（分析化学专业论文）离子交换色谱保留机理的研究.pdf

浙江大学博七论文 主要符号表 1 、y ，r ( x ) ：溶质x 的净保留体积； 2 、k x ) ：溶质x 在两相间的分配系数； 3 、k a ( x ) ：溶质x 在填料表面的吸附系数； 4 、珞：固定相体积； 5 、彳s ：固定相的吸附面积； 6 、v m ：流动相体积； 7 、k ：容量因子； 8 、丁：柱温； 9 、口：相比； 1 0 、h ：热力学焓变； 1 1 、丛：热力学熵变； 1 2 、监：似交换热力学熵变( 自定义) ； 1 3 、a g ：相对吉御斯生成自由能； 1 4 、厂：分子间的作用半径； 1 5 、a ：极化率； 1 6 、：物质的第一电离能： 1 7 、c c ：羰基上氧的电荷； 1 8 、o h ：羟基上氧的电荷； 1 9 、k m 觚：分子表面的最正静电势； 2 0 、以秆：分子表面平均静电势； 2 1 、以堋：分子表面正的平均静电势； 2 2 、v s ，a v ：分子表面负的平均静电势； 2 3 、圪+ ：分子表面正静电势的总和； 2 4 、v s 一：分子表面负静电势的总和； 2 5 、k o 。：分子表面静电势的总和； 2 6 、以分子表面静电势的平衡常数； 2 7 、万：电荷分离度； 2 8 、v o l u m e ：分子体积； 2 9 、p 2 v o l u m e ：偶极矩密度； 3 0 、i n ：分子空问内最负的静电势； 3 1 、v s , m i n ：分子表面最负的静电势； 3 2 、e h o m o ：分子最高占据轨道能级； 3 3 、e l v m o ：分子最低空轨道能级； 3 4 、f ：f 分布值； 3 5 、s t d ：标准偏差； 3 6 、足：【u i 归系数； 3 7 、，：分御值； 3 8 、e c ：交换容量； 3 9 、p ：拒绝原假没的概率临界值 注：以i ：符号川- j 二第二至第四章 4 浙江大学博士学位论文 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，也不包含为获得迸姿盘茎或其他教育机 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： ，j 路甚 签字日期： 2 0 0 8 年6 月f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝婆盘堂有关保留、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。本人授权逝望盘堂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。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：导师签名： 朱岩 签字日期：2 0 0 8 年6 月j 只签字日期： 2 0 0 8 年月f 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 9 6 浙江大学博士论文 摘要 本论文在综述了离子交换色谱的分离体系以及传统色谱理论的基础上，研 究了离子交换色谱保留机理，论文主要分为以下三个方面： 一、鉴于离子交换色谱中被测离子和有机聚合物树脂之间存在的疏水作用， 以阴离子交换色谱柱i o n p a c a s 9 h c 为研究对象，对离子交换色谱中的吸附保留 行为，从色谱混合保留机理的角度出发，考虑各色谱柱固定相含量和界面吸附面 积的不同，建立柱间保留的相互关系方程：v r ( x 矿r ( s 2 ) = ai p r ( s i r t s 2 ) + 6 。 在 5 根不同批号i o n p a c a s 9 一h c 柱上，对1 5 个不同结构类型的无机和有机阴离子的 保留行为进行研究，并采用推导所得的混合保留机理模型对溶质这一保留特征进 行表征，结果较为理想，其中一价离子的相关系数为0 9 0 9 9 9 ，二价离子的相 关系数为0 9 9 9 1 ；对保留值进行预测也得到较为准确的结果，为离子交换色谱 中吸附保留行为的研究提供了新方法。 二、测定了i o n p a c a s 9 h c 阴离子交换色谱柱在2 9 3 、3 0 3 、3 1 3 、3 1 8 、3 2 3 k 柱温 下3 5 个无机和有机阴离子的保留值，考察了柱温对色谱保留的影响，同时求得各 溶质色谱过程中的热力学焓变( a h ) 和似交换熵变( s i ) ，从热力学角度对离 子交换色谱保留机理进行解释，发现在离子色谱中类似于碳数规律的实验现象； 提出用静电作用、色散作用和氢键作用为离子交换色谱中保留作用的主要形式， 采用g a u s s i a n 9 8 w 对所测的化合物进行h f 6 3 1 宰水平上的优化，并提取2 1 种结构 参数来描述这三种作用力，研究了埘和a s 与结构参数间的关系，从结构参数 出发进一步对保留机理进行分析，首次建立了2 4 个羧酸结构参数和热力学参数的 定量关系( q s p r ) 。 