（分析化学专业论文）离子色谱新型样品前处理方法研究.pdf

摘要 摘要 本文系统研究了离子色谱样品前处理的方法。建立了新型基于水溶性的离 子液体的固液萃取技术，将水溶性离子液体用于萃取固体样品中的有机物，并 用离子色谱进行分析；同时建立了简化的柱切换系统，找到了消除高浓度复杂 样品基体的新方法，称为单泵柱切换系统。本文主要研究内容共有四章节组成。 第一章介绍了离子色谱样品前处理的技术现状及发展前景。重点介绍了离 子液体在萃取方面的应用；以及柱切换系统在样品基体消除方面的应用。 第二章应用水溶性离子液体萃取了土壤以及食品中的有机物。考察了离子 液体水溶液的浓度，萃取时间，固液比等因素对萃取效率的影响；对比了离子 液体与传统萃取溶剂的萃取效率：优化了离子色谱同时测定有机物的最佳色谱 条件。 第三章建立了离子排斥离子交换单泵柱切换系统，改进了传统柱切换系统 的结构，使之更为简单。用单泵柱切换系统测定了弱酸中的氯离子、硝酸根和 硫酸根离子。对切换时间、色谱条件等条件进行了优化。 第四章充分利用离子色谱抑制器的作用，对弱酸盐类样品进行前处理，将 弱酸盐类转变成相应的弱酸。成功用离子排斥离子交换单泵柱切换系统测定弱 酸盐类中的痕量阴离子。 关键词：离子色谱样品前处理，离子色谱， 离子液体，萃取，单泵柱切换，有 机物，痕量常规阴离子，弱酸，弱酸盐 a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h i sw o r k , t h et e c h n o l o g yo fs a m p l ep r e t r e a t m e n tp r i o rt oi o nc h r o m a t o g r a p h i c d e t e c t i o nw a si n v e s t i g a t e ds y s t e m a t i c a l l y an o v e lm e t h o df o rt h ed e t e r m i n a t i o no f o r g a n i cc o m p o u n d si ns o l i ds a m p l e sh a db e e nd e v e l o p e du s i n gi o n i cl i q u i da q u e o u s s o l u t i o na se x t r a c t a n t c o u p l e d w i t hi o n c h r o m a t o g r a p h y as i m p l i f i e d c o l u m n s w i t c h i n gt e c h n i q u ef o rt h ed e t e r m i n a t i o no ft r a c ei n o r g a n i ca n i o n si nt h e p r e s e n c eo fh i g hc o n c e n t r a t i o no fs a m p l em a t r i xi se s t a b l i s h e d 嬲w e l l ，c o m p a r e dt o t r a d i t i o n a lc o l u m n - s w i t c h i n gm e t h o d ，o n l yo n ep u m pw a su s e di nt h i ss y s t e m ，s oi t w a sc a l l e ds i n g l e - p u m p c o l u m n - s w i t c h i n g t h em a j o rc o n t e n tw a sc o m p o s e do ff o u r c h a p t e r s c h a p t e ro n ec o m p r i s e dab r i e fi n t r i d u c t i o no fs a m p l ep r e t r e a t m e n tp r i o rt oi o n c h r o m a t o g r a p h i cd e t e c t i o n i tm a i n l yf o c u s e so na n a l y s i sa n dd e t e r m i n i n gm e t h o do f i o n i cl i q u i da q u e o u ss o l u t i o na se x t r a c t a n ta n dc o l u m n s w i t c h i n gm e t h o dt oe l i m i n a t e h i g hc o n c e n t r a t i o no fs a m p l em a t r i x i nc h a p t e rt w o ，i o n i cl i q u i da q u e o u ss o l u t i o nw a su s e df o rt h ee