（分析化学专业论文）单分散弱酸型阳离子色谱柱填料的研制及其色谱性能.pdf

浙江大学硕士研究生毕业论文 图目录 图1 1 1 低容量强酸性阳离子交换树脂的制备示意图 图l 一1 2 表面附聚薄壳型强酸型阳离子色谱填料结构示意图 图1 - 1 3 弱酸性阳离予色谱填料的结构示意图一 图2 1 一l 齐聚物沉淀成核机理示意图 图2 1 2 接枝共聚物聚结机理示意图一 图2 1 3 微球粒径与稳定剂浓度的关系一 图2 - 1 4 温度对苯乙烯微球的微球粒径影响 图2 - 1 5 引发剂浓度对粒径的影响 图2 1 6 单体浓度对微球粒径的影响 图2 1 7 苯乙烯种子的电镜扫描图 图2 - 1 8 苯乙烯种子电镜扫描图的放大图 图2 1 9 苯乙烯共聚物微球的红外光谱图 图2 2 1 不同溶胀温度对微球粒径的影响 图2 2 2 不同溶胀时间对微球粒径的影响 图2 2 3 乙基苯乙烯二乙烯苯微球的电镜扫描图 图2 2 ，4 乙基苯乙烯一二乙烯苯电镜扫描图的放大图 图2 1 5 共聚物微球的红外光谱图 图2 - 1 6 抽提后共聚物微球的红外光谱图 图2 - 4 1 接枝羧酸基团的聚合物的电镜扫描图 图2 - 4 2 接枝羧酸基团的聚合物的电镜扫描放大图 图2 1 3 接枝弱酸功能基共聚物微球的红外光谱图一 图3 1 1 装柱流程示意图 图3 1 2 匀浆罐的装置 图3 1 3 标准品离子色谱图 图3 一卜4 阳离子检测限的色谱图 图3 - 1 5 雨水中阳离子色谱图 图3 - 2 1 阴离子标样色谱图 图3 2 2 经预处理小柱后阴离子色谱图， 2 坞 加 n 叭 札 钙 甜 钉 卯 铝 鹞 鲋 彤 彤 舶 弱 彤 躬 愈 研 研 硒 加 m 浙江大学硕士研究生毕业论文 图3 2 3 食盐稀释1 0 0 倍直接进样色谱图 图3 - 2 4 食盐稀释1 0 0 倍经预处理小柱处理进样的色谱图 图3 。2 5 直接进样的自来水样品谱图 图3 2 6 自来水经过预处理柱后的样品谱图 7 4 7 4 7 5 7 5 浙江大学硕士研究生毕业论文 k - 目录 表1 4 1 制备聚合物微球方法的比较 表1 - 4 2d i o n e x 公司阳离子色谱柱系列 表2 1 1 不同介质下苯乙烯分散聚合 表2 - 1 2 聚苯乙烯微球平均粒径与介质溶解度参数的关系 表2 1 3p v p 的用量对苯乙烯微球的微球粒径及其分布的影响 表2 1 4 不同温度与苯乙烯微球粒径及其分布的关系 表2 1 5 不同引发剂浓度下苯乙烯微球粒径及分散系数 表2 1 6 不同单体质量分数下苯乙烯微球粒径及分散系数 表2 2 1 苯乙烯一二乙烯苯微球制备原料表 表2 2 2 不同种子用量对微球粒径及分散度的影响 表2 2 。3 不同溶胀剂用量对微球粒径及分散度的影响 表2 2 4 不同溶胀剂对微球粒径及分散度的影响 表2 2 5 不同溶胀温度对微球粒径及分散度的影响 表2 2 6 不同溶胀时间对微球粒径及分散度的影响 表2 3 。1 沉降时间与微球悬浮颗粒的关系 表3 1 1 标准样品的保留时间、峰面积的重现性 表3 i 一2 样品浓度与峰面积的相关性 表3 。l 一3 样品浓度与峰高的相关性 表3 i 一4 阳离子检测限 表3 - 1 5 雨水中阳离子的测定 表3 2 一l 食盐中的n 0 3 、s 0 4 2 测定结果数据 4 2 0 3 2 4 2 4 3 4 3 舛 稻 钉 记 记 站 舛 钞 船 的 加 似 浙江大学硕士研究生毕业论文 摘要 采用新型种子聚合法，合成了单分散高交联的乙基乙烯苯二乙烯基苯微球， 并研究了一种新的表面接枝型聚合物阳离子色谱柱填料的制备方法。以6 l am 的 单分散聚乙基乙烯苯一- - k , 烯基苯微球为基球，在其表面接枝弱酸功能基团成为 聚合物阳离子色谱填料，并将此填料用于离子色谱中一价碱金属、铵和二价碱土 金属的同时分析，并将阳离子填料经过适当的处理用于特定样品的预处理。论文 主要分三部分：第一章主要综述了离子色谱的应用进展以及色谱填料制备方法的 研究进展；第二章主要叙述了色谱填料的制备过程并探讨了主要制备影响因素。 第三章是对色谱填料进行其色谱性能测试，包括一价碱金属、铵和二价碱土金属 的同时分离及预处理柱用于特定样品的前处理。 第一章主要综述了阳离子色谱在各个领域的应用以及离子色谱填料在制备 方面的研究。离子色谱用于分析有机和无机阳离子，解决了高效液相色谱法对离 l- 子分离难的问题，并在环境、电力、食品、半导体、药物化工等领域得到了广泛 的应用。在阳离子填料的制备技术方面，本章综述了填料制各的各个步骤的文献 方法，并从其中整理出一条可行的制备途径，为后面研究制各优良的色谱填料提 供了技术基础。 第二章主要叙述了色谱填料的制各过程并探讨了主要影响因素。采用分散聚 合法合成2um 左右苯乙烯聚合物微球，然后通过种子溶胀法制备得到6p 1 3 左 右5 5 高交联度的乙基乙烯苯二乙烯苯微球，再在微球的表面化学接枝羧酸功 能基团使之成为；b 酸型阳离子色谱填料。 第三章主要通过装柱对自制的阳离子色谱填料的色谱性能进行评价。