儀器分析-電子教材:第十一章離子色譜法

第十一章  離子色譜法

離子色譜法（ion chromatography，IC)是以離子交換樹脂為固定相、洗脫液為流動相，根據(jù)試液中各種離子對固定相親和力的差異而分離，然后進行檢測的一種分離分析技術(shù)。它主要用于分離分析無機陰離子，也可用于金屬陽離子、有機酸、有機堿等能電離的化合物以及能與離子基團相互作用的化合物的分離分析，已廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測、衛(wèi)生檢驗、醫(yī)學(xué)檢驗、生命科學(xué)等領(lǐng)域。離子色譜法按分離機制不同可分為高效離子色譜法（high performance ionchromatography，HPIC)、高效離子排斥色譜法（high performance ionexclusion chromatography，HPIEC)和流動相離子色譜法（mobile phase ion chromatography，MPIC)。按色譜流程不同，還可分為抑制型離子色譜法（或雙柱離子色譜法)和非抑制型離子色譜法（或單柱離子色譜法)。離子色譜法具有操作簡便、靈敏快速、精密度高、選擇性好、分析結(jié)果準(zhǔn)確可靠及應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點。

第一節(jié)  離子色譜儀

采用電導(dǎo)檢測的離子色譜儀有兩種類型，一類是以抑制電導(dǎo)檢測為基礎(chǔ)的雙柱離子色譜儀（抑制型)，另一類是以直接電導(dǎo)檢測為基礎(chǔ)的單柱離子色譜儀（非抑制型)，都是由輸液系統(tǒng)、進樣系統(tǒng)、分離系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)五大部分組成。離子色譜分析流程如圖11-1所示。

圖 11-1  離子色譜流程圖

a 雙柱離子色譜流程圖 b單柱離子色譜流程圖

一、輸液系統(tǒng)

輸液系統(tǒng)包括貯液罐和輸液泵。貯液罐是用聚乙烯材料制成的封閉容器，用以存放流動相、再生液和沖洗液。輸液泵一般采用全塑料的雙柱塞式往復(fù)平流高壓泵，以提供平穩(wěn)的液流。由于所使用的流動相通常由強酸強堿組成，因此，凡接觸流動相的部件包括貯液罐、泵、管道、閥門、柱子及接頭等都要求耐高壓和耐酸堿腐蝕。

二、進樣系統(tǒng)

采用六通閥進樣，與高效液相色譜儀所用的相同。

三、分離系統(tǒng)

分離系統(tǒng)的關(guān)鍵部件是色譜柱，是離子色譜儀的心臟，起著分離樣品組分的作用。色譜柱一般內(nèi)徑為3～4mm，長度為150～250mm，一般用耐高壓耐腐蝕的聚氟化合物或環(huán)氧化合物等惰性材料制成。固定相常用離子交換樹脂。色譜柱一般在室溫下使用，有些儀器也配備柱溫箱。

四、檢測系統(tǒng)

檢測系統(tǒng)的主要部分是檢測器，是離子色譜儀的眼睛，其作用是將流出色譜柱的洗脫液中被分離組分的濃度變www.med126.com化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘�。離子色譜儀的檢測器有電化學(xué)檢測器和光學(xué)檢測器兩大類。電化學(xué)檢測器包括電導(dǎo)和安培檢測器，光學(xué)檢測器包括紫外-可見、熒光及原子吸收檢測器。電導(dǎo)檢測器（conductance detector)又分為抑制型和非抑制型兩種，其中應(yīng)用廣泛的是抑制型電導(dǎo)檢測器。下面介紹幾種常用的檢測器。

（一)抑制型電導(dǎo)檢測器 抑制型電導(dǎo)檢測器是通用型檢測器，由抑制柱（suppressor column)和電導(dǎo)池組成。當(dāng)攜帶樣品組分的洗脫液通過電導(dǎo)池時，由電導(dǎo)值變化測量被分離組分的濃度。抑制柱是抑制型電導(dǎo)檢測器的關(guān)鍵部件，其作用是降低洗脫液的背景電導(dǎo)，增大響應(yīng)信號，提高檢測器的信噪比。電導(dǎo)檢測器靈敏度高，達mmol/L級，甚至μmol/L級，其不足之處是電導(dǎo)受溫度影響較大，影響檢測的靈敏度。20世紀80年代出現(xiàn)以微處理機控制的電導(dǎo)檢測器，可對環(huán)境溫度作精密、準(zhǔn)確的補償，從而保證了測定的重現(xiàn)性，提高了檢測的靈敏度。

