液中含有相同電荷的離子接觸時，能夠發(fā)生交換。正是后者這一性質(zhì)，才給這些材料起了“離子交換劑”這個名字。離子交換法的分離基理是離子交換，用于親水性陰、陽離子的分離。陽離子分離柱使用薄殼型樹脂，樹脂基核為苯

4、乙烯/二乙烯基苯的共聚物，核的表面是磺化層，磺酸基以共價鍵與樹脂基核共聚物相連；陰離子分離柱使用的填料也是苯乙烯/二乙烯基苯的共聚物，核外是磺化層，它提供了一個與外界陰離子交換層以離子離子鍵結(jié)合的表面，磺化層外是流動均勻的單層季銨化陰離子膠乳微粒，這些膠乳微粒提供了樹脂分離陰離子的能力，其分離基理基于流動相和固定相（樹脂）陽離子位置之間的離子交換。淋洗液中陰離子和樣品中的陰離子爭奪樹脂上的交換位置，淋洗液中含有一定量的與樹脂的離子電荷相反的平衡離子。在標準的陰離子色譜中，這種平衡離子是CO32-和HCO3-；在標準的陰離子色譜中，這種平衡離子是H+。離子交換進行的過程中，由于流動相可以連續(xù)地提

5、供與固定相表面電荷相反的平衡離子，這種平衡離子與樹脂以離子對的形式處于平衡狀態(tài)，保持體系的離子電荷平衡。隨著樣品離子與連續(xù)離子（即淋洗離子）的交換，當樣品離子與樹脂上的離子成對時，樣品離子由于庫侖力的作用會有一個短暫的停留。不同的樣品離子與樹脂固定相電荷之間的庫侖力（即親和力）不同，因此，樣品離子在分離柱中從上向下移動的速度也不同。樣品陰離子A-與樹脂的離子交換平衡可以用下式表示：陰離子交換 A- （淋洗離子）NR4-R A-+NR4-R （淋洗離子）對于樣品中的陽離子，樹脂交換平衡如下（H+為淋洗離子）：陽離子交換 C+ H+O3S-R C+O3S-R H+在陰離子交換平衡中，如果淋洗離子是

6、HCO3-，可以用下式表示陰離子交換平衡：K是選擇性系數(shù)。K值越大，說明樣品離子的保留時間越常。選擇性系數(shù)是電荷、離子半徑、系統(tǒng)淋洗液種類和樹脂種類的函數(shù)。離子半徑樣品離子的價數(shù)越高，對離子交換樹脂的親和力越大。因此，在一般的情況下，保留時間隨離子電荷數(shù)的增加而增加。也就是說，淋洗三價離子需要采用高離子強度的淋洗液，二價離子可以用較低濃度的淋洗液，而低于一價離子，所需淋洗液濃度更低。離子半徑電荷數(shù)相同的離子，離子半徑越大，對離子交換樹脂的親和力越大，即隨著離子半徑的增加，保留時間延長。例如：鹵素離子的洗脫順序依次是F-、Cl-、Br-、I-；堿金屬離子的洗脫順序是：Li+、Na+、K+、Rb+

7、、Cs+。淋洗液的pH值淋洗液的pH值影響多價離子的分配平衡，例如：隨著淋洗液pH值的增加，PO43-從一價變?yōu)槎r或三價。因此，pH值較低時，它在NO3-之后，SO42-之前洗脫，pH>11時，在SO42-之后洗脫。樹脂的種類 離子交換樹脂的粒度、交聯(lián)度、功能基性質(zhì)及親水性等因素對分離的選擇性也起很大作用。四、 檢測器電導檢測器是離子色譜中使用最廣泛的檢測器。其作用原理是，用兩個相對電極測量溶液中離子型溶質(zhì)的電導，由電導的變化測定淋洗液中溶質(zhì)的濃度。電導檢測器的電導池結(jié)構(gòu)如圖所示。電導池體一般采用材質(zhì)較硬的工程塑料如PEEK等，電極通常為316不銹鋼并固定在電導池內(nèi)。另外，電導池上通常

