离子色谱基本理论和应用 Ion Chromatography, IC

内容 概述 离子交换色谱的分离原理 离子交换色谱的仪器系统 离子交换色谱的应用

概 述 什么是离子色谱 ? －是一种利用色谱技术分析测定离子态物质的方法。 －固定相：离子交换剂（树脂） －流动相：缓冲溶液（有时会添加适量的与水互溶的 有机溶剂） －样品：阴离子：Ｃｌ－，ＮＯ2－，ＳＯ４２－，ＣｒＯ４２－ 阳离子　：　Ｎａ＋，ＮＨ４＋，Ｃａ２＋，Ｆｅ３ 有机化合物：有机酸、有机碱等

离子交换色谱的分离原理 离子交换剂（树脂）由三部分组成： 活性基团：以共价键连接在骨架上的活性官能团；    固体载体：不溶性的三维空间的高分子网状骨架； 活性基团：以共价键连接在骨架上的活性官能团； 可交换离子：与活性基团所带的相反电荷的活性 离子。

离子交换树脂的网络骨架

离子交换剂（树脂）结构示意图

离子交换树脂——固体载体 应当具有良好的亲水性、水不溶性、较好的化学稳定性和较多的活化基团。 常用的离子交换树脂的载体有两大类：一类是化学合成载体，如聚苯乙烯树脂等；另一类是天然材料制成的载体，如琼脂糖凝胶、葡聚糖凝胶及纤维素等。

离子交换树脂——活性基团 根据离子交换基团的酸、碱性质可以分为： 强酸性阳离子交换基团（如－SO3H） 中酸性阳离子交换基团（如－PO3H） 弱酸性阳离子交换基团（如－COOH） 酸性阳离子交换基团 强碱性阴离子交换基团（如－NR3OH ） 弱碱性阴离子交换基团（如－NH2） 碱性阴离子交换基团

离子交换过程 阳离子交换： 阴离子交换：

离子色谱基本原理 离子色谱中发生的基本过程就是离子交换，因此，离子色谱本质上就是离子交换色谱。 离子交换色谱是基于离子交换树脂上可离解的离子和流动相中具有相同电荷的的溶质离子之间进行的可逆交换，根据这些离子对交换剂有不同的亲和力而被分离。

离子色谱中的离子交换与传统的离子交换的不同点 采用交换容量非常低的特制离子交换树脂为固定相； 采用细颗粒离子交换树脂，柱效高；同时柱压也较高，需采用高压输液泵。

离子交换色谱的仪器系统 淋洗液贮存罐 抑制器装置 淋洗液输送 泵 抑制电导检测 电导池 样品注射 进样 保护柱 数据采集和仪器控制 分析柱 抑制器装置 电导池 色谱工作站 淋洗液输送 离子交换分离 抑制电导检测 数据采集和仪器控制 样品注射 进样 11811-02

六通阀进样器

离子色谱分离模式 离子交换： 离子价态和离子半径 离子排斥： 离解常数 和疏水性 离子对(RP)： 对离子对试剂的亲和力 离子交换： 离子价态和离子半径 离子排斥： 离解常数 和疏水性 离子对(RP)： 对离子对试剂的亲和力 离子对化合物的疏水性

离子交换分离机理 ＳＯ４２－ ＣＯ３２－ ＨＣＯ３－ ＋ Ｃｌ－ 临时过程

阴离子交换树脂 (乳胶型） ＋ Ｎ＋Ｒ３ ＳＯ３－ Ｎ＋Ｒ３ Ｎ＋Ｒ３ ＳＯ３－ Ｎ＋Ｒ３ Ｎ＋Ｒ３ Ｎ＋Ｒ３ ＳＯ３－ Ｎ＋Ｒ３ ５μm

阳离子交换树脂 (接枝型) ＣＯＯ－ ＨＰＯ３－ ＣＯＯ－ ＣＯＯ－ ＨＰＯ３－ ＣＯＯ－ ＣＯＯ－ ＨＰＯ３－ ＨＰＯ３－ ＣＯＯ－

分离阴离子 色谱柱： IonPac AG12A /AS12A 检测器： 2.7mM Na2CO3 0.3mM NaHCO3 流　速： 1.2mL/min 检测器： 电导(自再生抑制循环模式) 8 F- NO3- SO42- Cl- NO2- Br- HPO42- mS 2 4 6 8 10 12 14 16 Retention time(min)