通过对 碱金属及碱土金属的分析测试，表明该色谱固定相对阳离子具有很好的分离效 果、良好的重现性和低的检测限。我们成功的制备了弱酸型阳离子色谱填料，能 够在同一色谱条件下一次性分离碱金属、铵和碱土金属，所制各的预处理小柱可 以对高氯离子样品进行前处理，并得到了预期的效果。 浙江大学硕士研究生毕业论文 第一章阳离子色谱填料研究进展 第一节阳离子色谱填料简介 离子色谱( i c ) 最初是由 l s m a l l 等人提出的以离子交换树脂作为固定相， 电导检测器作为检测器，采用抑制柱来提高灵敏度的一种色谱分析方法【1 。1 9 7 9 年，j s f r i t z 等人提出了非抑制型的电导离子色谱技术 2 】，近年来离子色谱的应 用领域更为广泛，它不仅包括不同的分离方式( 离子排斥、流动相离子色谱) 亦 包含不同的检测技术( 紫外可见、电化学、荧光等) 。离子色谱主要用于分析常 规的阴、阳离子，解决了高效液相色谱( h p l c ) 法无法很好分离常规无机离子 的问题，并在环境、电力、食品、半导体、药物化工等领域得到了广泛的应用。 随着离子色谱分离技术和检测手段的不断发展，离子色谱几乎可以解决所有无机 离子的分离和检测难题。大量的文献及这一领域的有关综述和论著的发表，使离 子色谱这一新兴的学科日趋成熟，其应用领域亦不断扩展 3 。 离子色谱是一种分离分析手段，因此分离系统是离子色谱的核心和基础。而 离子色谱柱是离子色谱仪器的“心脏”， 快等特点。离子色谱是一种液固色谱， 要求具有柱效高、选择性好、分析速度 是高效液相色谱的一种，但柱填料和分 离机理有其自身的特点。作为分离系统核心的离子色谱柱的研究已经成为了离子 色谱领域的一个热点课题。目前世界上有多家离子色谱柱填料的生产厂家，但中 国在这一领域相对落后，特别在阳离子色谱柱的研制和生产上，国内只达到国际 上世纪八十年代水平。因此国产阳离子色谱填料的研制有着现实的意义，对中国 在离子色谱领域赶超世界水平起着重要的作用。 典型的离子色谱交换填料由两个主要部分组成 4 】： 一、不溶性的基质，它可以是有机的也可以是无机的。多种材料已被用作基质， 应用最广泛的两种基质是硅球和苯乙烯有机聚合物。其中一种是采用硅胶型 离子色谱填料，该填料采用多孔二氧化硅为基球，涂渍一层低分子量的磺化 氟碳聚合物，其优点是：1 、硅胶骨架十分坚硬，能承受数1 0 m p a 的压力， 且不发生明显的收缩和膨胀；2 、其孔径、表面积等物理化学参数易控制。 但这类填料的缺点是p h 使用范围在4 8 ，不耐强酸和强碱，这就限制了它 6 浙江大学硕士研究生毕业论文 的使用范围。离子色谱中应用最广泛的柱填料是由苯乙烯二乙烯苯共聚物 制得的离子色谱树脂。它的基球是由苯乙烯和二乙烯苯在引发剂的存在下， 通过高分子反应制成的共聚物小珠粒。然后通过化学法引入磺酸或羧酸功能 基，得到阳离子交换树脂。采用高交联度的材料改进，还可以兼容有机溶剂， 高分子聚合物基质的优点为：1 、具有迅速交换离子的能力；2 、在宽的p h 范围内有良好的化学稳定性：3 、有良好的机械强度和耐渗透冲击。在许多 应用中，有机离子交换树脂优良的化学稳定性明显的优越于对p h 敏感的硅 基材料； 二、固定离子的部位，它或者附着在基质上或者是基质的整体部分，其中的基团 称为官能基，结合上去的离子被称作对离子。在离子色谱离子交换过程中， 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，样品离子和淋洗离子竞争固定相上的电荷位鼍。 当固定相上的离子交换位置被样品离子置换，由于样品离子与固定相电荷之 间的库仑力，样品离子暂时被固定相保留，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也不同，保留时 间也不同。 我们以苯乙烯一二乙烯基苯聚合物经磺化之后得到的强酸型树脂为例，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，将水溶液的 一型树脂与含有n a + 的水溶液接触，将发生离子交换，n a + 进入树脂相，等摩尔 的h + 离开树脂进入水相。若溶液相含有可与一强烈反应的o h ，而且o h 一离子 的量刚好与所有的 r 离子反应，则树脂应完全转变成n a 十型。可将上述反应简 单地表示如下式： r s o ；h + + n a o h r s o ；n a + + 矗i d 溶液中与n a + 伴随的阴离子，如c l 不与树脂相中的h + 反应。经过足够长的 时间之后，离子交换将达到平衡状态，n a + 和盯分别部分停留在树脂和溶液相， 可表示为 r s o ；h + n d c l 寻兰r s o ；n a + + h c l 该反应为可逆反应。当溶液中的阴离子浓度较低，如小于o 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 浙江大学硕士研究生毕业论文 子反应或络合，以及保持溶液的电中性之外，在普遍的应用中，可将这种伴随的 “非牵连”离子略去，因此上式可简化为： 尺一s o ；h + + n a + s ；圭r s o ；n a + + h + s 在阴离子交换平衡中，也相似的将伴随阳离子省略。