离子色谱基础理论

1、 Basic Course, Teil I: IC Theory 1ICICICICIC离子色谱理论概述离子色谱理论概述离子色谱仪简述离子色谱仪简述瑞士万通上海办技术支援部瑞士万通上海办技术支援部离子色谱理论离子色谱理论 Basic Course, Teil I: IC Theory 2ICICICICIC离子色谱原理离子色谱原理什么是色谱？什么是色谱？在哪里发生色谱分离？在哪里发生色谱分离？使用什么样的检测器？使用什么样的检测器？什么是抑制型离子色谱？什么是抑制型离子色谱？抑制还是非抑制？抑制还是非抑制？ Basic Course, Teil I: IC Theory 3ICICICICIC

2、 一种分析方法一种分析方法 一种混合进样方式一种混合进样方式 用来分离化学性质相似的物质用来分离化学性质相似的物质 混合进样混合进样 色谱分离色谱分离什么是离子色谱？什么是离子色谱？Theory of Ion Chromatography Basic Course, Teil I: IC Theory 4ICICICICIC 液体液体固体固体什么是色谱什么是色谱Theory of Ion Chromatography 色谱是统称色谱是统称 物化分离过程物化分离过程 通过流动相和固定相分离化合物通过流动相和固定相分离化合物 Basic Course, Teil I: IC Theory 5ICI

3、CICICICTheory of Ion Chromatography 分析物必须是离子或是极性化合物分析物必须是离子或是极性化合物 浓度范围：浓度范围：ppt, ppb, ppm 不同的分离机理：不同的分离机理： 离子交换色谱离子交换色谱离子对色谱离子对色谱 离子排斥色谱离子排斥色谱 用于分析阴离子和阳离子用于分析阴离子和阳离子什么是什么是离子离子色谱色谱0123456789101112 min050100150200250300mVch1lithiumsodiumammoniumpotassiumcalciummagnesium0246810121416182022242628min152

4、0253035uS/cmCondwaterpeakfluorideacetateformiatechloritebromatechloridenitritebromidenitratebenzoatephosphateselenitesulphatesuccinatearsenateoxalate Basic Course, Teil I: IC Theory 6ICICICICIC淋洗液淋洗液泵泵注射器注射器色谱柱色谱柱抑制器抑制器检测器检测器非抑制非抑制抑制型抑制型Theory of Ion Chromatography色 谱 当今最常用的分析手段 Basic Course, Teil I

5、: IC Theory 7ICICICICIC在哪里发生色谱分离在哪里发生色谱分离Theory of Ion Chromatography淋洗液淋洗液泵泵注射器注射器色谱柱色谱柱检测器检测器 Basic Course, Teil I: IC Theory 8ICICICICICTheory of Ion Chromatography色谱分离色谱分离离子交换色谱离子交换色谱分析物质与固定相形成弱的离子键合。分析物质与固定相形成弱的离子键合。阳离子：阳离子： 固定相固定相 = 极性物质极性物质 (e.g. R-SO3) 流动相流动相 = 极性物质极性物质 (e.g. HNO3 aq.) 阴离子：阴

6、离子： 固定相固定相 = 极性物质极性物质 (e.g. R-NR3+) 流动相流动相 = 极性物质极性物质 (e.g. Na2CO3 aq.) Basic Course, Teil I: IC Theory 9ICICICICIC色 谱 离子交换色谱 就固定相而言 . 阳离子需要阳离子交换剂 .阴离子需要阴离子交换剂。固定相结构固定相结构: 9苯乙烯苯乙烯二乙烯基苯二乙烯基苯苯乙烯苯乙烯-二乙烯基苯树脂二乙烯基苯树脂阳离子交换剂阳离子交换剂阴离子交换剂阴离子交换剂 Basic Course, Teil I: IC Theory 10ICICICICIC离 子 色 谱 离子交换色谱 固定相由3部

