第一章离子色谱简介
1.1色谱的发展历史
色谱(chromatography)是一种分离的技术，随着现代化学技术的发展应运而生，20世纪初，在俄国的波兰植物化学家茨维特(Twseet)首先将植物提取物放入装有碳酸钙的玻璃管中植物提取液，由于在碳酸钙中的流速不同分布不同，因此在玻璃管中呈现出不同的颜色，这样就可以对各种不同的植物提取液进行有效的成分分离。到1907年，茨维特的论文用俄文公开发表，他把这种方法命名为chromatography,即中文的色谱这就是现代色谱这一名词的来源，但由于茨维特当时没有知名度而且能看懂俄文的人也不多，加之很快爆发了第一次世界大战，茨维特的分离方法一直被束之高阁。
20世纪20年代，许多植物化学家开始采用色谱方法对植物提取物进行分离，色谱方法才被广泛地应用，自20世纪40年代以来，以Martin为首的化学家，建立了一整套色谱的基础理论，使色谱分析方法从传统的经验方法总结归纳为一种理论方法。马丁等人还建立了气相色谱仪器，使色谱技术从分离方法转化为分析方法。20世纪50年代以后由于战后重建和经济发展的需要化学工业特别是石油化工得到广泛的发展亟需建立快速方便有效的石化成分分析而石化成分十分复杂结构十分相似且多数成分熔点又比较低气相色谱正好吻合石化成分分析的要求效果十分明显有效同样石化工业的发展也使色谱技术特别是气相色谱得到广泛的应用气相色谱的仪器也不断得到改进和完善气相色谱逐渐成为一种工业分析必不可少的手段和工具20世纪60年代气相色谱分析法逐渐趋于成熟但20世纪60年代以来生物技术飞速发展生物成分复杂相对分子质量大而且熔点沸点高在高温条件下易分解因此用气相色谱作为分析方法已经不能满足对生物成分分析测试的要求于是人们就重新考虑采用液相色谱并进一步提高传统的液相色谱的分离效率因此液相色谱成为一种分析工具即高效液相色谱(HPLC)与传统液相色谱不同的是高效液相色谱采用了高压泵及填有很细的颗粒高效色谱柱可以对许多成分进行高效分离和分析由于高效液相色谱通常采用紫外可见光度检测而大多数有机化合物均有紫外可见吸收因此高效液相色谱可以对大量有机化合物进行分析它在生物科学中得到广泛的应用特别是对高沸点高熔点20世纪70年代以后国际上不论是气相色谱还是高效液相色谱均成为各行各业必不可少的分析工具广泛应用于各个生产研究领域20世纪80年代以后我国也大规模采用气相色谱和高效液相色谱随着环境科学的发展不仅需要对大量有机物质进行分离和检测而且也要求对大量无机离子进行分离和分析1975年美国Dow化学公司的H.Small等人首先提出了离子交换分离抑制电导检测分析思维即提出了离子色谱这一概念离子色谱概念一经提出便立即被商品化产业化由Dow公司组建的Dionex公司最早生产离子色谱并申请了专利我国从20世纪80年代开始引进离子色谱仪器在我国八五九五科技攻关项目中均列有离子色谱国产化的项目对其进行了重点技术攻关对离子色谱技术的高度重视使离子色谱目前有了中国产品20世纪80年代以后一种新型的色谱技术毛细管电泳技术随之出现毛细管电泳分离效率高取样量少与传统的色谱分析相比更为优越这些优点使毛细管电泳的研究成为色谱技术又一新的热点而20世纪90年代以来以毛细管电泳为基础的微分析芯片又将分析科学带入一个全新的领域