用下式表示式的质量作用关 系： 群。= n a + k 日+ k n a + l 日+ k 式中，k 是反应式的平衡常数，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 l ) ，质量摩尔浓度 ( m 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 斗和一的相应浓度来决定，k 应为l 。但离子交换系统一般都是在非理 想状态，则k 不为1 。也就是说，离子交换剂对不同的离子的亲和力程度不同， 用k 表示，并称之为选择性系数。 在磺化聚苯乙烯阳离子交换剂上碱金属的亲和力顺序为： c s 曰西孓k n h 4 + n a + l i + 碱土金属的亲和力顺序为： b a 2 十 s r 2 + c a ” m 9 2 + 对几种阳离子在磺化聚苯乙烯树脂上的选择性系数。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 与树脂的组成有关。 分配系数k d 表示溶质在固定相和流动相中的浓度比，即k d = c 。c 。，其中c 。 和c 。分别表示溶质在固定相和流动相中的浓度。i c 中用分配系数k d 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；淋洗离子和溶质离子的电荷：流动相的p h ；流动相的络 合反应。 前面讨论的n a + 与h + 交换的例子，重排方程可导出n a + 的分配系数： n a + 】。 h + 】。= 石舻【+ k 【日+ 】。 式左边为n a + 在树脂相和溶液相的浓度比，即分配系数。i c 中淋洗离子的浓度远 8 浙江大学硕士研究生毕业论文 大于溶质离子的浓度。阳离子i c 中h + 是典型的淋洗离子，因此h + 的浓度接近 【n a + k 【+ k = k d = 矗噶n a c 。【e k 树脂的容量c r ，则式可表示为 通式为： 式中s 和e 分别代表样品离子和淋洗离子，方程描述了一价溶质离子( s ) 在离 s a s 】s = k d = k ；c r 陋】s 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h + 与二价离子c a 2 十的交换反应： 2 r s g h + + c a l + 陋一s g 2 c 口2 + + 2 磁 方程的平衡常数可表示为 k 孑= c a 2 + r 畔+ 2 s c a 2 + s 旧+ 】2 r 重排方程式的： c a 2 + r c a 2 + s = k d = 睇c a c r 2 2 h ； 因为k 和c n 是常数，则c a 2 + 在树脂和溶液之间的分配系数与h + 浓度的平 方成反比。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 子的保留行为的影响。这一交换反应的规律对离子色谱有非常重要的意义。 h p l c 固定相的发展主要是提高柱效和消除非理想行为，即与表面残留的硅 烷醇的反应，选择性的改变主要是通过流动相的改变而不是固定相的改变。在抑 制型离子色谱中，选择性的改变主要是通过固定相的改变来完成。在阴离子色谱 树脂中其选择性的改变是通过改变离子交换位置而不是改变其类型来达到：而对 于阳离子色谱填料，则是使用不同类型的功能基来改变其选择性，般阳离子是 采用磺酸基团，膦酸基团和羧酸基团。 到目前为止，高分子阳离子色谱柱填料的发展大体经过3 个阶段。 最早( 1 9 7 5 年一1 9 8 5 年) 是由低交联度( 2 ) 、较大粒度( 2 5 1 a m ) 的聚苯 乙烯二乙烯基苯微球经表面低度磺酸化而成的薄壳型填料：在聚苯乙烯二乙烯 基苯球微球的表面有限制地磺化，使磺酸基在其表面形成薄壳层。图l 一1 一l 为低 容量强酸性阳离子交换树脂的制备示意图 9 浙江大学硕士研究生毕业论文 o 未o 图1 - 1 1 低容量强酸性阳离子交换树脂的制各示意图 第二阶段( 1 9 8 5 年一1 9 9 2 年) 是以磺酸基为功能基的表面附聚薄壳型阳离 子色谱填料( 1 0 p m ) 。图1 1 2 为典型的胶乳薄壳型阴离子交换树脂小球的结构， 由3 个区组成：1 、惰性高分子多孔苯乙烯二乙烯苯树腊基球；2 、树脂基球表 面采用氯甲醚使之氯甲基化，这一层为外层的胶乳以静电附着到基球表面提供了 一个“桥”；3 、胶乳阳离子交换涂层通过静电作用附聚在基球的表面。而这阳离 子胶乳层正是被分析离予发生保留的有效的固定相。采用附聚法制备的离子色谱 填料其突出的优点为：柱的交换容量可以通过选择胶乳的大小和基球的大小加以 控制；不会导致传质缓慢和效率降低的官能团化的区域。 