分离阳离子 色谱柱 : IonPac CS12A, CG12A 流动相 : 20 mM 甲磺酸 流 速 : 1.0 mL/min 检测器 : 电导 （自再生循环模式) 4 Na+ NH4+ K+ Mg2+ Ca2+ 3 µS 2 1 2 4 6 8 10 12 14 Retention time (min)

离子排斥法分离机理 流动相 固定相 ＳＯ３－ Ｈ＋ ＳＯ３－ Ｈ＋ ＣＯＯ－ Ｈ＋ ＳＯ３－ Ｈ＋ ＣＯＯ－ Ｈ＋ ＳＯ３－ ＳＯ３－ Ｈ＋ Ｈ２Ｏ Ｈ２Ｏ 流动相 ＳＯ３－ Ｈ＋ Ｈ＋ Ｃｌ－ Ｈ２Ｏ ＣＯＯ－ Ｈ＋ 固定相 ２Ｈ＋（ＣＯＯ－）２ （ＣＯＯＨ）２ ＳＯ３－ Ｈ＋ ＣＯＯ－ Ｈ＋ Ｈ２Ｏ ＳＯ３－ Ｈ２Ｏ ＳＯ３－ Ｈ＋ Ｈ＋ ＣＨ３ＣＯＯ－ ＣＨ３ＣＯＯＨ Ｈ２Ｏ ＣＯＯ－ Ｈ＋ ＳＯ３－ Ｈ＋ Donnan 膜

离子排斥色谱法的分离机理 1. Donnan排斥作用－Donnan膜的负电荷层排斥完全离解的离子型化合物，仅允许未离解的化合物通过。 2. 吸附－保留时间与有机酸的烷基键的长度有关。通常烷基键越长，其保留时间也越长。 3. 空间排阻－与有机酸的分子量大小及交换树脂的交联度有关。

离子排斥法分离有机酸 5 3 2 µS 4 1 5 10 20 保留时间 (min) 分离柱 ： IonPac ICE AS1 淋洗液 ： 0.4 mM 辛基磺酸 流　速 　： 1.0 mL/min 抑制器　 ： AMMS-ICEⅡ 再生液　 ： 5mM TBAOH／ 50mM H3BO3 检测器 ： 电导 5 3 2 µS 4 1 5 1. 甲酸 2. 乙酸 3. 丙酸 4. 丁酸 5. 戊酸 10 20 保留时间 (min)

反相离子对（流动相离子色谱）分离机理 流动相 样品 固定相 (TBA+X-) ACN TBAOH／ACN／H2O Y+ X- ACN Ｈ２Ｏ (TBA+X-) ACN 流动相 TBAOH／ACN／H2O 样品 Y+ X- ACN Y+ X- TBA+OH- TBA+ OH- 固定相 ACN (TBA+X-) (TBA+X-) ACN Y+ OH- TBA+ OH- TBA+OH- Y+ X- ACN ACN (TBA+X-) Ｈ２Ｏ ACN 亲水相 疏水相

反相离子对的分离机理 1.生成离子对－待测离子与离子对试剂生成中性““离子对”分布于固定相与流动相之间，其分离类似传统的反相分离。 2.动态离子交换－离子对试剂的疏水部分吸附于固定相形成动态的离子交换表面，其分离机理类似于离子交换。 3.离子间相互作用－除包括以上两种分离机理和固定相表面双电层结构的分离机理。

反相离子对分离测定 8.0 1 6 2 3 4 5 7 µS 0.0 4 8 12 16 Column : IonPac NS1、NG1 Eluent : 2 mM TBAOH, 24%～48% CAN gradient in 10 min Flow rate : 1.0 mL/min Detection : Conductivity (suppressor type) （ASRS MPIC Mode） Regenerator : 10 mN H2SO4 1. Methanesulfonic acid 5.0 μg/mL (ppm) 2. 1-Propanesulfonic acid 8.6 3. 1-Butanesulfonic acid 8.7 4. 1-Hexanesulfonic acid 8.8 5. 1-Heptanesulfonic acid 8.9 6. 1-Octanesulfonic acid 8.9 7. 1-Decanesulfonic acid 9.1 8.0 1 6 2 3 4 5 7 µS 0.0 4 8 12 16 Retention time (min)

检测方式 电导 电化学(安培法) 紫外－可见光度法 荧光法 检测具有电导性化合物的通用型检测器 离子色谱最常用的检测器 在特定的条件下可对某些化合物直接进行氧化还原反应 紫外－可见光度法 紫外直接吸收或可见光光度法测定选择性强 可进行柱后衍生 荧光法 HPLC