7、分组成: l 乳胶物质或 树脂载体 l 间隔基l 承载离子交换的基团 10材料: 苯乙烯/二乙烯基苯 聚甲基丙烯酸酯 硅酸盐 / 硅胶 羟乙基甲基丙烯酸酯 (HEMA)阴离子交换剂: 季胺功能团 碱性胺基 羟基碱性季胺盐 丙烯酸基碱性季胺盐 交联方式阳离子交换剂: 磺酸基 羧酸盐间隔基: 烷基链 Basic Course, Teil I: IC Theory 11ICICICICIC离离 子子 色色 谱谱 离子交换色谱 流动相解吸和运载样品 . 水相洗脱液:非抑制型阴离子：非抑制型阴离子： (I)l 邻苯二甲酸邻苯二甲酸l 邻羟基苯甲酸（水杨酸）邻羟基苯甲酸（水杨酸） l p-羟基苯甲酸羟基苯

8、甲酸l 苯甲酸苯甲酸l 硼酸盐硼酸盐l 硼酸盐硼酸盐 / 乙酸盐乙酸盐l 氢氧化钾氢氧化钾.抑制型阴离子：抑制型阴离子： (II)l 碳酸盐碳酸盐 / 碳酸氢盐碳酸氢盐l 氢氧化钾氢氧化钾l 硼酸盐硼酸盐阳离子阳离子 (I)l 硝酸硝酸l 酒石酸酒石酸l 酒石酸酒石酸 / 吡啶二羧酸吡啶二羧酸 l 酒石酸酒石酸 / 柠檬酸柠檬酸l 磷酸二磷酸二 氢钾氢钾l 草酸草酸 / 乙二胺乙二胺 / 丙酮丙酮. 11 Basic Course, Teil I: IC Theory 12ICICICICIC固定相和流动相竞争分析物固定相和流动相竞争分析物 阳离子的分离机理阳离子的分离机理 Theory of

9、 Ion Chromatography色谱分离色谱分离 Basic Course, Teil I: IC Theory 13ICICICICIC典型的阳离子色谱图典型的阳离子色谱图 淋洗液淋洗液: 5 mmol tartaric acid Column: Metrosep Cation 1-2Theory of Ion Chromatography色谱分离色谱分离 Basic Course, Teil I: IC Theory 14ICICICICIC固定相和流动相竞争分析物固定相和流动相竞争分析物 阴离子的分离机理阴离子的分离机理 Theory of Ion Chromatography色谱

10、分离色谱分离 Basic Course, Teil I: IC Theory 15ICICICICIC典型的阴离子色谱图典型的阴离子色谱图淋洗液淋洗液: Na2CO3/NaHCO3 (1.3/2.0 mmol/L) Column: Metrosep Dual 2Theory of Ion Chromatography色谱分离色谱分离 Basic Course, Teil I: IC Theory 16ICICICICIC离子色谱 离子交换色谱 阳离子阳离子与固定相上碱性离子交换位与固定相上碱性离子交换位 置发生反应。置发生反应。 依据键合强度依据键合强度( 离子交换平衡常数离子交换平衡常数)，

11、 阳离子阳离子在洗脱液中的质子之前或之在洗脱液中的质子之前或之后洗脱出来。后洗脱出来。 16阴离子阴离子与固定相上酸性离子交换位与固定相上酸性离子交换位 置发生反应。置发生反应。 依据键合强度依据键合强度( 离子交换平衡常数离子交换平衡常数)，阴阴离子离子在洗脱液中的碳酸盐之前或之在洗脱液中的碳酸盐之前或之后洗脱出来。后洗脱出来。阳离子阳离子或或阴离子阴离子的离子交换常数不同，其相应的保留时间不同。从而使的离子交换常数不同，其相应的保留时间不同。从而使“化化学质相似学质相似”的成份得以分离。的成份得以分离。 Basic Course, Teil I: IC Theory 17ICICICICI

12、C 分析离子的一种分析方法分析离子的一种分析方法 分离机理分离机理: 离子对，离子交换，离子排斥离子对，离子交换，离子排斥 分析物和流动相都是离子状态的或是极性的分析物和流动相都是离子状态的或是极性的 离子色谱中最重要的是离子交换机理离子色谱中最重要的是离子交换机理什么是离子色谱？什么是离子色谱？色谱分离是在哪里发生的？色谱分离是在哪里发生的？Theory of Ion Chromatography总结总结 Basic Course, Teil I: IC Theory 18ICICICICIC选用什么样的检测器选用什么样的检测器Theory of Ion Chromatography淋洗液淋

