离子色谱方法及应用讲义

“离子色谱方法及应用”讲义

张筑元

2007年11月

1 方法原理

1.1 离子色谱的创立

离子色谱（以下简称IC）是高效液相色谱的一种，是分析离子的一种液相色谱方法。

液相色谱法（1906年，俄国植物学家Tswett ）：1906年色谱的发明者，俄国植物学家M.S.Tswett，在研究植物色素的过程中，将植物叶子的萃取物倒入填有碳酸钙的直立玻璃管内，然后加入石油醚使其自由流下，结果色素中各组分互相分离并形成各种不同颜色的谱带。这种方法因此得名为色谱法。

纸色谱法：20世纪40年代至50年代初，先后出现了纸色谱（paper chromatography,PC）和薄膜色谱法(thin-layer chromatography,TLC)。特点：较经典色谱法简单、分离时间短，样品量要求小。

气相色谱法（1952年）：1952年，James和Martin提出了气相色谱法（gas chromatography,GC)。特点：以气体作为流动相。应用范围广泛受到人们重视。但对不易气化和热不稳定性差的化合物难以分离。

高效液相色谱法：20世纪60年代后期由于新型色谱柱填料、高压输液泵和高灵敏度的检测器的出现，发展出了高效液相色谱（High performance liquid chromatograghy,HPLC）。高效液相色谱法的广泛应用始于70年代，经过三十几年的发展，在基础理论、仪器装置和色谱柱等方面的研究已趋于成熟。其应用范围十分广泛，几乎能够分析所有的有机、高分子、生物样品。据估计，目前已知的化合物中，有80%的化合物需要用高效液相色谱进行分离分析。

离子色谱法（1975年， Small H ）：现代离子色谱开始于Small H及其合作者的工作，他们于1975年发表了第一篇IC论文，同年商品仪器问世。

1.2 色谱法实质与目的

实质：分离。

目的：定性分析或定量分析。

1.3 色谱法分类

1.3.1 按两相分子的聚集状态分：

1.3.2 按固定相的固定方式分：

柱色谱：包括填充柱色谱、毛细管柱色谱；

平面色谱：包括纸色谱、薄层色谱、高分子薄膜色谱；

1.3.3 按分离机制分：分配色谱，利用分配系数的不同；吸附色谱，利用物理吸附性能的差异；离子交换色谱，利用离子交换原理；空间排阻色谱，利用排阻作用力的不同。

1.3.4 色谱法简单分类（按流动相）

1.4 液相色谱分类

按分离机理分为：

类 型 分离机理 分析对象或应用领域

吸附色谱 吸附能，氢键 异构体分离、族分离，制备

分配色谱 疏水作用 各种有机物分析与制备

凝胶色谱 溶质分子大小 高分子分子量及其分布测定

离子色谱 离子性物质的分析

手性色谱 立体效应 手性异构体分离，药物纯化

亲和色谱 生化特异亲和力 蛋白、酶、抗体

1.5 离子色谱分类

分离模式 分离机理 分析对象或应用领域

离子交换 库仑力 无机和有机离子分析

离子排斥 Donnan平衡 有机酸、氨基酸、醇、醛

离子对 疏水作用 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

1.6 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

1.7 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、抗生素

1.8 离子色谱法的优点

无机阴离子分析的绝对优势。同时测定多种阴离子的快速、灵敏而准确的分析手段当首推离子色谱法。

分析速度快。通常几分钟至十几分钟。对7种常见阴离子（F-、Cl-、Br-、NO2-、SO42-、PO43-）和6种阳离子（Li+、Na+、K+、Mg2+、Ca2+）的平均分析时间分别小于10分钟。用高效快速分离柱对上述7种最重要的常见阴离子的分离只需3分钟。

检测灵敏度高。离子色谱分析的浓度范围为μg/L~mg/L。直接进样50μL，对常见阴离子的检出限小于1050μL。

选择性好。非离子性物质无保留。

多离子同时分析。

离子色谱柱的稳定性高，使用寿命长。

1.9 离子交换色谱基本原理

离子交换色谱分离机理主要是离子交换,是基于离子交换树脂上可离解的离子与流动相中具有相同电荷的溶质离子之间进行的可逆交换,依据这些离子对交换剂有不同的亲和力而被分离。对树脂亲和力弱的离子较亲和力强的离子通过柱子快。常见阴离子F-、Cl-、 NO3-、SO42-对树脂的亲和力依次增强。

2 仪器构成

2.1 常用仪器

2.2 仪器构成：流动相输送系统、分离系统（分离柱）、检测系统（检测器）、

数据处理系统4个部分。

2.3 流动相输送系统

离子色谱流动相要求耐酸耐碱系统，凡是流动相通过的管道、阀门、泵、柱子及接头等不仅要求耐压，而且要求耐酸碱腐蚀。

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。

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%。

2.4 分离柱

离子色谱仪的核心部件是分离柱。分离柱由分析柱和保护柱组成。常用分析柱内径：3.0, 4.0, 4.6, 8.0mm，长：50, 100, 150, 250mm。柱管材料是惰性的，一般均在室温下使用。

固定相是分离柱（离子色谱）的核心。

固定相种类：离子交换剂、两性离子交换剂、螯合树酯、氧化还原树酯。最常用的固定相是离子交换剂。

离子交换剂是一类带有离子交换功能基的固体微粒。其结构为在交联的高分子骨架上结合可解离的无机基团。在离子交换反应中，离子交换剂的本体结构不发生明显的变化，仅由其带有的离子与外界同电性离子发生等量的离子交换。

离子交换剂种类：无机离子交换剂（如水合磷酸锆、钨酸锆、钼酸锆等）、离子交换树脂（包括强酸型阳离子交换树脂、强碱型离子交换树脂、弱酸型、弱碱型、螯合型等）。

离子交换色谱的固定相具有固定电荷的功能基，阴离子交换色谱固定相的功能基一般是季胺基，阳离子交换色谱的固定相一般为磺酸基。

2.5 检测器

离子色谱仪检测器分为2大类，即电化学检测器和光学检测器。电化学检测器包括电导、支流安培、脉冲安培和积分安培；光学检测器包括紫外-可见和