电导检测器 测定溶液流过电导池电极时的电导率 可检测大部分离子型化合物 溶液 至检测池 电极 检测池

使用电导检测器存在的问题 离子色谱的流动相是电解质溶液，样品以电解质溶液为背景，而被测物的浓度又大大小于流动相电解质的浓度，这样难以测量由于样品离子的存在而产生的微小电导的变化。 利用抑制器可以除去流动相中的高浓度电解质，把背景电导加以抑制，从而解决了在离子色谱中使用电导检测器的问题。

抑制器的作用 废液 (700μS) NaF,NaCl,NaNO3 Na2HPO4,Na2SO4 NaF NaCl NaNO3 Na2HPO4 Back Ground： Na2CO3 / NaHCO3 (700μS) NaF,NaCl,NaNO3 Na2HPO4,Na2SO4 ～ Retention time Conductivity NaF NaCl NaNO3 Na2HPO4 Na2SO4 Back Ground： Na2CO3 / NaHCO3 (700μS) ～ Retention time Conductivity 废液 HF HCl HNO3 H3PO4 H2SO4 Retention time Back Ground： H2CO3 (15μS) Conductivity

抑制器 安装在电导池之前 提高待测离子的电导率：提高灵敏度 Na+, Cl- H+, Cl- 降低背景电导 (淋洗液) : 减少噪音 Na+,　HCO3-　　　　 H2CO3 Na+,　OH-　　　　　H2O

极限摩尔电导值 Total conductivity ＝ （ ） ＋ （ ） Cation Anion Ｌｉ＋ Ｎａ＋ Ｋ＋ ＮＨ４＋ （unit：μS/m equivalent） Cation ＋ － Anion Ｈ＋ Ｌｉ＋ Ｎａ＋ Ｋ＋ ＮＨ４＋ Ｍｇ ２＋ Ｃａ２＋ ３５０ ３９ ５０ ７４ ７３ ５３ ６０ ＯＨ－ Ｆ－ Ｃｌ－ Ｂｒ－ ＮＯ３－ ＰＯ４３－ ＳＯ４２－ １９８ ５５ ７６ ７８ ７１ ８０ Total conductivity ＝ （ ） ＋ （ ） ＋ －

抑制器的工作原理 (阴离子) X-: 样品中的阴离子 Y+: 样品中的阳离子 阳离子交换膜 至检测器 阳离子交换膜 纯水或来自检 测器的流体 X-: 样品中的阴离子 Y+: 样品中的阳离子 废液 电极 （＋） H+ + O2 H2O H2 + OH- H+ H+ Na+OH- , H2 H2O , O2 H2O 阳离子交换膜 H2O Na+ Y+ X- Na+ CO32- (样品, 淋洗液) H+ H+ + CO32- H+ + X- 至检测器 H2CO3 H+X- Na+ Y+ Y+ Na+ 阳离子交换膜 OH- H2O 电极 （－）

抑制器的工作原理 (阳离子) X-: 样品中的阴离子 Y+: 样品中的阳离子 阴离子交换膜 阴离子交换膜 H+ + OH- 至检测器 纯水或来自检测器的液体 废液 / 气体 X-: 样品中的阴离子 Y+: 样品中的阳离子 电极 （＋） OH- MSA- SO42- X- H+ H+ + O2 H2O H2 + OH- H+ MSA- , O2 H2O, H2 H2O 阴离子交换膜 MSA- SO42- X- H2O SO42- Y+ X- H+ MSA- (样品e, 淋洗液） H+ + OH- Y+ + OH- 至检测器 H2O Y+OH- 阴离子交换膜 OH- 废液 H2O 电极 （－）

抑制器的结构 自分离 柱 检测池或再生液 瓶 电极＋ 排放 至检 测 池 再生液格 离子交换膜 网 淋洗液格网 离子交换膜 再生液格网 电极　

（ 样品：饮用水） 电导检测 检测器 ： IonPac AG12A / AS12A 淋洗液 ： 2.7mM Na2CO3 0.3mM NaHCO3 流　速　 ： 　1.2mL/min 检测器　 ： 电导 (自再生循环模式) 5.0 10.0 15.0 20.0 uS F- Cl- NO3- SO4- 5.00 10.00 15.00 Retention time(min)

电化学检测 (1) 30 检测器 ： IonPac AS11, AG11 淋洗液 ： 5mM HNO3 流 速 ： 1.5 mL/min 检测器　 ： 直流安培 (Ag电极，0.05V施加电压） I－ nA -10 2 4 6 8 10 Retention time (min)

