（分析化学专业论文）离子色谱在烟草与烟气分析中的应用研究.pdf

摘要 本论文根据离子色谱的原理和实验技术，结合烟草及烟气分析工作的需要， 研究了离子色谱在烟草及烟气分析中的应用。通过大量的文献调研和实验，分别 建立了离子色谱法测定卷烟主流烟气中氨的方法和离子色谱法同时测定烟草中 总氮及钾、镁、钙的方法。氨是卷烟主流烟气中普遍存在的一种主要有害成分， 长期吸入会对人体造成较严重的危害；氮、钾、镁、钙等元素则对烟草品质有着 重要影响。这两种方法的建立对卷烟降害工作及烟草品质研究具有重要意义及应 用前景。 论文主要工作归纳如下： 1 对烟气成分进行分析需要抽吸并对烟气相关成分完全捕集。本文根据氨的性 质采用溶液捕集，这就需要高效的捕集装置和优化的捕集条件。通过实验研究， 自行设计了高效的烟气捕集装置，并优化了捕集条件，建立了一种用稀硫酸溶液 吸收，离子色谱法测定的卷烟主流烟气中氨的定量分析新方法。该方法快速、简 便，不需要复杂的样品前处理，完成一次测定只需1 2 m i n 。检测限为o 0 0 5 m 。g l ， r s d 为3 6 6 ，空白加标回收率在8 7 0 一1 0 1 9 之间，吸烟加标回收率在 9 8 o 1 0 6 5 之间，方法定量结果准确可靠，适合于卷烟主流烟气中氨的分析测 定。应用此方法测定了覆盖国内主要卷烟品牌的5 0 种卷烟主流烟气中的氨含量， 在6 5 0 1 4 2 2 _ g 支烟范围。 2 烟草中的含氮化合物主要以蛋白质等有机态存在，需将样品消化使有机氮转 化为铵根离子态方能用离子色谱法测定，然而传统的消化催化剂如硫酸钾、硫酸 铜、硒及氧化汞等会引入干扰离子，使总氮与钾、镁、钙的同时测定无法实现。 本文用浓硫酸将烟草样品消化，并以不引入任何干扰离子的双氧水作消化催化 剂，实现了离子色谱法同时测定烟草中总氮及钾、镁、钙。该方法快速简便、准 确度高、重现性好。总氮的测定结果与开氏法吻合，钾、镁、钙的测定结果与火 焰原子吸收法相吻合。本文所建立的离子色谱法亦可用于其它生物样品中总氮及 钾、镁、钙的同时测定。 a b s t r a c t b ys t u d y i n g t h e s e p a r a t i o n m e c h a n i s ma n d a n a l y t i c a lt e c h n i q u e s o fi o n c h r o m a t o g r a p h y ( i c ) a n dc o n s i d e r i n g t h en e e di nt o b a c c oa n dt o b a c c o s m o k e a n a l y s i s ，t h ea p p l i c a t i o n s o fi ci nt o b a c c oa n dt o b a c c os m o k e a n a l y s i s w e r e i n v e s t i g a t e d t w on o v e lm e t h o d sw e r ed e v e l o p e dr e s p e c t i v e l y ，w h i c hi n c l u d e dt h e d e t e r m i n a t i o no fa m m o n i ai nm a i n s t r e a mt o b a c c os m o k eb yi o nc h r o m a t o g r a p h ya n d t h es i m u l t a n e o u sd e t e r m i n a t i o no f t o t a ln i t r o g e n ，p o t a s s i u m ，m a g n e s i u ma n dc a l c i u m i nt o b a c c os a m p l e sb yi o nc h r o m a t o g r a p h y ，a m m o n i ai so n eo ft h ep r i m a r yh a r m f u l c o m p o n e n t si nm a i n s t r e a mt o b a c c os m o k ea n dd og r e a th a r mt os m o k e r s h e a l t hi f i n h a l ef o ra l o n gt i m e n i t r o g e n ，p o t a s s i u m ，m a g n e s i u ma n dc a l c i u ma r ei m p o r t a n t e l e m e n t sf o rt o b a c c o q u a l i t y t h et w o m e t h o d sa r eo f s i g n i f i c a n c ea n dp e r s p e c t i v ef o r r e s e a r c h i n gt o b a c c oq u a l i t ya n ds t u d y i n