分离科学与进展中科大lecture4课件

Remindermessage Wewillbehavinganin-classquizonNov.1,whichwillcoverlecture-1throughlecture-5.Helpsessionwon’tbeprovidedthistime,butquestionscanbesubmittedtotheinstructorviaemail.Beprepared!解释离子交换选择性的理论：Eisenman理论References:

E.R.Nightingale,J.Phys.Chem.63(9)pp1381-1387,1959离子色谱离子色谱方法1975年，Small等人成功地解决了用电导检测器连续检测柱流出物的难题，即采用低交换容易的阴离子或阳离子交换柱，以强电解质作流动相分离无机离子，流出物通过一根称为抑制柱的与分离柱填料带相反电荷的离子交换树脂柱。这样使得流动相中的被测离子的反离子得以除去，降低背景电导率，从而获得高的检测灵敏度，从此有了真正意义上的离子色谱法，IC也从此作为一门色谱分离技术从液相色谱法中独立出来。离子色谱方法1979年，Gjerde等采用弱电解质作流动相，因流动相本身的电导率较低，不必用抑制柱就可以用电导检测器直接检测。从们将使用抑制柱的离子色谱法称作双柱离子色谱法或抑制型离子色谱法，把不使用抑制柱的离子色谱法称作单柱离子色谱法或非抑制型离子色谱法。离子色谱的分类根据分离机理的不同，离子色谱可分为高效离子交换色谱（HPIC）、离子排斥色谱（HPIEC）和离子对色谱（IPC或MPIC）。离子色谱的分类离子排斥色谱：分离机理主要源于Donnan膜平衡、体积排阻和分配过程。固定相是具有较高容量的全磺化交联聚苯乙烯阳离子交换树脂，这种阳离子交换树脂一般不能用于阳离子的离子交换色谱分离。离子排斥色谱对于从强酸中分离弱酸以及弱酸的相互分离非常有用。离子色谱的分类离子对色谱：主要分离机理是吸附与分配。固定相是普通HPLC体系中最常用的低极性的十八烷基或八烷基键合硅胶，固定相的选择性主要靠改变流动相来调节，通过在流动相中加入一种与溶质离子带相反电荷的离子对试剂，使之与溶质离子形成中性的疏水性化合物。离子色谱的优点分析速度快：分析一个样品平均只需约10分钟的时间；检测灵敏度高：检测限可达10g/L，如使用预浓缩技术，检测下限可达ng/L；选择性好：通过选择合适的分离模式和检测方法，可以获得较好的选择性；可多离子同时分析；离子色谱柱的稳定性高：近年来出现了能耐100%有机溶剂和在全pH（1~14）范围内适用的离性能商品化离子色谱柱。离子色谱的基本理论：基本概念离子色谱的基本理论：基本概念容量因子：k=(tR-t0)/t0=(VR-V0)/V0分离度：R=2DtR/(w1+w2)选择性系数：a=ts2/ts1=(tR2-t0)/(tR1-t0)离子色谱的基本理论：基本概念离子色谱的基本理论：

色谱过程动力学塔板理论：该理论将色谱柱当作一个精馏塔，沿用精馏塔中塔板的概念描述溶质在两相间的分配行为，并引入理论塔板数N和理论塔板高度H作为衡量柱效的指标。N=5.54(tR/b1/2)2=16(tR/w)2Neff=5.54(ts/b1/2)2=16(ts/w)2(有效理论塔板数)H=L/NHeff=L/Neff离子色谱的基本理论：