8、有一個溫度傳感器，用于探測液體流出電導池時的溫度和補償由于溫度改變而導致的電導變化。改變兩電極之間的距離可以調(diào)整池的常數(shù)，對檢測的靈敏度有很大的影響。通常電極間的距離越小，死體積越小，靈敏度越高。目前先進的商品電導池的池體積為0.51ul左右。測量電導過程中的物理化學原理如圖： 當電場施加于兩電極時，溶液中陰離子趨向陽極，陽離子趨向陰極。溶液中離子數(shù)目和遷移速度的大小決定溶液的電導值。離子的相對遷移率，由其極限當量電導值決定。離子在電場作用下的運動速度，除受離子電荷和離子的大小等因素影響外，還與溫度、介質(zhì)的性質(zhì)及施加電壓的大小有關(guān)。兩電極之間可以施加直流電壓，但通常是施加正旋波或方波型交流電壓

9、。當施加的有效電壓確定后，測量出電路中的電流值，即能測出電導值。然而，如上圖所示，由于電極表面附近形成的雙電層極化電容（或稱法拉第交流阻抗）的影響，會引起有效電壓的改變，因而電路施加于兩極的電壓不等于有效電壓。雙電層形成機理的解釋如下：當電極兩端的電壓低于離子的分解電壓時，電極附近的溶液層將吸引反電荷的離子形成一雙電層，此雙電層由兩部分組成：（1）內(nèi)壁薄層，在此層內(nèi)離子濃度隨電極距離的增加而減少呈現(xiàn)線性關(guān)系；（2）擴散層，在此層內(nèi)離子濃度隨電極距離的增加而減少呈指數(shù)關(guān)系。雙電層的存在，亦會產(chǎn)生電壓降，實際上施加電壓為有效電壓（由溶液電阻產(chǎn)生的電壓降）和雙電層電壓降的總和。 為了消除電極表面附近

10、形成的雙電層極化電容對有效電壓的影響，電導池的設(shè)計多采用雙極脈沖技術(shù)。該技術(shù)是通過在持續(xù)很短的時間內(nèi)（約100us），連續(xù)施加兩個脈沖高度和持續(xù)時間相同而極性相反的脈沖電壓于電導池上，并采用測量第二個脈沖終點時的電流，此點的電導池電流遵從歐姆定律，不受雙層極化電容的影響，可以準確測量池電阻。將電解質(zhì)溶液置于施加電場的兩個電極間，則溶液將導電，此時溶液中的陰離子移向陽極，陽離子移向陰極。并遵從以下關(guān)系：式中，為電導率，是電阻率的倒數(shù)（1/R）；A為電極截面積；L是兩電極間的距離；Ci是離子濃度，以mol/l為單位；i為離子的極限摩爾電導（指溶液無限稀釋后離子的電導）。 在測量中，對一給定電導池電

11、極截面積A和兩極間的距離L是固定的，L/A稱為電導池常數(shù)K，則電導值等于：當知道io后，就可以計算溶液中所含離子的電導值。例如：25時，NaCl的當量電導值是Na+和Cl-的當量電導值（50.1，76.4）之和（126.5），因此，0.1mMNaCl溶液的電導值0.1×126.512.65us/cm。由此可知0.1mM NaCl和0.1mM Na2SO4溶液的電導值如下：離子數(shù) 電荷數(shù) 濃度 io us/cm3 × 1 × 0.1 × 50.1 15.0 （Na+）1 × 1 × 0.1 × 76.4 7.6 （Cl-）1

12、× 2 × 0.1 × 80.0 16.0 （SO42-） 我們僅討論稀釋溶液。因為隨著溶液濃度的增加，電導和濃度之間的比例關(guān)系將消失。不過在離子色譜正常的分析濃度范圍內(nèi)（<1mM），電導與濃度仍成正比關(guān)系。例如：25時，KCl的當量電導為149.9，在濃度為1mM時為146.9，僅減少2%。然而淋洗液樣品的電導不被假定與濃度成比例，因為流動相的離子成分被包含在淋洗體積當中。如果電解液是部分電離的弱酸和弱堿，那么Ci將被已電離部分的濃度所取代，pK和pH將被用來計算電離程度。影響電導測定的幾個因素：1、 濃度溶液的電導與溶液中溶質(zhì)的濃度呈線性關(guān)系。同時這種線

