最新离子色谱法基本原理汇编.docx
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最新离子色谱法基本原理汇编
7、课堂上多设计一些力所能及的问题，让他们回答，并逐步提高要求。
1.正切：
①tanA是一个完整的符号，它表示∠A的正切，记号里习惯省去角的符号“∠”；
（3）相离:
直线和圆没有公共点时,叫做直线和圆相离.
9切线长定理：
过圆外一点所画的圆的两条切线长想等，圆外切四边形对边相等，直角三角形内切圆半径公式.
10.三角函数的应用
A、当a＞0时
7.同角的三角函数间的关系：
（2）圆周角定理:
圆周角的度数等于它所对弧上的的圆心角度数的一半.
4.坡度：
如图2，坡面与水平面的夹角叫做坡角坡角的正切称为坡度（或坡比）。
用字母i表示，即
离子色谱法
基本原理
Dionex中国有限公司应用研究中心
2002年4月15日
目录
第一章引言1
1.什么是色谱？
1
2.色谱的发展1
3.液相色谱1
第二章色谱柱理论3
1.分离度3
2.柱效4
3.传质影响5
4.纵向扩散5
5.溶质传递动力学6
6.选择性6
7.保留特性7
8.总结7
第三章离子色谱的优点8
第四章分离模式9
1.离子交换9
2.离子排阻色谱法（ICE）10
3.反相色谱法10
4.离子对11
5.离子抑制11
第五章检测方法12
1.电化学检测12
2.分光光度检测法14
第六章抑制作用16
第七章分离方式和检测方式的选择20
1.分离度的改善23
附录30
表1.电化学检测器测定的组分30
表2.用于化学抑制的典型淋洗液31
表3.常见电化学活性化合物的施加电压32
表4.常见无机阴离子的紫外线吸收波长33
表5.国际现行的离子色谱标准分析方法（环境与高纯水分析）34
表6.离子色谱法中的中国国家标准（GB）36
第一章引言
本文讲述有关离子色谱法的基本知识和分离和检测方面的理论。
1.什么是色谱？
色谱法是一种物理化学分析方法。
它利用混合物中组分在两相间分配系数的差别，当溶质在两相间作相对移动时，各组分在两相间进行多次分配，从而使各组分得到分离。
2.色谱的发展
色谱这一概念是由俄国植物学家Tswett（茨维特）1903提出的，他在一根细长的玻璃管中装入碳酸钙粉末，然后将植物绿叶的石油醚萃取液倒入管中，萃取液的色素就被吸附在管上部的碳酸钙上，再用纯净的石油醚洗脱这些被吸附的色素，于是在碳酸钙上形成了一圈一圈的色带，这些色带被称为色谱。
经过许多年的发展，“色谱”一词已涵盖许多技术领域。
新型固定相的发展和气体、液体以及超临界流体作为可动相的使用，色谱逐渐成为最为有效的分离分析手段。
本文仅限于离子色谱。
不过涉及到的概念与所有其他色谱方法是一样的。
3.液相色谱
液相色谱一词指使用的流动相是液体的色谱方法。
可以分为四类：
1.反相色谱：
固定相为非极性物质（疏水性），流动相为极性溶液（如甲醇或乙腈水溶液）。
分离方式基于多次吸附-解吸的重复过程，非极性化合物较极性化合物在柱中具有较强的保留。
2.正相色谱：
固定相是极性物质，流动相是非极性或弱极性的溶液（如正己烷或四氢呋喃），如前所述，分离过程也是基于被分离组分在流动相与固定相之间的分配平衡。
3.分子排阻色谱：
固定相由一些起分子筛作用的多孔材料组成，较大的分子被较快地从色谱柱中洗脱，较小分子则滞留在填充材料的细小孔径中，保留较长的时间。
4.离子色谱：
离子色谱法基于三种分离机理
A.高效离子交换色谱法（HPIC）：
分离是基于发生在流动相和键合在基质上的离子交换基团之间的离子交换过程，也包括部分非离子的相互作用。
这种分离方式可用于有机和无机阴离子和阳离子的分离。
B.高效离子排斥色谱（HPICE）：
分离是基于固定相和被分析物之间三种不同的作用-Donnan排斥、空间排斥和吸附作用。
这种分离方式主要用于弱的有机和无机酸的分离。
C.流动相离子色谱法（MPIC）：
分离是基于被分析物在分析柱上的吸附作用。
分析柱的选择性主要取决于可动相的组成和浓度。
流动相除了加入有机改进剂之外，还需加入离子对试剂。
这种分离方式可用于表面活性阴离子和阳离子以及过渡金属络和物的分离。
第二章色谱柱理论
本章将简要描述色谱柱性质的术语和概念。
1.分离度
任何分离的目标都是使两个相邻的峰完全分开。
分离度定义为两个相邻色谱峰的峰中心之间的距离与两峰的平均峰宽的比值。
方程1两色谱峰的分离
