離子色譜原理

1、一、離子色譜基本原理離 子 色 譜 理 論色譜 從物理化學(xué)的發(fā)展派生而來(lái) 色譜原理 從離子交換到離子對(duì)檢測(cè)器 從伏安檢測(cè)器到電導(dǎo)率檢測(cè)器 帶抑制的離子色譜 降低背景電導(dǎo)抑制和非抑制 從膜抑制到填從柱抑制 色譜 從簡(jiǎn)單的顏色變化分離到專業(yè)的分析方法 2色 譜 的 發(fā) 展色譜是某種顏色的混合物分離為不同顏色的成份。該方法用于分離化學(xué)性質(zhì)相似但又難于分離的化學(xué)物質(zhì)希臘語(yǔ) chromatographychroma = 顏色graphein = 記錄3教學(xué)的簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn): 準(zhǔn)備一張紙滴加一小滴黑墨水在墨水的中央滴加一滴水 觀察黑墨水的顏色變化色 譜 從教學(xué)角度 11_khvpptic_theory_au.p

2、pt4色 譜 從物理化學(xué)角度 色譜一詞是指待分離的成份在固定相和流動(dòng)相之間進(jìn)行物理化學(xué)分離過(guò)程。氣體流動(dòng)相 液體固定相 液體 GLC, LLC 固體 GSC, LSC (HPLC - IC)5色 譜 從極性角度 色譜方法基于固定相和流動(dòng)相的極性分為： 一類 傳統(tǒng)的 TLC + HPLC1. 正相色譜2. 反相色譜一類 離子色譜4. 離子交換色譜3. 離子對(duì)色譜5. 離子排斥色譜6色 譜 傳統(tǒng)方法 一類 傳統(tǒng)的 TLC + HPLC1. 正相色譜固定相 = 極性 ( 例如：SiO2) 流動(dòng)相 = 非極性 ( 例如： n-己烷)2. 反相色譜固定相 = 非極性 ( 例如：C18) 流動(dòng)相 = 極性

3、 (例如：乙腈或甲醇/水)7另一類 IC4. 離子交換色譜陽(yáng)離子和陰離子與固定相形成弱離子鍵。C: 固定相 = 極性 ( 例如：R-SO3) 流動(dòng)相 = 極性 ( 例如：HNO3 水溶液) 或A: 固定相 = 極性 ( 例如：R-NR3+) 流動(dòng)相 = 極性( 例如：Na2CO3 水溶液)色 譜 離子色譜方法 8另一類 IC3. 離子對(duì)色譜通過(guò)加入親脂性對(duì)離子，陽(yáng)離子和陰離子與非離子 分子反應(yīng)。分離生成的非極性分子在反相模式中得以分離。固定相 = 非極性 ( 例如：C18) 流動(dòng)相 = 極性 ( 例如：乙腈或甲醇/水)5. 離子排斥色譜H+離子型固定相表面形成非極性Donan 膜。只有非極性和

4、非離解的分子可以進(jìn)入該膜。離解的離子受到固定相Donnan 膜的排斥。依據(jù)分子的離解常數(shù)不同進(jìn)行分離。 流動(dòng)相 = 極性 ( 例如： Na2CO3 水溶液)色 譜 離子色譜方法 9概 括離子色譜是分離離子型成份的所有色譜方法的統(tǒng)稱。包括： 離子對(duì)色譜 (3), 離子交換色譜 (4) 和 離子排斥色譜 (5)。待測(cè)成份和流動(dòng)相通常是極性和/或離子型的。離子交換色譜是離子色譜中最重要的分離方式。色 譜 離子色譜 10色 譜 焦點(diǎn) HPLC 和 IC 液相-固相-色譜 流動(dòng)相 = 液體 固相 = 固體自從20世紀(jì)60年代末，高壓或高效液相色譜(HPLC)的問(wèn)世，液相色譜發(fā)展成為最綜合和最重要的現(xiàn)代分