色谱过程动力学塔板理论：离子色谱的基本理论：

色谱过程动力学塔板理论的缺陷（1）忽略了流动相流速这一重要参数对柱效的影响，因此无法解释流速不同时柱效不同的现象；（2）忽略了流动相和固定相的体积，不能解释溶质在柱内的扩散和传质阻力对保留值的影响。离子色谱仪：离子色谱仪的基本构成离子色谱仪基本构成流动相泵分离柱检测器输液分离检测数据记录F-NO3-SO42-Cl-NO2-Br-HPO42-进样器抑制器检测池进样色谱图保护柱整体式与积木式各有千秋整体式离子色谱仪结构紧凑、小巧基本配置、满足一般（大部分）需求价格便宜积木式离子色谱仪配置灵活满足多变的要求适合科研离子色谱仪：离子色谱仪的基本构成离子色谱仪最基本的组成由高压输液泵、进样器、色谱柱、检测器和数据记录系统组成。为什么要有专门的离子色谱仪？普通HPLC仪器流路不耐强酸强碱（IC的流路系统需采用塑料，而HPLC为金属）。一般（无机）离子没有紫外吸收（IC需配电导检测器，而HPLC标配UV检测器）。离子色谱仪：离子色谱仪的基本构成离子色谱仪的工作过程：输液泵将流动相以稳定的流速输送至分析体系，在色谱柱之前通过进样器将样品导入，流动相将样品带入色谱柱，在色谱柱中各组分被分离，并依次随流动相流至检测器，抑制型离子色谱则在电导检测器之前增加一个抑制系统，即用另一个高压输液泵将再生液输送到抑制器，在抑制器中，流动相的电导背景被降低，然后将流出物导入电导检测池，检测到的信号送到数据系统记录、处理或保存。非抑制型离子色谱仪不用抑制器和输送再生液的高压泵，因此仪器的结构相对要简单得多，价格也要便宜得多。离子色谱仪：流动相输送系统流动相容器输液泵脱气装置梯度洗脱装置流动相输送系统对泵的基本要求：高稳定性。直接关系到分析结果的重复性和准确性。流量控制准确。精度通常要求小于0.5%。一般要求能够耐2540MPa的高压。泵的死体积要小。通常要求小于0.5mL。能精确地调节流动相流量。流量测定精度约0.1%。流动相储存容器（玻璃或聚四氟乙烯，碳酸体系需密封）在线脱气装置（惰性气体鼓泡吹扫、真空脱气）高压泵离子色谱仪：流动相输送系统输液泵：可分为恒压泵和恒流泵，恒压泵的泵出口压力维持不变，当体系阻力变化时，则流量自动增加或减小以维持压力恒定；恒流泵的出口流量不变，当体系阻力变化时，则柱前压自动增加或减小以维持流量恒定。对于液相色谱分析输液泵的流量稳定性更为重要，因此恒流泵的应用更为广泛。按照工作方式输液泵又可以分为气动泵和机械泵两大类离子色谱经常使用强酸、强碱作为流动相，这就要求与流相接触的输液系统材料必须能够耐酸碱腐蚀。通常使用的材料有：不锈钢、氟塑料、聚乙烯、陶瓷以及聚醚醚酮(PEEK)等。对于不锈钢材料，若使用强酸溶液作洗脱液，须在进样阀前安装一个很高容量的阳离子交换柱，用来吸附由不锈钢输液泵体溶解的金属离子。PEEK材料的应用改变了这种情况。PEEK基本上不受酸碱腐蚀的影响，具有很高的硬度，非常适于制造输液泵的泵头和单向阀。国外离子色谱仪已经普遍采用了这种全塑泵，国内厂家近年来也在逐步采用。离子色谱仪：流动相输送系统离子色谱仪：流动相输送系统气动（放大）泵离子色谱仪：流动相输送系统活塞型往复泵离子色谱仪：流动相输送系统活塞型往复泵离子色谱仪：流动相输送系统隔膜型往复泵离子色谱仪：流动相输送系统螺旋传动注射泵输液泵主要有气动放大泵、螺旋注射泵、隔膜型往复泵、柱塞往复泵等。

(1)气动放大泵能提供无脉动的稳定流量，很适合恒量分析。因为气动泵能迅速获得很高的出口压力并提供较大的输出流量，所以特别适合匀浆法填充色谱柱。这种泵的缺点是液缸体积大，更换流动相不方便，所以现在已不再用于分析型液相色谱仪。