x t r a c t i o no fo r g a n i c c o m p o u n d si ns o l i ds a m p l e s e x t r a c t i o np a r a m e t e r si n c l u d i n gc o n c e n t r a t i o no fi o n i c l i q u i d ，e x t r a c t i o nt i m e ，a n dt h ev o l u m er a t i oo fe x t r a c t i o ns o l v e n tt oa q u e o u sp h a s e w e r eo p t i m i z e d c h r o m a t o g r a p h i cc o n d i t i o n sw e r ea l s oe x a m i n e d i n c h a p t e rt h r e e ，as i m p l i f i e d i o n e x c l u s i o na n di o n - e x c h a n g es i n g l e - p u m p c o l u m n s w i s h i n gm e t h o dw a ss e tu p i o nc h r o m a t o g r a p h y ( i c ) h a sb e e np r o p o s e d f o rt h ed e t e r m i n a t i o no ft h r e ec o m m o ni n o r g a n i ca n i o n s ( c h l o r i d e ，n i t r a t ea n ds u l f a t e ) i nw e a ka c i d s u s i n g t h i s s y s t e m p a r a m e t e r ss u c h 邪s w i t c h i n gt i m e a n d c h r o m a t o g r a p h i cc o n d i t i o n sw e r eo p t i m i z e d i nc h a p t e rf o u r , m a k ef u l lu s eo fi cs u p p r e s s o r c h a n g et h es a l t si n t oa c i d s b e f o r ei n j e c ti n t oi o nc h r o m a t o g r a p h y s i n g l e - - p u m pc o l u m n - s w i s h i n gm e t h o dh a s n a b s t r a c t b e e ns u c c e s s f u l l ya p p l i e dt od e t e r m i n a t i o no fc a ) m m o ni o n o r g a n i ca n i o n si nw e a k a c i ds a l t s k e y w o r d s ：s a m p l ep r e t r e a t m e n tt e c h n i q u e ，i o nc h r o m a t o g r a p h y ( i l ) ，i o n i cl i q u i d ( i l ) ， e x t r a c t i o n ，s i n g l e - p u m p c o l u m n - s w i t c h i n g ，o r g a n i cc o m p o u n d s ，t r a c ec o m m o na n i o n s ， w e a ka c i d ，w e a ka c i ds a l t i i i 知识产权保护声明 本人郑重声明：我所提交答辩的学位论文，是本人在导师指导 下完成的成果，该成果属于浙江大学理学院化学系，受国家知识产 权法保护。在学期间与毕业后以任何形式公开发表论文或申请专利， 均需由导师作为通讯联系人，未经导师的书面许可，本人不得以任 何方式，以任何其它单位作全部和局部署名公布学位论文成果。本 人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名埭歹俪易夕 日期：9 户年月7日 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝姿盘堂或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：埭；名劢 签字日期： 秒矽年月甲日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权逝婆盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 褓黼靴做? 