5、析儀器之一。 離子色譜是HPLC家族的分支。11tM死時(shí)間(dead time） 不被固定相滯留的組分，從進(jìn)樣到出現(xiàn)峰最大值所需的時(shí)間tR.2保留時(shí)間(rention time) 組分從進(jìn)樣到出現(xiàn)峰最大值所需時(shí)間tS.2凈保留時(shí)間(net rention time) 減去死時(shí)間的保留時(shí)間 tS.2 tR.2tM色 譜 色譜圖 K tS/tM 保留因子(retention factor) K越小，越接近死時(shí)間洗脫，分離效果差； K越大，分離越好，峰形展寬。 K 2 5 最佳。T B/A 不對(duì)稱因子(asymmetry factor) 10%峰高處前半峰的寬度B與同高度處后半 峰寬度B的比值。色

6、譜 色譜圖 RtR/w 分離度(resolution) 如果兩個(gè)峰的保留時(shí)間的差值大于其基線 寬度或半峰寬度，表示分離效果好。 R = 0.5，兩個(gè)組分仍可區(qū)分開(kāi)。 R = 1(相當(dāng)4分離)，可以定性分離。 R = 1.2 1.5，定量最佳。 避免分離度 R 2 (相當(dāng)8分離)的情況， 因?yàn)榉治鰰r(shí)間過(guò)長(zhǎng)。 色 譜 色譜圖 色 譜 色譜圖 分離柱容量分離柱交換離子的能力。柱容量的測(cè)定： 可通過(guò)氯離子完全占有離子交換位置的方法，測(cè)量分離柱的交換容量。先用去離子水沖洗，再用碳酸鹽洗脫液洗脫氯離子。然后用離子色譜法或銀量滴定法定量氯離子。從而推算出交換容量。色 譜 色譜圖 分離柱容量分離柱過(guò)載現(xiàn)象：

7、隨后離子的保留時(shí)間變短， 主成份的峰平頭， 主成份峰拖尾， 理論塔板數(shù)變小， 面積/高度比變差 (固定面積，峰高降低) 和 峰的對(duì)稱性變差。 色 譜 色譜圖 分離柱容量分離柱過(guò)載色譜圖： 平頭峰(cut-off peak) 鯊魚鰭峰(shark-fin-shaped peak) 拖尾峰(tailing peak) 伸舌峰(fronting peak) 色 譜 色譜圖 分離柱容量實(shí)例：含非常高氯離子濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液大的氯峰干擾其隨后峰的評(píng)估。通過(guò)向樣品中加入相應(yīng)的陰離子，才可能正確地判斷各峰。 色譜圖(a) 放大(a) 色 譜 儀器結(jié)構(gòu) 色 譜 當(dāng)今最常用的分析手段 20洗脫液泵注射閥分離柱抑制器

8、檢測(cè)器色 譜 色譜過(guò)程 21洗脫液泵注射閥分離柱檢測(cè)器色 譜 離子交換色譜 就固定相而言 . 陽(yáng)離子需要陽(yáng)離子交換劑 .陰離子需要陰離子交換劑。固定相結(jié)構(gòu):22苯乙烯二乙烯基苯苯乙烯-二乙烯基苯樹脂陽(yáng)離子交換劑陰離子交換劑離 子 色 譜 離子交換色譜 固定相由3部分組成: 乳膠物質(zhì)或 樹脂載體 間隔基 承載離子交換的基團(tuán)23材料: 苯乙烯/二乙烯基苯 聚甲基丙烯酸酯 硅酸鹽 / 硅膠 羥乙基甲基丙烯酸酯 (HEMA)陰離子交換劑: 季胺功能團(tuán) 堿性胺基 羥基堿性季胺鹽 丙烯酸基堿性季胺鹽 交聯(lián)方式陽(yáng)離子交換劑: 磺酸基 羧酸鹽間隔基: 烷基鏈離 子 色 譜 離子交換色譜 流動(dòng)相解吸和運(yùn)載樣品

9、. 水相洗脫液:陰離子 (I) 鄰苯二甲酸 鄰羥基苯甲酸（水楊酸） p-羥基苯甲酸 苯甲酸 硼酸鹽 硼酸鹽 / 乙酸鹽 氫氧化鉀.陰離子 (II) 碳酸鹽 / 碳酸氫鹽 氫氧化鉀 硼酸鹽陽(yáng)離子 (I) 硝酸 酒石酸 酒石酸 / 吡啶二羧酸 酒石酸 / 檸檬酸 磷酸二 氫鉀 草酸 / 乙二胺 / 丙酮.24離 子 色 譜 離子交換色譜 固定相和流動(dòng)相競(jìng)爭(zhēng)待測(cè)組份 陽(yáng)離子分離機(jī)理 25離 子 色 譜 離子交換色譜 陽(yáng)離子 色譜實(shí)例 洗脫液: 5 mmol酒石酸 分離柱: Metrosep Cation 1-226離 子 色 譜 離子交換色譜 固定相和流動(dòng)相競(jìng)爭(zhēng)待測(cè)組份 陰離子 分離機(jī)理27離子色譜