三、在上述工作的基础上，将计算得到的结构参数作为理论描述符引入到 与离子色谱容量因子的多元线性回归中，建立2 5 个羧酸在不同柱温下的色谱定 量保留关系( q s r r ) 模型，通过比较这些模型，对离子交换色谱保留机理进行 进一步的讨论。 关键词：离子交换色谱；保留机理；吸附作用；色谱热力学；结构参数；色谱定 量保留关系， 浙江大学博士论文 a b s t r a c t m ys t u d yo nt h er e t e n t i o nm e c h a n i s mo fi o ne x c h a n g ec h r o m a t o g r a p h yi n c l u d e s f o l l o w i n gp a r t s ： 1 b e c a u s eo fh y d r o p h o b i ci n t e r a c t i o nb e t w e e nt h es a m p l ei o n sa n dt h ep o l y m e r m a t r i x0 fi o ne x c h a n g e r ，i th a sb e e ns h o w nt h a tam i x e d m o d em e c h a n i s mo fi o n e x c h a n g ea n da d s o r p t i o ni n t e r a c t i o no c c u r si ni o ne x c h a n g ec h r o m a t o g r a p h y i n c o n s i d e r a t i o no ft h ed i f f e r e n c eo fe x c h a n g ec a p a c i t ya n da d s o r p t i o na r e a , a n e q u a t i o nf o ri n t e r r e l a t i o na m o n gr e t e n t i o nv a l u e so ft h ec o l u m n sw a sd e r i v e da s f o l l o w s ：j 一r ( x j p r ( s 2 ) 2 口v r ( s i ) v r ( s 2 ) + b ，w h e r eaa n dba r ee x p r e s s e db y d i s t r i b u t i o nc o e f f i c i e n ta n da d s o r p t i o nc o e f f i c i e n to fp r e d i c t e di o n ( x ) ，b e n z o i c a c i do ro - p h t h a l i ca c i d ( s1 ) a n dt o l u e n e ( s 2 ) t h ec a l c u l a t i o n so ff i f t e e na n i o n s ( f l u o r i d e ，c h l o r i d e ，n i t r a t e ，s u l f a t e ，p h o s p h a t e ，d i h y d r o x y b u t y r i ca c i d ，p y r u v i c a c i d ，a c e t i ca c i d ，a c r y l i ca c i d ，s a l i c y l a t e ，b e n z o i ca c i d ，m a l o n i ca c i d ，t a r t a r i ca c i d ， o x a l i ca c i da n dd p h t h a l i ca c i d ) o nf i v ed i o n e xi o n p a ca s 9 - h cc o l u m n si n a c c o r d a n c e - w i t ht h ed e v e l o p e dm e t h o dh a v es h o w nt h eg o o dp r e c i s i o no ft h e a b o v ee q u a t i o n t h ec o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n t sc a l c u l a t e df o rm o n o v a l e n ta n i o n s w e r eb e t w e e n0 9 - 0 9 9 9a n df o rd i v a l e n tw e r eb e t w e e n0 9 9 9a n d1 t h i sw o r k c a no f f e ran e wm e t h o df o rs t u d i e so na d s o r p t i o ni n t e r a c t i o no fi o ne x c h a n g e r 2 t h ee f f e c to fo v e nt e m p e r a t u r e ( 2 9 3 ，3 0 3 ，313 ，318 ，3 2 3 k ) o ns e