gt h er e l a t i o n s h i po fs m o k i n g a n dh e a l t h t w om a i n a s p e c t s a r ei n c l u d e di nt h et h e s i s ： 1 i ti sn e c e s s a r yt os m o k ea n d t r a pt h et a r g e tc o m p o n e n t st h o r o u g h l yw h e n s o m e c o m p o n e n t s i ns m o k ea r e a n a l y z e d a n e wm e t h o dw a s d e v e l o p e d f o rt h e d e t e r m i n a t i o no fa m m o n i ai nm a i n s t r e a mt o b a c c os m o k e b y i o nc h r o m a t o g r a p h yw i t h d i l u t e ds u l f u r i ca c i da sa b s o r b e n t i no r d e rt ot r a pa m m o n i ai nm a i n s t r e a mt o b a c c o s m o k ee f f e c t i v e l y ，a na b s o r p t i o nv e s s e lw a sd e s i g n e d i ti saf a s ta n dc o n v e n i e n t m e t h o dw i t h o u t c o m p l i c a t e ds a m p l ep r e t r e a t m e n t t h e w h o l e p r o c e d u r e o f d e t e r m i n a t i o nc a nb ec o m p l e t e di n1 2m i n t h ed e t e c t i o nl i m i ti s0 0 0 5 m g l ，r s di s 3 6 6 t h er e c o v e r i e so f f o t r i f l e db l a n k sa n df o r t i f i e dm a t r i xa r e8 7 o - 1 0 1 9 a n d 9 8 o 一1 0 6 5 r e s p e c t i v e l y t h i sm e t h o dh a sb e e na p p l i e dt ot h e d e t e r m i n a t i o no f a m m o n i ai nm a i n s t r e a mt o b a c c os m o k eo f5 0c i g a r e t t e so fc h i n aw i t hs a t i s f a c t o r y r e s u l t st h er e s u l t sr a n g e df r o m6 5 0 “g c i g a r e t t et o1 4 2 2 _ g c i g a r e t t e 2t h e m a j o r i t yo f n i t r o g e n - c o n t a i n i n gc o m p o u n d s i nt o b a c c oa r ei no r g a n i cs t a t e a n dc a nn o tb ed e t e r m i n e db yi o nc h r o m a t o g r a p h yd i r e c t l y t h es a m p l e sh a v et ob e d i g e s t e dt o t r a n s f o r ma l lt h en i t r o g e n c o n t a i n i n gc o m p o u n d si n t o a m m o n i u mi o n h o w e v e r ，e x i s t i n gd i g e s t i o n m e t h o d s a r en o t e a s i l ya d a p t e d t os i m u l t a n e o u s i t d e t e r m i n a t i o no f t o t a ln i t r o g e n ，p o t a s s i u m ，m a g n e s i u ma n dc a l c i u mb e c a u s et h eu s eo f t r a d i t i o n a lc a t a l y s t ss u c ha sp o t a s s i u ms u l f a t e ，b l u e s t o n e ，s e l e n i u ma n d m e r