腌胂撒陵e 1 学位论文作糍：蛛多觞 翩躲f 箩 签字日期：砂l 口年月1 7 r 日签字日期：莎矾d 年“芗j 月7 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 第一章文献综述 第一章文献综述帚一早义陬练怂 引言 离子色谱( 简称i c ) 属于高效液相色谱的一种，它是分析常规离子的一种色谱 分析方法【1 。2 1 。1 9 7 5 年h s m a l l 及其合作者发表了第一篇离子色谱论文，同年商品 仪器问世。离子色谱分离方式可以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 ) 。离子色谱具有快速、灵敏、选择 性好和同时测定多组分的优点，现已经成为一种分析阴、阳离子和部分有机物 以及生物样品中的糖类、氨基酸、肽、蛋白质等最有效的工具【3 1 。随着离子色谱 技术的不断成熟，其应用范围也不断扩大，现已在环境监测、电力和能源行业、 食品饮料行业、电子行业、生命科学领域、化学工业和制药行业等得到广泛的 应用【舢9 1 。 在复杂基体中低浓度甚至痕量的待测物质的分离和测定是目前分析化学所 面临的一个挑战【m 13 1 。随着离子色谱的不断发展，被测样品的种类和形态不断 增加，传统的离子色谱样品处理方法如稀释、过滤等已无法满足分析的要求， 因此探索快速、高效、简便、易自动化的样品前处理新方法已成为目前离子色 谱分析的前沿课题和重要研究方向之一。在样品前处理方面，现代离子色谱分 析样品和制备技术的发展趋势是使处理样品的过程要简单化、处理速度快、使 用装置小、引进的误差小、对待测组分的选择性和回收率高。目前较为成熟的 样品前处理方法包括水或溶剂提取；化学吸附、氧化及沉淀提取；离子交换、 水汽蒸馏、氧气燃烧及酸溶、膜处理法、固相萃取处理法、分解处理法等 1 4 - 1 5 】。 同时还有许多新型的样品测试方法，包括柱切换、柱后衍生、多检测器同时检 测等。这些技术对提高痕量待测物质测定结果的准确性、避免色谱柱的损坏、 提高分离与检测的选择性和灵敏度方面具有十分关键的作用。 第一章文献综述 1 1 离子色谱样品前处理方法 离子色谱样品前处理的目的主要是将样品转变成水溶液或者是水与极性有 机溶剂( 甲醇、乙醇等) 的混合液；减少和除去干扰物；减少基体浓度；调节 p h ：浓缩无机待测成份，使之符合l c 的进样要求，得到准确的测定结果。 针对离子色谱的样品前处理技术，此前已经有一些综述性的论文进行过介 绍【1 6 - 2 0 。因为进离子色谱检测的样品的状态必须是水溶液，所以除了水溶液外 其他类型的样品在用离子色谱法测定时，都需要经过样品的提取或吸收，将其 转化为水溶液然后进行测定。不同类型的样品需要的转化过程不同，下面我们 分别进行讨论。 1 1 1 气体样品的提取 1 1 1 1 气体吸收法 气体成分的分析和测定最为简便的方法就是吸收法，即用特定的吸收剂吸 收气体中的可溶性成分，然后用离子色谱法测定吸收液。一般情况下气体中的 阴离子宜采用碱性吸收液，而阳离子宜采用酸性吸收液吸收。崔丽英等用不同 的吸收液吸收大气中的乙酸盐【2 1 】和化工工艺中的氯化氢【2 2 】，然后用离子色谱测 定了吸收液中的待测物含量，该方法具有简便、快速、选择性好等优点。 1 1 1 2 膜吸收法 大气中的可溶性盐多以气溶胶和悬浮物的形式存在，这类样品的采集方法 一般是采用膜吸收法【2 3 1 。具体方法是先用大气采样器采样，用滤膜吸收气溶胶 和悬浮物，分析时将滤膜放入超纯水中超声提取，滤液经过微孔膜过滤后，直 接进入离子色谱系统进行分析。 2 第一章文献综述 1 1 2 固体样品的提取 1 1 2 1 加速溶剂萃取( a s e ) 加速溶剂萃取是一种处理固体和半固体样品的全新方法。该方法是在较高 温度( 5 0 - - 2 0 0 c ) 币a k 力条件( 1 0 3 2 0 6 m p a ) 下，用有机溶剂萃取。它的突出 优点是有机溶剂用量少；快速( 一般为1 5 分钟之内) 和回收率高。目前加速溶剂 萃取已成为样品前处理的最佳方式之一，并被美国e p a ( 美国环境保护署) 选定为 推荐的标准方法( 方法编号3 5 4 5 ) ，已广泛用于环境、高聚物、食品和药物等样 品的前处理。加速溶剂萃取方法在水产品中农药残留量的检测中的应用也十分 广泛，如六六六，敌敌畏的检测。目前，a s e 在气相色谱和高效液相色谱分析中 的应用已有较多文献报道，应用在l c 分析极性化合物中的文献报道也逐渐多起 来。曾雪灵等用a s e 萃取肉制品中的n 0 3 和n 0 2 - 2 4 】以及油菜籽饼中的植酸【2 5 1 ， 与传统的振荡萃取和超声萃取相比，a s e 具有更高的萃取效率，且萃取时间较短 并易于实现自动化。加速溶剂萃取和其他萃取方法的萃取效率的比较如表1 1 1 所示： 表i - 1 1 加速溶剂萃取与其他萃取方法的比较 a s e 的基本原理是利用升高温度和压力，来增加物质的溶解度和溶质的扩 散效率。提高温度可以使溶剂溶解待测物的容量增大，同时增加了溶剂扩散到 3 第一章文献综述 样品基体的速度，使溶液粘度和表面张力降低，这有利于被萃取物与溶剂的接 触，从而有利于萃取；而增大压力则有助于将已捕获于基体微孔中的待测物从 样品中萃取出来。