10、 離子交換色譜 陰離子色譜 洗脫液: Na2CO3/NaHCO3 (1.3/2.0 mmol/L) 分離柱: Metrosep Dual 228離子色譜 離子交換色譜 陽(yáng)離子與固定相上堿性離子交換位 置發(fā)生反應(yīng)。 依據(jù)鍵合強(qiáng)度( 離子交換平衡常數(shù))， 陽(yáng)離子在洗脫液中的質(zhì)子之前或之后洗脫出來(lái)。29陰離子與固定相上酸性離子交換位 置發(fā)生反應(yīng)。 依據(jù)鍵合強(qiáng)度( 離子交換平衡常數(shù))，陰離子在洗脫液中的碳酸鹽之前或之后洗脫出來(lái)。陽(yáng)離子或陰離子的離子交換常數(shù)不同，其相應(yīng)的保留時(shí)間不同。從而使“化學(xué)質(zhì)相似”的成份得以分離。檢 測(cè) 器 離子色譜檢測(cè)器 30洗脫液泵注射器分離柱檢測(cè)器檢 測(cè) 器 離子色譜檢測(cè)器

11、 31 電導(dǎo)檢測(cè)器 安培檢測(cè)器 UV/VIS 檢測(cè)器 ( 選件 ) RI 檢測(cè)器 ( 選件) 電子捕獲質(zhì)譜法樣品中的組份在分離柱分離后，通過(guò)檢測(cè)器檢測(cè)和定量 .檢 測(cè) 器 電 導(dǎo) 32電導(dǎo)檢測(cè)電導(dǎo)檢測(cè)就是測(cè)量電導(dǎo)率 電導(dǎo)測(cè)量檢測(cè)器測(cè)量溶液中離子的電導(dǎo)率。測(cè)量雙鉑電極兩端間的電導(dǎo)。離子在該雙鉑電極兩端間遷移。陰離子向陽(yáng)極遷移，陽(yáng)離子向陰極遷移，從而測(cè)量溶液的電阻。電導(dǎo)為電阻的倒數(shù)。為了避免改變組份和電極表面形成雙電層，采用交流電。R = 電阻 Kc = 電導(dǎo)池常數(shù) 1/cm = 電導(dǎo) 1/ or S檢 測(cè) 器 電導(dǎo) 33電導(dǎo)離子的電導(dǎo)與離子i的濃度c及其與濃度有關(guān)的當(dāng)量電導(dǎo)率i有關(guān)。當(dāng)量電導(dǎo)率

12、i 為單位濃度的電導(dǎo)。下表列舉的常數(shù)適用于濃度低于0.001 mol/L的情況。 Zi 為相應(yīng)離子的電荷。i = 當(dāng)量電導(dǎo)率 Scm2/mol zi = 電荷 ci = 濃度 mol/L = 電導(dǎo) 1/ or S = 所有離子 陽(yáng)離子和陰離子之和檢 測(cè) 器 電導(dǎo)率 34當(dāng)量電導(dǎo)率下表列舉的當(dāng)量電導(dǎo)率適用于濃度低于0.001 mol/L。 = 當(dāng)量電導(dǎo)率 Scm2/mol 陰離子OH198F 54Cl 76Br 78I 77NO2 72NO3 71HCO3 45CO32 72SO42 80Phthalate 38陽(yáng)離子H+350Li+ 39Na+ 50K+ 74NH4+ 73Mg2+ 53Ca2