（二)紫外-可見光度檢測器  紫外-可見光度檢測器（ultraviolet visible detector)與高效液相色譜中使用的無明顯區(qū)別。在可見光區(qū)檢測時，常在柱后接后置反應(yīng)器，使被測組分與顯色劑充分反應(yīng)，以提高測定的靈敏度，主要用于重金屬、過渡金屬及稀土金屬元素的測定；在紫外光區(qū)檢測時，檢測器直接與色譜柱相連，用于有紫外吸收組分的測定。

熒光檢測器（fluorescence detector)和安培檢測器（ampere detector)具有靈敏度高，選擇性好的特點。熒光檢測器主要用于熒光物質(zhì)或衍生化處理形成熒光衍生物的一類化合物的分析；安培檢測器主要用于在工作電極表面能產(chǎn)生氧化或還原反應(yīng)物質(zhì)的分析。

五、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

離子色譜儀現(xiàn)在多用色譜工作站記錄離子色譜圖（ions chromatogram)，準(zhǔn)確計算色譜峰的峰高、峰面積和保留值等數(shù)據(jù)，自動繪制校正曲線和計算分析結(jié)果等。通過色譜工作站還可以設(shè)置分析條件，控制整個色譜系統(tǒng)的正常運行，提高了離子色譜法的自動化和智能化程度。

第二節(jié)  離子色譜法的基本原理及影響色譜峰展寬的因素

離子色譜法是高效液相色譜的一個分支，其基本原理、色譜理論、常用術(shù)語及定性定量分析等與高效液相色譜基本相同。離子色譜法所用的固定相是經(jīng)過特殊處理的離子交換樹脂（ion exchange resin)或多孔樹脂（porous resin)，流動相是強酸或強堿溶液。固定相的性質(zhì)除決定分離機制外，還決定流動相以及檢測方式的選擇。抑制反應(yīng)是抑制型離子色譜高靈敏度和高選擇性的重要因素，也是選擇固定相和流動相時必須考慮的主要因素。

一、離子交換樹脂的類型和選擇性系數(shù)

（一)離子交換樹脂的類型

離子交換樹脂根據(jù)其功能基上可交換離子的電荷不同，分為陽離子交換樹脂和陰離子交換樹脂兩大類。離子色譜中應(yīng)用最廣泛的是由苯乙烯-二乙烯基苯共聚物制得的強酸型陽離子交換樹脂和強堿型陰離子交換樹脂，二乙烯基苯是交聯(lián)劑。按樹脂顆粒的物理結(jié)構(gòu)不同，離子交換樹脂還可分為微孔型、大孔型和薄殼型三種，它們的性能和適用范圍各不相同。目前離子色譜中廣泛采用薄殼型離子交換樹脂（superficial ion exchanger)。

薄殼型陽離子交換樹脂的結(jié)構(gòu)如圖11-2所示。中心為惰性基核，常用材料為高交聯(lián)度多孔的聚苯乙烯樹脂，直徑為10～20μm或更小。核表面為薄的磺化層（厚度數(shù)十納米)，在水中呈溶脹狀態(tài)，可以發(fā)生離子交換作用。

 圖11-2  薄殼型陽離子離子交換樹脂的結(jié)構(gòu)  圖11-3  薄殼型陰離子離子交換樹脂的結(jié)構(gòu)

薄殼型陰離子交換樹脂的結(jié)構(gòu)如圖11-3所示。中心為表面磺化的薄殼型陽離子交換樹脂，陰離子交換樹脂膠乳微粒（直徑為幾十納米)通過物理或化學(xué)方法牢固的附著在磺化層表面，膠乳層可以發(fā)生離子交換作用。

薄殼型離子交換樹脂的特點是：①交換容量較小，交換速度快，柱效高。②在強酸強堿溶液中化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。③剛性較強，受流動相沖擊時基本不變形。

（二)離子交換樹脂的選擇性系數(shù)

離子與交換樹脂的親和力與其在該樹脂上的選擇性系數(shù)有關(guān)。假設(shè)兩種離子A和B在樹脂上進行交換，如以a和b分別表示各自的價態(tài)，r和s分別表示樹脂相和溶液相，則其交換反應(yīng)可用下式表示：