色谱技术作为一种成熟的分析方法广泛应用于世界各国的生产研究领域当前在国外不论是气相色谱还是高效液相色谱离子色谱毛细管电泳均是各行各业分析测试的首选工具特别是作为科学研究中的色谱技术更是一种必不可少的分析方法我国这几年的色谱技术也有了长足的进展但由于经费仪器设备等问题的制约色谱在我国还没有像发达国家那样得到广泛应用(除了气相色谱技术之外)因此在我国色谱技术还有进一步开发利用的广阔前景
1.2色谱的分类
色谱的分类有多种主要按两相的状态及应用领域的不同可分为两大类
1.按应用领域不同分类
制备色谱
半制备色谱
色谱分析
2.以流动相和固定相的状态分类
气相色谱气固色谱气液色谱
液相色谱液固色谱液液色谱
超临界色谱
毛细管电泳
而许多分类均是兼顾色谱类型和色谱仪器应用的广泛性而言的如Journal
of Chromatography Science它每年列出全世界主要色谱仪器和供应商各类仪器的特点和组成等从上述各类分类情况看离子色谱本身是液相色谱的一个大类但由于离子色谱的广泛应用已逐渐成为一个独立的大类尽管离子色谱1975年才诞生但国际上一些主要的文献如美国化学文摘(CA)英国分析化学文摘(AA)等从20世纪80年代开始均将离子色谱单独分类成为与高效液相色谱气相色谱和毛细管电泳并列的色谱类型这说明在色谱领域中离子色谱具有重要的地位
1.3离子色谱的诞生
我们很早就知道离子交换色谱可以对许多物质进行分离如阳离子交换树脂可以分离阳离子而阴离子交换树脂可以分离阴离子离子交换色谱是高效液相色谱分离的一种方法但传统的高效液相色谱分析方法主要采用紫外及可见光检测器大多数有机化合物有足够的共轭双键具备一定的紫外吸收因此高效液相色谱可以对大多数有机化合物进行分析对于大多数无机离子虽然可以用离子交换色谱分离但是由于没有紫外吸收和合适的检测手段使之无法用高效液相色谱(HPLC)进行分析前面已经提到离子色谱最早是在1975年由美国Dow化学公司的H.Small等人首先提出的离子色谱与传统的HPLC方法不同点在于检测原理我们知道对于大多数电离物质在溶液中电离产生电导通过对它们的电导检测就可以对它的电离程度进行分析由于在稀溶液中大多数电离物质完全电离因此可以通过电导检测被测物质的含量所以电导率的测定已经成为一种十分有用的水溶液分析工具能否采用电导作为色谱检测的工具呢?以前也有人进行了大量的尝试但问题尚未得到最后解决传统的水溶液中阴离子和阳离子的定性和定量分析往往对不同离子需要采用不同的方法而样品基体对测定会产生干扰影响测定因此痕量的性质相似的离子测定往往是十分困难的在分离离子态物质时可以采用离子交换树脂例如用树脂去除离子态的不纯将其浓缩成一种或多种物质并催化化学反应和分离不同离子对于离子的分离有大量的离子交换树脂分离方案但却没有出现相关的商品化仪器仪器在线的检测器可以提供快速重复性的分析这在离子色谱诞生前就已经出现而液相色谱中采用的检测器对离子色谱却不太适合如光度检测器是高效液相色谱中最常用的检测器它可以测定在一定波长有吸收的物质而采用的淋洗液必须是在此波长下没有任何吸收但大多数常见离子只有在低波长条件下才能吸收将这些物质转化为有光度吸收的物质需要一定的试剂反应条件和特定的分析波长这方面典型的例子就是氨基酸分析采用茚三酮(ninhydrin)和邻苯二醛(o-phthaldehyde)发色后进行吸光光度或荧光检测折光指数检测器难以对痕量离子进行高灵敏的检测而电化学检测需要离子态物质具有易氧化或还原性质它只有在特定的情况下才可以采用由于在溶液中不同离子都不同程度地表现出一定的电导所以离子色谱通用检测器可以电导检测器为基础但关键问题是不仅被测离子具有电