c u r y ( i i ) o x i d eb r i n g si n t e r f e r i n gi o n si n t ot h ed i g e s ts o l u t i o na n dp r e c l u d e st h es i m u l t a n e o u s d e t e r m i n a t i o n i nt h i s s t u d y ，t h en i t r o g e n - c o n t a i n i n gc o m p o u n d s i nt o b a c c o s a m p l e s w e r eo x i d i z e dt oa m m o n i u mi o nu s i n gs u l f u r i ca c i dw i t hh y d r o g e n p e r o x i d ea s t h ec a t a l y s t w a t e ra n do x y g e na r et h ep r o d u c t sw h e nt h e o x i d i z i n g s t r e n g t ho fh y d r o g e np e r o x i d e i s s p e n t t h eu s eo fh y d r o g e np e r o x i d eb r i n g sn o i n t e r f e r i n gi o n si n t ot h ed i g e s ts o l u t i o na n d a sar e s u l tt h ed i g e s ts o l u t i o ni sa m e n a b l e t ot h es i m u l t a n e o u sd e t e r m i n a t i o no ft o t a ln i t r o g e n ，p o t a s s i u m ，m a g n e s i u ma n d c a l c i u m b y i o n c h r o m a t o g r a t ) h y o n t h eb a s i so ft h ea b o v e ，an o v e li o n c h r o m a t o g r a p h i cm e t h o dw a sd e v e l o p e df o rt h es i m u l t a n e o u sd e t e r m i n a t i o no f t o t a l n i t r o g e n ，p o t a s s i u m ，m a g n e s i u m a n dc a l c i u mi nt o b a c c os a m p l e s t h em e t h o di sf a s t a n dc o n v e n i e n ta n dh a ss a t i s f a c t o r yr e p r o d u c i b i l i t yt h er e s u l t so b t a i n e db yt h ei c m e t h o da r ea c c o r d a n tt ot h o s ef o rt h ec o n v e n t i o n a lk j e l d a h ld i s t i l l a t i o na n dt i t r a t i o n a p p r o a c hf o rt h ed e t e r m i n a t i o no f t o t a ln i t r o g e n p o t a s s i u m ，m a g n e s i u ma n dc a l c i u m d e t e r m i n e db yi cm e t h o da g r e ew i t ht h er e s u l t sd e t e r m i n e db ya t o m i ca b s o r p t i o n s p e c t r o m e t r yt h ea p p l i c a t i o no f t h ei cm e t h o di sa l s od e m o n s t r a t e df o rav a r i e t yo f o t h e rs a m p l em a t r i c e s i 中国科学技术大学硕士学位论文 第一章综述 1 1离子色谱的基本原理 1 1 1 离子色谱概述 1 1 1 1 离子色谱的定义和发展 离子色谱( 简称i c ) 是商效液相色谱( 简称h p l c ) 的一种，是分析离子的 一种滚相色谱方法。现代离子色谱的开始源予h s m a l l 及其合作者的工作，他们 于1 9 7 5 年发表了第一篇离子色谱论文，同年商品仪器问世。 s m a l l 等人将第二支柱子( 后来称为抑制器) 连接于离子交换分离柱之后，通 过在抑制柱中发生的化学反应，于测定所分离的离子前，将淋洗液转变成弱电导 成分。