a s e 工作的示意图如图1 1 1 所示。 图1 - 1 1 加速溶剂萃取的示意图 1 1 2 2 微波辅助萃取( m a e ) 微波萃取就是利用极性分子可迅速吸收微波能量来加热一些极性的溶剂， 如乙醇、甲醇、丙酮和水等。因为非极性溶剂不能吸收微波能量，所以在微波 萃取中不能使用1 0 0 的非极性溶剂作为萃取溶剂。一般可在非溶剂中加入一定 比例的极性溶剂来使用。微波辅助萃取整个过程包括样品的粉碎、与溶剂混合、 微波辐射、分离萃取等试验步骤【2 6 】。萃取一般在特定的密闭容器内进行，由于 微波能的作用，体系的温度升高、压力增大，且因微波能是内部均匀加热，热 效率高，萃取效率也大大提高。由于微波辅助萃取同时对时间、温度和压力进 行控制，防止了萃取过程中有机物的降解，因此是一种高效的液固萃取技术。 4 第一章文献综述 1 1 3 固体样品中元素的提取 1 1 3 1 氧瓶( 弹) 燃烧法 氧弹燃烧法中，样品在氧气中燃烧，待测组分从样品基体中以氧化物形式 释放出来，并吸收在一种适当的吸收液中【2 7 l 。氧弹燃烧法主要用于分析植物和 生物样品中的总s 、p 、n 和卤素时的样品前处理。由于方法简单，不用其他化学 试剂，不引入对l c 灵敏的阴离子，所以氧弹燃烧是一种理想的样品前处理手段。 1 1 3 2 碱熔法 在提取固体样品中的元素时，主要采用熔融法。样品经过n a o h 熔碱之后， 溶液中含有大量n a o h 和其他溶解物，该溶液不能直接进入l c 分离柱。应先经旷 型阳离子交换树脂处理，使样品中的阳离子与旷交换，并中* d o h 。离子，然后再 进离子色谱进行检测。 1 1 4 基体干扰的去除 1 1 4 1 固相萃取法( s p l ：) 固相萃取法问世于7 0 年代，它是目前色谱中发展最快的样品前处理方法之 一。利用固体吸附剂将液体样品中的目标化合物吸附，使其与样品基体和干扰 化合物分离。然后再用洗脱液洗脱或加热解吸附，达到分离和富集目标化合物 的目的。直接用超纯水或淋洗液提取不溶性固体样品中可溶性组分，也可以用 适量的酸、碱、盐或缓冲溶液以提高浸取的效率。同时，为提高萃取效率，可 以辅以振荡或超声波处理。 5 第一章文献综述 1 1 4 2 固相微萃取( s p m e ) 固相微萃取是在固相萃取基础上发展起来的一种新型、高效的样品预处理 技术，它集采集、浓缩于一体，简单、方便、无溶剂，不会造成二次污染，是 一种有利于环保的有应用前景的预处理方法。与液液萃取和固相萃取相比，固 相微萃取具有操作时间短，无需萃取溶剂，样品量小，适用于分析挥发性与非 挥发性物质，重现性好等优点。在离子色谱中可以用s p e 预处理柱采用离线或 在线的方式净化样品。 1 1 4 3 反相固相萃取 反相固相萃取是液相色谱中样品浓缩和去除基体干扰的反过程。当样品溶 液通过萃取柱时，有机杂质或亲脂性物质被色谱柱保留，而无机离子不被保留， 从而达到有机物和无机离子分离除去有机物干扰的目的。经固相萃取柱萃取后 的液体可直接进入离子色谱检测。 1 1 4 4 过滤法 当样品含有颗粒物时，可以采用微孔滤膜( 一般为0 4 5 p m 或0 2 2 9 i n ) 过滤 样品溶液后直接进样。过滤法是离子色谱分析中最通用的含固体杂质的水溶液 样品的前处理方法。 1 1 5 在线浓缩富集和基体消除 前面所提到的样品前处理的主要优点是具有灵活性和不需要特殊仪器与设 备，但是存在加入化学试剂的干扰、操作冗长费时和效能较低等缺点。离子色 谱的在线浓缩富集和基体消除无需特殊仪器设备，同时具有操作简便，灵活性 大的特点。 ( 1 ) 在线浓缩。在线浓缩、富集具体步骤是将富集、浓缩柱接在六通阀的 6 第一章文献综述 定量环的位置上，用泵向浓缩柱输送样品溶液，待测物被浓缩柱保留，富集一 段时间后，切换六通阀，用淋洗液洗脱待测物使之进入分析柱进行分析。 ( 2 ) 在线电解中和法。电化学电解中和法是利用水电解过程中所产生的氢 离子或氢氧根离子对高浓度碱或酸进行中和处理的方法。一般是将强酸或者强 碱样品经过中和器，以消除强碱或者强酸中的o h 或者一的干扰。 ( 3 ) 在线基体消除。在离子色谱分析中，基体干扰的在线去除一般是通过 两种方式实现的。其一是柱切换技术。其二是安装保护柱，即在分析柱前串联 保护柱。对于这些方法的将在下面的章节进行详细介绍。 1 1 6 其他离子色谱样品前处理方法 1 1 6 1 沉淀法 作为经典的分离方法之一的沉淀法在离子色谱样品前处理中也有广泛的应 用【2 引。在许多样品特别是海水样品中大量c 】离子的存在对其他阴离子如n 0 2 、 n 0 3 和s 0 4 2 - 等离子的分析存在着干扰。这是采用离子色谱法分析阴离子时经常 遇见的问题。目前，离子色谱分析阴离子中去掉基体中大量c l 。的最有效的方法 为a g 柱法，即将样品通过a g 柱，大量的c l _ - 与a g + 反应生成a g c l 沉淀，以消除c l - 的干扰。 1 1 6 2 电渗析法 渗析是采用半透膜作为滤膜，使试样中的小分子经扩散作用不断透出膜外， 大分子不能透过而被保留，直到膜两边达到平衡，可实现在线的样品处理【2 9 】。 