菇孔高 2 鼻交联 i d 邮i 丰髓巍 n m 融瞳著予胶乳 图1 - 1 - 2 表面附聚薄壳型强酸型阳离子包谱填料结构示意图 这种带有磺酸功能基团的阳离子交换树脂对氢离子的选择性不高，对一价碱 金属和二价阳离子的亲和力不同，二价的碱土金属离子对磺酸型阳离子交换树脂 的亲和力大于一价碱金属离子。因此在使用磺酸型阳离子交换树脂时若不采用梯 度淋洗，很难一次进样在同一色谱条件下同时分离碱金属和碱土金属离子。 第三阶段为2 0 世纪9 0 年代发展起来的是在硅胶或者高分子聚合物基球表面 键合或者接枝带有弱酸功能基团的高分子链，可非梯度淋洗同时测定一价和二价 阳离子的色谱填料。 现在最领先的填料技术为以接枝弱酸功能基的思路上，以高交联度( 大于5 5 ) 多孔聚乙基苯乙烯二乙烯基苯为基球，通过基球的羧酸化膦酸化，或者再接 l o 浙江大学硕士研究生毕业论文 枝冠醚等作用基团，以优化阳离子溶质的分离效果，能够提供了更高的总体峰效 率，改善了峰的对称性。结构示意图见图l 一1 3 。 图i - i 一3 弱酸性阳离子色谱填料的结果示意图 因此发展弱酸型羧酸功能基是研制高效阳离子色谱填料的关键。 浙江大学硕士研究生毕业论文 第二节阳离子色谱及其分析对象 t 碱金属，碱土金属和铵离子的分析 早期的阳离子交换色谱采用表面磺化的有机聚合物树脂，以稀盐酸或者稀硝 酸等矿物酸作流动相有效的分离一价阳离子，色谱峰尖锐且具有良好的对称性。 一价阳离子与固定相之间的亲和力随离子半径的增大而增大，即离子半径小的离 子先洗脱。 但这种强酸型磺酸功能基的阳离子交换剂对h + 的选择性不高，对一价碱金 属离子和二价碱土金属离子的亲和力不同，两种离子在固定相土的保留值相差很 大。若采取增加矿物酸浓度的方法，淋洗液浓度太大，会导致高的背景电导，降 低用电导检测碱土金属离子的灵敏度。为有效的洗脱二价的碱土金属离子，应该 选用二价的淋洗离子，例如乙二酸、柠檬酸等。 在第三代离子色谱填料中接枝型阳离子色谱填料，离子交换功能基主要是弱 酸型的羧酸功能基，只用简单的矿物酸( 如：硫酸和甲烷磺酸等) 即可有效的淋 洗一价和二价的阳离子。 近年来，美国d i o n e x 公司开发出一些高性能的阳离子交换固定相，都是在 弱酸性羧酸功能基的基础上接入其他功能基，优化了阳离子色谱的部分性能。 d i o n e x 的c s l 2 a 柱的离子交换功能基除了羧酸基团之外加入了膦酸基团，改变 了m 9 2 + 和c a 2 + 的选择性，而对一价离子n a + 和n i - h + 的选择性改变很小，因此可 以测定高钠低铵或高铵低钠的实际样品。d i o n e xc s l 5 柱的功能基包括羧酸基团、 膦酸基团和冠醚。金属离子在内孔与其配位键合而形成稳定的络合物，这种环形 聚醚对阳离子的选择性取决于冠醚与被测离子半径之间的关系。k + 的离子半径与 1 8 一冠一6 相同，因而在具有1 8 一冠6 功能基的c s l 5 上保留很强，在m 9 2 + 和c e + 之后洗脱。可以很好的测定高钠低钾或者高钾低铵等样品。 2 有机胺的分析 有机胺的分析可以采用阳离子色谱法和离子对色谱法。阳离子交换色谱法主 要用于分离短碳链的一元伯仲叔胺、季铵盐、羟胺、吡啶、吗啉、环己胺和多胺 等。 许多脂肪胺可以在分离碱金属离子的条件下分离。烷基胺的检测既可以采用 浙江大学硕士研究生毕业论文 抑制型电导检测，也可以采用直接电导检测。如果样品中含有碱金属阳离子，有 可能对烷基胺的分离产生干扰。不过，这种干扰是比较容易避免的，可以在流动 相中加入有机溶剂，碱金属阳离子的保留几乎不受流动相中有机溶剂的影响，而 烷基胺的保留受有机溶剂的影响较大。这样，就可以通过改变流动相的组成，使 碱金属阳离子和烷基胺同时分离。羟胺在酸性流动相中质子化后也可以用阳离子 交换色谱法分析。羟胺离子既可以采用直接电导检测，也可采用安培检测。在 p t 工作电极上，羟胺被氧化，该方法的灵敏度比电导检测法高得多。 在过去，多胺的分析一直是难题。多胺与阳离子交换树脂固定相具有强烈的 亲和力。盐酸与2 ，3 一二氨基丙酸可以洗脱乙二胺。多胺的分离需要使用相当高 离子强度的缓冲溶液。因为全磺化阳离子交换树脂在高的淋洗强度下，会被压缩， 导致柱效急剧下降，所以只能使用薄壳型阳离子交换树脂分离多胺。 3 重金属和过渡金属的分析 1 9 7 4 年f r i t z 采用低容量离子交换树脂分离过渡金属和重金属离子。1 9 7 9 年， e l c h u k 等用离子交换色谱法成功地实现了对镧系稀土金属离子的分离。i c 法用 于金属离子的分析，不仅可依次进样同时分析多种元素，还可以同时检测元素的 不同价态和形态，例如f e ”f e 2 + ，有机砷，有机锗和有机硒等，在线浓缩富集和 基体消除的成功应用，使离子色谱成为高纯水和复杂基体中痕量分析的有效方法 【5 。 重金属和过渡金属离子的电荷和离子半径都较大，使得它们在阳离子交换树 脂上具有很强的亲和力，用碱金属和碱土金属离子的淋洗液是难以将其从固定相 中洗脱下来的。