IC原理与应用-离子色谱法

离子色谱的原理与应用栾绍嵘华东理工大学分析测试中心2013.4.15离子色谱法ICIonChromatography采用高压输液泵系统将淋洗液和待测离子泵入色谱柱，在色谱柱中主要以离子交换模式进行分离，分离后经过抑制器抑制背景电导，再进入检测器进行检测，从而实现分离测定的一种方法。基本原理：离子色谱中发生的基本过程就是离子交换，因此，离子色谱本质上就是离子交换色谱起源：现代IC的开始源于H.Small及其合作者的工作，他们于1975年发表了第一篇IC论文，采用第二根柱-抑制柱来提高分析的灵敏度，同年商品化仪器问世。离子色谱基本原理分离模式分离机理分析对象或应用领域离子交换HPIC库仑力无机和有机离子分析离子排斥HPIECDonnan平衡有机酸、氨基酸、醇、醛离子对MPIC疏水、吸附作用表面活性的阴、阳离子，离子性物质分析离子抑制疏水作用有机弱酸弱碱分析离子分配疏水作用生物大分子金属配合物疏水、螯合金属离子离子色谱的分离方式（按分离机理）不同分离模式所利用的溶质性质分离模式所利用的物质的性质差异离子交换电荷与离子体积离子排斥解离常数与疏水性离子对(RP)与离子对试剂之间的亲和力，离子对化合物的疏水性离子抑制(RP)在一定pH值下的疏水性反相分配(RP)有机离子本身的疏水性离子色谱法的优点۞无机阴、阳离子分析的绝对优势。۞分析速度快。通常几分钟至十几分钟。۞检测灵敏度高，10-8-10-12。۞选择性好。非离子性物质无保留。۞多离子同时分析。۞多价态可氧化元素（NO2-&NO3-,SO32-&SO42-etc.）۞不同价态离子（Fe3+&Fe2+,Cr3+&Cr6+etc.）۞离子色谱柱的稳定性高，使用寿命长。离子色谱分析的对象物质离子类别主要离子种类无机阴离子：卤素及简单阴离子、酸根阴离子、阳离子的配阴离子无机阳离子：碱金属、铵离子、碱土金属、过渡金属、稀土元素有机阴离子：有机酸、烷基硫酸、烷基磺酸、磷酸、多聚磷酸有机阳离子：胺、醇胺、铵盐、吡啶、生物碱、锍盐天然有机物：糖、醇、酚、醛、维生素生物物质：有机磷化合物、氨基酸、肽、核酸、核甙酸、蛋白质、碱基、氨基糖苷类抗生素离子色谱法的主要应用领域应用领域主要应用对象环境：大气成分（粉尘、颗粒物、雾、酸气）、酸雨、水质分析、空气水质食品：生鲜、果菜、酒、饮料、纯净水分析、酿造过程监控农业：农药、肥料、土壤、饲料、粮食、植物分析生物医学：血液、尿、输液成分、临床检查、人体微量元素分析制药：植物药材、矿物药成分、制剂成分分析材料：金属材料、半导体材料、表面处理、超纯水分析工业：原料分析、产品质量控制、电解电镀液解析、造纸化工：原料和产品分析、反应过程监控日化：化妆品、洗涤剂、清洁剂、原料和产品成分分析IC仪和HPLC仪的差异IC的流路系统全塑料（耐酸碱腐蚀、避免金属污染），HPLC为金属。IC标配检测器为电导检测器，HPLC配UV。离子色谱用的泵是PEEK材料衬里的不锈钢泵。离子色谱的流动相一般是缓冲溶液或者含有少量的有机试剂，一般称为淋洗液。HPLC为有机溶剂。离子色谱有抑制器。离子色谱仪基本构成流动相泵分离柱检测器输液分离检测数据记录F-NO3-SO42-Cl-NO2-Br-HPO42-进样器抑制器检测池进样色谱图保护柱整体式与积木式各有千秋流动相输送系统对泵的基本要求：高稳定性。直接关系到分析结果的重复性和准确性。流量控制准确。精度通常要求小于0.5%。一般要求能够耐2540MPa的高压。泵的死体积要小。通常要求小于0.5mL。能精确地调节流动相流量。流量测定精度约0.1%。智能泵：内置的智能化芯片可被系统自动识别，可独立的优化流速、压力等参数。流动相储存容器（玻璃或聚四氟乙烯，碳酸体系需密封）在线脱气装置（惰性气体鼓泡吹扫、真空脱气）高压泵高端离子色谱仪均采用双柱塞往复泵。免化学试剂系统（ReagentFreeIC，RFIC）早期一般称为淋洗液发生器或只加水系统增配RFC-30相对于原来的优势1实现单泵梯度的新概念，在原来的戴安部分离子色谱仪上（DX120，DX320,以及ICS系列）可以实现KOH浓度梯度淋洗。