(2)螺旋传动注射泵能以恒定的流量输送流动相，与操作压力无关，但是在活塞复原的短时间内，没有流量输出，从而产生压力波动。另外，这种泵体积大，比较笨重，更换流动相不方便。

(3)隔膜型往复泵是一种恒流泵。它的优点是活塞不直接与流动相接触，避免了活塞密封垫磨损对流动相的污染。缺点是结构比较复杂，价格较贵，有脉动，需要配置阻尼装置来消除。

(4)柱塞往复泵是目前使用最广泛的一种恒流泵，分为单柱塞和双柱塞两种。单柱塞往复泵脉动较大，必须配置阻尼装置；双柱塞泵有两个活塞交替伸缩，脉动比单柱塞泵小得多。双柱塞泵有活塞缸并联或串联两种模式。并联模式，两个活塞的凸轮形状完全相同，但相位相反，所产生的脉动正好互相抵消；串联模式，两个凸轮形状不同，第一个凸轮提供主要动力，第二个凸轮的作用是当第一个凸轮回收时提供补充动力。柱塞往复泵的流量由电机的转速控制。柱塞往复泵的特点是：流量控制精确，脉动较小，使用方便，故障率低，更换流动相方便。与其他几种输液泵相比，柱塞往复泵具有一定的优势，尤其是双柱塞往复泵更为常用。

离子色谱仪：流动相输送系统离子色谱仪：脱气装置离子色谱仪：梯度洗脱装置在进行多成分的复杂样品的分离时，经常会碰到前面的一些成分分离不完全，而后面的一些成分分离度太大，且出峰很晚和峰型较差。为了使保留值相差很大的多种成分在合理的时间内全部洗脱并达到相互分离，往往要用到梯度洗脱技术液相色谱（含离子色谱）中通常所说的梯度主要指流动相梯度离子色谱仪：梯度洗脱装置高压梯度系统不产生气泡价格稍高离子色谱仪：梯度洗脱装置低压梯度系统混合时易产生气泡，需配在线脱气装置适合多元流动相离子色谱仪：进样器对进样器的要求是密封性好、死体积小、重复性好

进样位置废液样品流动相接色谱柱进样阀样品采样位置废液流动相接色谱柱手动（六通阀）进样器（ＬＯＡＤ）（ＩＮＪＥＣＴ）定量环离子色谱仪：色谱柱色谱柱是实现分离的核心，要求柱效高、柱容量大和性能稳定。分析型离子色谱柱的内径通常为4~8mm，柱长通常在50~100mm，比普通液相色谱柱短。填充完备的色谱柱是有方向性的，即流动相要与柱的填充方向同向。离子色谱仪：色谱柱内径：3.0,4.0,4.6,8.0mm长：50,100,150,250mm离子色谱仪：色谱柱内径：3.0,4.0,4.6,8.0mm长：50,100,150,250mm离子色谱仪：柱温箱、检测器由于离子交换柱和抑制器中所进行的离交换反应、电导池中柱流出物中的离子的迁移率对温度很敏感，有时温度对分离也会产生很大的影响，因此离子色谱仪通常需要配柱恒温箱。离子色谱常用的检测器有电导检测器、紫外检测器、电化学检测器等，其中电导检测器为离子色谱的通用检测器，也是所谓的整体性质检测器柱温箱因为离子交换反应和溶液电导率受温度影响明显，所以色谱柱、检测池、抑制器通常置于柱温箱中恒温。恒温可保持基线平稳。调节温度可以改善分离。一般能在室温~80ºC控温，日常分析一般设定约40ºC。检测器电导检测器（抑制型、非抑制型）紫外-可见检测器（直接紫外、间接紫外、二极管阵列、柱后衍生光度检测）安培检测器（直流安培、脉冲安培）IC-MSIC-ICP/MS连续监测柱流出物的响应数据处理系统色谱工作站：数据自动采集、编号、保存自动数据处理模块运行控制/远程控制分析全自动化离子色谱仪：抑制器抑制型电导检测离子色谱法使用强电解质作为流动相，如分析阴离子用碳酸钠、氢氧化钠，分析阳离子用稀硝酸、稀硫酸等。这类流动相的背景电导高，被测离子以盐的形式存在于溶液中，检测灵敏度很低。为了提高检测灵敏度通常在分离柱和检测器之间增加一抑制器，以降低流动相的背景电导，并将被测离子转变为更高电导率的形式。离子色谱仪：抑制器离子色谱仪：抑制器柱抑制器中空纤维抑制器微膜抑制器自动再生电解抑制器其他抑制器抑制器：柱抑制器最早的抑制器是和分离柱外形相同的柱形抑制器。在阴离子交换色谱中，抑制柱接于阴离子交换分离柱之后，抑制柱内填充的是强酸性H+型阳离子交换树脂，称为阳离子抑制柱。阳离子交换色谱中的抑制柱中填充的是强碱性的阴离子交换树脂，称为阴离子抑制柱抑制器：柱抑制器柱抑制器（阴离子分离）：R-SO3H+NaHCO3=R-SO3Na+H2O+CO2R-SO3H+NaOH