方程1给出了一个衡量分离好坏的尺度，但它并没有告诉我们如何获得一个较好的分离。
为了搞清这个问题，我们将分离度表示为含有3个色谱分离参数的函数，这三个参数分别为柱效、选择性和保留时间，这些参数与固定相和流动相性质有关。
方程2保留时间
式中，
分离初始，在零时间，样品位于色谱柱的顶端。
被分析的样品随流动相进入固定相，样品组分基于对两相亲和力的不同而被分离。
一般地讲，固定相与流动相之间化学性质的差别应该足够大，被分析物才能与其中一相发生较强作用。
正是由于保留时间的不同，使得分离得已实现。
2.柱效
柱效是指色谱柱保留某一化合物而不使其扩散的能力，柱效能是一支色谱柱得到窄谱带和改善分离的相对能力。
我们可以通过一根柱子的理论塔板数来衡量色谱柱柱的柱效，在色谱柱中，理论塔板数N定义为：
理论塔板数（N）
方程3柱效
式中，T是色谱峰中心与进样起始点间的距离，W1/2是峰高一半处峰的宽度。
理论塔板是指固定相和流动相之间平衡的理论状态。
在一个塔板的平衡完成之后，分析物进入下一个平衡塔板，这种传送过程重复不断，直到分离完全。
分子根据自身的性质（分子大小和电荷）进行转移或迁移，基于它们对固定相和流动相的亲和力的不同进行分离。
分子移动并形成一条带状，以正态分布（高斯）的色谱峰流出。
理论塔板数可以用于衡量整个色谱系统谱带的扩散程度。
谱带扩散程度越小（即色谱峰越窄），理论塔板数N越大。
理论塔板数N与色谱柱长度成比例；也就是说，色谱柱越长，理论塔板数N越大。
方程4理论塔板高度
理论塔板高度HETP一词是单位长度色谱柱效能的量度，可以用于比较不同长度的色谱柱的理论塔板数N。
这个方程表明高效率的色谱柱具有较大的理论塔板数。
也就是说，具有较小的理论塔板高度。
影响理论塔板高度的因素有：
1.多流路
2.纵向扩散
3.传质影响
3.传质影响
传质影响是描述由于柱子装填不均，造成流路分叉而引起的扩散。
分析物在色谱柱中的流路受到柱子装填和树脂等许多因素的影响。
填料颗粒的直径直接影响柱效。
一般来说，粒径越小，分离效率越高。
同时，颗粒大小和装填的均匀度越好，柱效也越高。
如果一根柱子由大小不均匀的颗粒填充，溶质分子将由于相遇颗粒粒径大小的不同而以不同速度移动。
这样造成溶质分子的流出谱带变宽。
在一些装填不均匀的柱子中，溶质分子经过一些未填满的空隙或溶质分子或与树脂颗粒的相互作用将导致谱带扩散。
因此，提高颗粒的均匀度和减小粒径可以减小谱带的扩散。
4.纵向扩散
用于描述任何气体和液体扩散或分散的内在趋势。
这种情况可以发生在整个色谱系统中的任何地方。
最初，在窄的谱带中的溶质分子向周围的溶剂扩散，使谱带变宽。
理论上讲，纵向扩散也可以在流动相和在固定相中发生。
结果表明，扩散问题在离子色谱填充柱中并不象在气相色谱中那样普遍。
5.溶质传递动力学
是描述溶质分子在固定相和流动相之间运动的速率。
理想状态下，与填充柱作用的溶质分子不断出入固定相中。
当分子在固定相中时，分子被保留而位于谱带中央的后面。
当分子在流动相中时，由于液体流动速率总是大于谱带的速率，则它的速率总是大于谱带中心的速率。
这种在两相之间的随意出入引起谱带扩散。
如果不发生流动，溶质分子就会在两相之间达成平衡。
正因为存在流动，在流动相中真实的溶质浓度无法与相邻的固定相中浓度达到平衡。
色谱峰的扩散可以通过减小不平衡程度和增加交换速率来降低。
溶质传递的动力学经常是谱带扩散的主要原因，因此对柱效的影响也是最大的。
6.选择性
是交换过程的一个热力学函数。
色谱柱的选择性是两个化合物的调整保留时间的比值，也等于两个化合物在固定相和流动相之间平衡常数的比值。
方程3柱的选择性
其中T2和T1是两峰峰中心与进样点的时间差值，T0是死体积保留时间。
当保留时间的比值等于1时，没有任何分离度或或称共洗脱。
选择性越好或比值越大，对于两个化合物的分离越容易。
公式中相对较小的改变，就会使分离度发生较大的改变。
较高选择性可以在柱效相对较低的柱子上得到较好的分离。
一般来说，流速和柱压的改变，对选择性没有影响。
7.保留特性
用容量因子k’描述化合物
保留性质，其定义如下：
方程6容量因子
式中，T是色谱峰中央到进样起始时间点的差值，T0是死体积时间。
本质上，容量因子给出了分析物在固定相的时间超过在流动相中时间的数量。
k值小说明化合物被柱子保留弱，化合物洗脱体积与死体积相近。
k，值大的说明被分析物与固定相作用较强而具有好的分离，但是较大的k，值导致较长的分析时间和色谱峰的展宽。