交換反應(yīng)的平衡常數(shù)為：

   （11-1)

式中，、分別為樹脂相中A、B離子的物質(zhì)的量濃度，、分別為溶液相中A、B離子的物質(zhì)的量濃度。平衡常數(shù)稱為樹脂對A、B兩種離子的相對選擇性系數(shù)，也簡稱為選擇性系數(shù)（selectivity coefficients)。選擇性系數(shù)越大，表示樹脂對A、B兩種離子的親和力差別越大。為了便于比較和應(yīng)用，常用某離子作為參考離子，測出一系列離子的選擇性系數(shù)。常用作參考離子的陽離子有Li⁺或H⁺，陰離子有Cl^-。

選擇性系數(shù)不僅與離子和樹脂的性質(zhì)有關(guān)，而且與流動相性質(zhì)及濃度有關(guān)。一般來說，離子的價態(tài)越高、水合離子半徑越大、極化度越大；與樹脂的親和力越強，其選擇性系數(shù)也越大，流出色譜柱也越慢；離子與流動相分子的相互作用力越強，其選擇性系數(shù)越小，流出色譜柱也越快。選擇性系數(shù)是選擇流動相的主要依據(jù)。在離子濃度相同的情況下，樹脂優(yōu)先選擇具有較高電荷的離子，如陽離子交換樹脂對帶不同電荷陽離子的選擇性（親和力)次序為：Th⁴⁺＞Fe³⁺＞Ca²⁺＞Na⁺。樹脂對同價離子的選擇性是隨著原子量的增大而增強，例如陽離子交換樹脂對堿金屬和堿土金屬離子的選擇性次序為：Cs⁺＞Rb⁺＞K⁺＞Na⁺＞Li⁺和Ba²⁺＞Sr²⁺＞Ca²⁺＞Mg²⁺。在常溫低濃度時，常見陽離子對強酸型陽離子交換樹脂的選擇性次序為：Fe³⁺＞Al³⁺＞Ba²⁺＞Pb²⁺＞Ca²⁺＞Cd²⁺≥Cu²⁺≥Zn²⁺≥Mg²⁺＞K⁺＞NH＞Na⁺＞H⁺。在常溫低濃度時，常見陰離子對強堿型陰離子交換樹脂的選擇性次序為：PO₃^3-＞SO₄^2-＞I^-＞HSO₄^-＞NO₃^-＞CN^-＞NO₂^-＞Cl^-＞HCO₃^-＞OH^-。

二、離子色譜法的基本原理

（一)高效離子色譜法

1.分離機制 高效離子色譜法是應(yīng)用最廣泛的抑制型離子色譜，固定相是低容量（0.01～0.5mmol/g)的離子交換樹脂，根據(jù)不同離子對樹脂親和力的差別使試樣組分分離，主要用于親水性陰、陽離子的分析。

陰離子分離中，固定相常用薄殼型陰離子交換樹脂，流動相一般用堿性溶液。以聚苯乙烯型季銨型離子交換樹脂作固定相，以NaOH溶液作流動相分離陰離子X^-為例。用流動相平衡色譜柱后進樣，樣品組分在柱上的交換平衡可用下式表示：

陽離子分離中，常用薄殼型陽離子交換樹脂作為固定相，流動相一般用酸性溶液。以聚苯乙烯型磺酸型離子交換樹脂作固定相，以HCl溶液作流動相分離陽離子M⁺為例，樣品離子在柱上的交換平衡為：

高效離子色譜法的分離機制除了離子交換之外，對某些離子也存在非離子相互作用，重要的是吸附作用。

2.抑制柱的工作原理 抑制柱有樹脂填充抑制柱、管狀纖維膜抑制柱、平板微膜抑制柱等。下面以樹脂填充抑制柱為例進行討論。樹脂填充抑制柱是第一代抑制柱，其制作簡單，價格便宜，抑制容量中等，至今仍在使用。

陰離子分析中，抑制柱的填料用中到高交聯(lián)度的常規(guī)磺酸型陽離子交換樹脂。分離后的陰離子X^-隨流動相NaOH進入抑制柱，在柱上發(fā)生兩個重要的交換反應(yīng)：

經(jīng)過抑制柱反應(yīng)，流動相轉(zhuǎn)變成水，樣品離子轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的酸。