1 9 7 9 年f r i t z 等人提出另一种分离与检测无机阴离子的方式【2 j ，将电导检 测池直接连接于分离柱之后，不用抑制柱，叫做非抑制型离子色谱法( 或称为单 柱离子色谱法) 。用低容量的离子交换树脂做柱填料，低离子强度的溶液作流动 相，低摩尔电导的淋洗离子使样品离子能被灵敏的检测。两种方法所用柱填料和 淋洗液各不相同，各有其优缺点。从离子色谱问世到现在，已经发生了巨大的变 化。在其初期，离子色谱主要用于阴离子的分析，而今，离子色谱己在非常广的 范围得到应用，已经成为在无机和有机阴、阳离子分析中起重要作用的分析技术。 虽然离子交换仍是离子色谱的主要分离方式，离子排斥和离子对色谱在离子型和 高极化分子的分析中也起着重要的补充作用。就其主要应用丽言，电导检测器 ( e c d ) 是最通用的检测器，紫外一可见( u v s ) 、安培、荧光以及原子吸收光 谱等元素特征检测器也得到了广泛应用。离子色谱法早期发展的主要推动力是阴 离子的分析，如一次迸样，8 r a i n 内可连续测定g l 至数百m g l 数量级的f 一、 c 1 、n o ；、b r 。、n o ；、h p o 、s o s , 一等多种阴离子，因此离子色谱问世之后很 快就成为分析阴离子的首选方法。离子色谱法分析无机阳离子的方法发展较慢， 其主要原因是已广泛使用的原子吸收法具有快速、灵敏和选择性好等突出优点。 然而近些年来，无机阳离子的离子色谱分析法已在分析化学中广泛应用。侧如新 型的弱酸型阳离子交换分离柱，一次进样1 0 m i n 内就可完成碱金属( 一价) 、碱 中国科学技术大学硕士学位论文 土金属( 二价) 及铵的分离与检测。3 。对过渡金属的分析在很多领域中已成为常 规分析方法，特别是对元素不同价态和形态的分析以及离子色谱的在线浓缩富集 和基体消除技术已充分显示出离子色谱法的优势。离子色谱在有机和生化分析方 面的研究也很活跃，并有广泛应用。如用离子排斥柱，稀盐酸作流动相，可分析 3 0 余种常见的水溶性有机酸，其中包括用气相色谱( g c ) 难以分析的羟基有机 酸。 离子色谱的关键部件之一是分离柱。随着新型离子交换柱填料的发展，离子 色谱技术已成功的扩展到多种基体中有机和无机离予的测定。例如新型高交联度 离子交换树脂填充的阴离子交换分离柱，除了在d h = 0 1 4 稳定外，还可兼容反 相有机溶剂( 如甲醇、乙腈) ，可在淋洗液中加入有机溶剂调节和改善分离的选 择性，缩短疏水性化合物的保留时间，以及用有机溶剂清洗有机物对色谱柱的污 染以延长柱子的使用寿命。具有离子交换、离子对和反相分离机理的多维分离柱 ”1 ，可同时用多种分离机理来改善分离度和选择性，一次进样可同时分离离子型 和非离子型化合物。离子色谱固定相发展的第二个方向是高容量柱的研制，这种 固定相的树脂基核为表面磺化的超大孔树腊，外层为附聚的胶乳小球。胶乳小球 的粒径非常小，以致可进入树脂的内孔，因此增加了树脂的容量而未增加树脂的 粒径。新型的高容量的阴离子交换柱，其离子交换容量( 2 9 0um 0 1 ) 较常用柱( 2 0 um 0 1 ) 高1 5 倍，可用于高离子强度基体中痕量阴离子的直接迸样分析和大体积 进样分析高纯水中痕量杂质，改进弱保留离子的分离，增加f 的保留，使其远离 水负峰。对羟基( o h ) 选择性好的固定相，可用氢氧化钠( 或氢氧化钾) 作流 动相，由于o h 一经抑制反应之后生成水，因而降低流动相的背景电导，不仅傲梯 度淋洗时基线稳定，水负峰小，可用大体积进样，还可提高检测灵敏度。螫合树 脂填料的迎入4 1 可作在线浓缩、富集和基体消除，降低离子色谱法的检测限1 2 个数量级，并已成功地用于酸、碱和f e 3 + 、舢3 + 、m 矿、c a 2 + 等基体中痕量金属 杂质的测定。小孔径( 2 r a m ) 离子色谱柱“1 ，直接进样，较相同条件下直径为4 m m 柱的灵敏度高4 倍；需用的样品量和化学试剂量少，而且由于淋洗液的流量降低， 相当于抑制器的抑制容量的扩大，因此可用较高浓度的淋洗液分离高电荷的阴离 子。 离子色谱应用的一项近期突破是氨基酸的分析。新的方法不需要柱前或柱后 中国科学技术大学硕士学位论文 衍生反应，用阴离子交换分离，氢氧化钠为淋洗液，积分安培检测，灵敏度可达 到p m o l 。抑制器技术的最新发展是自身再生抑制器( s r s ) 。该抑制器简化了抑 制器的操作，摒弃了外加再生液，由电解水产生抑制反应所需的口和o h 。这 种装置工作时，流动相通过电导池后不再直接排放，而是返回抑制器中提供电解 所需的水。离子色谱的另一项突破是淋洗液在线发生器的商品化。淋洗液在线发 生器消除了常规在实验室配置淋洗液时的麻烦，试剂和环境的污染以及天平、容 器和操作中的各种误差，只用去离子水。 1 1 1 2 离子色谱的分离方式 根据三种不同分离机理f 7 。8 】，离子色谱可分为高效离子交换色谱( 简称h p i c ) ， 离子排斥色谱( 简称h p i e c ) 和离子对色谱( 简称m p i c ) 。用于三种分离方式 的柱填料的树脂骨架基本上都是苯乙烯二乙烯基苯的共聚物，但树脂的离子交 换容量各不相同。