与其他的膜处理方法相比，电渗析处理法有一定的选择性，它不仅可以有效地 去除颗粒物、有机污染物，而且也可以去除重金属离子的污染。电渗析法是处 理复杂基体样品最有效的方法之一。 7 第一章文献综述 1 1 6 3 电解法 海水样品中阴、阳离子的测定一直是对离子色谱分析的挑战。可以对海水 采用耳g 解a g c g 极的方法来降低海水中含量很高的c l - 离子浓度。通过恒电流法， 以a g 电极为阳极，并控制电位，可以有效去除海水中过量的c l ，同时又不影响 对b r 、n 0 3 雨 s 0 4 2 的阴离子的测定，同时不带入其他杂质【3 0 1 。因此电解法是除 样品基体中大量c l 离子的十分有效的方法。 8 第一章文献综述 1 2 离子液体在样品萃取分离方面的应用 1 2 1 离子液体的分类及其性质 离子液体( i o n i cl i q u i d ) 是指在室温或近于室温下，完全由离子组成的有机液 体，离子液体通常称为室温离子液体又称室温熔融盐【3 卜3 2 1 。这种液体中只存在 阴、阳离子，而没有中性分子，是一种非质子溶剂。 离子液体按阳离子来分可分为普通的季铵盐类、季磷盐类、烷基吡啶类和 烷基咪唑类等 3 3 - 3 5 ；按阴离子来分可分为金属类如a 1 c 1 4 - ，c u c l 2 - 等和非金属类 如b f 4 - ，p f 6 。，n 0 3 ，c 1 0 4 ，c h 3 c o o 。，c f 3 c o o 。等。按照水溶性可以分为水 溶性和水不溶性离子液体。已知的离子液体的结构特点是阳离子较大且不对称， 阴离子较小。 姆r r i 专p - 2 一i 。 r 3 季铵类阳离子 r 毗啶类阳离子 n 、r 吡咯类阳离子 图l - 2 1 几种常见的离子液体阳离子的结构式 异喹啉类阳离子 r i ；r 2 一j r 3 凡 季鳞类阳离子 离子液体具有下面几方面的性质 3 6 - 3 9 】。( 1 ) 无色、无臭，不挥发，几乎没 有蒸气压；( 2 ) 有良好的热稳定性，热稳定温度范围宽，不易燃，粘度不大，流 动性好，起始分解温度一般在4 0 0 c 左右，呈液态时稳定温度区间一般约为3 0 0 9 第一章文献综述 ；( 3 ) 对许多有机化合物和金属离子均有良好的溶解性；( 4 ) 具有良好的流动性。 ( 5 ) 具有较大的极性可调性，粘度低，密度大。( 7 ) 表现出fj a n k q i n 酸性和超酸性， 其酸碱性实际上由阴离子的本质决定，且酸性可调。离子液体与超临界c 0 2 和 双水相一起构成三大绿色溶剂，具有广阔的应用前景。 1 2 2 非水溶性离子液体在萃取分离中的应用 萃取分离技术作为一种有效的分离方法在样品前处理方面有着广泛的应 用。离子液体由于具有不挥发性等独特的理化性能，克服了传统有机溶剂在使 用中有毒、易燃、易挥发的缺点，并且离子液体对大多数有机物、无机物有较 好的溶解能力，因而，离子液体非常适合做萃取溶剂1 4 叫羽。本文对近年来非水 溶性的离子液体在萃取分离方面的应用做简单介绍。 1 2 2 1 离子液体在液液萃取分离中的应用 通过对正、负离子的设计，离子液体不仅能够溶解某些有机化合物、无机 化合物和有机金属化合物，而且还具有同许多有机溶剂不混溶，溶解损失低的 优点【4 9 】。因此非水溶性的离子液体非常适合作为液一液萃取的提取剂。 1 2 2 2 离子液体在固一液萃取分离中的应用 将处理并附着有离子液体的固相微萃i 玟( s p m e ) 纤维可以用于液面顶空萃取 某些液体中的有机物【5 0 1 。与商用s f m e 纤维相比，附着有离子液体的纤维在检测 时所需成本更低，并有一定的再生性。因此，离子液体可以取代传统的有机萃 取剂，萃取固体样品中的有机物，使萃取效率更高。 1 2 。2 3 离子液体在固一固分离中的应用 顾彦龙【5 1 】等将氯化1 一甲基一3 一丁基咪唑离子液体【( b m i m ) c i 】为浸取剂， 1 0 第一章文献综述 在较温和条件下实现了硫酸钠和牛磺酸固体混合物的分离，浸取得到的溶有牛 磺酸的离子液体经乙醇离析后可得到牛磺酸。在本实验中离子液体可以重复使 用多次。 1 2 3 离子液体双水相在萃取分离中的应用 双水相萃取技术是近年来出现的一种极有前途的新型分离技术，用此法提 取的物质特别是生物样品己达数十种。它被广泛应用于生物化学、生物酶学和 生物化工等领域。双水相体系是由两种互不相溶聚合物或一种聚合物和无机盐 的溶液组成，两相中水都占有很大的比例。由于与传统的有机溶剂萃取相比， 双水相体系能够提供一种温和的环境，不损坏样品基体；同时萃取效率也非常 高。因此双水相萃取技术已广泛用于很多物质的分离和纯化。 离子液体双水相的形成最早是在2 0 0 2 年发现的。当用【c 4 m i m c 1 和k b f 4 合成离子液体 c 4 m i m b f 4 时发现，由于盐析效应k c l 的存在可以使与水互溶 的离子液体 c 4 m i m b f 4 和水形成两相。 2 0 0 3 年首次提出了离子液体双水相的概念。