13、洗液泵泵注射器注射器色谱柱色谱柱检测器检测器 Basic Course, Teil I: IC Theory 19ICICICICIC选用什么样的检测器选用什么样的检测器l 电导检测电导检测l 安培检测安培检测l 紫外可见检测紫外可见检测样品在色谱柱上分离后都需通过检测器样品在色谱柱上分离后都需通过检测器Theory of Ion Chromatography Basic Course, Teil I: IC Theory 20ICICICICIC检 测 器 电 导 20电导电导检测检测电导检测电导检测就是测量电导率就是测量电导率 电导测量电导测量检测器测量溶液中离子的检测器测量溶液中离子的电

14、导率电导率。测量双铂电极两端间的电导。离子在该双铂电极两端间迁移。阴离子向测量双铂电极两端间的电导。离子在该双铂电极两端间迁移。阴离子向阳极迁移，阳离子向阴极迁移，从而测量溶液的电阻。电导为电阻的倒阳极迁移，阳离子向阴极迁移，从而测量溶液的电阻。电导为电阻的倒数。为了避免改变组份和电极表面形成双电层，采用交流电。数。为了避免改变组份和电极表面形成双电层，采用交流电。1RcK*R = 电阻电阻 Kc = 电导池常数电导池常数 1/cm = 电导电导 1/ or S Basic Course, Teil I: IC Theory 21ICICICICIC检 测 器 电导 21电导电导离子的电导离子

15、的电导 与离子与离子i的浓度的浓度c及其与浓度有关的当量电导率及其与浓度有关的当量电导率 i有关。当量有关。当量电导率电导率 i 为单位浓度的电导。下表列举的常数适用于浓度低于为单位浓度的电导。下表列举的常数适用于浓度低于0.001 mol/L的情况。的情况。 Zi 为相应离子的电荷。为相应离子的电荷。 i = 当量电导率当量电导率 S cm2/mol zi = 电荷电荷 ci = 浓度浓度 mol/L = 电导电导 1/ or S = 所有离子所有离子 阳离子和阴离子之和阳离子和阴离子之和( * * )iiiz c Basic Course, Teil I: IC Theory 22ICIC

16、ICICIC检 测 器 电导率 22当量电导率当量电导率下 表 列 举 的 当 量 电 导 率 适 用 于 浓 度 低 于下 表 列 举 的 当 量 电 导 率 适 用 于 浓 度 低 于 0 . 0 0 1 m o l / L 。 = 当量电导率当量电导率 S cm2/mol 阴离子阴离子OH198F 54Cl 76Br 78I 77NO2 72NO3 71HCO3 45CO32 72SO42 80Phthalate 38阳离子阳离子H+350Li+ 39Na+ 50K+ 74NH4+ 73Mg2+ 53Ca2+ 60Sr2+ 59Ba2+ 64Zn2+ 53Cu2+ 55 Basic Co

17、urse, Teil I: IC Theory 23ICICICICIC检 测 器 电导率 23测量值的影响因素测量值的影响因素(*)iiizc1RcK*l 相应离子的当量电导率相应离子的当量电导率l 相应离子的电荷相应离子的电荷l 电导池常数电导池常数 常数常数l 温度温度 常数常数l 浓度浓度 实际浓度实际浓度 T 2 %/CElElElElElcc.* Basic Course, Teil I: IC Theory 24ICICICICIC 24非抑制型离子色谱非抑制型离子色谱抑制型离子色谱抑制型离子色谱检 测 器 非抑制或抑制电导率 Basic Course, Teil I: IC T

18、heory 25ICICICICIC检 测 器 非抑制电导率 25背景电导率背景电导率 = 洗脱液洗脱液色谱峰的电导率色谱峰的电导率 = 洗脱液洗脱液 样品样品测量值测量值 = 样品样品 减去减去洗脱液洗脱液DetPeakEl.DetSmplSmplElSmplSmplElcc.*()*() Basic Course, Teil I: IC Theory 26ICICICICIC检 测 器 非抑制电导率 26测量阴离子和阳离子关键词关键词:l 单柱技术单柱技术 非抑制离子色谱非抑制离子色谱 l 测量样品离子和洗脱液离子电导率的测量样品离子和洗脱液离子电导率的差值差值。DetSmplSmplEl