h p i c 用低容量的离子交换树脂( o 0 1 0 5 0 m m o l g ) ，h p i e c 用高容量的树脂( 3 5 m m o l g ) ，m p i c 用不含离子交换基团的多孔树脂。三种 分离方式各基于不同分离机理。h p i c 的分离机理主要是离子交换，h p i e c 主要 为离子排斥，而m p i c 则主要基于吸附和离子对的形成。 1 离子交换色谱( h p i c ) 方法基于流动相和连接到固定相上的离子交换基团之间发生的离子交换过 程。对高极化度的离子，分离机理中还包括非离子的吸附过程。离子交换色谱主 要用于有机和无机阴离子和阳离子的分离。离子交换功能基为季铵基的树脂用作 阴离子分离，为磺酸基和羧酸基的树脂用作阳离子分离。 2 离子排斥色谱( h p i e c ) 离子排斥色谱的分离机理包括d o n n a n 排斥，空间排阻和吸附过程。固定相 主要是高容量的总体磺化的聚苯乙烯，二乙烯基苯阳离子交换树脂。离子排斥色 谱主要用于有机酸、无机弱酸和醇类的分离。h p i e c 的一个特别的优点是可用 于弱的无机酸和有机酸与在高的酸性介质中完全离解的强酸的分离。强酸不被保 留，在死体积被洗脱。 3 离子对色谱( m p i c ) 离子对色谱的主要分离机理是吸附，其固定相主要是弱极性和高表面积的中 中国科学技术大学硕士学位论文 性多孔聚苯乙烯二乙烯基苯树脂和弱极性的辛烷或十八烷基键合的硅胶两类。 分离的选择性主要由流动相决定。有机改进剂和离子对试剂的选择取决于待测离 子的性质。离子对色谱主要用于表面活性的阴离子和阳离子以及金属络合物的分 离。 4 其他分离方法 除上述三种主要的分离方式之外，反相液相色谱( r p l c ) 用于极性和离子型 化合物的分离也越来越普遍。例如以离子抑制方式在化学键和的十八烷基固定相 上分离长链脂肪酸；以磷酸缓冲溶液作淋洗液，在化学键和的氨丙基固定相 ( a m i n o p r o p y l ) 上分离食品样品中n o j 和b r 。 1 1 1 3 离子色谱系统 离子色谱系统的构成与高效液相色谱相同，仪器由流动相传送部分、分离柱、 检测器和数据处理( 一些色谱工作站除作数据处理之外，还可控制仪器，半智能 地帮助使用者选择和优化色谱条件) 4 个部分组成。其主要不同之处是离子色谱 的流动相要求耐酸碱腐蚀的系统。因此，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高，而且要求耐酸碱腐蚀，国际上生产离子色谱的著名 公司用p e e k 材料的全塑离子色谱系统。全塑料系统和用微机控制的高精度无脉 冲双往复泵，用色谱工作站控制仪器的全部功能和作数据处理，以及在o 1 4 的整个p h 范围内和0 1 0 0 与水互溶的有机溶剂中性能稳定的柱填料和液体管 道系统是现代离子色谱系统的主要特点。金属泵和金属柱管显然会带来金属离子 的污染，不适用于高精度的测定。 离子色谱的最重要郊件之一是分离柱。柱管材料应是惰性的，一般均在室温 下使用。高效柱和特殊性能柱的研制成功，是离子色谱迅速发展的关键。抑制器 是抑制型电导检测器的关键部件，高的抑制容量，低的死体积，能自动连续工作， 不用复杂和有害的化学试剂是现代抑制器的主要特点。 离子色谱的检测器分为两大类，即电化学检测器和光学检测器9 _ 1 0 1 。电化学 检测器包括电导、直流安培、脉冲安培和积分安培；光学检测器包括紫外一可见 和荧光。电导检测器是离子色谱的主要检测器，分为抑制型和非抑制型( 也称单 柱型) 两种。抑制器能够显著提高电导检测器的灵敏度和选择性，其发展经历了 中国科学技术大学硕士学位论文 四个阶段，从最早的树脂填充的抑制器到纤维膜抑制器，平板微膜抑制器和先进 的只加水的高抑制容量的电解和微膜结合的自动连续工作的抑制器。 安培检测器也有两种。单电位安培或直流安培检测器和三电位安培检测器i ， 或称脉冲安培检测器。三电位安培检测器除工作电位外，另加一个较工作电位正 的清洗电位和一个较工作电位负的清洗电位，用于直流安培检测器不能测定的易 使电极中毒的化合物，如糖类和醇类的检测。光学检测器包括紫外一可见和荧光 检测器。紫外可见检测器与普通液相色谱中所用者无明显区别，用可见波长区 时，常加进柱后反应器如薄膜反应器或三通。被测离子进入检测器之前在膜反应 器中与显色剂反应，由于薄膜反应器具有特殊结构，使显色剂与待测组分充分的 混合并加速显色反应。主要用于多价阴离子、硅、过渡金属、重金属和稀有元素 的测定。荧光检测器主要用于氨基酸的分析。 1 1 2 离子交换色谱 1 1 2 1 离子交换色谱的分离机理 离子交换色谱是离子色谱最主要的一种模式，其色谱峰的迁移和扩展仍用柱 色谱的理论进行描述，常用术语的定义与高效液相色谱相同。 h p i c 的分离机理主要是离子交换，是基于离子交换树腊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。它是离子色谱的主要分离方式，用于亲水性阴、阳离子 的分离。 典型的离子交换模式是样品溶液中的离子与分析柱的离子交换位置之间直接 的离子交换。