通过研究发现了亲水性离子液 体 b m i m c i 和水合磷酸钾可以形成上相富集离子液体和下相富集磷酸钾的双水 相体系，并且证明这一双水相体系可能在分离萃取上有极好的应用前景。 离子液体双水相体系综合了离子液体和双水相体系两方面的优点【5 2 - 5 6 。开 辟了新的绿色萃取分离体系。与传统的双水相体系相比。离子液体双水相体系 分相有时间短、粘度低、萃取过程不易乳化且离子体系可以回收利用等优点。 这弥补了传统双水相体系的缺点，因此离子液体双水相体系在萃取分离方面具 有广阔的应用前景。 第一章文献综述 1 3 柱切换技术在样品基体消除中的应用 虽然离子色谱己成为检测无机阴阳离子的最有力的分析手段，但对i c 灵敏 的高浓度基体存在下痕量组分的测定始终是一个棘手的问难题。但由于大量基 体离子的存在，会降低柱效，引起待测离子谱带漂移和变宽，影响分析方法的 精密度和灵敏度，甚至不能定性定量。为了解决这个难题，离子色谱工作者提 出了很多方法。柱切换技术的提出解决了这个问题。柱切换技术采用切换阀连 接2 根或2 根以上相同或不同分离机理的色谱柱，通过改变流动相走向，在前l 根色谱柱首先完成被测组分与干扰杂质的分离，达到纯化与富集的目的，在随 后的色谱柱则完成被测组分的测定与分离【5 刀。因此，该技术可实现对复杂样品 的直接进样分析，目前已成为分析复杂化合物的有力工具。下面以离子排斥和 离子交换双柱切换系统为例简要介绍柱切换的流程。 1 3 1 双柱离子色谱系统的设计和实现 我们需要建立一个可靠的方法来检测大量弱电离的物质( 如：氢氟酸、浓 磷酸、酒石酸等) 溶液中的痕量阴离子。然而，大量弱电离物质的存在会影响 其它离子的分析。如果将浓样品稀释，可以减弱其它高浓度离子对检测结果的 干扰，但是有可能造成我们感兴趣的污染物离子无法被检测出来。为了解决了 这个难题，一个改良了的检测弱电离物质中痕量阴离子的方法被建立起来。先 使用离子排斥色谱，再使用离子交换分离，将痕量无机阴离子从高浓度弱电离 物质中分离出来。 例如，用柱切换技术来测定海水里的硝酸根和磷酸根，采用两种不同浓度 的n a 2 c 0 3 n a h c 0 3 作为淋洗液，使保留比较弱的氯离子和其它阴离子分开，过 多的氯离子流向废液，强的淋洗液取代弱淋洗液，柱切换让所剩组分流向分离 柱。 在设计柱切换系统时必须考虑到切换过程中的压力变化，同时要针对不同 1 2 第一章文献综述 样品采用的不同策略。在达到在线基体消除的作用的同时也要保证待测组分的 检测准确度和重现性。 1 3 2 离子排斥离子交换柱系统 1 3 2 ：1 离子排斥和离子交换的分离原理 离子交换是离子色谱的最主要的分离方式，它是基于在离子交换树脂上可 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。离子交换主要用于亲水性的阴、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的 离子交换。图1 3 1 为n a 2 c 0 3 + n a h c 0 3 做淋洗液分析分析水中的s 0 4 2 - 和c l 。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，将样品带入分离柱，待测离子从阴离予交换树脂上置换c 0 3 2 - 和h c o f 基 团，并暂时选择性的保留在固定相上。同时，保留阴离子又被淋洗液中的c 0 3 2 - 和 h c 0 3 基置换而从柱上被洗脱。根据不同离子对阴离子交换位置亲和力的强弱不 同，而达到了不同离子的分离。 图l 岳1 离子交换分离原理 1 3 第一章文献综述 离子排斥主要用于无机弱酸和有机酸的分离。图1 3 2 为离子排斥分离原理。 由于d o n n a n 排斥，完全离解的酸不被固定相保留，在死体积出被洗脱。而未离 解的化合物不受d o n n a n 排斥，能进入树脂的内微孔，分离是基于溶质和固定相 之间的非离子性相互作用。除d o n n a n 排斥之外，其主要作用的分离机理还包括 空间排阻，保留与样品分子的大小有关。离子排斥和离子交换结合，一次进样 可以将大量的无机阴离子和有机阴离子分开。 q 翘撕 图l - 3 2 离子排斥分离原理 1 3 2 2 离子排斥和离子交换柱切换系统的操作步骤 柱切换离子色谱系统原理如下：首先使用离子排斥柱进行样品的在线前处 理，将所需分析的离子从高浓度弱电离物质溶液中分离出来，再将分离收集的 组分通过离子交换浓缩柱进行浓缩，最后将浓缩后的样品通过离子交换色谱柱 进行分离，并用抑制型电导检测器进行检测【5 8 - 5 9 。现有的柱切换系统设有：两 台泵、两个六通阀、一根浓缩柱、两根色谱柱、一个抑制器、一个电导检测器、 洗液发生器、色谱工作站等部件。现有柱切换系统需要两个淋洗液体系，分别 为离子排斥柱和离子交换柱提供淋洗液，因此需要两个离子色谱系统。要完成 柱切换的操作需要同时控制两台离子色谱仪器。 下面以离子排斥离子交换柱切换系统测定酒石酸中的常规阴离子为例，仪 1 4 第一章文献综述 器连接方式如图1 5 所示，用i c s 9 0 0 和i c s l 5 0 0 两台仪器，同时离子排斥柱为 i c e a s 6 ，离子交换柱为a g 2 2 + a s 2 2 。 