p a r a t i o n 2 p a r a m e t e r so fac h r o m a t o g r a p h i cs y s t e mo fi o n p a c a s 9 - h cc o l u m na n d9m m o l l n a 2 c 0 3 ( c o n t a i n i n g5 0 a c e n i t r i l e ) w a ss t u d i e d t h e r m o d y n a m i cc o n s t a n t sa h a n da s w e r ec a l c u l a t e d b a s e do nt h e s ev a l u e s ，t h er e t e n t i o nm e c h a n i s mo fs o l u t e i o n sw i t hd i f f e r e n ts t r u c t u r ew a sd i s c u s s e da n dt h e r e l a t i o n s h i p sb e t w e e n t h e r m o d y n a m i cf u n c t i o n sa n dm o l e c u l a rs t r u c t u r e sw e r ee v a l u a t e d 21s t r u c t u r e p a r a m e t e r st h a tw e r ec a l c u l a t e db yh f 6 31 木l e v e lw e r ec h o s e nb a s e do nt h e h y p o t h e s i s t h a tt h e r ew e r et h r e ek i n d so fi n t e r m o l e c u l a rf o r c e i n c l u d i n g e l e c t r o s t a t i ci n t e r a c t i o n ，h y d r o g e nb o n df o r c ea n dd i s p e r s i o nf o r c ei nt h ep r o c e s s o f i o n e x c h a n g ec h r o m a t o g r a p h y t h e m o d e l so f q u a n t i t a t i v es t r u c t u r e - t h e r m o d y n a m i cc o n s t a n t sr e l a t i o n s h i p ，w h i c hw e r ee s t a b l i s h e dt h r o u g hs t e p w i s e 浙江大学博士论文 r e g r e s s i o nt e c h n i q u e s ，w e r eu s e d t o i n t e r p r e tt h ec h r o m a t o g r a p h i cr e t e n t i o n m e c h a n i s m 3 a c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r a lp r o p e r t i e so f2 5c a r b o x y l i ca c i d st h a tw e r ef u l l y c o m p u t e da t h f 6 31 宰l e v e li n t h ea b o v ec h a p t e r , s e v e r a ls t r u c t u r e r e t e n t i o n r e l a t i o n s h i p s ( q s r r ) u n d e rt h ed i f f e r e n to v e nt e m p e r a t u r e sb yu s i n gt h em e t h o d o fm u l t i p l el i n e a rr e g r e s s i o nh a v eb e e nd e v e l o p e d c o m p a r i n gt h e s em o d e l s ，t h e m a i nf a c t o r sa f f e c t i n gt h er e t e n t i o nt i m eo fc a r b o x y l i ca c i dw e r ei n v e s t i g a t e d a sa r e s u l t ，t h ec h r o m a t o g r a p h i cr e t e n t i o nm e c h a n i s mw a sd i s c u s s e d k e y w o r d ：i o ne x c h a n g ec h r o m a t o g r a p h y , r e t e n t i o nm e c h a n i s m ，a d s o r p t i o n i n t e r a c t i o n ，c h r o m a t o g r a p h i ct h e r m o d y n a m i c s ，s t r u c t u r ep a r a m e t e r s ，q u a t i t a t i v e s t r u c t u r er e t e n t i o nr e l a t i o n s h i p 3 浙江大学博士论文 引言 色谱学方法起源于2 0 世纪4 0 年代，现代色谱分析领域正在迅猛发展，新技 术、新方法层出不穷。