13、性關(guān)系也受溶液中離子的離解度、離子的遷移率和溶液中離子對的形成等因素的影響。 對弱電解質(zhì)溶液，影響檢測器線性的主要因素是解離度或離子化程度。解離度代表了總?cè)苜|(zhì)中能夠傳遞電流的部分，它由溶質(zhì)的濃度和溶劑的性質(zhì)所決定。弱電解質(zhì)在溶液中不能完全電離，因此總有某些分子以非離子化的形式存在著。非離子化的分子是不能傳遞電流的，因此，測量的離子濃度會小于溶液中該組分的總濃度。對大多數(shù)離子來說，若線性范圍能夠達到mg/l或ug/l級，離解基本上被認為是完全的。對強電解質(zhì)來說，溶液中它們是完全離解的，影響檢測器線性的主要因素是離子的淌度（遷移率）。離子淌度的定義是：在一個電場中，電位改變1V/cm時離子的遷移速

14、度。影響離子遷移的因素是每一離子周圍形成的溶劑化電荷球?qū)﹄x子運動產(chǎn)生的阻滯力。在溶液中，離子被帶相反電荷的溶劑化電荷球所包圍著。在外加電位的影響下，離子和它的溶劑化電荷球向相反的方向移動，減少了離子的遷移速度。離子本身性質(zhì)的不同對其遷移率的影響也很大。具有較大水合半徑的離子，其活性較差，電導值較低；而具有較小水合半徑的離子其活性大，淌度較高，因此其電導值較高。2、 溫度對電導的影響離子的流動性和電導受溫度的影響很大。溫度每升高1時，水溶液的電導將增加2%。因此，流動相的溫度應(yīng)該盡可能的保持穩(wěn)定。另外，可以將所測量的電導值修正至25時的測量值?，F(xiàn)在的電導檢測器都設(shè)計有能消除溫度影響的功能。例如D

15、ionex公司的電導檢測器中，其電導池中設(shè)計有能對電導池流出液體的溫度進行連續(xù)自動測量的熱敏元件，通過在檢測器中設(shè)定一個以25時為基準的溫度補償系數(shù)進行歸一化處理，來消除溫度變化對測量結(jié)果的影響。 電導檢測器的常見故障以及處理方法1、電導池的清洗 電導檢測器常見的故障是檢測池被污染。污染物主要來源于沒有經(jīng)過前處理的樣品，如濃度過高、復雜的樣品基體等。檢測池被污染后可使檢測器的基線噪音變大，靈敏度下降。當確認是檢測池受到污染時，可以采用下列方法清洗，使其恢復原來的性能。具體步驟如下：（1）配置少許3mol/lHNO3溶液；（2）在電導池的入口處連接一個可接駁注射器的接頭；（3）用一個10ml的注

16、射器向電導池內(nèi)推注約20ml 3mol/lHNO3溶液；（4）用去離子水沖洗電導池至pH值達中性。 注意：清洗時應(yīng)當將電導池的出口處直接連接至廢液，嚴禁強酸進入抑制器。2、 電導池的校正電導池清洗后一般需重新校正。在正常使用的情況下，電導池應(yīng)每年校正一次。校正的方法如下：（1）將分析泵的出口管路直接連接到電導池的路口。（2）以8.0ml/min的流速泵入0.001mol/l KCl校正溶液，2min后將流速降至分析時的正常流速。最大不要超過2ml/min。（3）此時電導值顯示因為147us，如果不是，調(diào)節(jié)檢測器上的校正螺絲至147us。（4）用去離子水以8ml/min的流速沖洗電導池2min，

17、停泵，將系統(tǒng)管路恢復至正常狀態(tài)。五、 抑制器的工作原理電導檢測器是離子色譜最通用的檢測器，但本身存在著一個問題，即對淋洗液有很高的檢測信號，這就使它難以識別淋洗時樣品離子所產(chǎn)生的信號。為了降低淋洗液的背景電導，就需要用到抑制器，抑制器就是在這種情況產(chǎn)生及發(fā)展起來的。圖.抑制柱反應(yīng)的效果圖抑制器主要起兩個作用，一是降低淋洗液的背景電導，二是增加被測離子的電導值，改善信噪比。下圖說明了離子色譜中化學抑制器的作用：圖中的樣品為陰離子的混合液，淋洗液為NaOH。若樣品經(jīng)分離柱直接進入檢測器，則得到右圖上部的色譜圖。圖中非常高的背景電導來自于淋洗液NaOH，被測離子的峰很小，即信噪比不好。而當洗脫液通過