=R-SO3Na+H2OR-SO3H+NaCl

=R-SO3Na+HCl抑制器的两个重要作用：（1）将淋洗液离子转变成很弱的酸或水，大大降低了背景电导；（2）将样品阴离子转变为相应的酸，由于H+的摩尔电导率远远高于Na+的摩尔电导率，大大提高了所测离子的检测灵敏度。抑制器：柱抑制器柱抑制器的不足之处：（1）再生前的使用时间问题，用高容量的离子交换树脂填充的抑制柱具有较长的使用寿命，但由于死体积增大使分离度降低；（2）强酸阴离子在H-型抑制中被转换成完全离解的强酸，由于Donnan排斥的影响，在抑制柱中不保留；而弱酸根阴离子在H-型抑制柱中被转化成相应的弱酸，会吸附在抑制柱上，从而使弱酸的保留时间增加，色谱峰展宽并降低检测的灵敏度。解决此问题必须使用低比表面积的离子交换树脂（注：指凝胶型），但这样会导致交换反应变慢（注：孔洞小，可降低吸附，但使离子交换过程变慢）。抑制器：中空纤维抑制器中空纤维抑制器的功能与抑制柱相同，但其抑制反应是通过离子交换纤维进行的，纤维膜的材料是聚苯乙烯。阴离子分析用的中空纤维膜其上带有磺酸型阳离子交换基团，阳离子分析用的中空纤维膜上带有季铵基阴离子交换基团。抑制器：中空纤维抑制器抑制器：中空纤维抑制器抑制器：中空纤维抑制器抑制器：中空纤维抑制器抑制器：微膜抑制器具有柱抑制器的高交换容量和中空纤维抑制器的可连续再生的特点。其交换容量可提高一个数量级，而死体积可减小到50mL以下。微膜抑制器的高交换容量不仅来自于淋洗离子在膜壁上的高扩散速率，还与网屏本身也具有离子交换能力有关，网屏的交换容量与抑制器的容量成正比。抑制器：微膜抑制器抑制器：微膜抑制器注：此处箭头不是指流动方向，而是标注箭头抑制器：微膜抑制器微膜抑制器的高容量和自动连续再生的特性，使得可以选择的淋洗剂大大增加，既可以选择弱酸性的淋洗剂，也可选择高离子强度的淋洗剂。由于微膜抑制器同时具有高的容量和连续自动再生的特点，使得梯度洗脱技术能成功地应用于电导检测型离子色谱中。抑制器：自动再生电解抑制器抑制器：自动再生电解抑制器注：与前面定义一致，这里似乎应称阴离子抑制器Methanesulfonicacidhasbeenfoundtobeinerttothemembraneunderelectrolyticconditions.Otheracidssuchasnitricacidandhydrochloricacidproduceelectrochemicalby-productsthatmaydamagethemembraneandare,thus,notgenerallypreferredforthattypicalmembrane.抑制器：自动再生电解抑制器（填充柱型抑制器）注：通过切换这两根抑制柱交替作为抑制柱和被再生柱抑制器：自动再生电解抑制器（填充柱型抑制器）化学抑制器目的（提高灵敏度）效果（灵敏度提高1－2个数量级）原理抑制器类型（柱抑制器、微膜抑制器）抑制剂（再生液）的提供（外加、在线电解）电导检测阳离子应尽量避免采用抑制器（因为过渡金属离子在碱性条件下容易水解）。抑制器的作用废液背景电导：Na2CO3/NaHCO3