导而且一般淋洗液本身是一种电离物质具有很强的电离度因此采用电导检测时被测离子的电导会被湮没在淋洗液电导之中以致无法对低含量被测离子进行检测为了减少高背景电导问题当时在Dow公司的W.Bauman博士提出了很关键的设想在分离柱后串联第二种树脂以减少背景电导即在一根色谱柱中一大半填入低交换容量含有磺酸基的苯乙烯二乙烯苯聚合物作为分离树脂而小部分大交换容量的季铵盐的苯乙烯二乙烯苯聚合物树脂填入色谱柱的下半部分作为抑制树脂它可以很好地分离钠离子和钾离子这一系统的关键是将高电导的HCl转化成低电导的水当色谱柱的抑制树脂中的氢离子逐步转化成氯离子后这种双功能色谱柱就不再有抑制HCl的功能而且抑制树脂从氯离子型再生成氢离子型也比较困难
H.Small和T.S.Stevens采用这一原理制成了第一台离子色谱仪在分离用的离子交换柱后端加入不同极性的离子交换树脂填料该树脂填料呈氢型或氢氧根型如阴离子交换柱后端加入氢型的阳离子交换树脂填料阳离子交换柱后端加入氢氧根型的阴离子交换树脂填料当由分离柱流出的携带待测离子的洗脱液在检测前发生两个简单而重要的化学反应一个是将淋洗液转变成低电导组分以降低来自淋洗液的背景电导另一个是将样品离子转变成其相应的酸或碱以增加其电导
这种在分离柱和检测器之间降低背景电导值而提高检测灵敏度的装置后来组成独立组件称为抑制柱(或抑制器)通过这种方式使电导检测的应用范围扩大了在H.Small等人提议下称这种液相色谱为离子色谱离子色谱一经诞生就立即商品化美国从20世纪70年代中期就生产了离子色谱仪并获得有关的专利Dow化学公司组建Dionex公司专门生产和研制离子色谱仪
由于H.Small等人研制的抑制型离子色谱仪是专利产品只有Dionex公司可以生产和销售人们设想采用其他途径研制离子色谱仪这其中最为成功的是在美国依阿华州立大学J.S.
Fritz等人提出非抑制型离子色谱即采用低交换容量的离子交换树脂制成色谱柱采用弱酸及其盐类作为淋洗液对不同离子进行淋洗在控制一定pH值的条件下背景电导比较低可以不加抑制器直接电导检测该方法称为非抑制电导离子色谱由于非抑制型离子色谱只采用了分离柱人们通常称之为单柱型离子色谱而对应的称为抑制型离子色谱由于采用分离柱和抑制器又称为双柱型离子色谱
20世纪80年代初离子色谱已经广泛地被人们所认同接受离子色谱的销售量每年以15%以上的速度递增美国化学文摘及英国的分析化学文摘专门将离子色谱分成独立的一类而Journal
of Chromatography Science每年在介绍色谱仪器时将其分为液相色谱气相色谱离子色谱和毛细管电泳4大类型国际上每年都召开国际离子色谱学术会议至今已经召开了十四届而国内目前也每两年召开一次全国性离子色谱会议和一些区域性的离子色谱协作会议由此可见离子色谱学科以飞快的速度向前发展
1.4离子色谱的分离类型
离子色谱的分离原理可以分3种不同类型主要分为离子交换色谱离子对色谱和离子排斥色谱
一离子交换色谱
离子色谱分离主要是应用离子交换的原理，采用低交换容量的离子交换树脂来分离离子，它在离子色谱中应用最广泛，其主要填料类型为：有机离子交换树脂以苯乙烯二乙烯苯共聚体为骨架，在苯环上引入磺酸基形成强酸型阳离子交换树脂，引入叔胺基而成季胺型强碱性阴离子交换树脂，此交换树脂具有大孔或薄壳型或多孔表面层型的物理结构，以便于快速达到交换平衡，离子交换树脂耐酸碱可在任何pH范围内使用，易再生处理，使用寿命长。缺点是机械强度差易溶胀易受有机物污染。