18、抑制器之后再進入檢測器，則達到右下部的色譜圖。在抑制器中，OH-和H+結(jié)合成水，樣品離子在很低的電導下進入電導池，這樣淋洗液的背景電導就變成水的電導，從而降低了背景電導，改善了信噪比。電化學抑制（陽離子交換） 為了提高離子交換的速度，提高抑制容量和縮短平橫時間，現(xiàn)在的抑制器為電化學抑制柱，采用電場力為離子遷移的動力，采用電解水的方法來提供再生液。下圖為陰離子抑制器使用NaOH為流動相時的抑制機理圖：所分析的離子與Na+結(jié)成離子對，從分離柱洗脫，兩層離子交換膜底部都有電極，其極性與流動相相反，水被電解成OH-和H+后，H+穿過離子交換膜，與流動相中的OH-中和成水；同時Na+穿過另一離子交換膜，

19、與陽極提供的OH-結(jié)成離子對。因此，流動相中的NaOH將穿過離子交換膜，而不會到達檢測器。因此，流動相的背景電導幾乎為零（大大低于抑制以前），并且所分析的離子與H+結(jié)成離子對后，其電導比Na離子高7倍，所以其相應(yīng)值提高。這種抑制作用也可以通過在離子交換膜的另一側(cè)加入稀H2SO4（再生液）而達到。 對于陽離子檢測而言，其抑制器中是陰離子交換膜，允許陰離子只有穿行。流動相中經(jīng)常使用甲烷磺酸，在抑制器中，甲烷磺酸離子對被電解水產(chǎn)生的OH-所取代，它可以中和酸性流動相，以便為分析離子提供低的背景電導。六、 離子色譜的定性與定量分析（一）定性分析 離子色譜的定性是將檢測器輸出的信號，經(jīng)過放大，用記錄議或

20、積分儀以峰的形式記錄出來。確定色譜峰所代表的離子對組分時，要根據(jù)其保留時間進行判斷。這種定性方法必須依靠與自己已知成分和濃度的標準物對照，如果標準與樣品顯示出相同的保留行為，說明樣品組分與標準相同。（二）定量分析 在一定條件下，色譜峰高或峰面積與離子濃度成正比，這是離子色譜分析的定量依據(jù)。測量峰高或峰面積主要有以下四種方法：1、 峰高法測量從峰的頂點到基線之間的垂直距離就是峰高法。其理想條件是：洗脫條件一致，色譜峰形尖銳呈正態(tài)分布，重現(xiàn)性好，基線穩(wěn)定，線性范圍寬，樣品數(shù)不宜過多等。峰高法的測量精密度通常為12%。2、 峰面積3、 近似三角形4、 電子學方法測量峰面積面積積分（三）定量方法1、標

21、準曲線法 如同HPLC一樣，離子色譜首先用標準溶液制成高于儀器檢測限的標準系列。在給定的色譜條件下，依次做出標準系列的響應(yīng)值，并以橫坐標為濃度、縱坐標為響應(yīng)值在坐標紙上做出標準曲線。在正常情況下，標準曲線的線性范圍內(nèi)，可找出對應(yīng)的含量。在大量的例行分析中，可用單點標準法求得到未知溶液的含量：2、標準加入法標準加入法用于存在基體干擾的樣品測定。該方法是在至少三份具有相同體積的試樣中，分別加入不同量的待測元素的標準溶液（其中有一份不加標準溶液），稀釋到相同的體積后進樣，分別測量其峰或峰面積。如圖所示，以橫坐標為濃度、縱坐標為響應(yīng)值做出一條直線，直線向左延長至與橫坐標相交，交點與坐標原點的距離即為試樣中離子的濃度。響應(yīng)值試樣樣品濃度濃度0試樣標樣1試樣標樣2試樣標樣3七、 色譜參數(shù)（條件）的優(yōu)化（一）改善分離度1、稀釋樣品 對組成復雜的樣品，若待測離子對樹脂親和力相差頗大，就要作幾次進樣，并用不同濃度或強度的淋洗液或梯度淋洗。若待測離子之間的濃度相差較大，而且對固定相親和力差異較大的離子，增加分離度的最簡單