(700μS)NaF,NaCl,NaNO3Na2HPO4,Na2SO4～～ConductivityNaFNaClNaNO3Na2HPO4Na2SO4背景电导：Na2CO3/NaHCO3

(700μS)～～ConductivityHFHClHNO3H3PO4H2SO4Retentiontime背景电导：H2CO3(15μS)Conductivity抑制器抑制反应溶质电导增强（H＋的电导率最大）Na+,

Cl-

H+,

Cl-降低流动相背景电导Na+,

HCO3-

H2CO3Na+,

OH-

H2O电极－电极＋离子交换膜离子交换膜流动相屏再生液屏再生液屏微膜抑制器结构柱流出物至检测池废液

再生液Y+Na+抑制原理(阴离子分析)X-:AnioninthesampleY+:CationinthesampleH2OH2OOH-Na+Y+H2ONa+Y+

X-

Na+CO32-(sample,eluent)H+H++CO32-H++X-

TodetectorH2CO3H+X-H+

+O2H2OH2

+OH-H2ONa+OH-,H2H2O,O2wastewasteElectrode（－）Electrode（＋）PurewaterorFluidfromDetectorH+H+H+H+CationexchangemembraneCationexchangemembraneH2OH2OH+

+O2H2OH2

+OH-H2OWaste/ExhaustWasteH2OSO42-Y+

X-H+MSA-(sample,eluent）OH-OH-MSA-SO42-X-OH-MSA-SO42-X-H+MSA-,O2H2O,H2H++OH-Y++OH-

H+抑制原理(阳离子分析)TodetectorH2OY+OH-X-:AnioninthesampleY+:CationinthesampleElectrode（＋）Electrode（－）AnionexchangemembraneAnionexchangemembranePurewaterorFluidfromDetector微膜抑制器的优缺点优点：可以连续再生交换容量高死体积小（50L以下）缺点：基体物质和溶剂对膜可能带来损害工作曲线线性范围受离子交换膜的影响柱抑制器填充带相反电荷离子交换剂的柱管状抑制器柱抑制器的优点：交换容量高、制备容易早期柱抑制器的缺点：

不能连续再生死体积大（色谱峰展宽）新型连续自动再生柱抑制器克服了上述缺点新型连续自动再生柱抑制器

三根高容量、长寿命和易操作的微填充抑制柱。一根在流路工作一根用硫酸再生一根用水冲洗离子色谱法中的常用检测技术电导检测技术紫外-可见检测技术安培检测技术荧光检测法离子色谱法中的常用检测技术：

电导检测技术离子色谱法中的常用检测技术：

电导检测技术电导池的构造与工作原理离子色谱法中的常用检测技术：

电导检测技术离子色谱法中的常用检测技术：

紫外-可见检测技术直接紫外检测法：离子色谱中直接紫外检测用得不多，因为多数无机离子没有紫外吸收或吸收很弱，但具有紫外吸收的有机离子可以用此法检测；间接紫外检测法：以具有紫外吸收的物质作淋洗剂，测定无紫外吸收的离子，因此通常得到的为负峰离子色谱法中的常用检测技术：

紫外-可见检测技术柱后衍生化紫外-可见检测：紫外衍生化是将无紫外吸收或紫外吸收很弱的化合物与带有紫外吸收基团的衍生化试剂反应，生成可用紫外检测的化合物；可见光衍生比紫外衍生化更有用，特别是对过渡金属离子和稀土离子通过将柱流出物与显色剂反应生成有色的配合物后被检测。氨基酸的柱后可见光衍生化检测是广泛采用的检测方法。离子色谱法中的常用检测技术：