离子色谱在1 9 7 5 年诞生了以离子交换剂为固定相和采用 柱后抑制的电导检测技术的离子色谱法。2 0 年来，离子色谱的应用领域不断扩 大，在环境分析、食品分析等许多方面发挥了相当重要的作用。 本论文对离子交换色谱保留机理作了一些基础研究工作，共分四章，第一章 文献综述，对前人在色谱基础理论的研究工作进行了简单的论述；第二章考虑离 子交换色谱中被测离子和有机聚合物树脂之间存在的疏水作用，探讨了离子色谱 混合保留机理；第三章从热力学角度出发对离子交换色谱的保留过程进行进一步 的研究，并建立了结构参数和热力学参数之间的定量关系；第四章建立若干羧酸 在不同柱温下的色谱定量保留关系模型，由于时间的关系，该部分内容还有待充 实。 学习是一件痛并快乐的事情，感谢我大学老师的教导，在本科阶段帮我打下 了扎实的基本基础，感i 身 大连化物所的各位老师在我硕士生阶段对我的培养，使 我受到了良好的科研训练，感谢导师朱岩教授和所在课题组的老师同学在攻读博 士学位期间对我无私的帮助。这几年来，由于身体原因使得求学的道路变得不那 么平坦，没有所在课题组的帮助，我无法顺利毕业，谢谢大家! 浙江大学博上论文 第一章文献综述 离子色谱作为仅次于高效液相色谱、气相色谱的第三大色谱分离方式，随着 色谱技术的普及，正逐步应用到各个领域，它不仅仅作为常规阴阳离子的分析手 段，也应用于多种有机生物分子的分析。与其它类型的色谱分析方法相比，离子 色谱的发展速度飞快而且仍有巨大的发展空间。但有关离子色谱基础理论中混合 保留机理的研究却未见报道，与之相比，液相色谱和气相色谱在混合保留机理上 的研究已趋成熟。作为相对独立的一种色谱分析手段，有关基础理论的研究是必 不可少的一部分，本论文将重点研究并讨论离子交换色谱中保留机理。该文献综 述分三个方面对以往的工作进行总结：( 1 ) 概述离子交换色谱中常用的固定相和 流动相，考虑分离体系中影响色谱过程的各个因素；分析离子交换色谱中溶质离 子本身的结构特点对保留的影响：并对离子交换色谱过程中的疏水作用进行讨 论；( 2 ) 介绍色谱基础理论中有关色谱热力学和动力学理论体系，综述有关描述 液相色谱保留行为的各个模型，( 3 ) 综述色谱中有关构效关系的研究工作，并对 构效关系在离子色谱中的应用进行分析。 l 有关离子交换色谱中影响保留的各个因素 1 1 离子交换色谱的分离体系l l 】 离子色谱最通用分离方式是离子交换，离子交换主要采用离子交换剂即离子 交换树脂，树脂上的功能基团具有固定的电荷，流动相中带相反电荷的离子会接 近功能基使功能基保持中性。其中阳离子交换剂的功能基团主要有能离解出h + 的磺酸基、羧酸基和磷酸基；阴离子交换剂的功能基主要是季铵基、叔铵基和仲 铵基。当离子交换位置上的可解离离子被溶质离子所置换，则溶质离子会被固定 相保留，不同的样品离子因与固定相的作用力不同而在色谱柱中的保留时间不 等，而实现分离1 2 j ( 见图1 1 ) 。 针对表面功能基与固定相基质的连接方式不同，基本上可分为接枝型和凝胶 附聚型两种类型。接枝型固定棚是功能基通过化学键方式与固定相连接，有比较 高的稳定性；而凝胶附聚型( 也称薄壳型) 固定相的功能基是通过静电作用，将 7 浙江大学博士论文 氐每 隧厨 h “ne f h m n g e r l i t - i e l m f i i i g 图1 - 1 乳胶附聚型离子交换过程 f i g1 - 1i n t e r l i n k e dc h e m i c a le q u i l i b r i aa n dm e c h a n i s m si nl a t e xc o a t i o n ga n i o ne x c h a n g e r 带功能基的乳胶小颗粒与带反电荷基团的基球结合，具有非常高的表面积，因为 乳胶材料是通过分离步骤合成的，对于特定的分析要求，通过改变功能基键合。 以阴离子交换柱为例：树脂核多为乙基乙烯苯二乙烯苯共聚物，核外是一层磺 化层，该基质的磺化层提供了一个与外面的阴离子交换层相结合的表面，用聚氯 化乙烯苯或聚甲基丙烯酸制成的季胺化的乳胶颗粒以静电力和范德华力凝聚在 基质表面。 离子色谱固定相的基质以有机聚合物和无机物( 硅胶、氧化铝) 为主。目前， 有机高聚物固定相以其良好的酸碱稳定性和有机溶剂的兼容性仍然是应用最为 广泛的离子交换填料。离子交换固定相有机高聚物基质主要有苯乙烯二乙烯苯 共聚物、乙基乙烯苯二乙烯苯共聚物、聚甲基丙烯酸和聚乙稀基树脂。