硅质键合离子交换剂：以硅胶为载体，将有离子交换基的有机硅烷与基表面的硅醇基反应形成，化学键合型离子交换剂其特点是：柱效高交换平衡快机械强度高，缺点是不耐酸碱只宜在pH28范围内使用。
二离子对色谱
离子对色谱的固定相为疏水型的中性填料，可用苯乙烯二乙烯苯树脂或十八烷基硅胶(ODS)，也有用C8硅胶或CN固定相流动相，由含有所谓对离子试剂和含适量有机溶剂的水溶液组成，对离子是指其电荷与待测离子相反并能与之生成疏水性离子对，化合物的表面活性剂离子，用于阴离子分离的对离子是烷基胺类，如氢氧化四丁基铵、氢氧化十六烷基三甲烷等，用于阳离子分离的对离子是，烷基磺酸类，如己烷磺酸钠庚烷磺酸钠等，对离子的非极性端，亲脂极性端亲水其CH2键越长，则离子对化合物在固定相的保留越强，在极性流动相中往往加入一些有机溶剂，以加快淋洗速度，此法主要用于疏水性阴离子以及金属络合物的分离，至于其分离机理则有3种不同的假说，反相离子对分配离子交换以及离子相互作用。
三离子排斥色谱
它主要根据Donnon膜排斥效应电离组分受排斥不被保留而弱酸则有一定保留的原理制成离子排斥色谱主要用于分离有机酸以及无机含氧酸根如硼酸根碳酸根和硫酸根有机酸等它主要采用高交换容量的磺化H型阳离子交换树脂为填料以稀盐酸为淋洗液
1.5离子色谱的检测方法
随着离子色谱的广泛应用离子色谱的检测技术已由单一的化学抑制型电导法发展为包括电化学光化学和与其他多种分析仪器联用的方法
一抑制电导检测法
抑制型电导技术由最初的抑制柱技术又经历了可连续再生式的纤维管微膜抑制器阶段最新的抑制技术采用电解抑制法使抑制电导检测可以自动进行而不必采用传统的再生液通过电导抑制可以使背景电导值很低而检测灵敏度可以达到很高水平
因此目前大多数离子色谱基本上还是采用抑制电导法检测无论是痕量测定的电场还是半导体工业抑制电导检测始终是最理想的方法
二直接电导检测法
目前单柱法已发展为可补偿高达6000S背景电导的电导检测器五极式电导仪可消除极化和电解效应以降低噪音水平提高单柱法检测的灵敏度和稳定性
阳离子单柱法检测信号是离子电导与淋洗液电导之差一般情况下为负值只要淋洗条件得当单柱法同样可达到很高的灵敏度
三紫外吸收光度法
在195220nm具强紫外吸收的阴离子可用弱紫外吸收的淋洗液直接进行紫外吸收其选择性和灵敏度都很高它使硝酸根亚硝酸根等离子可检测至gL间接紫外检测用于本身不具紫外吸收离子的分析淋洗液具强紫外吸收检测信号为负值阴离子淋洗液多用芳香有机酸和邻苯二甲酸盐磺基苯甲酸盐等阳离子则以具紫外吸收的Cu2+或Ce3+溶液为淋洗液四柱后衍生光度法
包括重金属碱土金属碱金属稀有金属等40余种金属离子可用吡啶偶氮间苯二胺(PAR)柱后衍生光度法检测方法既灵敏又实用重金属和碱土金属的检出限达gL级偶氮胂亦为稀土金属离子的高灵敏柱后衍生剂铬天青S十六烷基三甲胺Triton
X 100对痕量铝离子和铁离子水溶性卟啉衍生物对痕量Cd2+Hg2+Zn2+的检测均是高选择性和高灵敏度衍生试剂柱后衍生荧光法主要用于氨基酸和胺类化合物的检测也可能发展为稀土测定的选择性衍生方法
五电化学法
安培法用于选择性检测某些能在电极表面发生氧化还原反应的离子如亚硝酸根氰根硫酸根卤素离子硫氰根等无机离子以及一些胺类酚类等易氧化还原的有机离子亦用于重金属离子的检测卤素和氰根亦可用库仑法检测或应用银电极的电位检测还可用铜离子电极电位法检测阳离子和阴离子库仑法还用于As3+As5+和Mo6+Cr3+的检测