安培检测技术此类检测器通常用于检测难离解的离子性化合物；通常使用恒电位安培法和脉冲安培法，工作电极的材料以石墨、铂、金、银等为主。离子色谱法中的常用检测技术：

荧光检测法也可分为直接荧光检测法和间接荧光检测法以及柱后荧光衍生技术。离子交换色谱现代离子交换色谱法采用低交换容量、高分离效率的离交换剂，样品的导入方式也完全改变，用阀进样准确地进样，并使进样体积减小到10~100L，色谱峰变得相当尖锐，使分离度提高，一次进同时分离的组分数大大增加，在线连续检测使分离与定量测定融为一体。离子交换色谱：固定相离子色谱固定相离子交换树脂的特点离子交换填料的制备常用离子交换固定相新型离子色谱固定相离子色谱填料的结构构成：载体（基质）、功能层、离子交换基团。载体：高分子（树脂）微球、硅胶颗粒、氧化铝、氧化锆、活性碳。

载体应具有一定刚性（承受一定压力），它对分离不起明显作用，但其物理性质会影响分离效果。功能层：含离子交换功能基团的分子构成的薄层。功能基团：阴离子、阳离子、阴阳离子。

功能基团的种类和性质决定离子的保留和分离状况。离子色谱固定相的物理结构1.凝胶型（微孔型）树脂整个结构中均充满微细孔道。交联度决定孔径，交联度大于8％时，孔径小于5nm。交换容量较大。一般在3-5mmol/g。广泛用于小分子分离。可用作抑制柱填料。低交换容量微孔型树脂吸附有机大分子，可用于糖、多肽、核苷酸等物质的分析。离子色谱固定相的物理结构2.大孔型树脂在聚合过程中加入惰性溶剂，致使树脂骨架内形成大孔，骨架内同时存在小于5nm的微孔。大孔可达数十nm。体积较大的分子可进入大孔，与孔内基团作用，适合大分子分离。大孔树脂的机械强度会降低。离子色谱固定相的物理结构3.薄壳型有一刚性固体惰性核（如低交联度聚苯乙烯）。核中无离子交换基团，具有一定疏水性。惰性核外是一层带活性基团的离子交换薄膜，该薄膜和微孔树脂一样具有溶胀性，可进行离子交换。薄壳型阳离子交换树脂就是通过将聚苯乙烯刚性基球置于热浓硫酸中反应数分钟，仅将其表面磺化制得的，形成一层数十nm的磺酸功能基层。薄壳型树脂传质速度快，分离效率高。交换容量约0.02mmol/g。离子色谱固定相的物理结构4.表面多孔型通过物理或化学方法在惰性核表面覆盖一层极细的离子交换树脂颗粒，这些小颗粒上又可通过化学或机械方法结合上一层离子交换体。常用附聚型阴离子交换树脂属此类型，其惰性核为表面磺化薄壳型阳离子交换树脂，核外是由许多0.050.4m粒径的阴离子交换树脂胶乳组成的功能薄层。薄壳型和表面多孔型又可统称表层性离子交换剂，其传质速度快、柱效高。因为惰性核与流动相溶液接触时溶胀小，即使流动相组成变化大，也能迅速达到平衡，因此适用于梯度洗脱。表层性离子交换剂表面的离子交换体少，交换容量低，只适合作分析型色谱柱填料。离子交换树脂的优缺点优点：制备简单、种类多。缺点：溶胀大、不耐高压、基质表面和内部的微孔会影响溶质传递速率。硅胶基质离子交换固定相成为发展趋势硅胶基质离子交换固定相多孔硅胶微球：310m。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0.10.3mmol/g的硅胶基质阴离子交换剂。用于表面薄层离子交换剂的是大颗粒硅胶基质，粒径在2540m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