离子交 换树脂既不溶于酸碱也不溶于有机溶剂，结构上属于既不溶解、也不溶融的多孔 性海绵状同体高分子物质，每个树脂颗粒都由交联的具有三维空间立体结构的网 络骨架构成。 接枝型基质表面上连接诩：多的功能基，这种功能基可以解离出阴离子或阳离 子，从而带上i 卜或负电荷，这种带电倚的功能基就成为离子交换的作用位置，与 功能基带相反电荷的离子都会冈电场作用力与功能基发生相t 作用。功能基网定 8 浙江人学博上论文 在网络骨架上不能自由移动，但功能基所带的可以解离的离子是能自由移动的， 在不同的外界条件下，与周围的同类型其他离子相互交换，称作离子交换。所以 接枝型有机高聚物固定相有三部分组成：一是无功能基的单体，通过控制基体的 体积可控制树脂表面功能基的电荷密度：二是交联剂，控制交联剂的含量可控制 树脂的交联度从而控制树脂的含水量；三是功能基部分，其提供用于离子交换的 活性位点。有机聚合物基体的交联度与树脂内部的含水量有关交联度越高，含水 量越低。根据d i a m o n d 等的理论，树脂内部和外部两相中水的结构和含量的不 同是导致树脂对于离子具有选择性的一个重要因素。根据这一理论，在低交联度 的树脂上，水合能高的离子与水合能低的离子选择性应趋于相同。但实验结果表 明，低交联度的树脂对不同离子的选择性差异依然较大1 3 1 。f r i t z f 4 1 等认为，在这 种情况下，水分子结构诱导形成离子对与树脂对离子的选择性之间无确定关系， 但含水量是控制树脂对离子的选择性的一个重要参数。一般采用高交联度的有机 聚合物以减少树脂在有机溶剂中发生的溶胀和变形，故离子色谱填料的交联度的 选择受到一定的限制。 对于表面薄壳型的树脂，由于与溶液直接接触的乳胶颗粒可以采用低交联度 的基质，因此在改变交联度方面有了较大的选择余地。以薄壳型阴离子交换剂为 例，这种固定相的结构如图1 2 所示。薄壳型的基质是5 2 5 1 x m 之间的表面磺化 的p s d v b 共聚物；功能基层是高交换容量的全胺化的多孔聚合物颗粒，被称为 乳胶颗粒，其粒径比基质要小得多，约为0 1 l x m ，它因静电作用力和范德华力凝 聚在基质的表面。从化学结构上来看，这种固定相由三个部分构成，最里面是机 械性能稳定的化学惰性基质，基质表面是有磺酸基组成的一个薄层，外层是带有 活性阴离子功能基( 季铵基) 的乳胶颗粒层。因为乳胶颗粒很小，所以整个固定 相的交换容量不高。这种薄层结构的阴离子交换剂具有很高的色谱分离效率。基 质表面的磺化程度和乳胶颗粒的大小是影响固定相性能的重要因素，基质的表面 磺化可以对阴离子形成一道d o n n a n 排斥屏障，阻止阴离子扩散进入固定相内部。 因此，扩散过程由乳胶颗粒上的功能基控制。乳胶颗粒的大小就决定了扩散路径 的长度及其扩散过程的速率。 无机物基质如硅胶，以多孔硅胶作为离子交换色谱填料，由于溶质易于通过 相对较大的孔与固定相上的活性位点接触，冈此传质速率快，柱效高，且价格便 9 浙江大学博士论文 丑3 肛0 3 眦0 3 图1 2 乳胶附聚型阴离子交换剂的结构示意图 f i g1 2 t h es t r u c t u r eo f t h el a t e xc o a t i o n ga n i o ne x c h a n g e r 宜。近年来对硅胶填料的研究较为活跃。离子交换剂可通过静电作用【5 l 或疏水作 用【6 1 动态涂敷在硅胶基质【7 】上，也可键合在硅胶表面。与有机聚合物相比，硅胶 基质材料具有更高的色谱柱效和更佳的机械稳定性，一般情况下，由于没有膨胀 和收缩的问题，可适用有机溶剂。柱温8 0 。c 也不会产生不良影响。硅胶填料的 缺点是不能在强酸、强碱介质中使用。此外，硅胶表面的硅醇基与许多生物分子 之间存在静电作用，常需对硅胶表面进行处理以屏蔽或减轻这种静电作用力i s 】。 一般情况下，硅胶基质按粒径大小分成儿类。使用最多的是粒径在3 1 0 1 x m 的小 颗粒多孔硅胶，称为硅胶微珠或微球，用合适的氯硅烷与基质表面的自由硅醇基 反应，再引入季铵基，即可获得交换容量在0 1 0 3 m m o l g 的硅胶基质阴离子交 换剂。在硅胶表面的硅醇基上接入带磺酸基、磷酸基或羧酸基的硅烷，就可以得 到硅胶基质的阳离子交换剂。在硅胶基质阴离子交换剂表面引入带负电荷的黏多 糖，可以使固定相同时具有正电荷和负电荷的功能基。用于表面薄层离子交换剂 的是大颗粒硅胶基质，粒径在2 0 4 0 9 m 范围。在这种硅胶载体的表面覆盖了一 层具有活性离子交换功能基的聚合物。近年来，在硅胶表面形成固载化有机聚合 物的“附聚弛固定相”有较多的报道一i l 。 强酸功能基化( 如磺酸型) 和强碱功能基化( 如季胺型) 的离子交换树脂的 柱容量在较大的p h 值范罔内保持不变。弱酸功能基化( 如羧酸型) 和弱碱功能 基化( 如叔胺和仲胺型) 的离子交换树脂的杞容量随p h 变化而变化。p o h l 等1 1 r 2 j 的实验表明，在p h 值发生变化时，弱酸型刚离子树脂的柱容最会发，l 变化。通 过改变p h 值而改，变弱酸或弱碱型离子交换树脂的杞容量是调节树脂埘离子亲合 1 0 浙江大学博士论文 力的有效手段【2 1 。f r i t z 等【1 3 1 制备了含二乙撑三胺功能基的阴离子交换树脂，随着 p h 值的变化，可分别有一个、两个或三个n 原子质子化，树脂表面功能基所带 电荷可分别为一价、二价或三价，柱容量发生变化。