2梯度平衡快，由于淋洗液浓度是电解产生而不是混合，大概只有2.5分钟，大大节省了分析时间。3梯度代替等度，由于梯度平衡快，常规分析梯度同等度的分析时间相差无几。4淋洗浓度随时任意调节，比手工浓度调节效率提高很多倍。进样器手动进样器（六通阀）自动进样器进样位置废液样品流动相接色谱柱进样阀样品采样位置废液流动相接色谱柱手动（六通阀）进样器（ＬＯＡＤ）（ＩＮＪＥＣＴ）定量环色谱柱内径：0.4，2.0,4.0,4.6,8.0mm长：15，50,100,150,250mm1.离子交换色谱2.离子排斥色谱3.反相和多维色谱4.生物液相色谱高效联度核带离子交换功能基的微颗粒乳胶聚合物微孔(“薄壳型”)填料iColumn智能色谱柱：不仅可被仪器自动识别型号，而且储存有大量的优化数据，如最优的洗脱液配比、最佳流速、防止过压功能等。还能自动保存使用历史，当更换到另一台色谱仪上使用时，原有的历史信息可自动保留。强保留组分中等保留组分弱保留组分色谱分离原理平衡过程淋洗液ＳＯ４２－ＣＯ３２－ＣＯ３２－ＨＣＯ３－ＨＣＯ３－ＨＣＯ３－ＨＣＯ３－ＨＣＯ３－＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋ＳＯ４２－ＣＯ３２－ＳＯ４２－ＣＯ３２－ＣＯ３２－ＨＣＯ３－ＨＣＯ３－ＨＣＯ３－ＨＣＯ３－Ｃｌ－＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋Ｃｌ－ＨＣＯ３－ＣＯ３２－ＣＯ３２－ＣＯ３２－ＨＣＯ３－ＨＣＯ３－ＨＣＯ３－ＨＣＯ３－ＨＣＯ３－＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋ＣＯ３２－ＳＯ４２－ＨＣＯ３－Ｃｌ－ＳＯ４２－Ｃｌ－ＨＣＯ３－ＣＯ３２－ＣＯ３２－ＨＣＯ３－ＨＣＯ３－ＣＯ３２－ＣＯ３２－ＣＯ３２－ＨＣＯ３－ＨＣＯ３－ＨＣＯ３－ＨＣＯ３－离子交换（阴离子）分离机理ＣＯ３２－ＨＣＯ３－ＣＯ３２－ＨＣＯ３－ＣＯ３２－ＨＣＯ３－ＨＣＯ３－ＣＯ３２－ＨＣＯ３－CO32-HCO32-ＣＯ３２－CO32-＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋ＨＣＯ３－ＳＯ４２－ＣＯ３２－ＣＯ３２－ＨＣＯ３－ＨＣＯ３－ＨＣＯ３－Ｃｌ－＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋阴离子分离示例色谱柱：阴离子交换柱流动相：2.7mMNa2CO3/0.3mMNaHCO3流速：1.2mL/min检测器：电导0481216Retentiontime(min)08mSF-NO3-SO42-Cl-NO2-Br-HPO42-色谱柱:阳离子交换柱流动相:20mM甲磺酸流速:1.0mL/min检测器:电导（CSRS循环抑制模式)阳离子分离示例04812保留时间(min)024Na+NH4+K+Mg2+Ca2+µS离子排斥分离原理ＳＯ３－Ｈ＋ＣＯＯ－Ｈ＋ＳＯ３－ＳＯ３－Ｈ＋ＳＯ３－Ｈ＋ＳＯ３－Ｈ＋ＣＯＯ－Ｈ＋ＣＯＯ－Ｈ＋Ｈ２ＯＨ２ＯＨ２ＯＨ２ＯＨ２ＯＨ２ＯDonnan膜Ｈ＋Ｃｌ－２Ｈ＋（ＣＯＯ－）２（ＣＯＯＨ）２ＳＯ３－Ｈ＋Ｈ＋ＣＨ３ＣＯＯ－ＣＨ３ＣＯＯＨ固定相流动相色谱柱：离子排斥柱流动相：0.4mM辛磺酸流速：1.0mL/min抑制剂：5mMTBAOH／50mMH3BO3检测器：电导离子排斥分离示例20100保留时间(min)0µS5123451.甲酸2.乙酸3.丙酸4.丁酸5.戊酸流动相TBAOH／ACN／H2O样品Y+X-Ｈ２ＯＨ２Ｏ固定相TBA+OH-Y+X-Y+X-(TBA+X-)(TBA+X-)(TBA+X-)(TBA+X-)TBA+OH-ACNACNACNACNACNACNACNTBA+OH-TBA+OH-疏水亲水离子对色谱分离原理Y+OH-1.