一般来说，k，的最佳范围在2~10之间；可以通过改变流动相来获得最佳的k，值。
8.总结
分离度表示为一个与柱效、选择性、保留特性有关的函数。
利用这些参数可以获得一个较好的分离度。
其中每一项都可以用于改善分离效果。
●当建立一个得方法时，柱子的选择性是十分重要的，因为它对分离的影响是最大的。
●柱效与流速有关。
流速越慢，柱效越高。
这是由于流动相中的被分析物可以有更多的时间与固定相作用。
不幸的是这样会导致峰形的扩散。
●作为容量因子的一个函数，保留特性是确定柱子的状态最有用的参数，因此需要适当清洗和恢复柱子。
第三章离子色谱的优点
1速度：
一般10min即可分别完成阴、阳离子的剖面。
2灵敏度：
直接进样可达ppb级，用浓缩柱可达ppt级；限制的因素是对普遍存在离子如Cl-和Na+的高灵敏度，由此而存在的污染。
3选择性：
Dionex已有多种成熟的固定相，以及选择性的检测器。
4多组分同时测定，但对样品成分之间的浓度差太大的样品（如半导体级化学试剂中杂质的测定）有一定的限制。
5运行费用非常低，勿需特殊试剂。
6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。
第四章分离模式
1.离子交换
离子交换是用于分离阴离子和阳离子常见的典型分离方式。
在色谱分离过程，样品中的离子与流动相中对应离子进行交换，在一个短的时间，样品离子会附着在固定相中的固定电荷上。
由于样品离子对固定相亲和力的不同，使得样品中多种组分的分离成为可能。
如图所示，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。
与前述相似，由于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。
最佳的应用是在不同基质中对常见阴离子（F-、Cl-、NO3-、Br-、PO43-等），和常见阴离子（Li+、Na+、NH4+、K+、Ca2+等）的分离测定。
一些碳水化合物也可以用离子交换法进行分离分析。
2.离子排阻色谱法（ICE）
这种分离模式包括Donnan排斥、空间排斥和吸附过程。
固定相通常是由总体磺化的聚乙烯/二乙烯基苯共聚物形成的高容量阳离子交换树脂。
ICE可以用于从完全离解的强酸中分离有机弱酸和硼酸盐的测定。
在上面的保留模式中，带有负电荷的Donnan膜允许未解离的化合物通过而不允许完全解离的酸如盐酸通过，因为氯离子带负电荷。
一元羧酸的分离主要由发生在固定相表面的Donnan排斥和吸附决定。
而对于二元、三元羧酸的分离，空间排斥则起主要作用。
在这种情况下，保留主要取决于样品分子的大小。
3.反相色谱法
反相色谱法应用中性、非极性大孔的填充材料和极性流动相。
分离基于被分析物质与固定相之间的相互作用，换句话说，也就是样品的疏水性。
4.离子对
在流动相中加入一种与被分析物相反电荷的疏水性离子，与样品离子形成离子对。
这种方法适用于分离金属络和物和表面活性阳离子/阴离子。
5.离子抑制
是用于反相色谱法的一种技术。
加入一种特殊离子改变溶液的PH，抑制化合物如羧酸或胺类化合物的解离。
得到的中性化合物与固定相相互作用，化合物得以分离。
第五章检测方法
Dionex的检测方式可以分为以下两类：
1.电化学
A.电导检测
B.安培检测
2.光度法
A.吸收光度法
B.发射光度法
1.电化学检测
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。
-----------------------------------------------------------------------------------------------------
欧姆定律R=V/I
ResistanceVoltageCurrent
（Ohm）（Volt）（Ampere）
-----------------------------------------------------------------------------------------------------
电导G=I/R
Conductance
（Siemen）
-----------------------------------------------------------------------------------------------------
浓度C=c×G