陽離子分析中，抑制柱的填料用中到高交聯(lián)度的常規(guī)季銨型陰離子交換樹脂。經(jīng)過分離的陽離子M⁺隨流動相HCl進入抑制柱，在柱上發(fā)生下列交換反應(yīng)：

流動相轉(zhuǎn)變成水，樣品離子轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的堿。

總之，通過抑制柱反應(yīng)，流動相本身的電導(dǎo)值大大降低，改善了檢測的信噪比，獲得較高的檢測靈敏度。

樹脂填充抑制柱有兩個缺點：一是樹脂需要周期性再生。二是分離弱酸陰離子時，由于抑制柱樹脂具有高電荷密度，陰離子會受到Donnan排斥，因此得不到好的再現(xiàn)性，甚至無法進行低濃度的定量測定。管狀纖維膜抑制柱、平板微膜抑制柱、自身再生抑制柱和電化學(xué)抑制柱能克服樹脂填充抑制柱的缺點，特別自身再生抑制柱和電化學(xué)抑制柱是目前最先進的抑制柱。

（二)高效離子排斥色譜法

高效離子排斥色譜法主要用于無機弱酸和有機酸的分析，也可用于醇類、醛類、糖類、氨基酸的分析。

1.分離機制 高效離子排斥色譜法的固定相為高交換容量（3～5mmol/g)的離子交換樹脂，樹脂的電荷密度較大，其分離機制主要基于Donnan排斥，下面以分離水溶液中草酸和丙二酸為例說明。用苯乙烯-二乙烯基苯磺酸型陽離子交換樹脂為固定相、HCl為洗脫液，分離過程見圖11-4。

圖11-4  有機酸在離子排斥色譜柱上的分離過程

當(dāng)流動相通過固定相時，在磺酸基表面形成水化層，該水化層與流動相之間的界面相當(dāng)于帶負電荷的Donnan膜，該膜只允許未離解的分子通過。洗脫液陰離子和以離子形式存在的其它組分由于受到Donnan排斥，不能通過水化層，很快地流出柱外；未離解的有機酸不受Donnan排斥，可通過水化層，并在樹脂微孔和洗脫液中進行分配而被保留。保留時間主要取決于弱酸的pKa，pKa越大，保留時間越長。所以，草酸（pKa₁=1.27)先流出，丙二酸（pKa₁=2.86)后流出。另外，保留時間還受空間位阻和吸附作用的影響，空間位阻越大，吸附作用越小，保留時間越短。

2. 抑制柱的工作原理  有機酸主要采用抑制型電導(dǎo)檢測，常用陽離子纖維膜抑制柱，它是一種磺酸型離子交換膜，洗脫液在纖維管內(nèi)流動，再生液在纖維管外與洗脫液相反的方向流動。以烷基磺酸為洗脫液，氫氧化四丁基銨為再生液分離有機酸時，四丁基銨離子通過膜與內(nèi)側(cè)洗脫液和有機酸中的H⁺交換，并發(fā)生抑制反應(yīng)：

式中，RSO₃^-H⁺為烷基磺酸，TBA⁺OH^-為氫氧化四丁基銨，H⁺A^-為有機酸。洗脫液中的H⁺與再生液中的OH^-結(jié)合成水，洗脫液轉(zhuǎn)變成RSO₃^-TBA⁺，有機酸中的H⁺也與再生液中的OH^-結(jié)合成水，有機酸轉(zhuǎn)變成TBA⁺A^-，從而降低了洗脫液

的高背景電導(dǎo)。RSO₃^-TBA⁺的電導(dǎo)比 RSO₃^-H⁺低很多。

（三)流動相離子色譜法

流動相離子色譜法又稱為離子對色譜法（ion pair chromatography)，主要用于分離疏水性的陰陽離子，包括大分子量的脂肪羧酸、陰離子和陽離子表面活性劑、烷基磺酸鹽、芳香磺酸鹽和季銨化合物等。

1.分離機制 離子對色譜體系的固定相為高交聯(lián)度高比表面積的中性無離子交換功能基的聚苯乙烯大孔樹脂，流動相是水溶液。為了使待測離子能被固定相保留，必須使其具有足夠的疏水性，因此在流動相中加入與被測離子A⁺電荷相反的平衡離子B^-（稱為對離子或反離子)，A⁺與B^-能結(jié)合成中性疏水的離子對A⁺B^-，并在疏水性固定相和流動相之間分配，分配平衡為：