甲磺酸5.0ppm2.1-丙磺酸8.63.1-丁磺酸8.74.1-己磺酸8.85.1-庚磺酸8.96.1-辛磺酸8.97.1-癸磺酸9.10保留时间(min)12168µS0.0416234578.0反相离子对分离示例色谱柱：反相分配柱流动相：2mMTBAOH（氢氧化四丁基铵）,10分钟内从24%～48%ACN乙腈，梯度洗脱流速：1.0mL/min检测器：抑制型电导（5mMH2SO4）阴离子抑制器抑制器的作用淋洗液(Na2CO3)分析柱HF,HCI,H2SO4inH2CO3NaF,NaCl,Na2SO4inNa2CO3废液H2O不经过抑制对离子mS时间mS时间经过抑制废液H2OH+Na+12943样品F,CI,SO42---FSO42CI---FSO42CI---负极正极OH-常见离子的当量电导率Cation＋－AnionＨ＋Ｌｉ＋Ｎａ＋Ｋ＋ＮＨ４＋Ｍｇ２＋Ｃａ２＋３５０３９５０７４７３５３６０ＯＨ－Ｆ－Ｃｌ－Ｂｒ－ＮＯ３－ＰＯ４３－ＳＯ４２－１９８５５７６７８７１８０８０总电导率＝（）＋（）＋－（unit：μS/mequivalent）降低背景电导，增大溶质电导；阴离子抑制器、阳离子抑制器；膜抑制器，柱抑制器，凝胶抑制；外加再生剂、在线产生再生剂；比非抑制检测提高灵敏度1－2个数量级。抑制器检测器电导检测器（抑制型、非抑制型）CD没有选择性，检测溶液中所有离子紫外－可见检测器（直接紫外、间接紫外、二极管阵列、柱后衍生光度检测）安培检测器（直流安培、脉冲安培）测量电活性分子在工作电极表面氧化还原反应时产生的电流变化IC-MSIC-ICP/MSIC-原子荧光光谱智能检测器：内置的智能芯片还储存有标准谱图，可直接用于软件验证和培训。集成式UV/VIS离子色谱仪注射器、可倾斜的高压泵、柱恒温器、柱后衍生器、试剂泵和新发展的二极管阵列UV/VIS检测器。用于分离和测定那些吸收紫外线或可见光谱的物质。重金属的检测•来自制革厂污水中铬含量的测定•发电厂中的锈蚀物监测•饮用水中溴酸盐的测定•废水中含硫化合物的测定•海水中亚硝酸盐和硝酸盐的测定安培检测器离子色谱-原子荧光联用技术Hg化合物的分离与测定下图峰依次为甲基汞、无机汞、乙基汞。As化合物的分离与测定谱图依次为二甲基砷，亚砷酸盐，一甲基砷和砷酸盐数据处理系统色谱工作站：数据自动采集、编号、保存自动数据处理控制各个模块分析全自动化填料（功能基团种类、粒径及其分布）柱温（室温－800C）流动相组成与浓度流动相流速（通常使用0.5-2.0mL/min）流动相中的杂质成分影响离子色谱分离的主要因素一价离子洗脱加快二价离子洗脱变慢柱温增加02468101214202530354045温度，℃保留时间(min)F-Cl-NO2-Br-NO3-HPO42-SO42-柱温对保留时间的影响流速的影响0200040006000800010000120000.511.52流速（mL/min）峰面积F-Cl-NO2-Br-NO3-HPO42-SO42-流速增加溶质峰面积减小流动相组成的影响04812162000.110.220.33流动相组成（NaHCO3/Na2CO3）保留时间(min)F-Cl-NO2-Br-NO3-HPO42-SO42-4mMNaHCO3/0.8mMNa2CO3流速：0.7ml/min4mMNaHCO3/1.0mMNa2CO3流速：0.8ml/min4mMNaHCO3/1.2mMNa2CO3流速：0.9ml/min01234567891011min17.017.518.018.5uS/cmCond01234567891011min17.017.518.018.5uS/cmCond01234567891011min17.518.018.519.0uS/cmCond组成和流速的共同影响流动相浓度的影响0481216208910111213流动相浓度（mM）保留时间(min)Na+NH4+K+Mg2+Ca2+100µS0%ACN20%ACN50%ACN12345671234567010保留时间(min)12,34567101000µSµS1.F-2.Cl-3.NO2-4.Br-5.NO3-6.HPO42-7.SO42-流动相中有机溶剂的影响影响分离效果流动相中有机溶剂的影响加入丙酮等，改善分离离子色谱使用的水与试剂纯度尽可能高高纯水：电阻率≧18