ConcentrationConstantConductance
-----------------------------------------------------------------------------------------------------
欧姆定律表明电阻等于电压与电流的比值。
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。
（Dionex采用惰性的316不锈钢微电极和1微升的池体积）。
经过对电导池校正之后（1mMKCl显示电导为147mS），测定不同浓度的标准溶液，得到浓度和响应值的线性关系。
在浓度非常低或高时，线性关系存在一定的偏差。
甚至在理论上，由于溶液中离子的性质也会产生非线性关系。
温度对电导率的影响温度是严重影响电导的另一个因素。
一般来说，温度和电导率在一定范围内存在线性关系。
因此，必须消除和减弱温度对电导测定的影响。
这些可以通过保持电导池温度的恒定或通过电导率乘以一个与温度有关的校正因子，将测定值修正到温度为25℃时的电导率。
这个常数为温度补偿因子，以每摄氏度改变的百分率表示。
-----------------------------------------------------------------------------------------------------
Gnorm=（CT）×（Gmeasured）
Normalized
Conductivity
（Siemens）
TemperatureCompensationFactor
CT=ek（25-T）
where:
k=Solutiontemperature
coefficient（%/°C）
T=solutiontemperature（°C）
-----------------------------------------------------------------------------------------------------
在CRC化学手册中，对几种缓冲溶液中得到的数据进行回归分析，发现在18℃~25℃之间，具有很好的线性。
当温度在25℃以上时，盐类具有很好的线性，碱类继续保持基本的线性，酸类则表现为非线性。
抑制作用电导检测器测定的离子型成分，离子交换和离子对色谱法是广泛采用的分离方法。
这些方法用高电导的流动相。
化学抑制通过降低流动相的背景电导值，提高被测物的电导值，使信噪比得到显著的提高。
有关抑制的作用和技术将在抑制一节中详细介绍。
安培检测安培检测用于测定在一个施加电位下能够进行电化学反应的电活性物质。
在单电位安培法中，一个固定电位连续施加到电化学检测池上。
测量样品物质在工作电极表面的氧化或还原作用所产生的电流。
产生电流的大小与进行电化学反应的被测物浓度成正比。
单电位时，由于一些反应产物使电极表面“中毒”，导致测定重现性差和检测的灵敏度迅速降低。
用多电位时，选择第二电位、第三电位、甚至第四电位（在特定的时间内）形成电化学清洗电极表面的依次重复的电位。
这样就可以得到好的重现性和测定那些无法用单电位安培法测定的组分。
当采用脉冲安培法时，施加电位、脉冲时间和工作电极的材料都可以根据被测物进行选择优化以达到高的灵敏度和选择性。
2.分光光度检测法
吸收法光度检测法是基于某些分子对光的吸收。
被吸收的能量激发外层价电子由基态到较高的能级态。
吸收能量的波长取决于分子内的化学键。
当样品中的分子吸收部分紫外或可见光时，检测器检测光线的强度减小。
光强度的减小与样品中吸收光的分子的浓度成正比。
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Beer'sLaw
A=a×b×C
Absorbancemolarcellpathlengthconcentrationof
absorptivity（cm）absorbingspecies
（moles/L）
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
摩尔吸光度与分子的结构有关，对任何一种特定的物质，其值是常数。
检测池的长度b由检测池的物理尺寸决定，因此也是一个常数。
由于a和b都是常数，一旦吸光度已知，就可以容易地测定被测物C的浓度。
在大多数的定量分析中，通过测定已知浓度的被测物溶液的吸收度，作出吸光度与浓度的工作曲线，然后就可以求出未知样品的浓度。