離子對的形成常數(shù)越大，且疏水性越強，則被測離子的保留時間越長。由于不同組分形成離子對的能力不同以及離子對的疏水性不同，組分在固定相中的保留作用不同而達到分離。

2. 離子對試劑和有機溶劑  離子對色譜的流動相主要包括離子對試劑和有機溶劑，改變離子對試劑和有機溶劑的類型和濃度可以達到不同的分離要求。

離子對試劑一般是較大的離子型分子，在水中能夠電離產(chǎn)生對離子，離子對試劑的選擇取決于待測離子和試樣基體中其它離子的疏水性。一般親水性離子的分離應(yīng)選用疏水性的離子對試劑，而疏水性離子的分離則應(yīng)選用親水性的離子對試劑。陰離子分離中常用離子對試劑的疏水性次序為：氫氧化四丁基胺＞氫氧化四丙基胺＞氫氧化四乙基胺＞氫氧化四甲基胺＞氫氧化銨。陽離子分離中常用離子對試劑的疏水性次序為：辛烷磺酸＞庚烷磺酸＞己烷磺酸＞戊烷磺酸＞全氟磺酸＞高氯酸＞鹽酸。當(dāng)離子對試劑的濃度增加時，被分離組分的保留也增強，用電導(dǎo)檢測時，其濃度還受抑制柱抑制容量的限制。因此，離子對試劑的濃度范圍一般為10^-4~10^-2mol/L。

有機改進劑用于減少保留時間和改進分離的選擇性，對疏水性較強組分的影響較大。常用的有機改進劑有乙腈、甲醇和異丙醇，其中乙腈最好。被測組分和離子對試劑的疏水性越強，所需有機改進劑的濃度越高，一般在5%～40%之間。

3.抑制柱反應(yīng) 離子對色譜中常用抑制型電導(dǎo)檢測，抑制柱與高效離子色譜的相同。在陰離子分離中，強酸型抑制柱上發(fā)生的交換反應(yīng)為：

離子對試劑（R₄N⁺OH^-)中的陽離子被除去，OH^-與樹脂（R—SO₃^-H⁺)的H⁺生成水；離子對（R₄N⁺A^-)中的被測離子A^-轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的酸。

在陽離子分離中，強堿型抑制柱上發(fā)生的反應(yīng)為：

離子對試劑（RSO₃^-H⁺)中的陰離子被除去，H與樹脂（R—N(CH₃)₃⁺OH^-)的OH^-生成水；離子對（RSO₃^-B⁺)中的被測離子B⁺轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的堿。

三、影響色譜峰展寬的因素

在高效液相色譜中，Van Deemter方程是描述色譜峰展寬的基本理論，即塔板高度由渦流擴散項、縱向擴散項和傳質(zhì)阻力項的總和所決定。Giddings認為渦流擴散和動態(tài)流動相傳質(zhì)（橫向擴散)這兩項對色譜峰展寬的影響不是孤立的，而是相互關(guān)聯(lián)而偶合的，它們對色譜峰展寬的影響可用原兩項倒數(shù)和的倒數(shù)表示。Giddings偶合式（或稱為速率理論方程偶合式)為：

 （11-2)

    （11-3)

式中，H_e為渦流擴散項；H_d為縱向擴散項；H_m為動態(tài)流動相傳質(zhì)阻力項，H_sm為靜態(tài)流動相傳質(zhì)阻力項，H_s為固定相傳質(zhì)阻力項，三項總稱為傳質(zhì)阻力項；H_c為偶合項；u為流動相的平均線速度。下面分別對H_c、H_d、H_sm、H_s進行討論。

（一)偶合項H_c對塔板高度的貢獻

渦流擴散項是因同種組分分子在色譜柱中運行的路徑不同而引起的展寬。

  （11-4)

式中，λ為填充不規(guī)則因子，d_P為樹脂顆粒的直徑。

動態(tài)流動相傳質(zhì)阻力項是由于同一流路中靠近固定相表面的流動相流動緩慢而流路中心的流動相流動較快而引起的展寬。

（11-5)