13、+ 60Sr2+ 59Ba2+ 64Zn2+ 53Cu2+ 55檢 測(cè) 器 電導(dǎo)率 35測(cè)量值的影響因素 相應(yīng)離子的當(dāng)量電導(dǎo)率 相應(yīng)離子的電荷 電導(dǎo)池常數(shù) 常數(shù) 溫度 常數(shù) 濃度 實(shí)際濃度 T 2 %/C36非抑制型離子色譜抑制型離子色譜檢 測(cè) 器 非抑制或抑制電導(dǎo)率 檢 測(cè) 器 非抑制電導(dǎo)率 37背景電導(dǎo)率 = 洗脫液色譜峰的電導(dǎo)率 = 洗脫液 樣品測(cè)量值 = 樣品 減去洗脫液檢 測(cè) 器 非抑制電導(dǎo)率 38測(cè)量陰離子和陽(yáng)離子關(guān)鍵詞: 單柱技術(shù) 非抑制離子色譜 測(cè)量樣品離子和洗脫液離子電導(dǎo)率的差值。樣品中的反荷離子不保留，隨死體積一并洗脫出來(lái)。因此，反荷離子通常也是洗脫液的反荷離子。39化學(xué)抑

14、制型離子色譜在陽(yáng)離子色譜中，采用陰離子交換劑 所有陰離子被OH取代在陰離子色譜中，采用陽(yáng)離子交換劑 所有陽(yáng)離子被H+取代通過(guò)以上反應(yīng)，高電導(dǎo)率的洗脫液轉(zhuǎn)換為低電導(dǎo)率的(H2O+ CO2) 。抑制降低背景電導(dǎo)率。抑制改變樣品中的反荷離子。檢 測(cè) 器 抑制電導(dǎo)率 檢測(cè)器 抑制后的電導(dǎo)率 40背景電導(dǎo)率 = 水 = 0色譜峰電導(dǎo)率 = 水 樣品測(cè)量值 = （水 + 樣品） 背景檢 測(cè) 器 抑制后的電導(dǎo)率 41測(cè)量 陽(yáng)離子和陰離子關(guān)鍵詞: 雙柱技術(shù) 帶抑制的離子色譜 pcr 測(cè)量樣品離子和H+或 OH之和 洗脫液電導(dǎo)率為0，反荷離子為 OH或H+離子色譜分為：?jiǎn)沃x子色譜非化學(xué)抑制雙柱離子色譜化學(xué)抑制

15、 洗脫液泵注射閥分離柱檢測(cè)器抑制器抑 制 與 非 抑 制43(樣品 = NaCl 洗脫液 = HNO3)非抑制抑制(樣品 = NaCl 洗脫液 = HNO3) 陽(yáng)離子 抑 制 與 非 抑 制抑 制 與 非 抑 制 陽(yáng)離子 45(樣品 = NaCl 洗脫液 = 鄰苯二甲酸)非抑制帶抑制(樣品 = NaCl 洗脫液 = Na2CO3) 陰離子 抑 制 與 非 抑 制46抑 制 與 非 抑 制 陰離子抑制 11_khvpptic_theory_au.ppt47非抑制抑制高背景電導(dǎo)率低靈敏度的陰離子高靈敏度的陽(yáng)離子高度的線性校正成本低洗脫液選擇無(wú)限制低背景電導(dǎo)率高靈敏度的陰離子(檢測(cè)限低 2-4 個(gè)數(shù)

16、量級(jí))高靈敏度的陽(yáng)離子非線性校正成本高洗脫液必須與H2O反應(yīng)抑 制 與 非 抑 制R-SO3 H+ + Na+ + HCO3R-SO3 Na+ + H2O + CO2 R-SO3 H+ + Na+ + Cl R-SO3 Na+ + H+ + Cl 陰離子抑制 洗脫液基線(背景)： 樣品信號(hào)( 以NaCl為例)抑 制 與 非 抑 制MSM抑制器 柱抑制 三根高容量、長(zhǎng)壽命和易操作的微填充抑制柱： 一根在流路 一根用硫酸再生 一根用去離子水沖洗 抑 制 與 非 抑 制MSM抑制器 特點(diǎn) 分析流路外的再生 允許含有機(jī)溶劑的再生( 例如 ：25% 丙酮) 允許含強(qiáng)酸的再生 反相壓力可達(dá) 2MPa ，不

17、影響分析 不因壓力受損 使用壽命長(zhǎng) 價(jià)格實(shí)惠抑 制 與 非 抑 制再生 20 mm0l/L H2SO4 ： R-SO3 Na+ + H+ R-SO3 H+ + Na+ 沖洗 水： 除去多余的H2SO4 抑 制 與 非 抑 制MSM抑制器再生 重現(xiàn)性極佳ppb濃度范圍18次進(jìn)樣 結(jié)果: F- Cl- NO2- Br- NO3- HPO42- SO42-濃度 50 150 100 150 150 500 500 (ug/L)RSD 0.66 0.70 1.92 0.78 0.84 0.97 0.78(n=18)抑 制 與 非 抑 制MSM抑制器 特點(diǎn) MIC Advanced-New!MIC 研究