电化学检测 (2) 色谱柱 ： CarboPac PA10 检测器 : 18 mM NaOH 流 速 : 1 mL/min 检测器 : 脉冲安培检测, 金电极 (each 1 nmol) 组　分 　 : 1. 盐藻糖 2. 氨基半乳糖 3. 氨基葡萄糖 4. 半乳糖 5. 葡萄糖 6. 甘露糖 2 100 1 3 4 5 nC 6 3 6 9 12 15 Retention time(min)

UV/VIS 检测 0.0 AU 0.2 2 4 6 8 10 12 14 Retention time (min) 分离柱 ： IonPac CS5A, CG5A 淋洗液 ： 7mM PDCA, 66mM KOH 5.6mM K2SO4, 74mM 甲酸 流　速　 ： 1.2 mL/min 检测器 ： 可见光, 530 nm (柱后衍生法) 柱后衍生液： 0.2mM PAR, 1.0M DMAE 0.5M NH4OH , 0.3M NaHCO3 Fe3+ Mn2+ Co2+ Cu2+ Zn2+ Ni2+ Cd2+ Fe2+ 2 4 6 8 10 12 14 Retention time (min)

柱后衍生 淋洗液 加压 排放 柱 进样阀 记录 输送 检测 分离 显 色 剂 泵 UV/VIS 检测器 进样 反应管 Fe3+ Mn2+ Cu2+ Ni2+ Zn2+ Co2+ Mn2+ Fe2+ Cd2+ UV/VIS 检测器 输送 进样 分离 检测 记录

离子色谱的特点 经过稀释、过滤后可以测定多种样品 多价态可氧化元素（NO2- & NO3-, SO32-&SO42- etc.）, 不同的操作者都可得到好的样品分析重现性 经过稀释、过滤后可以测定多种样品 多价态可氧化元素（NO2- & NO3-, SO32-&SO42- etc.）, 不同价态和形态的离子（Fe3+ & Fe2+,　Cr3+ & Cr6+ etc.） 可单独测定某种离子.（通常为同时测定)

离子色谱的应用 无机化合物分析 有机化合物分析 环境水、大气无机阴、阳离子 超痕量离子分析（半导体、电场、核电场） 复杂基体中离子分析（化工原料、海水、卤制品） 金属含氧酸的测定（电镀液等） 有机化合物分析 食品、饮料中的有机酸（酸味剂、防腐剂等）； 有机胺类化合物； 药物和农药（特别是无紫外吸收的化合物） 糖类 氨基酸 表面活性剂

无机化合物分析 痕量分析 复杂基体的处理 形态和价态分析 大体积进样 低的背景电导（EG40淋洗液发生器） 远离水负峰的色谱固定相 在线浓缩 　　 远离水负峰的色谱固定相 在线浓缩 复杂基体的处理 大的交换容量 预处理小柱， 不同分离方式的柱切换 形态和价态分析 　　 ICP或ICP－MS联用技术

预浓缩进样 冲洗采样管 采样泵 富集 样品富集 采样泵 停止 开始测定 进样阀 淋洗液 废液 浓缩柱 至分离柱 采样泵 开始

预富集浓缩进样测定 0.00 5.00 10.00 -1 5 uS 色谱柱 ： IonPac AS4A,AG4A 淋洗液 ： 1.8mM Na2CO3/1.7mM NaHCO3 流　速　： 1.5 mL/min 浓缩柱　： TAC-2 进样量　： 10 mL 检测器 ： 抑制电导 0.00 5.00 10.00 -1 5 uS Retention time (min) 1 2 3 4 6 1. Cl- 2. NO2- 3. Br- 4. NO3- 5. HPO42- 6. SO42- 4 ng/mL(ppb) 10 15 25 20

有机化合物分析 近年来离子色谱发展一个趋势； 目前解决HPLC方法难解决的分析问题； 糖类分析，比示差折光检测器灵敏度提高几个数量级； 生命科学研究中，有大量水溶性、可电离的有机化合物 目前解决HPLC方法难解决的分析问题； 糖类分析，比示差折光检测器灵敏度提高几个数量级； 氨基酸分析，首次采用非衍生化的直接检测； 抑制器除盐使离子色谱与质谱更容易匹配； 大量无紫外吸收化合物，离子色谱提供了可靠的分析方法（如胺基糖类抗生物类分析已经作为欧洲药典）。