19、SmplSmplElcc.*()*()D etSm plSm plElc.*()D etSm plSm plElc.*()样品中的反荷离子不保留，随死体积一并洗脱出来。因此，反荷离子通常也是洗样品中的反荷离子不保留，随死体积一并洗脱出来。因此，反荷离子通常也是洗脱液的反荷离子。脱液的反荷离子。 Basic Course, Teil I: IC Theory 27ICICICICIC 27化学抑制型离子色谱在在阳离子阳离子色谱中，采用色谱中，采用阴离子交换剂阴离子交换剂 所有阴离子被所有阴离子被OH取代取代在在阴离子阴离子色谱中，采用色谱中，采用阳离子交换剂阳离子交换剂 所有阳离子被所有阳离子被

20、H+取代取代通过以上反应，高电导率的洗脱液转换为低电导率的通过以上反应，高电导率的洗脱液转换为低电导率的(H2O+ CO2 ) 。抑制降低背景电导率。抑制降低背景电导率。抑制改变样品中的反荷离子。抑制改变样品中的反荷离子。检 测 器 抑制电导率 Basic Course, Teil I: IC Theory 28ICICICICIC检测器 抑制后的电导率 28背景电导率背景电导率 = 水水 = 0色谱峰电导率色谱峰电导率 = 水水 样品样品测量值测量值 = （水水 + 样品样品） 背景背景DetPeakEl.DetSmplSmplElSmplSmplElcc.*()*() Basic Cour

21、se, Teil I: IC Theory 29ICICICICIC检 测 器 抑制后的电导率 29测量测量 阳离子和阴离子阳离子和阴离子关键词关键词:l 双柱技术双柱技术 带抑制的离子色谱带抑制的离子色谱 pcrl 测量样品离子和测量样品离子和H+或或 OH之和之和 DetSmplSmplElSmplSmplElcc.*()*()DetSmplSmplHc.*()DetSmplSmplOHc.*()洗脱液电导率为洗脱液电导率为0，反荷离子为，反荷离子为 OH或或H+ Basic Course, Teil I: IC Theory 30ICICICICIC离子色谱分为离子色谱分为：单柱离子色谱

22、非化学抑制单柱离子色谱非化学抑制双柱离子色谱化学抑制双柱离子色谱化学抑制 洗脱液洗脱液泵泵注射阀注射阀 分离柱分离柱检测器检测器抑制器抑制器抑抑 制制 与与 非非 抑抑 制制 Basic Course, Teil I: IC Theory 31ICICICICIC 31(样品样品 = NaCl 洗脱液洗脱液 = HNO3)DetSmplSmplOHc.*()DetSmplSmplElc.*()DetSmplNaHc.*()D etSm plc.* (50) 350D e tS m p lc.*3 0 0非抑制抑制(样品样品 = NaCl 洗脱液洗脱液 = HNO3)DetSmplNaOHc.*

23、()DetSmplc.* (50) 198D e tS m p lc.*2 4 8 阳离子 抑抑 制制 与与 非非 抑抑 制制 Basic Course, Teil I: IC Theory 32ICICICICIC抑抑 制制 与与 非非 抑抑 制制 阳离子 Basic Course, Teil I: IC Theory 33ICICICICIC 33(样品样品 = NaCl 洗脱液洗脱液 = 邻苯二甲酸邻苯二甲酸)非抑制带抑制(样品样品 = NaCl 洗脱液洗脱液 = Na2CO3) 阴离子 DetSmplSmplElc.*()DetSmplHClc.*()DetSmplClPhthalc.

24、*()2D etSm plc.* ()7638D e tS m p lc.*3 8DetSmplc.* ()35076DetSmplHSmplc.*()D e tS m p lc.*4 2 6抑抑 制制 与与 非非 抑抑 制制 Basic Course, Teil I: IC Theory 34ICICICICIC 34抑抑 制制 与与 非非 抑抑 制制 阴离子抑制 Basic Course, Teil I: IC Theory 35ICICICICIC 11_khvpptic_theory_au.ppt 35非抑制抑制高背景电导率高背景电导率低灵敏度的阴离子低灵敏度的阴离子高灵敏度的阳离子高