18、型Metrohm離子色譜儀實(shí)驗(yàn)室離子色譜儀792 標(biāo)準(zhǔn)型790 通用型761 卓越型Metrohm離子色譜儀實(shí)驗(yàn)室離子色譜儀811 Online IC821 Online ICMetrohm離子色譜儀器在線離子色譜儀用于一般IC應(yīng)用: 日常的陰，陽(yáng)離子的分析 可分析的最低樣品濃度為50 ppb (進(jìn)樣體積100 uL時(shí)，可測(cè)10 ppb) 可用于帶抑制和不帶抑制的陰離子的分析 簡(jiǎn)單的操作技術(shù)56761 Compact IC 2個(gè)非金屬材料型號(hào) 2.761.0010 用于非抑制的 IC 2.761.0020 用于抑制和非抑制的 IC 高性能的電導(dǎo)池檢測(cè)塊 恒溫精度 +/- 0.01 C PC-控

19、制 只用一個(gè) RS-232 線 積分?jǐn)?shù)據(jù)處理57761 Compact ICIC 泵在線過(guò)濾進(jìn)樣閥排氣閥58761 Compact IC緊湊型 雙閥泵 低脈沖 基線穩(wěn)定 流速可調(diào) 0.2 . 2.5 mL/min 壓力最高可達(dá)25Mpa( 250 bar ) 在線非金屬過(guò)濾 脈沖阻尼 保護(hù)分析柱 注射器 非金屬材料 電驅(qū)動(dòng) 6通閥59緊湊型761 Compact ICMSM抑制器蠕動(dòng)泵檢測(cè)器分離柱60761 Compact IC緊湊型 檢測(cè)器 恒溫范圍 25 . 45C 溫度穩(wěn)定 +/- 0.01C 測(cè)量范圍 50, 250, 1000 S/cm 可調(diào)的電導(dǎo)池常數(shù) 可選擇極性 積分信號(hào)可預(yù)放大

20、 數(shù)據(jù)獲得 內(nèi)置 22 bit 模擬/數(shù)碼轉(zhuǎn)換器 漏液檢測(cè) 突發(fā)事件停止功能 Metrohm Suppressor Module MSM 同 Modules (733/753)一樣61761 Compact IC 完全 PC-控制 一根電纜即可 有根據(jù)Metrohm IC Application Notes預(yù)先設(shè)置的方法 可通過(guò)遠(yuǎn)程線自動(dòng)控制 761 750 自動(dòng)進(jìn)樣器 766 IC 樣品處理器62761 Compact IC 用于 761 Compact IC的PC軟件 761 硬件控制 參數(shù): 流速, 測(cè)量范圍等 . 時(shí)間程序 系統(tǒng)安全防護(hù) 數(shù)據(jù)獲得 多重積分方式 樣品表 數(shù)據(jù)處理 批式再

21、處理63Metrodata 761 軟件761 Compact IC 建立方法容易 可從系統(tǒng)文件下載方法，用于第一個(gè)樣品的測(cè)定 所有的程序都在 CD中 系統(tǒng)文件和方法可通過(guò) CD-ROM安裝 提供了約 80種IC Application Notes 6411_khvpptic_modules_au.pptMetrodata 761 軟件761 Compact ICMIC離子色譜儀 電導(dǎo)檢測(cè)器集60年電化學(xué)分析經(jīng)驗(yàn)之精華超高靈敏度：進(jìn)樣量100 L，即可分析0.1ppb(MIC); 1ppb(761)超高分辨率:MIC: 0.05 pS/cm(優(yōu)于其他品牌2000倍)761: 0.028 nS/cm(優(yōu)于其他品牌3.6倍)MIC離子色譜儀 analogue output cell constant can be calibrated噪音50 nSFS 1000 S; Auto Zero on; 22 nS noiseFS 1000 S; Auto Zero off; 45 nS noiseFS 10 S; Auto Zero on; 2 nS noiseRange 1000 S/cm Range Autozero