离子色谱柱切换系统的检测方法，依次包括基线测绘、样品装载到定量环、 离子排斥柱分离的第一个时间段、富集所需要的片段、离子交换柱分离强保留 的离子，图1 3 3 到1 3 6 给出了各个步骤的切换图。详细如下： ( 1 ) 基线测绘。 将洗脱液用泵输送入柱切换系统使其达到平衡，从离子交换色谱柱输出的 洗脱液流过电导流通池时由电导检测器转化为电信号，从而形成基线被测绘。 ( 2 ) 样品装载到定量环。 手动进样，将样品加载到i c s 9 0 0 仪器上的六通阀的定量环上。 图1 3 3 仪器连接图( 装载到定量环) ( 3 ) 离子排斥柱分离的第一个时间段 切换i c s 9 0 0 的六通阀，淋洗液冲洗定量环，样品注入色谱系统，通过离子 排斥柱的作用将离子化的常规阴离子从弱离子化的有机酸中分离出来，前面 7 0 m i n 片段系统溶液进入废液。 1 5 第一章文献综述 图1 - 3 4 离子排斥柱分离的第一个时间段( o - 7 m i n ) ( 4 ) 富集所需要的片段 切换i c s l 5 0 0 的六通阀，将7 5 m i n 1 0 5 m i n 片段富集到浓缩柱上。 s l 朝0 图1 3 5 富集所需要的片段( 7 1 l m i n ) ( 5 ) 离子交换柱分离强保留的离子 切换i c s l 5 0 0 的六通阀，通过淋洗液的作用将浓缩柱中富集的强保留的离 子注入离子交换柱进行分离，并用电导检测器进行检测。 1 6 第一章文献综述 宜湖 _ i , u , e t 嫡盈 曩= 培 图1 - 3 6 离子交换柱分离强保留的离子( 1 l m i n 后) 1 3 3 柱切换测定有机物中的痕量阴离子 测定异丙醇等在离子交换柱中没有保留的痕量阴离子的含量也可以用柱 切换系统来完成。在此系统中可以省去离子排斥离子交换系统中的离子排斥柱。 经过六通阀的切换去离子水淋洗液可以直接将定量环中的样品带入富集柱，由 于富集柱对异丙醇等有机物没有保留，直接进入废液，而痕量常规阴离子可以 保留在富集柱上。待异丙醇等有机物完全进入废液后，切换带有富集柱的六通 阀，离子交换的淋洗液可以将富集柱上的组分，带入分析柱，通过电导检测器， 检测痕量常规阴离子。通过这种切换方法既达到了基体消除的作用达到了富集 的作用。 步骤如下： ( 1 ) 样品装载到定量环。 通过注射泵的作用，将样品加载到六通阀的定量环上。如图1 3 7 所示。 ( 2 ) 进样和富集 同时切换两个六通阀，去离子水淋洗液冲洗定量环，去离子水将样品带入 带有富集柱的六通阀处，由于有机物没有保留，直接进入废液，而待分析的组 1 7 第一章文献综述 分则保留在富集柱上。这样达到消除高浓度的有机物基体的作用，以消除测定 待测物质时有机物基体的干扰。如图1 3 8 所示。 d 船 图l - 3 7 样品装载到定量环 d 鼢嘲 图1 3 - 8 进样和富集 ( 2 ) 进样和富集 切换带有富集柱的六通阀，去离子水淋洗液直接进入废液。分析住的淋洗 1 8 第一章文献综述 液冲洗富集柱，将富集柱上的成分冲入分析柱进行分析测定。由于样品基体中 的大量有机物通过上一步的切换已经进入废液，所以有机物基体对待测成分的 干扰已经消除。如图1 3 9 所示。 图l - 3 9 分析待测组分 1 3 4 柱切换系统时间窗的确定 柱切换系统中切换时间窗的确定是该方法的关键之一。确定时间窗的原则 是：在切换时间窗内，应保证待测组分完全进入富集柱，尽量少的基体离子被 引入富集柱；同时用于确定时间窗的方法还应简单易行。一般情况下通过肉眼 目测即可确定切换时间唧】。图1 3 1 0 为酒石酸中常规阴离子的测定。 譬 5t 01 5 r a i n 图1 - 3 1 0 离子排斥色谱图 1 9 第一章文献综述 1 三种阴离子2 酒石酸根 离子排斥柱：i c e a s 6 淋洗液：去离子水流速：0 5 5 m l m i n 根据上如图可以选定切换时间为7 0 m i n 到l l m i n 。经过分析柱的分析，色 谱图如图1 3 1 1 所示。 譬 8 加兹 2 4 2 8 约敛 嘲 图l - 3 1 l 标准色谱图 i - n 0 3 。；2 - p 0 4 3 ；3 - s 0 4 二；( 1 m g l - 1 ) 分析柱：a g 2 2 + a s 2 2 淋洗液：4 5 m m o l ln a 2 c 0 3 + o 8 m m o l ln a h c o a ；流速： 1 0 m l m i n 切换时间：7 0 m n 1 1 m i n 2 0 5 4 3 2 ， o 1 2 第一章文献综述 1 4 本文研究依据及主要内容 离子色谱是分离和分析混合物最有效的工具，其技术应用范围越来越大。 已在环境监测、电力和能源行业、电子行业、食品饮料行业、化学工业、制药 行业和生命科学领域得到广泛的应用。同时由于被测样品的种类和形态越来越 多，待测组分浓度越来越低，因而传统的前处理方法已经无法达到要求。需要 在色谱进样前进行特殊的前处理方法。对于目前常用的样品前处理技术前面已 经做了简要的介绍。本文在选择新型环境友好的萃取溶剂和新型的样品富集方 法等方面做了系统的研究。 