因为任何检测方式都存在吸光度和浓度之间线性关系的限制。
比尔定律的偏差主要由以下的因素造成：
化学的
仪器的
1.络和反应
2.与溶剂的反应
3.温度的变化
1.电源不稳定
2.散射光的影响
3.单色光的纯度
4.检测器的误差
5.仪器噪音
偏差是普遍的，但是可以通过工作曲线或标准加入的方法减少。
发射光度法关于痕量分析，有一些检测器可以检测柱流出物中p克和f克水平。
普通的吸光度检测器可以在p克范围测定具有很强生色基团的物质，但是测定经常受样品基体的干扰。
荧光检测具有较高选择性和灵敏度。
不是所有能吸收光的化合物都产生荧光。
因此有高的选择性。
灵敏度的增加是由于较弱的荧光容易在非常低的背景条件下检测到的缘由。
自身具有荧光性质的化合物大多数含有一个环状的结构功能基。
如果化合物不具备这样的功能基，可以将化合物或分子进行柱前或柱后衍生转变为具有荧光的化合物。
第六章抑制作用
Kohlraush，s定律表明在稀溶液中溶液的电导率是溶液中每个离子电导率乘以它们各自的离子浓度之和。
也就是说溶液的电导率直接与离子浓度成比例。
简单地说，在整个溶液中每种离子的电导率对整个溶液的电导率的贡献中与其他离子无关。
EquivalentConductances,25°C
Cations
Anions
H+
350
OH-
198
Li+
39
F-
55
Na+
50
Cl-
76
K+
74
Br-
78
NH4+
73
NO3-
71
Mg2+
53
PO43-
80
Ca2+
60
SO42-
80
抑制是通过弱酸和弱碱盐的离子交换中和作用。
抑制的结果是：
1）降低流动相的背景电导值，2）增加被测物的响应值。
化学抑制的结果是改善被测物的灵敏度和检测限。
例如，在常见阴离子分析中，以Na2CO3/NaHCO3为淋洗液，Cl-以盐的形式存在。
NaCl的总的电导是126μS（50uS/cmNa++76uS/cmCl-）。
在抑制器中，盐经过离子交换后，待测离子Cl-变为强酸，其电导值为426μS（350μS/cmH++76μS/cmCl-）。
自身再生抑制器
化学抑制的发展如上图所示。
第一个化学抑制器是树脂填充抑制装置。
但是为了重复使用需要经常离线再生。
1981年，出现了纤维薄膜抑制器。
其明显的优点是连续再生。
这种抑制技术的缺点是较低的抑制容量和机械脆性。
1985年微膜的引入，化学抑制器的发展又进入了另一个发展阶段。
使用一种非常薄而耐用的膜，这种抑制器不仅可以连续抑制，而且具有很高的抑制容量，能够满足梯度洗脱和等度洗脱的要求。
第四代化学抑制器是自动再生抑制器（SRS）。
SRS是第一个利用水的电化学反应产生氢和氢氧根离子，因此不再需要再生液。
在自动再生抑制器中，阴极和阳极之间施加一个直流电流，在施加电场下，在阳极水被氧化产生H+和氧气，同时在阴极水被还原为OH-和氢气。
抑制器产生的氢离子和氢氧根离子用于抑制背景电导。
连续抑制较非连续抑制具有以下几处优点：
●无需周期性再生
●稳定的基线
●易于操作
●适于常规梯度分析
●可与高容量的柱子相匹配
第五代电抑制器是自动电解再生抑制器，简称AESTM。
用离子交换叠片代替微膜。
采用连续电解再生抑制的单一循环模式。
可应用于碳酸盐溶液或MSA淋洗液的IC方法。
有三种尺寸可选用，即4-mm，3-mm以及2-mm。
该抑制器具有低噪音、快速启动、耐久性和可
靠性等优点。
第七章分离方式和检测方式的选择
分析者对待测离子应有一些一般信息，首先应了解待测化合物的分子结构和性质以及样品的基体情况，如无机还是有机离子，离子的电荷数，是酸还是碱，亲水还是疏水，是否为表面活性化合物等。
待测离子的疏水性和水合能是决定选用何种分离方式的主要因素。
水合能高和疏水性弱的离子，如Cl-或K+，最好用HPIC分离。
水合能低和疏水性强的离子，如高氯酸（ClO4-）或四丁基铵，最好用亲水性强的离子交换分离柱或MPIC分离。
有一定疏水性也有明显水合能的pKa值在1与7之间的离子，如乙酸盐或丙酸盐，最好用HPICE分离。
有些离子，既可用阴离子交换分离，也可用阳离子交换分离，如氨基酸，生物碱和过渡金属等。
很多离子可用多种检测方式。
例如测定过渡金属时，可用单柱法直接用电导或脉冲安培检测器，也可用柱后衍生反应，使金属离子与PAR或其它显色剂作用，再
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