如用n a o h 作淋洗液分析水中的f 、c l 埽s o ，首先用淋洗液平 衡阴离子交换分离柱，再将进样阀切换到进样位置，高压泵输送淋洗液，将样品 带八分离柱，待测离子从阴离子交换树脂上置换o h - 基，并暂时而选择地保留在 固定相上。同时，保留的阴离子又被淋洗液中的o h ? 基置换并从柱上被洗脱。对 树脂亲和力较o h 一弱的阴离子较对阴离子交换位置亲和力强的阴离子( 如s o ： 通过柱子快，这个过程决定了样品中阴离子之间的分离。经过分离柱之后，洗脱 液先后通过抑制器和电导池，电导检测。非抑带4 型离子色谱中，淋洗液直接进入 电导池。 中国科学技术大学硕士学位论文 离子交换色谱的固定相具有固定电荷的功能基，阴离予交换色谱中，其固定 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。在离子交换 进行的过程中，流动相连续提供与固定相离子交换位置的平衡离子相同电荷的离 子，这种平衡离子( 淋洗液淋洗离子) 与固定相离子交换位置的相反电荷以库仑 力结合，并保持电荷平衡。进样之后，样品离子与淋洗离子竞争固定相上的电荷 位置，见图1 1 。当固定相上的离子交换位置被样品离子置换时，由于样品离子 与固定相电荷之间的库仑力，样品离子将暂时被固定相保留。样品中不同离子与 固定相电荷之间的库仑力不同，即亲和力不同，因此被固定相保留的程度不同。 图1 1 阴离子交换示意图 离子色谱实验中将离子交换剂填充于柱中，著将其转变成“反离子”( 用e 表示) 型。当含有与e 相同电荷的溶质离子( 以s l ，s 2 ，表示) 的样品溶液 进入到填充离子交换树脂的分离柱时，将会发生离子交换，样品离子附着到树脂 上，树脂相上释放出等摩尔量的离子e 到溶液中。用含有淋洗离子e 的溶液淋 洗柱子时，样品离子被置换，并在溶液和树脂之间发生迸一步交换，在柱中向淋 洗液流动的方向移动。这种置换具有不同的选择性过程，是离子交换作为一秭分 离离子方法的关键，将使样品离子以不同的速度流出柱子。 离子色谱中常用的阳离子交换剂是苯乙烯，二乙烯基苯聚合物经磺化之后得 到的强酸型树脂，为简单起见，我们先讨论具有相等电荷数的离子在高磺化度的 树脂上的离子交换行为。例如，将水溶液中的h + 型树腊与含有n a 十的水溶液接 6 中国科学技术大学硕士学位论文 触，将发生离子交换，n a + 进到树脂相，等摩尔h + 离开树脂相进入水相。若溶液 相含有可与h + 强烈反应的o h ，而且o h 一离子的量足够与所有的h + 离子反应， 则树脂应完全转变成n a 十型，可将上述反应简单的表示如下式 r - - s 0 3 一h + + n a o h 寸r - - s 0 3 n a + + h z o ( 1 1 ) 溶液中与n a + 伴随的阴离子，如c l 一不与树脂相上的h + 反应。经足够长的时间之 后，离子交换将达到平衡状态，n a + 和矿分别部分停留在树腊和溶液相，可表示 为 r - - s 0 3 h + + n a c i r - - s 0 3 n a + + h c l ( 1 - 2 ) 该反应为可逆反应。当溶液中的阴离子浓度较低，如小于0 1 m m o l 时，溶液中的 阴离子进入树脂相的量非常少。因此阴离子除了与系统中的一种或多种阳离子反 应或络合，以及保持溶液的电中性之外，在普通的应用中，可将这种伴随的“非 牵连”离子略去，因此上式可简化为 r s 0 3 一h + + n a + s 寻苎r s 0 3 - n a + + h + s ( 1 - 3 ) 在阴离子交换平衡中，也有相似的将伴随阳离子省略。用下式表示( 1 - 3 ) 式 的质量作用关系： 群哇 n a + 】r 【w s 口mn a + s ( 1 - 4 ) 式中，k 妒是反应1 3 的平衡常数，下标r 和s 分别表示树脂相和溶液相，两相 中离子的浓度可用下述任何一种方式表示：物质的量浓度( m o l f l ) ，质量摩尔浓 度( t o o l g ) 或摩尔分数。 若离子交换系统在完全理想状态，各种离子独立的以等量电荷相互作用，平 衡状态只由n a + 和h + 的相应浓度来决定，衅应为i 。但离子交换系统般都是 在非理想状态，则x o 不为1 。也就是说，离子交换剂对不同的离子的“偏爱” ( 亲和力) 程度不同，用k 挚表示，并称之为选择性系数。例如碱金属在磺化的 聚苯乙烯阳离子交换剂上的亲和力顺序为 c s + r b + k + n a + l i + 碱土金属的亲和力顺序为 b e + s r 2 + c a 2 + m 9 2 + 中国科学技术大学硕士学位论文 表1 - 1 总结了几种阳离子在磺化聚苯乙烯树脂上的选择性系数1 1 】。树脂的交 联度越高，对金属离子的选择性越大。选择性系数不仅与被分离的离子和树脂的 交联度有关，而且与树腊的组成有关。 表1 1 在磺化的聚苯乙烯( d o w e x 5 0 ) 阳离子交换树脂上 阳离子对h + 交换的平衡常数 阳离子( m ) k ： 阳离子( m ) 瑞 阳离子( m ) k 篙 h +1c s +2 0 2b a 2 +5 6 6 l r0 7 6 a g + 35 8c 0 2 +2 4 5 n a +1 2t l +5 0 8n i 2 +2 6 1 n h 4 + 14 4 m 9 2 十 2 2 3c u 2 +2 4 6 k +1 _ 7 2c a 2 +3 1 4 z n 2 +2 3 7 r b +l ，8 6s f 2 +3 5 6 p b ” 4 9 7 离子色谱中用得阴离子交换树脂一般含有季铵功能基，阴离子交换树脂对不 同阴离予的选择性也不同。 