六与元素选择性检测器联用法
将离子色谱的分离优势与元素选择性检测方法联用可以结合分离及高选择性和高灵敏度的优势并可用于某些元素的形态分析如用原子吸收检测亚硒酸硒酸亚砷酸砷酸等等离子体发射光谱用于Cr3+Cr6+和砷硒的检测
1.6离子色谱的新进展
一.新型电化学技术在离子色谱中的应用
当前离子色谱发展的一个最新动向是由电化学技术结合新型高分子材料并逐渐在离子色谱中得到广泛的应用最显著的例子如下
(1)电化学自再生抑制器电解法用于离子色谱抑制最初由我国厦门大学田昭武院士等提出并分别申请了中国和美国专利实现商品化美国Dionex公司对这一方法进行了改进使抑制器的再生液只加水就能完成通过水电解产生的H+或OH-完成背景电导抑制抑制器完全不必外加再生液就能完成电导抑制使抑制型离子色谱的操作更为方便而美国Alttech公司则采用固相电解法利用树脂实现电导抑制由电解产生H实现电化学再生再将碳酸盐淋洗液中的CO2去除以进一步降低背景电导值从而实现了碳酸的梯度淋洗
(2)淋洗液发生器通过水电解法产生OH-或H+与树脂中已经结合的K+或C-形成KOH或HCl,成为淋洗液这种方法减少了OH-因空气中CO2干扰使基线不稳背景改变的情况同时所产生的KOH浓度可以通过电流进行控制很容易地进行梯度淋洗
(3)离子回流H.Small等人在1998年提出了离子色谱的新设想离子回流其原理是将离子色谱淋洗液发生器及离子色谱电化学自再生抑制器串联从此离子色谱的淋洗形成一个循环系统使离子色谱方法又有一个更新的概念为此他本人在1998年日本大阪再次获得离子色谱学术大奖
二.新型离子色谱柱研制和应用
新型离子色谱柱的发展方向除了提高离子色谱的效率外主要从两个方面进行首先为了进一步开发离子色谱的功能提出了新型的离子色谱柱目前除了常规离子色谱柱外还有同时具有阳离子和阴离子交换功能的混合床离子色谱柱和同时具有离子交换功能和反相保留机理的多维色谱柱这些柱的应用使离子色谱的使用领域得到扩大特别在阴阳离子的同时分析和有机物疏水性离子的分析中得到广泛应用
其次就是从提高离子色谱柱寿命扩大可用范围上发展采用特殊的离子交换材料高的交联度使离子色谱柱可以承受有机溶剂以大大增强离子色谱柱的抗有机污染能力
三.新型分离方法
新的分离方法也为离子色谱的应用领域的扩大打下基础在众多创新的分离手段中旅居日本的中国学者胡文治等提出的静电离子色谱颇有创意其方法可以用纯水洗脱并用于多种阴阳离子的分离和离子的形态分析大环类化合物如烷冠醚等结合在离子色谱柱上可以对一些化合物有特定的选择性也是离子色谱分离的一个新动向它为离子色谱的分离提供了一条新的发展途径
四.新的检测手段的应用
离子色谱的检测方式也在不断发展新的检测技术在离子色谱中得到广泛应用目前国外主要是向新的联用技术方向发展如离子色谱通过电解质抑制后进入质谱进行检测该分析方法已经用于农药的分析
国内也从扩大离子色谱应用领域着手如通过间接抑制电导检测方法解决抑制电导检测无法测定弱电离物质等问题姚守拙院士等提出压电体声波检测可以使高背景电导在单柱型离子色谱中得到广泛的应用解决了长期困扰单柱型离子色谱检测的不稳定问题而由汪尔康院士等提出的采用电化学安培检测原理对电极进行膜修饰研制成通用型阴离子和阳离子的检测器则使离子色谱更为小型化更为方便快捷。
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