阴离子交换树脂的功能基多 为季胺型树脂，其选择性的改变主要是通过改变功能基的结构，而不是功能基的 种类。对于阳离子交换树脂的选择性的改变多是通过改变功能基的种类。在强酸 型的磺酸基阳离子交换树脂上，二价阳离子与固定相之间由于存在强烈的静电引 力而不易被洗脱。采用弱酸型阳离子交换树脂可同时分离一、二价阳离子【1 4 】， 这可能是由于弱酸功能基在酸性淋洗液条件下部分与氢离子结合，降低了树脂表 面的电荷密度，减弱了二价阳离子与固定相的静电作用力所致。i o n p a cc s l 2 和 i o n p a cc s l 4 阳离子交换柱采用弱酸型含羧酸功能基的阳离子交换树脂，可同时 一价阳离子和二价钙镁离子。i o n p a cc s l 5 和c s l 2 a 阳离子交换柱则采用含羧酸 和膦酸混合功能基的阳离子交换树脂【l 引。改变功能基类型的另一个例子是弱酸 型阴离子交换剂在离子排斥法中的应用。在强酸型阴离子交换树脂上，强酸型功 能基与弱酸阴离子之间存在强烈的静电斥力，为了使弱酸进入树脂内部，必须使 用高浓度的强酸淋洗液以充分抑制有机酸的酸性离解。而在弱酸型阴离子交换树 脂上，弱酸型功能基部分地与淋洗液中的氢离子结合形成中性离子对，减少了弱 酸型功能基上的有效电荷，从而降低了功能基与弱酸阴离子之间的静电斥力，因 此可使用弱酸淋洗液分离有机酸。t a n a k a 等【l6 】合成了聚甲基丙烯酸酯类的弱酸 型阴离子交换剂，用于离子排斥法测定有机酸。 在离子色谱中，流动相的种类、浓度和p h 也是影响溶质保留行为的主要因 素。流动相的选择主要依据所采用的检测方法和溶质离子性质。从保留的角度来 说，淋洗离子与固定相的作用力应和溶质离子与固定相之间的作用力相当。也就 是说，如果溶质离子与固定相之间的作用力大大地超过淋洗离子与固定相之间的 作用力，则淋洗离子不能有效地洗脱溶质离子；反之，溶质在固定相中难以有足 够的保留而无法达到有效的分离。在阴离子交换色谱中，常以n a h c 0 3 和n a 2 c 0 3 作为流动相。一般来说，随着淋洗液浓度的增加，如果流动相p h 值的变化并未 引起溶质离子价态的变化时，溶质的保留都会减小。但对于多价态的弱酸根离子， 随着p h 值的增加，离子的主要存在价态升高，出现保留时间反而增加的现象。 j e n k e 等i l7 1 8 】从理论上探讨了无机阴离子在离子交换色谱上的保留行为，研究了 浙江大学博士论文 几种描述溶质保留行为的数学模型，还讨论了保持流动相p h 值不变改变淋洗液 浓度，或固定淋洗液浓度改变流动相p h 值时，色谱条件的优化。对于各种无机 离子，其容量因子的对数值与淋洗剂浓度的对数值之间存在着线性关系，直线的 斜率与淋洗离子和溶质离子的电荷数的商成正比，从结果来看，对于常见的无机 阴离子，理论电荷与实测电荷基本一致。丁明玉等【1 9 1 在研究阴离子交换固定相 中有机酸的保留行为时发现，在中性或偏酸性流动相中，有机弱酸的测定电荷大 大地小于1 ，这说明有机弱酸并不完全是按离子交换机理保留，溶质与固定相之 间可能存在吸附和分配等非离子交换作用。 通常认为在淋洗液中加入一定量的有机溶剂对溶质和固定相之间的吸附作 用加以控制，因为崮定相的作用力来自聚合物基质和功能基两个方面。对于强亲 水离子，如s 0 4 2 矛n p 0 4 孓，它们几乎与聚合物基质问没有疏水作用，影响它们保 留值的主要因素是与季铵基团间静电作用的大小。随着有机溶剂比例的增加，流 动相的离子强度本身就大大降低了，也就是说，流动相的洗脱能力降低了。因此， 造成强亲水离子保留值的增加。而对于疏水离子，如i 一$ f l c l 0 4 一，它们与聚合物基 质间的疏水作用较强，凶此，乙腈加入流动相中后，虽然流动相离子强度的降低 会造成溶质保留值的增加，但乙腈同时大大降低了疏水离子与聚合物基质问的作 用力，总的结果表现为溶质容量因子的减小。甲醇不同于乙腈，在降低疏水离子 与聚合物基质间作用力方面的能力很弱，因此，它不会使疏水离子的保留值明显 减小。对于中等亲疏水的f 一、c 1 一、b r 一、n 0 3 ，它们与季铵基团和聚合物基质的 作用力都不是很强，因此受到的影响也都不是很明显。总的来说，采用乙腈、甲 醇等有机溶剂对色谱分离的影响主要来自三个方面：( 一) 有机溶剂使得流动相 的解离度降低，流动相的洗脱能力变弱；( 二) 有机溶剂改变了弱酸和弱碱溶质 的离子化程度，进入水合离子的外层，降低水合离子的亲水性从而减少了静电作 用【2 0 】；( 三) 有机溶剂占据固定相中的吸附作用点使得吸附作用大大降低。d u m o n t 等【2 l 】在非水淋洗液中分析分离直链脂肪胺，发现从c 1 至i j c l 0 的直链脂肪胺几乎在 同一时间洗脱。所以，有机溶剂的使用减少了疏水性溶质与固定相疏水表面的作 用，调节离子交换过程的选择性，改变分离柱埘溶质的保留特性，从而改变沈脱 顺序和峰形，另外，有机添加剂改善了流动相对有机化合物的溶解能力。 浙江大学博士论文 1 2 溶质离子本身性质对保留的影响因素【2 5 j 溶质本身的性质，包括电荷数( 价态) 、离子半径、极化程度、疏水性和酸 碱强度对保留的影响。