式中，C_m為與容量因子有關(guān)的系數(shù)，D_m為組分在流動相中的擴散系數(shù)。

實際上，渦流擴散和動態(tài)流動相傳質(zhì)是相互關(guān)聯(lián)而偶合的，對塔板高度貢獻的偶合項為：

  （11-6)

在高線速度下，H_c接近H_e，即受渦流擴散過程控制；在低線速度，H_c接近H_m，即受動態(tài)流動相傳質(zhì)阻力所控制。

（二)縱向擴散項H_d對塔板高度的貢獻

縱向擴散是由于組分在柱內(nèi)存在著濃度梯度，在流動方向上產(chǎn)生分子擴散而引起的色譜峰展寬�？v向擴散對塔板高度的貢獻為：

  （11-7)

式中，γ為與色譜柱填充均勻性有關(guān)的系數(shù)，D_m和u同前。在填充柱中γ約為0.6，離子色譜中D_m值很小，約為10^-5cm²/s，所以H_d可以忽略。

（三)固定相傳質(zhì)阻力項H_s對塔板高度的貢獻

固定相傳質(zhì)阻力是由于組分分子在固定相內(nèi)傳質(zhì)過程的速度差而引起的色譜峰展寬。離子交換樹脂為多孔性結(jié)構(gòu)，固定相傳質(zhì)阻力影響較大。以球形離子交換樹脂作固定相時，固定相傳質(zhì)阻力對塔板高度的貢獻為：

 （11-8)

式中，D_s為組分在樹脂內(nèi)的擴散系數(shù)，一般為10^-8～10^-5cm²/s；k為容量因子；q為結(jié)構(gòu)校正系數(shù)，對薄殼型離子交換樹脂，q值與樹脂球外徑和樹脂基核半徑有關(guān)。在離子色譜中，薄殼型離子交換樹脂的H_s值較相同直徑的其它型離子交換樹脂小200～2000倍。

（四)靜態(tài)流動相傳質(zhì)阻力項H_sm對塔板高度的貢獻

用多孔顆粒作固定相時，孔穴內(nèi)的流動相稱為靜態(tài)流動相（或滯流流動相)。組分分子必須擴散通過靜態(tài)流動相才能到達固定相，這種現(xiàn)象稱為靜態(tài)流動相傳質(zhì)阻力，它對塔板高度的貢獻為：

    （11-9)

式中，φ為顆粒的孔隙率，r為與顆粒內(nèi)孔道彎曲程度有關(guān)的系數(shù)。

綜上所述，可以得出如下結(jié)論：①在離子色譜中，H_d可以忽略，H_c、H_s和H_sm對H都有影響，其影響程度與固定相的性質(zhì)和色譜條件有關(guān)。②當(dāng)d_P和u很小時，H值較小。離子色譜中采用的固定相顆粒直徑約為10μm。③流動相的粘度較小時，D_m值較大，則H值較小。④分離溫度較高時，D_m、D_s值較大，則H值較小。⑤組分分子較小時，D_m、D_s值較大，則H值較小。

第三節(jié)  色譜條件的選擇

離子色譜法主要有三種分離方式，分離方式的選擇主要取決于被測物。親水性陰陽離子的分析，最好選用高效離子色譜法；分析無機弱酸有機酸時，一般選用高效離子排斥色譜法；若分析疏水性陰陽離子，一般選流動相離子色譜法。下面討論抑制型離子色譜法的主要色譜條件。

一、固定相的選擇

抑制型高效離子色譜法中，分離的選擇性主要取決于固定相。固定相一般用薄殼型離子交換樹脂，其選擇性與樹脂的組成、樹脂的交換容量及功能基的類型和結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)。陰離子交換樹脂的功能基一般是季銨基、叔胺基、仲胺基和伯胺基，陽離子交換樹脂的功能基多為磺酸基、羧酸基和磷酸基。強酸和強堿型樹脂可在很寬的pH范圍保持它們的容量，而弱酸和弱堿型樹脂只能在有限的pH范圍保持容量。幾種典型的抑制型離子色譜柱的固定相性質(zhì)及其基本應(yīng)用列于表11-1中。