为了减少溶质离子与固定相间的作用力，通常以适当的有机配位 体作流动相，增加其在流动相中的分配，即减少其在固定相中的保留。另外，很 多过渡金属离子电荷相同，离子半径差别也不大，它们与固定相之间的相互作用 力差别很小，即过渡金属离子在阴离子交换固定相上的选择性相差不多。因此， 要改变过渡金属离子在固定相中的选择性系数，就只有利用过渡金属离子在流动 相中的配位平衡反应。例如可利用柠檬酸、草酸、酒石酸等有机弱酸，在水溶液 中与过渡金属离子形成配合物。为了获得最佳的分离，有时需要使用混合配位体 作淋洗液。当然，阴离子配合物还可以用阴离子交换色谱法分离。用阳离子交换 固定相分离过渡金属和重金属离子时，流动相中的配位体通过与金属离子之间的 浙江大学硕士研究生毕业论文 配位相互作用，与固定相争夺金属离子，减弱金属离子在固定相中的吸附，达到 将金属离子从固定相中洗脱出来的目的。 通过改变流动相的p h 值可以改善过渡离子的分离。如果以弱有机羧酸作配 位试剂，p h 的降低将使配位浓度降低，最终导致溶质保留值增大。虽然可以通 过有机酸或其他盐的总浓度来提高配体的浓度，但同时也会增加反离子( h + ) 的 浓度，这些离子会在固定相中与过渡金属离子竞争阳离子交换位置，导致分离效 率的下降。因此淋洗液的浓度如果相对的保持恒定，而用改变淋洗液的p h 值来 获得选择性和保留时间的最佳化，弱的有机酸只有在离解状态下才是有效的络合 剂，因此淋洗液的p h 值对金属离子的分离和保留有很大的影响。提高淋洗液的 p h 值会增加弱酸的离解，从而使更多的金属离子形成络合物并从固定相移向流 动相，缩短了保留时间。当用低容量阳离子交换树脂时，其交换容量与淋洗液的 离子种类有关，一般用l i o h 来调节溶液的p h 值。 因为样品中高浓度的离子型基体成分干扰严重，重金属和过渡金属的直接电 导检测分析较少，一般采用柱后衍生反应。柱后衍生反应技术的应用，增加了检 测器的选择性和灵敏度。应用此法时显色剂的选择十分重要，光度法中要求显色 剂选择性好，灵敏度高；而离子色谱中要求显色剂灵敏度高，但选择性不一定要 求很好。为了一次进样可以分析多种金属离子，则要求显色剂具有通用性。离子 色谱选择显色剂时应遵循以下原则：1 显色反应最好在室温下瞬间完成，柱后试 剂与金属离子所形成的络合物的稳定性应大于金属离子与淋洗液络合物的稳定 性；2 反应产物应有强的吸光度，而试剂在该波长无吸收或吸收弱：3 显色剂的 使用应充分过量并用高浓度的缓冲溶液配置，以利于洗脱液混合后仍能保持恒定 的p h 值，显色剂的加入体积一般为淋洗液的1 0 - - 5 0 ，以减少稀释作用；4 试 剂能在长时间那保持很好的稳定性。已经有多种试剂用于离子色谱的柱后衍生反 应 6 7 】。l - ( 2 一吡啶偶氮) 间苯二酚( p a r ) 以其高灵敏度和通用性是i c 中使用 最广的柱后试剂。p a r 可与m n 2 + 、f e 2 + 、f e 3 + 、c 0 2 + 、n i 2 + 、z n 2 + 、c u 2 + 、p b 2 + 、 镧系元素和铀等生长在波长5 0 0 - - 5 7 0 n m 有强吸收的稳定络合物。如加入适当量 的z n 2 + 和e d t a 到p a r ，所得到的新试剂z n e d t a 。p a r ，可选择性的掩蔽p a r 对某种或几种金属离子的反应。加8 m m o l ln t a 到1 m m o l lp a r 中可完全抑 制p a r 与除c u ”和c o ”以外的所有过渡金属的反应 8 】。与p a r 相比，2 一 ( 5 1 4 浙江大学硕士研究生毕业论文 溴- 2 - p h ：啶) 偶氮 一5 一二乙氨基苯酚( 5 一b r p a d a p ) 与金属离子的有色络 合物的摩尔吸光系数要比p a r 高很多【9 】，我们将其用于过渡金属、镧系金属和 汞的柱后衍生试剂，有效的改善了灵敏度 1 0 1 2 】。 浙江大学硕士研究生毕业论文 第三节阳离子色谱填料的应用 离子色谱最重要的是用于分析常规的阴、阳离子，在环境、电力、食品、半 导体、药物、化工等领域都有很广泛的应用。 一、阳离子色谱在环境方面的应用。 近几年来，随着离子色谱技术的不断完善，其在环境领域中的应用在逐渐扩 大。cw o o d s 等人【1 3 综述了近年来离子色谱在环境分析领域中的最新应用状况。 碱金属、铵、肼和碱土金属的分析是环境分析、工业分析经常遇见的问题， 以往对他们的分析往往缺乏快速准确的方法，离子色谱为这些物质的分析提供了 条件。朱岩【1 4 等采用抑制型离子色谱测定碱金属和铵，用安培检测分析胼的思 路，在色谱流路上串联抑制电导和安培检测器，利用同一色谱流路，对样品中的 铵、碱金属和肼进行同时测定，可直接用于实际样品的分析。b e t t i 1 5 等将海水 经过滤等处理后，用抑制离子色谱法测定了其中的碱金属元素和碱土金属元素 l i + 、n a + 、k 十、m 9 2 + 、c a z + ，其中将试样稀释5 0 倍后测定“+ 、k + 、m 9 2 + 、c a 2 + ， 将试样稀释2 0 0 0 倍后测定n a + ，相对标准偏差为0 2 - - 2 2 。