1 4 1 离子液体萃取技术 萃取技术是最常用的样品前处理技术之一。主要包括：液一液萃取、液相 微萃取、液一固萃取及固相( 微) 萃取等。在萃取操作中，萃取剂的选择是一个 十分重要的因素。传统的有机溶剂萃取剂在大多数情况下可取得令人满意的富 集倍率和回收率，但也存在着易挥发、有毒、易燃等缺点。这不仅危害身体健 康而且会对环境造成很大的污染。因而选择一种萃取效率好且具有环境友好型 的样品前处理萃取剂具有十分重要意义。 离子液体以其优异的特性引起了化学工作者的广泛关注，因其具有蒸汽压 低，液态范围宽广，绿色环保、高效以及易回收，对很多有机物有着显著而又 不同的选择性等优点，所以在萃取分离有机物领域应用非常广泛。 本文主要致力于建立新型的基于离子液体的样品前处理技术，主要采用水 溶性离子液体萃取固态样品，最后萃取后的液体与离子色谱进行联用。本文主 要研究内容如下： ( 1 ) 用新型萃取剂一离子液体，建立新型基于离子液体水溶液的固一液萃 取，并将该方法与其他有机萃取溶剂进行对比。将萃取后的液体直接用离子色 谱进行检测，成功测定了土壤中的酚类。 2 l 第一章文献综述 ( 2 ) 将离子液体应用于食品科学领域，成功测定了饼干、巧克力中的食品 添加剂。 1 4 2 单泵柱切换技术 柱切换技术已广泛应用于基体消除。通过阀的切换，可以将高浓度的基体 成分排入废液，同时将感兴趣的痕量离子浓缩到富集柱上，然后再使用分析柱 分离，将痕量离子分离开来。我们知道现有柱切换系统需要两个离子色谱系统。 要完成柱切换的操作需要同时控制两台离子色谱仪器，因此需要较多色谱配件， 操作过程繁琐。针对现有柱切换系统技术、方法存在的不足，我们提出了改进 的柱切换系统。该系统只用一台离子色谱仪器就能保证常规阴离子的分析效果， 实现高浓度有机酸基体中常规阴离子的分离与监测；同时又能简化工艺流程， 减少色谱配件，节约溶剂。 我们提出了一种简化的离子排斥离子交换单泵柱切换系统。利用阴离子抑 制器阳离子交换膜的作用，可以使淋洗液( k o h ) 通过电导流通池前转换成了去离 子水。因此离子排斥柱所需要的流动相( 水) 可由电导池出口处的液体提供。 再通过六通阀的切换将分离收集的组分通过离子交换浓缩柱进行浓缩，最后将 浓缩后的样品通过离子交换色谱柱装置进行分离，并用抑制型电导检测器进行 检测。利用单泵柱切换系统可对高浓度有机物中痕量阴离子进行准确测定，避 免了高浓度基体对痕量离子的干扰。 ( 1 ) 成功搭建了单泵柱切换系统，用一个泵就可以达到两个淋洗液系统的效 果。利用本系统成功对酒石酸、柠檬酸、草酸等九种有机酸中痕量阴离子进行 测定。避免了高浓度有机酸基体的干扰。 ( 2 ) 利用单泵柱切换系统，成功建立了测定了大分子表面活性剂中的痕量 阴离子的方法。 ( 3 ) 对一系列的有机酸盐类，通过在样品进样之前进行前处理，使其转变 第一章文献综述 成酸类，然后再通过单泵柱切换系统测定这类物质中的常规阴离子。为这类物 质的分析提供了有效的分析手段，扩大了单泵系统的应用范围。 2 3 第一章文献综述 参考文献 【1 】朱岩离子色谱原理及其应用，杭州：浙江大学出版社，2 0 0 2 6 【2 】傅若农色谱分析概论北京：化学工业出版杜，2 0 0 0 【3 】牟世芬，刘克纳离子色谱方法及应用，北京：化学工业出版社，2 0 0 0 【4 】y u l y ，z h a n g x s ，d a i s j ，s u n j ，y a n g y j ，y u l ，x i a o k s i m u l t a n e o u so n l i n ev i s i b l e d e t e c t i o no fs u l p h i d ea n dc b l o r d d ei nt a n n e r ye f f l u e n tb yc o m b i n m i o no ff i aa n dl o w p r e s s u r ei o nc h r o m a t o g r a p h y j o u r n a lo f t h es o c i e t yo fl e a t h e rt e a t h e rt e c h n o l o g i s t sa n d c h e m i s t s ，2 0 0 9 ，9 3 ( 6 ) ：2 5 0 - 2 5 4 【5 】e l s a i d m ，r a m z i m ，a b d e l - m o g h n y t a n a l y s i so fo i l f i e l dw a t e r sb yi o nc h r o m a t o g r a p h y t od e t e r m i n et h ec o m p o s i t i o no fs c a l ed e p o s i t i o n d e s a l i n a t i o ，2 0 0 9 ，2 4 9 ( 2 ) ：7 4 8 7 5 6 【6 】z i m m e r m ，o l t e r s d o r f a ，r e n t s c h