表11-1  幾種典型的抑制型離子色譜柱的固定相性質(zhì)及其基本應(yīng)用

①陰離子交換柱。②陽離子交換柱。③給出的交換容量是對250mm×4.0mmI.D.柱而言。

高效離子排斥色譜法的固定相是總體磺化的苯乙烯-二乙烯基苯陽離子交換樹脂。樹脂的交聯(lián)度決定有機酸擴散進入固定相的大小程度，因而影響保留的強弱，目前大多數(shù)樹脂的交聯(lián)度為8%。幾種典型的離子排斥色譜柱的固定相性質(zhì)列于表11-2中。ICE-AS1主要用于分析脂肪族一元羧酸。ICE-AS5和ICE--AS6，其功能基除磺酸基外還有羧基，能與有機酸中的羥基形成氫鍵，因此，它們的保留作用除了離子排斥以外，還有疏水性吸附和氫鍵力，對有機弱酸的保留明顯增強。ICE-AS5主要用于二元和三元羧酸的分析，ICE-AS6主要用于復(fù)雜基體或高離子強度樣品中有機酸、羥基有機酸和醇類的分析，也可代替ICE-AS1和 ICE-AS5。苯乙烯-二乙烯基苯離子排斥色譜柱不宜用于芳香羧酸的分離，因為固定相和羧酸的芳香環(huán)π-π相互作用，使芳香羧酸被強保留在柱上而難以洗脫。

表11-2  幾種苯乙烯-二乙烯基苯離子排斥色譜柱的固定相性質(zhì)

流動相離子色譜法的固定相是交聯(lián)度為55%的乙基乙烯基苯-二乙烯基苯聚合物大孔樹脂，無離子交換功能基，在pH=0～14穩(wěn)定，允許流動相中含有酸堿和有機溶劑，可用于陰離子和陽離子的分離。流動相離子色譜的選擇性主要由流動相決定，受固定相的影響較小。

二、色譜柱長度的選擇

色譜柱的長度影響理論塔板數(shù)，柱子越長柱效越高，分離效果越好。另外，色譜柱長度也影響柱交換容量。當(dāng)樣品中被測離子的濃度遠小于其它離子的濃度時，推薦用長色譜柱以增加柱容量，但色譜柱過長又增加保留時間。所以在滿足分離要求和檢測靈敏度的條件下，盡量用較短的色譜柱。

三、洗脫液的選擇

抑制型高效離子色譜法中，在固定相選定之后，洗脫液的選擇對控制和改善分離度起著很重要作用。洗脫液必須具備兩個條件：①能從色譜柱樹脂上置換待測離子，即洗脫離子和待測離子的選擇性系數(shù)接近或稍大；②能發(fā)生抑制柱反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物為電導(dǎo)很低的弱電解質(zhì)或水。

陰離子分析的洗脫液一般為弱酸鹽，弱酸的pKa需大于6，包括Na₂CO₃、NaHCO₃、NaOH、Na₂B₄O₇、酚鹽、氨基酸等。選擇洗脫液的規(guī)則是：弱保留的陰離子如F^-、H₂PO₃^-、IO₃^-等，一般選弱的洗脫液，如Na₂B₄O₇、NaOH、NaHCO₃。中等保留的陰離子如NO₃^-、Br^-、SO₄^2-、PO₃^3-等，一般選用中等強度的洗脫液，如H₂NCH(R)COOH/NaOH、NaHCO₃/Na₂CO₃。強保留的陰離子如I^-、SCN^-、ClO₄^-等，一般用中等強度的NaHCO₃/Na₂CO₃洗脫液，并在其中加入一些極性有機溶劑如甲醇、乙醇或?qū)η璺拥龋�縮短這些組分的保留時間和改善分離效果。

分析堿金屬、銨和小分子脂肪胺等一價陽離子時，洗脫液常用HCl或HNO₃的稀溶液，濃度為2～40mmol/L。二價陽離子對樹脂的親和力較大，必須用較高濃度的無機酸才能將它們洗脫下來，這就縮短了抑制柱的再生周期和使用壽命，并加重對儀器不銹鋼部件的腐蝕，因此，HCl和HNO₃不適合作二價離子的洗脫液。堿土金屬離子常用二氨基丙酸、乙二酸、檸檬酸等有機洗脫液，其中2,3-二氨基丙酸和HCl的混合溶液洗脫效果較好。