平衡常数的大小以及其随树脂组成不同丽改变说明了系统的非理想性。若能 得到离子在两相中的活度系数则能得到真实的热力学平衡常数。对溶液相可得到 这种数据，而对树脂相是非常困难的。在典型的离子色谱实验中，淋洗离子的浓 度通常大大高于溶质离子的浓度，因而可设想选择系数是个恒定的极限值。影 响离子交换平衡的因素是复杂的。解决这个问题有两个基本方法，一种是热力学 方法，通过独立测定同离子树腊的性质，并结合对两相的活度系数关系来描述非 理想状态。另一种是将离子选择性，静电效应，溶剂化作用，疏水性相互反应等 物理因素联系。 离子色谱中可由选择性系数来评价淋洗离子的效率。具有高选择性系数的离 子是优先选择的淋洗离子，因为它们在较低的浓度也有较强的淋洗能力，若样品 离子洗脱太快，则应用较低的浓度或改用选择性系数较小的淋洗离子。但淋洗离 子的选择性系数和样品离子的选择性系数应相差不大。 分配系数k 表示溶质在固定相和流动相中的浓度比，即k 。= c 。c 。，c 。和c 。 中国科学技术大学硕士学位论文 分别表示溶质在固定相和流动相中的浓度。离子色谱中用分配系数世。来描述离 子的色谱保留行为。不同离子分配系数的差异是色谱分离的基础。影响溶质在两 相间分配的主要因素包括：离子交换反应的选择性系数；离子交换剂的容量：流 动相中电解质的浓度；淋洗离予和溶质离子的电荷；流动相的p h ；流动相中的 络合反应。 回到前面讨论的n a + 与一交换的例子，重排方程( 1 - - 4 ) 可导出n a + 的分配系 数： i n a + r n a + l s = 【h + r h + s ( 1 - - 5 ) 式左边为n a + 在树脂相和溶液相的浓度比，即分配系数k 。离子色谱中淋洗离 子的浓度远大于溶质离子的浓度。阳离子离子色谱中，h + 是典型的淋洗离子，因 此【h + 】r 的浓度接近树脂的容量c r ，则( 1 - 5 ) 式可表示为 n a + r 【n a + s = k d = k 妒c r e s ( 1 - 6 ) ( 1 - 6 ) 的通式为 i i s r i s i s = k d = ；c r e s ( 1 - 7 ) 式中s 和e 分别代表样品离子和淋洗离子，方程( 1 7 ) 描述了一价溶质离子( s ) 在离子交换树脂和只含有一价淋洗离子e 的溶液之间的分配。分配系数的重要 性是它表明了离子交换剂对e 和s 的选择性( 亲和力) 。 下式表示在磺酸树脂上矿与二价离子c 2 + 地交换反应： 2 r s 0 3 1 + + c a s 2 + ( r - - s 0 3 ) 2 c a 2 十4 - 2 h s + ( i - 8 ) 方程( i - 8 ) 的平衡常数可表示为 k 宁= 【c a 2 + r 【h 十】；【h + ；i c e s ( 1 - 9 ) 同理，c a 2 十的浓度小于矿浓度，重排上式得 【c a 2 + r c a 2 + s = 如= 辟c ； 2 h + 1 ； ( 1 - 1 0 ) 因为k c d 和c r 为常数，则c a 2 + 在树脂和溶液之间的分配系数与 i + 浓度的平 方成反比( 更确切的说c a 2 + 的分配系数与h 十的活度的平方成反比，在低浓度下， 活度系数接近1 ) 。因此流动相浓度的改变对高电荷离子保留行为的影响大于对 低电荷离子保留行为的影响。这一离子交换反应规律对离子色谱有非常重要的意 中国科学技术大学硕士学位论文 义。 除了纯的离子交换过程之外，对某些离子也存在与固定相的非离子相互作用。 最重要的非离予相互作用是吸附。若用具有芳香骨架的有机聚合物为树脂基核， 具有芳香和烯碳骨架的溶质离子会与芳香树脂发生丌一7 相互作用，则除了离子 交换过程之外还有吸附作用。不仅在芳香或烯属溶质的分离过程中存在吸附作 用，而且分离易极化的无机和有机离子时，也观察到吸附作用。有时甚至分析简 单无机阴离子如b r 一和n o ；时，也观察到非离子型吸附作用。由一个简单的实验 可证明这种作用，b r 和n o ；的电荷数相同，n n o ；的疏水性大于b r _ ，在b r n n o ：达基线分离的色谱条件下，在淋洗液中加入对氰酚以阻塞树脂表面的吸附位 置，结果b f 和n o ；共淋洗。 1 1 2 2 抑制器的工作原理及发展 ( 一) 抑制器的工作原理 化学抑制型电导检测法中，抑制反应是构成离子色谱的高灵敏度和选择性的 重要因素，也是选择分离柱和淋洗液时必需考虑的主要因素。 前文已述及，离子色谱有几种检测方式可用，其中电导检测是最主要的，因 为它对水溶液中的离子具有通用性。然而，正因为它的通用性。作为离子色谱的 检测器，它本身就带来一个问题，即对淋洗液有很高的检测信号，这就使得它难 以识别淋洗时样品离子所产生的信号。s m a l l 等人提出的简单而巧妙的解决方法 是选用弱酸的碱金属盐为分离阴离子的淋洗液，无机酸( 硝酸或盐酸) 为分离阳 离子的淋洗液。