苯甲酸与尼泊金系列的防腐剂的测定 色谱柱:IonPac®AS9HC(2mm) AG9HC(2mm) 淋洗液: 50mM Na2CO3+ 50 mM NaOH 流速: 0.25 mL/min 进样体积: 50 µL 检测器: UV254 色谱峰 MP：对羟基苯甲酸甲酯 EP：对羟基苯甲酸乙酯 PP：对羟基苯甲酸丙酯 DP：对羟基苯甲酸丁酯 分析化学，2001,29,1237

啤酒和黄酒中糖类和有机酸 色谱柱：Dionex AS6 淋洗液：0.080mol/L NaOH 流速: 1ml/min 检测器: 脉冲安培和抑制电 导串联 色谱峰: 1.甘露醇 7.鼠李糖 2.阿拉伯糖 8.麦芽糖 3.葡萄糖 9.乙酸 4.果糖 10.乙醇酸 5.乳糖 11.甲酸 6.庶糖 Mikrochim.Acta,1997,127,189~194

吲哚乙酸和吲哚丁酸的测定 色谱柱：Ionpac AG3SC+AS4SC 流动相：3 mmol/L Na2CO3 +3 mmol/L NaOH 流 速：1 mL/min 检测器：抑制电导 进样量：50 uL IICS2001,2001,Chicago

三嗪类农药的测定 色谱柱：Ionpac CG12 （2mm) 流动相：1/4（V/V）CH3CN +0.2 mol/L H2SO4 流 速：0.25 mL/min 检测器：UV 220nm 进样量：25 uL 浙江大学学报理学版，2001，

废水中2-氨基联苯和4-氨基联苯的测定 色谱柱：OmniPac PCX100 （4mm)分离柱和保护柱 流动相：0.06mol/L NaCl+0.08mol/LHCl+40（V/V）CH3CN 流 速：1.00 mL/min 检测器：岛津RF-535荧光检测器，激发波长230nm, 发射波长395nm 进样量：25 uL 分析化学，2001,20,1024

离子色谱的最新发展动向 有机化合物分析－－生命科学的研究 　　　 糖类和氨基酸 　　 核酸 　　 蛋白质 　　 维生素 　　 抗生素

沉积物中痕量糖类分析 色谱柱：IonPac AG4A-SC+CarboPac PA10(4 mm) 流动相：30 mmol/L NaOH 流 速：0.50 mL/min 检测器：脉冲安培检测 进样量：25 uL 2 mg/L L-鼠李糖 2 mg/L 阿拉伯糖 3. 2 mg/L D-半乳糖 4. 2 mg/L 葡萄糖 5. 2 mg/L D-甘露糖 6. 2 mg/L 木糖 7. 2 mg/L D-果糖 标准样品的色谱图 深积物样品的色谱图

气溶胶中痕量氨基酸分析的标准色谱图 分离柱：AminoPac PA10分离柱 流动相：NaOH/NaCl梯度淋洗：0-10min，50% NaOH(0.25 mol/L),50% NaCl(0.20 mol/L); 10-30min,100% NaOH; 30.1-52.5min 20% NaOH, 80% 水；52.6-65min, 52-40% NaOH, 40% 水；8-20% NaCl；65-73min, 40% NaOH, 40% 水，20% NaCl；73.1-90min, 10% 水，90% NaCl。40.1min时进样； 流速：0.25 ml/min 进样量：25 uL 1. 精氨酸　 2. 赖氨酸 3. 苏氨酸 4. 甘氨酸 5. 缬氨酸 6. 丝氨酸 7. 脯氨酸 8. 异亮氨酸 9. 亮氨酸 10. 甲硫氨酸 11. 组氨酸 12. 苯丙氨酸 13. 谷氨酸 14. 天冬氨酸 15. 半胱氨酸 16. 酪氨酸 17. 色氨酸 标准样品的色谱图 气溶胶样品中的色谱图

水溶性维生素的多维离子色谱分析 色谱柱：OmniPac PCX-500 流动相：乙酸钠/乙腈梯度 流速：1ml/min 检测器：UV215nm 进样量：25uL 色谱峰： 1.抗败血酸 7.对氨基苯甲酸 2.泛酸 8.腺嘌呤 3.肉碱 9.叶酸 4.核黄素 10.硫胺 5.生物素 11.吡咯 6.维生素B6

离子色谱分析条件的选择 分离条件的选择 固定相条件 流动相条件 检测条件的选择 电导检测 安培检测 紫外/可见光检测

思考题 （1）简述离子交换色谱的基本原理，并指明其常用固定相和流动相。 （2）离子色谱最常用的检测器是什么? 如何解决流动相中高浓度电解质的干扰问题？