一般情况是溶质的电荷数越大，保留越强，离子半径越大， 保留越强；极化程度越强，保留越强。 由于水分子的特殊结构以及溶质离子与水分子间特殊的相互作用机理，使得 水作为溶剂时具有特殊的性质。当样品离子溶于水时，水分子间的氢键发生断裂， 其分子结构被破坏，离子越大，切断水分子间氢键所需要的能量越大【2 6 1 ，离子 越大，形成分子空穴所需的能量越大。另一方面，发生静电的离子偶极相互作用 导致新结构的形成。离子半径越小或电荷越大，则越有利于形成新的结构。离子 的水合焓( a h h y d r ) 可以定量地表示水分子与溶质离子间相互作用力的大小。如 卤素离子的体积大小依次为：f 一 c 1 一 b r - i 一，它们的a h h y a ，依次为一4 0 8 7 ，3 2 9 4 ， 2 9 6 1 和2 5 8 。5 k j m o l ，即离子半径越小，水合作用越强。离子半径越大对阴离 子交换剂固定相的亲合力越大，在这种大离子中，水合热焓部分地被孔穴形成能 抵消，这种离子叫做可极化阴离子 体积大的阴离子其原子核外的电子离原子核较远，往往是较容易极化的阴离 子，它们在阴离子交换固定相上显示出相当的保留。水合离子半径是决定溶质离 子与固定相之间相互作用力的一个溶质特性，离子的可极化度与该离子的水合离 子半径直接相关。一般水合离子的可极化程度随半径的增加而增大，于是，在固 定相的保留时间也增大。例如卤素离子的保留时间依次是：f 一 c i 一 h c o o h ；酸的元数越多，保留越强。一般情况下的沈脱顺序是一元脂 肪酸_ 一元芳香酸_ 二元脂肪酸_ 二元芳香酸。有机阴离子的离子色谱分离表现 浙江大学博士论文 出既有离子交换又有疏水作用。不同的吸附行为也可用于结构异构体的分离。例 如1 苯乙烷1 膦酸和1 苯乙烷- 2 膦酸的分离，两种化学物分子的不同仅仅是膦 酸基位置的不同。除了结构异构体外，疏水作用也可分离立体异构和旋光异构的 多膦酸和多次膦酸化合物。v a e t h 2 8 】提出了分离和测定不同形态多膦酸的阴离子 交换方法。 1 3 离子交换色谱柱中的疏水作用 在传统的色谱基础理论中，通常认为主要是以下几种作用力在色谱过程中起 着主导作用：由溶质物质的永久偶极矩和瞬间偶极矩所引起色散力、诱导力和定 向力，( 一) 色散力是由非极性或弱极性分子间的瞬间偶极矩相互作用所造成， 色散力具有加和性，在强极性分子不存在的情况下，色散力在分子间常起主要作 用；( 二) 诱导力是在极性分子的永久偶极矩的电场作用下使得非极性分子极化 产生诱导偶极矩，在极性分子和非极性分子之间的相互作用称为诱导力；( 三) 定向力描述的是极性分子之间静电作用。( 四) 氢键作用力。 离子交换色谱的保留过程有着其特殊的一面，f r i t z 2 0 j 认为在离子交换色谱中 影响溶质离子选择性的的因素可分为两大类：( 1 ) 静电作用，样品离子的价态越 高，静电作用越大，一般淋洗三价离子需要用高离子强度的淋洗液：( 2 ) 辅助成 对作用( e n f o r c e dp a i r i n ge f f e c t s ) ，其中包括疏水作用、氢键、水合离子结构特征 和介电常数。除纯粹的离子交换过程外，溶质和固定相之间还存在非离子交换范 畴的相互作用【2 0 , 2 2 】，其中包括作为填料基质的有机聚合物中带有的芳香环骨架对 溶质的疏水作用、氢键作用和水合作用等，最重要的非离子作用是疏水作用 【2 3 2 4 1 。这种溶质和固定相之间的吸附作用不仅局限于具有芳香结构和烯键结构 的溶质离子，还对几乎所有可极化的无机和有机离子都能观察得到。张祥引2 。刀 认为离子色谱中主要存在着3 种保留机理：离子交换、疏水作用和盐排斥。其中 疏水作用主要是由于样品疏水基团与填料的基质骨架或连接离子交换基团的碳 链作用产生的保留，盐排斥作用主要是由于d o n n a n 电势引起的。 研究表明1 2 叭，填料基质的性质和功能基团一样影向着离子交换过程的选择 性。通常，在聚乙烯- - 乙烯苯作为填料皋质的色谱柱中易极化的阴离子经常出 现相对强的保留和拖尾的色谱峰 2 9 , 3 0 l 。p o h l1 3 等研究发现疏水性较强的树脂对 1 4 浙江大学博。i 二论文 体积较大、易极化的离子有较强的保留。l e e t 3 2 1 在实验中发现，当采用氯代十六 烷基吡啶分别对多孔型的聚苯乙烯和聚丙烯酸酯填料进行涂敷，易极化的n 0 3 一 和i 一在后者上的保留明显增大，与之相反，s 0 4 2 一和$ 2 0 3 2 - 的保留明显减弱。h u b e r 等【1 4 】在聚苯乙烯二乙烯基苯高聚物表面键合上长烷基链，用以屏蔽基质微球与 低核苷酸疏水性部分之间的疏水作用，而成功分离了含3 0 个碱基的低聚核苷酸， 而未经键合的高聚物只能分离长度为含1 2 1 8 个碱基的核苷酸 离子交换功能基的大小、形状、取代基和功能基的分布等都对离子交换树脂 的选择性产生影响3 3 。3 5 1 。p o h l l 3 3 1 等比较了三甲基胺、二甲基乙基胺、二甲基烯丙 基胺和二甲基氨基丙炔等4 种结构相近的季胺官能团对阴离子选择性的影响。与 三甲基胺相比，二甲基乙基胺对n o r 和b r 一保留增强，且分离度得到了改善；二 甲基烯丙基胺对这两种离子的保留进一步增强，分离度进一步改善，改用二甲基 氨基丙炔后，这两种离子的保留与二甲基烯丙基胺楣比有所减弱。