k a d n a r 1 6 等采 用i o n p a cc s l 2 阳离子交换柱，用抑制离子色谱法快速、同时测定了矿质水中的 碱金属和碱土金属l i + 、n a + 、n h 4 + 、k + 、m 9 2 + 、c a 2 + ，相对标准偏差小于5 。 s h o t y k 1 7 等用离子色磬法对泥炭地中富含有机物的大然水中的n a + 、n h 4 + 、k + 、 m 矿+ 、c a 2 + 进行了分析测定，方法采用预处理小柱( d i o n e xo n g u a r dp ) 以去除 腐殖物质，并采用梯度分离淋洗进行分离，即使n a + n h 4 + 1 0 0 ，n a + 对n h 4 + 的 测定也无干扰方法检出限达到1 n g g 级。王生明【1 8 】研究了用柱后衍生离子色 谱法同时测定天然水、电站电离水以及金属腐蚀产物中的f e “、f e 3 + 、c u 2 + 、z n 2 + 4 种金属离子，该法以磺基水杨酸酒石酸草酸为络合剂，质子化的二价乙二 胺离子为淋洗离子，在d i o n e xi o n p a cc s 2 分离柱上先实现混合金属的分离，然 后被分离的离子依次进入柱后反应器，与p a r 在此反应显色生成有色络合物， 用分光光度计在5 0 01 3 r n 固定波长下依次检测流出的各离子，它克服了单独使用 离子色谱仪且使用电导检测器和单独使用分光光度计的不足，使方法的选择性和 适用性都有了明显的改善，必须注意在进样分析前必须将水样酸化和过滤。 吴涤尘【1 9 】等报道了用低压离子色谱法分析测定井水、湖水、矿泉水、自来 1 6 ( 浙江大学硕士研究生毕业论文 水和酸雨中的l i + 、n a + 、n i - h + 、k + 、m 9 2 + 、c a 2 + ，待测阳离子在阳离子交换柱 上被分离，分别用硝酸和乙二胺、硝酸溶液作流动相，然后用电导检测器进行测 定，l i + 、n a * 、n h 4 + 、k + 、m 9 2 + 、c a 2 + 的检出限分别为o 0 2 0 、o 0 5 0 、0 1 0 0 、o 2 5 0 、 2 2 、1 0 m g l ，本法操作简单，精密度高，实验结果令人满意。 郜志峰【2 0 】等应用非抑制型离子色谱法，以乙二胺、柠檬酸水溶液作为流动 相，探索了z n 2 + 、p b 2 + 、f e “、m 9 2 十、m n 2 + 、c d 2 十、c a 2 + 7 种金属离子在磺酸基 阳离子色谱柱上的最优分离条件，并对实际水样中的7 种金属离子进行了测定， 获得了满意的结果，实验结果表明：流动相p h 值的改变对金属阳离子的保留行 为有较大的影响，因而也影响到金属阳离子的洗脱次序，方法重现性良好，回收 率为9 3 8 8 一1 0 3 1 2 ，z n 孙、p b 2 + 、f e 2 + 、m e + 、m n 2 + 、c d 2 + 、c a 2 + 的检出限 依次为0 5 、1 0 0 、0 ，l 、0 3 、0 2 、1 0 、o 1 n g 。 周玉芝等对电镀厂的电镀废液和铜厂的电镀液试样中c r ( i i i ) 和c r ( v i ) 的离 子色谱分析结果表明：c r ( 1 l i ) 经柱前衍生，与以c r 0 4 2 - 状态存在的c r ( v 1 ) 在阴离子 交换柱上分离，通过柱后反应器用光度法在5 2 0 n m 对c “i i d 和c r ( v i ) 同时进行 检测，c r ( i i i ) 和c r ( v 1 ) 的最低检出限分别为3 0 n g l 和l n e d l ，常见阳离子z n 2 + 、 p b ”、s n z + 、c 0 2 + 、l n 2 + 、c d 2 + 、a 1 2 + 、c u z + 不干扰测定，方法灵敏、简便，可作 为监测水样中c r ( 1 1 1 ) 和c r ( v i ) 的种分析方法。 o i k a w a 2 1 等用离子色谱法自动监测系统测定了酸雨和雪中的n a + 、n h 。+ 、 k + 、m g ”和c a 2 + ，检出限分别为o 0 0 5 、o 0 1 0 、o 0 1 0 、o 0 0 5 、0 ，0 1 0 m g l 。b u c k 等用离子色谱法测定了雪核和冰核中痕量级( n g g ) 的n a + 、n h 4 + 、k + 、m 9 2 + 、c w ， 该法采用酸滴定法测定了溶液的总酸度以保持酸度平衡，并研究了特别的采样技 术和样品预处理方法以避免雪和冰样的沾污，n a + 、n h 4 + 、k + 、c a 2 + 、m 9 2 + 的 检出限分别为o 1 、0 2 、0 1 、o 1 、0 1 n g g ，本法可用于各种地质化学的研究工 作中。 c h a n g 2 2 等将试样经扩散洗涤取样后以电导检测离子色谱法测定了空气中 的氨，检出限为o 0 2 n g l 。