25、灵敏度的阳离子高度的线性校正高度的线性校正成本低成本低洗脱液选择无限制洗脱液选择无限制低背景电导率低背景电导率高灵敏度的阴离子高灵敏度的阴离子(检测限低检测限低 2-4 个数量级个数量级)高灵敏度的阳离子高灵敏度的阳离子非线性校正非线性校正成本高成本高洗脱液必须与洗脱液必须与H2O反应反应抑抑 制制 与与 非非 抑抑 制制 Basic Course, Teil I: IC Theory 36ICICICICICR-SO3 H+ + Na+ + HCO3R-SO3 Na+ + H2O + CO2 R-SO3 H+ + Na+ + Cl R-SO3 Na+ + H+ + Cl 阴离子抑制阴离子抑制

26、 洗脱液基线(背景)： 样品信号( 以NaCl为例)抑抑 制制 与与 非非 抑抑 制制 Basic Course, Teil I: IC Theory 37ICICICICICMSM抑制器 柱抑制 三根高容量、长寿命和易操作的微填充抑制柱： 一根在流路 一根用硫酸再生 一根用去离子水冲洗 抑抑 制制 与与 非非 抑抑 制制 Basic Course, Teil I: IC Theory 38ICICICICICMSM抑制器 特点 l l 分析流路外的再生 l 允许含有机溶剂的再生( 例如 ：25 % 丙酮) l 允许含强酸的再生 l 反相压力可达 2 MPa ，不影响分析 l 不因压力受损 l

27、 使用寿命长 l 价格实惠抑抑 制制 与与 非非 抑抑 制制 Basic Course, Teil I: IC Theory 39ICICICICIC再生再生 20 mm0l/L H2SO4 ： R-SO3 Na+ + H+ R-SO3 H+ + Na+ 冲洗冲洗 水：水： 除去多余的除去多余的H2SO4 抑抑 制制 与与 非非 抑抑 制制MSM抑制器再生 Basic Course, Teil I: IC Theory 40ICICICICIC抑制与非抑制抑制与非抑制填充床型抑制器填充床型抑制器Na+ H+H2SO4 H2O 抑制抑制再生再生冲洗冲洗Theory of Ion Chromato

28、graphy Basic Course, Teil I: IC Theory 41ICICICICICTheory of Ion Chromatography抑制与非抑制抑制与非抑制 Basic Course, Teil I: IC Theory 42ICICICICIC重现性极佳ppb浓度范围18次进样 结果结果: F- Cl- NO2- Br- NO3- HPO42- SO42-浓度浓度 50 150 100 150 150 500 500 (ug/L)RSD 0.66 0.70 1.92 0.78 0.84 0.97 0.78(n=18)抑抑 制制 与与 非非 抑抑 制制MSM抑制器 特

29、点 Basic Course, Teil I: IC Theory 43ICICICICIC总结总结 电导检测电导检测 抑制反应可以降低背景电导抑制反应可以降低背景电导 抑制型离子色谱：阴离子分析灵敏度更高抑制型离子色谱：阴离子分析灵敏度更高Theory of Ion Chromatography选用什么检测器？选用什么检测器？什么是抑制型离子色谱？什么是抑制型离子色谱？抑制与非抑制？抑制与非抑制？ Basic Course, Teil I: IC Theory 44ICICICICIC离子色谱仪离子色谱仪 Basic Course, Teil I: IC Theory 45ICICICICI

30、Cl1987 l690l第一台离子色谱第一台离子色谱Metrohm 离子色谱的发展历程离子色谱的发展历程 Basic Course, Teil I: IC Theory 46ICICICICICMetrohm 离子色谱的发展历程离子色谱的发展历程l1996 年年l模块化模块化IC Basic Course, Teil I: IC Theory 47ICICICICICMetrohm 离子色谱的发展历程离子色谱的发展历程l1999 年年l761卓越型卓越型l790 通用型通用型l792 标准型标准型761 卓越型792 标准型790 通用型 Basic Course, Teil I: IC Theory 48ICICICICICMetrohm 离子色谱的发展历程离子色谱的发展历程l2003年年lMIC 研究型研究型l861 双抑制型双抑制型l844 紫外紫外/可见可见MIC 研究型861 双抑制型844844 紫外/可见 Basic Course, Teil I: IC Theory 49ICICICICICMe