Dionex 离子色谱培训教材

Dionex 中国有限公司应用研究中心2003年2月11日目录第一章 引言1. 什么是色谱？ Dionex 中国有限公司应用研究中心2. 色谱的发展3. 液相色谱第二章 离子色谱法基本原理§2.1 色谱柱理论2.1.1. 分离度 2.1.2. 柱效2.1.3. 选择性 2.1.4. 保留特性 §2.2 离子色谱的优点 §2.3 分离模式2.3.1. 离子交换2.3.2. 离子排阻色谱法（ICE） 2.3.3. 反相色谱法 2.3.4. 离子对 2.3.5. 离子抑制 §2.4 检测方法2.4.1. 电化学检测器 2.4.2. 分光光度检测法 §2.5 抑制作用§2.6 分离方式和检测方式的选择 附 录表1. 电化学检测器测定的组分 表2. 用于化学抑制的典型淋洗液 表3. 常见电化学活性化合物的施加电压 表4. 常见无机阴离子的紫外线吸收波长第一章引言本章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的三种不同作用-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 离子色谱法基本原理§2.1色谱柱理论本节描述色谱柱性质的主要术语和概念。

2.1.1 分离度色谱过程的目的是将混合物分离成单一的化合物，用分离度(R)或分辨率的概念评价色谱柱的分离效能。

分离度定义为两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，即分离度 (1)，2/)(1212R =W W T T +-见图1。

分离度是个无量纲的参数，它表明两个溶质峰彼此离得越远，分离就越好；两个峰越尖锐，越窄，分离就越好。

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的性质有关。

（2）14⎪⎭⎝Nα11+⎫ ⎛-=NK KN R α式中，N 41表示柱效 ⎪⎭⎫ ⎝⎛-αα1 表示选择性 1+N NK K 表示保留特性分离初始，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。

2.1.2 柱效色谱过程是一个分离过程。

色谱过程中不同溶质在色谱柱的不同位置上的浓度是不断变化的。

各组分在柱内的浓度分布形状称为谱带。

色谱中使用塔板理论去描述和表征这种浓度的变化过程。

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。

用理论塔板数来衡量色谱柱的柱效。

在色谱柱中，理论塔板数N 定义为22/154.5)⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=W T N 理论塔板数（ （3） 式中，T 是色谱峰中心与进样起始点间的距离，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2/1W完成之后，分析物进入下一个平衡塔板，这种传递过程不断重复，知道完全分离。

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。

理论塔板数可以用来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 与色谱柱长度成正比：也就是说，色谱柱越长，理论塔板数N 越大。

NLHETP（4） 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，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。

多流路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，颗粒大小的均匀度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均匀的空隙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。

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。

在最初的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。

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度。

理想状态下，与填充柱固定相作用的溶质分子不断出入固定相。

当分子在固定相时，分子被保留而位于谱带中央的后面。

当分子在流动相时，由于液体流动速毒总是大于谱带的速度，则它的速度总是大于谱带中心的速度。

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与相邻的固定相总是处于非平衡状态。

色谱峰的扩散可以通过减小不平衡程度和增加交换速度来降低。

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。

2.1.3. 选择性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。

102T T T T --=α （5）其中T 2和T 1是两峰峰中心与进样点的时间差值，T 0是死体积保留时间。

当保留时间的比值等于1时，没有分离或成共洗脱。

选择性越好或比值越大，对于两个化合物的分离越容易。

式中T 2或T 1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。

2.1.4. 保留特性用容量因子K’描述分离柱对化合物的保留性质，其定义如下：00'T TT k -=（6）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接近。

k’值大说明被分析物与固定相作用较强而具有好的分离，但是k’值大导致较长的分析时间和色谱峰的展宽。

一般来说，k’值的最佳范围在2~10之间，可以通过改变流动相组成来获得最佳k’值。

综上所述，分离度是与柱效、选择性、保留特性有关的函数，利用这些参数可以获得较好的分离度。

其中每一项都可以用于改善分析效果。

当建立方法时，色谱柱的选择十分重要，因为它对分离的影响最大。

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，但会造成色谱峰的扩展。

作为容量因子的函数，保留特性是确定柱子状态的最有用的参数，因此需要适当清洗和恢复色谱柱。

§2.2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。

§2.3分离模式2.3.1 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。