郑波【2 3 】采用经草酸处理过的玻璃纤维滤膜来采集大 气中的氨和低级脂肪胺，超声浸取后，注入离子色谱仪分析，用本法测定大气中 的氨和低级脂肪胺，当采集体积为2 4 i n 3 时，其中氨、甲胺、二甲胺、三甲胺的 最低检出限分别为2 1 0 4 、6 1 酽、1 1 0 4 、2 1 0 4 n g m 3 ，相对标准偏差分别 1 7 浙江大学硕士研究生毕业论文 为2 4 7 、4 8 2 、6 5 9 、3 3 2 ，回收率分别为9 2 9 一1 0 1 7 ，方法采集效 率高，除三甲胺外采集效率均在9 0 以上，且分离效果好，干扰少，操作简便， 分析速度快，灵敏度高。 二、阳离子色谱在食品分析中的应用 食品和饮料中许多离子的浓度同食品的风味与质量有直接关系；另一方面， 一些离于对人体健康有重要影响。因此，食品中这些离子的检测对于满足营养指 标、实现生产工艺及产品质量的控制是十分重要的。离子色谱为食品分析和化学 工作者提供了一种自动快速的分析方法。 能同时检测多种阳离子是离子色谱的一大特点。化学抑制型离子色谱法测定 雨水中可溶性碱金属和碱土金属离子( e pm e t h o d3 0 0 7 ) ，离子法测定过渡金属 ( e p m e t h o d 6 0 6 0 ) 被美国国家环保局等认定为标准分析方法。离予色谱可以区 分元素的不同价态，其高灵敏度的检测器能降低基体中杂质离子的干扰，这些是 原子吸收法和等离于发射光谱所不具备的特点。饮用水、地下水和工业用水中可 溶c r ”的i c 法测定也被美国国家环保局( e pm e t h o d2 1 8 6 ) 确认可为标准方 法。 与传统的方法相比，i c 突出的优点是同时多组分分析，样品处理简单，成 为了食品中阴阳离子、胺、有机酸和糖类分析的较好方法。i c 作为官方标准方 法的数目迅速增加，食品分析也成为目前离子色谱主要应用研究方向之一。钠、 钾是保持电解质平衡的基础，镁和钙是人体骨骼生长的重要成分，胺是食品质量 的指示剂。不过由于这几样元素属于人体的微量元素，因此测定食品中上述元素 的报道不多。阎炎 2 4 1 等采用i o n p a cc s l 2 分离柱，以1 5 m m o l l 甲烷磺酸为淋洗 液，抑制电导法测定含钙强化食品中的钙含量。由于淋洗液的p h 值与人体胃液 的p h 值接近，因此可采用淋洗液直接溶解样品，样品测定值可认为是人体实际 可利用量，所测结果与原子吸收光谱法一致。此外，m u n a t l 2 5 等以苄基三甲基 氯化铵为淋洗液，在多孔硅胶微柱上分离了5 种碱金属和铵离子。以往i c 未用 于油脂分析，b u l d i n i 2 6 等对这方面的应用进行了尝试。他们在橄榄油、花生油、 豆油、葵花油和人造黄油中加入乙醇和k o h ，在5 0 。c 下皂化3 0 r a i n 然后加入过 氧化氢，在8 0 。c 下紫外光解3 0 6 0r a i n 成破坏样品中的有机介质，最后采用阴离 子和阳离子交换色谱法分别测定样品中的c l 、p 、s 和f c 、c r 、n i 、z n 、c u 、 浙江大学硕士研究生毕业论文 p b 和c d 等元素的含量。 杨端康 2 7 1 等测定了脱脂奶粉中的n a + 、k + 、m g ”、c a 2 + 和总氮的含量，经 烘干的奶粉样品加入浓硫酸，加热消解并稀释后，以5 m m o l 的h c i 作淋洗液， 用d i o n e xc s 3 柱，抑制电导测定n a * 、k + 、m 9 2 + 、c a 2 * 。w a g n e r 用离子色谱法 同时测定了啤酒中的n a + 、k + 、m 9 2 + 、c a 2 + 。y a h 等分别用紫外和电导检测，阳 离子交换分离方式测定了食品和水中的碱金属，碱土全属和重金属离子。陈国胜 【2 8 等用单柱离子色谱法测定了鱼血中的n a * nk + 。李继桂 2 9 】等用非抑制离子 色谱法以1 3 m m o l l 乙二胺和4 5 m m o l l 柠檬酸为淋洗液，同时测定了茶叶中的 多种微量素( z n 2 + 、p b 2 + 、n i ”、c u 2 + 等) 。t r i f i r o 3 0 等采用离子色谱法测定了杏， 桃和梨果酱及橙汁中的n a + 、k + 、m 9 2 + 、c a 2 + 。 微量胺类化合物分析是一棘手问题。用离子色谱法可较好地解决许多痕量胺 的测定问题，可以用阳离子交换或流动相色谱方式分离胺，采用电导和紫外光度 等进行检测。d r a i s e i 3 1 等采用脉冲安培检测阳离子色谱成功地测定了蔬菜、鱼、 发酵食品和香肠中的胺、尸胺、腐胺、亚精胺、组胺、酪胺、组氨酸和酪氨酸等 成分。 