另外，洗脫液的濃度和pH也影響洗脫能力，濃度增大洗脫能力增強，弱酸陰離子和弱堿陽離子受pH的影響較大。

流動相離子色譜法中洗脫液的主要作用是改變?nèi)芤旱膒H值，控制弱酸的離解。因此，洗脫液的pH是影響弱酸保留的主要因素，pH值越小，弱酸的保留時間越長。最簡單的洗脫液是去離子水，主要用于碳酸鹽的分析。對有機酸的分離，常用的洗脫液是無機酸，如HCl、H₂SO₄或HNO₃，有時在洗脫液中加入少量有機溶劑，如乙腈、丙醇或乙醇，以減弱它們的保留。另一類洗脫液是烷基磺酸和全氟代羧酸，如辛烷磺酸、全氟代丁酸、全氟代庚酸等。抑制型電導(dǎo)檢測時，酸的最高使用濃度一般為0.01mol/L，所以流動相離子色譜主要用于pKa值在1.5～7之間的有機弱酸的分析。此外，用抑制柱時，必須根據(jù)不同的抑制柱來選擇洗脫液,一般纖維膜抑制柱用烷基磺酸為洗脫液，填充抑制柱用HCl為洗脫液。

四、洗醫(yī).學(xué)全在線脫液流速的選擇

Giddings速率理論方程表明，理論塔板高度在非常低的流速時有較明顯的增加，此后緩慢增加并趨于平穩(wěn)，因此增加洗脫液流速能縮短保留時間而并不明顯地降低柱效。但流速的增加還受色譜柱最大操作壓力的限制。所以，在能滿足分離度要求的情況下，盡量增大洗脫液流速，縮短分析時間，一般小于1ml/min。在對樹脂親和力差別較大的多離子檢測中，用梯度洗脫更為合適。

第四節(jié)  離子色譜法的應(yīng)用

離子色譜法的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在對無機陰離子的分析，也可用于無機陽離子、有機酸堿、糖類、氨基酸和蛋白質(zhì)等化合物的分析。能用離子色譜法測定的無機陰陽離子以及有機化合物已達200多種，廣泛地應(yīng)用于預(yù)防醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測、衛(wèi)生檢驗、藥物分析、生命科學(xué)、石油化工、電力工業(yè)等各個領(lǐng)域。

1．水中無機陰離子的測定  美國國家環(huán)境保護局（EPA)將高效離子色譜法作為飲用水和廢水中陰離子測定的標(biāo)準(zhǔn)方法。采用AS14色譜柱，洗脫液為 4.8mmol/LNa₂CO₃ 和 0.6mmol/L NaHCO₃的混合溶液，流速為1.5ml/min，使用抑制型電導(dǎo)檢測。樣品經(jīng)0.2μm微孔濾膜過濾，取10～20μl濾液進樣分析。陰離子混合標(biāo)準(zhǔn)溶液的離子色譜圖見圖11-5。

圖 11-5  陰離子混合標(biāo)準(zhǔn)溶液的離子色譜圖

2.血清鉀、鈉、鈣、鎂離子的分析  高效離子色譜法可作為血清鉀、鈉、鈣、鎂離子測定的標(biāo)準(zhǔn)方法。采用CS12A色譜柱，洗脫液為18mmol/L甲烷磺酸，流速為1.0ml/min，使用抑制型電導(dǎo)檢測，CSRS循環(huán)模式。樣品用2mol/LHCl稀釋100倍左右，平衡2h，再用0.5μm微孔濾膜過濾，濾液經(jīng)適當(dāng)稀釋后進樣25μl。陽離子混合標(biāo)準(zhǔn)溶液的離子色譜圖見圖11-6。

圖 11-6  陽離子混合標(biāo)準(zhǔn)溶液的離子色譜圖

3.果汁、飲料和番茄汁中有機酸的分析  食品中的有機酸可采用高效離子排斥色譜法測定。色譜柱用ICE-AS6，洗脫液是 0.4mmol/L全氟丁酸，流速 1.0ml/min，抑制型電導(dǎo)檢。樣品稀釋50～100倍，用0.5μm微孔濾膜過濾，取25μl濾液進樣分析。有機酸混合標(biāo)準(zhǔn)溶液的離子色譜圖見圖11-7。

圖11-7  有機酸的離子色譜圖

1―草酸；2―酒石酸；3―檸檬酸；4―羥基丁二酸；5―羥基乙酸；6―甲酸；7―乳酸；8―α羥基丁酸；9―乙酸；10―丁二酸；11―富馬酸；12―丙酸；13―戊二酸

（張麗萍 和彥苓)