一般认为，由 于大的功能基在树脂表面的电荷密度较低，高价的亲水性离子，如s 0 4 2 - 与树脂 之间的静电作用力减弱，其保留随着功能基的增大而减弱；一价的亲水性离子受 功能基大小的影响比较小，其保留时间随功能基的增大而有轻微的增大。易极化 的离子的保留随着功能基疏水性增大而增强。 b a r r o n 等1 3 6 j 研究了苯甲基二乙醇基甲基胺、苯甲基三甲基胺和苯甲基三丁 基胺等3 种结构相似的季胺管能团对保留的影响，也得到了相似的结论。f r i t z 等分别用三甲基胺和三辛基胺作为功能基，结果表明，随着烷基的增大，n o ，一、 c 1 0 3 一、i 一和s c n 一保留时间增大，而二价离子s 0 4 2 、c 2 0 4 2 一和s 2 0 3 2 一则降低。由 此认为，功能基上的烷基取代基与易极化离子之间也存在非离子交换范畴的相互 作用。 以上研究表明在离子交换过程中存在离子与固定相之问的疏水作用，这种作 用不仅与树脂的基质有关，而且与功能基上的碳链和溶质离子本身的结构特征有 关。在疏水作用机理和离子交换机理共同存在的体系，保留值的变化较为复杂。 例如：在纯离子交换的色谱过程中，容量因子与流动相的离子强度的倒数成萨比， 而在双保留机理的色谱过程中，随着流动相盐浓度的增加离子强度增加，洗脱能 力增加，样品保留值下降，含疏水性基团的样品离子随盐浓度的增加其保留值有 所增加，这是“盐析”效应造成的结果，在盐浓度较大的溶液中，疏水性溶质的溶 浙江大学博士论文 解能力下降，使得其洗脱能力下降，保留值有所增加【3 n 。另一个明显的例子： 常见的7 种无机阴离子在艺碳酸盐为流动相时，可用i o n p a ca s 4 阴离子交换柱 实现相互分离。如果在流动相中加入p 氰基苯酚封锁固定相表面的疏水位置，尽 管阴离子的交换基团没有受到任何影响，但在此条件下，n 0 3 一和b r 一却不能分 离，而是一个重叠峰，这也说明了在固定相表面的疏水作用对n 0 3 一和b f 的分离 起了重要的作用。 2 有关色谱过程的动力学、热力学和色谱保留模型 色谱是研究解决混合物分离问题的一个科学分支。色谱分离过程涉及多个物 理和化学问题。因此，探讨色谱学理论首先从色谱过程的动力学和热力学入手， 应用多种数学方法和手段建立描述色谱过程的基本模型并对其求解，获得色谱的 基本保留模型，同时，通过对实验现象的解释阐明色谱分离过程的机理。离子色 谱作为一种较为新的色谱学分支，在保留上有其鲜明的、与众不同的特点，为对 离子色谱的保留规律进行探讨，本节将对以往有关色谱动力学和热力学以及色谱 保留模型进行综述。 2 1 色谱动力学【2 7 】 色谱过程动力学研究物质在色谱过程中的运动规律，如解释色谱流出曲线的 形状、谱带展宽的机理，从而为选择色谱分离条件提供理论指导。对于要分离的 物质对，即使两峰的保留时间有着较大的差异，但是由于峰的宽度很宽以至两峰 彼此重叠。因此，为了得到良好的分离，被分离物质对除了要在保留时问上有明 显的距离外，还要考虑色谱峰宽。为了准确的定量也要求峰宽要窄。峰形的预测 是最佳条件选择的基础。色谱峰的宽窄与峰形和物质在色谱过程中的运动情况有 关，即和物质在流动相、固定相中的扩散和运输速率有关，这是色谱过程动力学 的研究内容。色谱动力学用严格的数学公式表述色谱理论，需要根据溶质在柱内 的迁移过程及影响这一过程的各种因素，列出相应的偏微分方程组，求出描述色 谱谱带运动的方程式。其数学处理过程相当复杂，方程的求解也非常困难。在实 际研究中，通常要进行适当的条件假设并作简化处理，这也是色谱动力学常见的 一种手段。 1 6 浙江大学博士论文 w i l s o n 掣3 8 1 提出的平衡色谱理论：溶质在流动相和固定相之间的分配平衡 在整个色谱过程中均能瞬时完成，此后，d ev a u l i 等人作了进一步的研究，将理 论用于解释实验事实，并对谱线移动的速度和非线性分配等温线时的流出曲线形 状给予了较好的说明，但是他们的理论忽略了传质速率的有限性和物质分子的纵 向扩散的影响，对在线性色谱条件下区域扩张的现象不能给出解释。该理论虽然 缺乏对色谱流出曲线展宽的描述，但却是可查到的首个有关色谱动力学的描述。 m a r t i n 等【3 9 】提出塔板理论是将蒸馏塔中的塔板概念用于色谱柱中溶质的传 输所提出的半经验理论。塔板是作为广泛采用的理论，它能较好地解释色谱中保 留的概念，粗略地说明色谱流出曲线的形状，也能说明色谱谱带宽度随柱长的增 加而展宽的规律、谱带展宽对理论塔板高度的影响。理论塔板高度是一个很抽象 的物理量，塔板理论未对其决定因素进行解释，但塔板数却作为色谱柱的评价指 标一直使用至今仍然无法用其他物质量所取代。塔板理论得到的基本动力学模型 与实际色谱流出峰相似。然而，塔板理论在经过t a y l o r 级数展开后为计算方便， 仅取无穷级数的前3 项获得了近似流出曲线，见式( 1 1 ) ，这一近似造成了对色 谱峰对称性认识的概念差别。 c ：c m 缸e x p ( 一篇) ( 1 - 1 ) 塔板理论另一个重要概念是色谱峰流出时的柱末端效应，柱末端效应在塔板理论 被认为是色谱峰形变