1 9 浙江大学硕士研究生毕业论文 第四节阳离子色谱填料的制各方法 我们所希望得到的色谱填料要求为：一种键合型阳离子色谱柱，以苯乙烯一 二乙烯基苯填料为基体，采用化学键合的方法接枝弱酸功能基离子交换功能基 团，其特征是基质为交联度5 0 左右；球径为5 p m l o p m 的苯乙烯二乙烯 苯微球；阳离子色谱柱的柱容量为1 0 0 0 - - 3 0 0 0um o l l 柱之间，在1 m l m i n 的淋洗 液流速下，填充于4 6 m m 2 5 c m 的普通液相色谱柱，压力在2 0 0 0 p s i 以下；在同 一色谱淋洗液条件下可以同时分离一价金属离子、铵离子和二价金属离子。 根据设想，将阳离子色谱填料的制备过程分成几个步骤，以下具体介绍这几 个步骤： 1 单分散高交联度苯乙烯一二乙烯苯微球的制备。 根据v a nd e e m t e r 方程式，影响色谱峰形扩展的各种因素包括涡流扩散项 h e ，分子扩散项h l 、固定相的传质阻力h s 、移动流动相的传质阻力h m m 、滞留 流动相的传质阻力h s ”。在高效液相色谱中，对液液分配色谱，可以姆特方程式 完整的表达为： + 挚+ 。南妾+ q 毒d 2 端3 0 ( 1- 岳刚+ 昙砌 9 “ 。( 1 + 七2d p 一西) ( 1 + 七) 2 “ 其中d 。一固定相平均粒径 d r 一固定相的厚度 u 一液体流动相在色谱柱中的平均速度 不均匀因子，表达了色谱柱的填充均匀程度 y 一柱中填料的弯曲因子 q 一构型因子( 对大孔固定相为1 2 ，对薄壳材料为2 3 ) q 一色谱柱的填充因子 d l 溶质在固定相中的扩散系数 d m 一溶质在液体流动相中的扩散系数 d p 、d f 、u 、 、y 、q 、q 值越小，d l d m 越大时，h 值越小，可获得高的柱效。 可以看出，根据范地姆特方程式要想得到较好的柱效，聚合物微球要做到颗 粒均匀且粒径越小越好。但粒径越小，相同柱长的色谱柱产生的压力越大，对色 谱仪器的其他部件伤害越大。因此我们必须选用6um 左右的窄分布微球作为色 浙江大学硕士研究生毕业论文 谱填料基球。 自1 9 5 5 年美国里海大学乳液聚合物研究所v a n d e r h o f f 和b r o d f o r d 公布他们 制备高度均一粒径的聚苯乙烯微球的方法以来，高聚物微球的制备已成为高分子 科学的一个新的研究领域。目前多功能、高性能高聚物微球的合成备受人们关注， 并取得了一定的成果，已开发制备出一系列具有不同分子量、不同结构、不同表 面特性及功能的大粒径单分散高聚物微球。粒径单分散高聚物微球因其具有比表 面积大、吸附性强，以及表面反应能力等特异性能，作为功能高分子材料，在标 准计量、生物化学、免疫医学、分析化学、化学工业、情报信息、微电子领域以 及某些高新技术领域有着广泛的应用。制备高聚物微球的传统方法是悬浮聚合和 乳液聚合。前者制得的高聚物粒子粒径为1 0 0um 1 0 0 0um ，呈多分散性；后 者只能得到粒径小于0 5um 的单分散聚合物粒子。2 0 世纪7 0 年代国外学者曾 在宇宙飞船微重力条件下合成了粒径单分散的2pm 3 0 m 聚苯乙烯微球，但 是这种合成条件对于般的实验室以及工业化生产是很难实现的，故其技术很难 应用推广。近年来人们采用无皂或低皂乳液法也制备了单分散的聚苯乙烯微球， 但是只能得到微球直径接近1um 的单分散聚合物微球，对一般色谱柱应用来说 粒径仍显太小。目前人们利用分散聚合和种子溶胀技术，成功地制备出粒径1u m 3 0u1 1 1 的单分散高聚物微球，使分散聚合和种子溶胀法成为大粒径单分散高 聚物微球的主要制备方法。现将各种制各聚合物微球的方法列于表1 - 4 1 。 表1 - 4 1 制备聚合物微球方法的比较 无重力 比较项目乳液聚合无皂乳液聚合悬浮聚合分散聚合种子溶胀法 种子聚合 单体存在场所胶柬胶束颗粒，介质颗粒，介质颗粒，介质颗粒，介质 引发剂存在场所介质介质颗粒介质颗粒颗粒颗粒 稳定剂不需要不需要需要需要不需要需要 乳化剂需要不需要不需要不需要需要需要 聚台反应前状态多相多相二相均相多相二相 粒径范围，0 0 0 0 0 5o 5 1 ，o1 0 0 1 0 0 00 5 52 3 01 1 0 0 粒径分散性分布较窄分布窄分布宽单分散单分散单分散 1 ，1 乳液聚合法 乳液聚合是最早用于生产单分散聚合物微球的技术，而且至今仍是最常用， 最重要的技术。最早的乳液聚合法出现1 9 3 2 年，其后经历了1 9 3 2 1 9 5 0 年的初 浙江大学硕士研究生毕业论文 步发展。用单步的乳液聚合，可制得直径为1um - 的单分散微球。在通过种子乳 液聚合制备更大微球的尝试中，遇到了体系趋于凝聚的麻烦。采用了反复溶胀和 聚合的工艺之后，体系在最容易发生凝聚的条件下f 即胶粒中的聚合物含量为6 0 一9 0 ) 保持稳定的时间有所延长。虽然在聚合体系中加入大量的乳化剂可提 高体系的稳定性，但是，这也同时有利于在水相中生成新的胶粒( 称为“再次成 核”) 。1 9 5 5 年v a n d e r h o f f 和b r a d f o r d 等人 3 2 ，3 3 在失重条件下，用种子乳液聚 合法成功的合成了粒径为2 3 0um 的单分散聚苯乙烯微球为高分子科学的发展 提供了新的研究领域。但是这样的方法成本