离子色谱基本原理

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

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 (5)

6. 选择性 (6)

7. 保留特性 (6)

8. 总结 (7)

第三章离子色谱的优点 (7)

第四章分离模式 (8)

1. 离子交换 (8)

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 (11)

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

方程1 两色谱峰的分离

表示保留特性

表示选择性

表示柱效

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：

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 3 柱效

理论塔板数（N）

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

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