当分离阴离子时使淋洗液通过置于分离柱和检测器之间的一个氢 ( h + ) 型强酸性阳离子交换树脂填充柱；分析阳离子时，则通过o h 。型强碱性阴 离子交换树脂。这样阴离子淋洗液中的弱酸盐被质子化生成弱酸；阳离子淋洗液 中的强酸被中和生成水，从而使淋洗液本身的电导大大降低。这种柱子称为抑制 柱。 抑制器主要起两个作用，一是降低淋洗液的背景电导，二是增加被测离子的 电导值，改善信噪比。图1 2 说明了离子色谱中化学抑制器的作用。图中的样品 为阴离子f _ 、c 1 一、s 0 2 , 的混合溶液，淋洗液为n a o h 。若样品经分离柱之后的 中国科学技术大学硕士学位论文 洗脱液直接进入电导池，则得到图中右上部的色谱图。图中非常高的背景电导来 自淋洗液n a o h ，被测离子的峰很小，即信噪比不好，一个大的系统峰( 与样品 中阴离子相对应的阳离子) 在f - 峰的前面。而当洗脱液通过化学抑制器之后再进 入电导池，则得到图1 2 中右下部的色谱图。在抑制器中，淋洗液中的o h 一与 h + 结合生成水。样品离子在低电导背景的水溶液中进入电导池，而不是高背景的 n a o h 溶液；被测离子的反离子( 阳离子) 与淋洗液中的n a + 一同进入废液，因 而消除了大的系统峰。溶液中与样品阴离子对应的阳离子转变成了h + ，由于电 导检测器是检测溶液中阴离子和阳离子的电导总和，而在阳离子中，h + 的摩尔电 导最高，因此样品阴离子a - 与h + 之摩尔电导总和也被大大提高。 抑制器的发展经历了四个阶段。最早的抑制器是树脂填充的抑制柱i 7 】，主要 的缺点是不能连续工作，树脂上的h + 或o h 一消耗之后需要停机再生。另一个缺 点是死体积较大。1 9 8 1 年商品化的管状纤维膜抑制器【1 2 】不需要停枫再生，可连 续工作，缺点是它的中等抑制容量和机械强度较差。第三阶段是1 9 8 5 年发展起 来的平板微膜抑制器，不仅可连续工作，而且具有高的抑制容量，满足梯度淋洗 的要求。1 9 9 2 年进入市场的自身再生抑制器是第四阶段【1 3 14 1 ，这种抑制器不用 化学试剂来提供h + 或o h 一，而是通过电解水产生的h + 或o h 。来满足化学抑制器 所需的离子，其最新型号是s r s u l t r a 。这种抑制器平衡快，背景噪音低，坚 固耐用，工作温度从室温到4 0 。c ，并可在高达4 0 的有机溶剂( 反相液相色谱 用有机溶剂) 存在下正常工作。虽然树脂填充的抑制器是第一代抑制器。由于其 制作简单( 可自己作) ，价格便宜，抑制容量为中等，至今仍在使用。下面将较 详细的讨论目前最先进的自动再生连续工作型抑制器。 ( 二) 自动再生连续工作的抑制器 自动再生连续工作的抑制器是目前最先进的抑制器，它是微膜抑制器的改进 和完善，其典型代表是美国d i o n e x 公司的s r s - u l t r a 型。为了更好的讨论它 的原理和优点，将首先对微膜抑制器的一些基本点作些讨论。图1 - 3 说明了抑制 器的三明治结构，两片再生液和一片淋洗液通道为磺化的离子交换网屏，其间为 薄的阳离子或阴离子交换膜。淋洗液在中间网屏通道，再生液在上下两片网屏通 道，它们都沿网屏长度方向通过网屏但方向相反，抑制器的结构设计使网屏和膜 中国科学技术大学硕士学位论文 之间紧密接触，无层流现象。 ( 孵 阴离子抻懈器 ( 阳离子变捷) 摩，h a ，h 2 籼 水溶藏 ( a ) o 藩馥 非抑制 c 一 ( b ) 抑制 a 。s 。 圈l - 2化学抑制器的作用 ( ) 赧程宙i ( b ) 非摊i ( c 抻翻 下面的讨论以阴离子抑制器为例，这种膜具有对阳离子的可透性并同时具有 对阴离子的阻挡作用，从而为两边以相反方向流过的淋洗液和再生液之间提供了 一个“桥”或“门”，见图1 - 4 。来自再生液中的一离子通过阳离子交换膜进入 淋洗液网屏与淋洗液中o h 反应生成水，消耗h + 离子形成弱酸的中和反应，对 h + 离子直接提供了一个推动力，使这些h 十离子离开再生液。为了保持淋洗液和 再生液的电中性，化学当量的n a + 离子向反向移动，即从淋洗液到再生液。最后 图i - 3徽瘸抑制器的淋洗液和弭生梭谎路 支棒材科 趣 中国科学技术大学硕士学位论文 n a + 离子被反向流动的再生液带入废液。微膜抑制器具有高的抑制容量，一方面 由于淋洗液阳离子到膜的高扩散效率，也由于网屏的离子交换特性。抑制器的抑 制容量直接正比于网屏离子的交换容量。在连续再生型抑制器中，抑制容量为单 位时间可交换的阳离子浓度即：抑制容量( pt o o l r a i n ) = 淋洗液浓度( um o l m l ) 淋洗液流速( m l m i n ) 。例如对浓度0 0 5 m o l l ，流速为2 m l m i n 的n a o h 淋 洗液，抑制器的抑制容量应大于1 0 0 m o l m i n 。因为交换容量主要由网屏和膜 的磺化度决定，如网屏的宽度一定，则抑制容量与淋洗液在网屏中通道的长度成 正比。 连续再生的高抑制容量的微膜抑制器的研制成功，可用梯度淋洗，有力的扩 大了离子色谱的应用范围。 圈1 4 早援g t 膜抑倒嚣的工作原理 在平板微膜抑制器的基 i l