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離子色譜分析方法的開發(fā)步驟
日期：2025-07-28 05:35
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摘要：
離子色譜分析方法的開發(fā)步驟
1 分離方式和檢測方式的選擇
分析者對待測離子應(yīng)有一些一般信息，首先應(yīng)了解待測化合物的分子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)以及樣品的基體情況，如無機還是有機離子，離子的電荷數(shù)，是酸還是堿，親水還是疏水，是否為表面活性化合物等。待測離子的疏水性和水合能是決定選用何種分離方式的主要因素。水合能高和疏水性弱的離子，如Cl-或K+，*好用HPIC分離。水合能低和疏水性強的離子，如高氯酸（ClO4-）或四丁基銨，*好用親水性強的離子交換分離柱或MPIC分離。有一定疏水性也有明顯水合能的pKa值在1與7之間的離子，如乙酸鹽或丙酸鹽，*好用HPICE分離。有些離子，既可用陰離子交換分離，也可用陽離子交換分離，如氨基酸，生物堿和過渡金屬等。
很多離子可用多種檢測方式。例如測定過渡金屬時，可用單柱法直接用電導(dǎo)或脈沖安培檢測器，也可用柱后衍生反應(yīng)，使金屬離子與PAR或其它顯色劑作用，再用UV/VIS檢測。一般的規(guī)律是：對無紫外或可見吸收以及強離解的酸和堿，*好用電導(dǎo)檢測器；具有電化學(xué)活性和弱離解的離子，*好用安培檢測器；對離子本身或通過柱后反應(yīng)后生成的絡(luò)合物在紫外可見有吸收或能產(chǎn)生熒光的離子和化合物，*好用UV/VIS或熒光檢測器。若對所要解決的問題有幾種方案可選擇，分析方案的確定主要由基體的類型、選擇性、過程的復(fù)雜程度以及是否經(jīng)濟來決定。表5-3和表5-4總結(jié)了對各種類型離子可選用的分離方式和檢測方式。
離子色譜柱填料的發(fā)展推動了離子色譜應(yīng)用的快速發(fā)展，對多種離子分析方法的開發(fā)提供了多種可能性。特別應(yīng)提出的是在pH0-14的水溶液和100%有機溶劑（反相高效液相色譜用有機溶劑）中穩(wěn)定的親水性高效高容量柱填料的商品化，使得離子交換分離的應(yīng)用范圍更加擴大。常見的在水溶液中以離子形態(tài)存在的離子，包括無機和有機離子，以弱酸的鹽（Na2CO3/NaHCO3,KOH、NaOH）或強酸（H2SO4、甲基磺酸、HNO3、HCl）為流動相，陰離子交換或陽離子交換分離，電導(dǎo)檢測，已是成熟的方法，有成熟的色譜條件可參照。對近中性的水可溶的有機“大”分子（相對常見的小分子而言），若待測化合物為弱酸，則由于弱酸在強堿性溶液中會以陰離子形態(tài)存在，因此選用較強的堿為流動相，陰離子交換分離；若待測化合物為弱堿，則由于在強酸性溶液中會以陽離子形態(tài)存在，選用較強的酸作流動相，陽離子交換分離；若待測離子的疏水性較強，由于與固定相之間的吸附作用而使保留時間較長或峰拖尾，則可在流動相中加入適量有機溶劑，減弱吸附，縮短保留時間、改善峰形和選擇性。對該類化合物的分離也可選用離子對色譜分離，但流動相中一般含有較復(fù)雜的離子對試劑。此外，對弱保留離子可選用高容量柱和弱淋洗液以增強保留，對強保留離子則反之。表5-3、表5-4列出了離子色譜中常用的兩種主要檢測器:電化學(xué)檢測器（包括電導(dǎo)和安培）和光學(xué)檢測器。在水溶液中以離子形態(tài)存在的離子，即較強的酸或堿，應(yīng)選用電導(dǎo)檢測器。具有對紫外或可見光有吸收基團或經(jīng)柱后衍生反應(yīng)后（IC中較少用柱前衍生）生成有吸光基團的化合物，選用光學(xué)檢測器。具有在外加電壓下可發(fā)生氧化或還原反應(yīng)基團的化合物，可選用直流安培或脈沖安培檢測。對一些復(fù)雜樣品，為了一次進樣得到較多的信息，可將兩種或三種檢測器串聯(lián)使用。
2 色譜條件的優(yōu)化
2.1 改善分離度
（1）稀釋樣品
對組成復(fù)雜的樣品，若待測離子對樹脂親合力相差頗大，就要作幾次進樣，并用不同濃度或強度的淋洗液或梯度淋洗。若待測離子之間的濃度相差較大，而且對固定相親合力差異較大，增加分離度的*簡單方法是稀釋樣品或做樣品前處理。例如鹽水中SO42-和Cl－的分離。若直接進樣，在常用的分析陰離子的色譜條件下，其色譜峰很寬而且拖尾，30min之后Cl－的洗脫仍在繼續(xù)，表明進樣量已超過分離柱容量。在這種情況下，在未恢復(fù)穩(wěn)定基線之前不能再進樣。若將樣品稀釋10倍之后再進樣就可得到Cl－與痕量SO42-之間的較好分離。對陰離子分析推薦的*大進樣量，一般為靜態(tài)柱容量的30%，超過這個范圍就會出現(xiàn)大的平頭峰或肩峰。
表5-3分離方式和檢測器的選擇（陰離子）
分析離子 | 分離方式 | 檢測器 | |||
無機 陰離子 | 親水性 | 強酸 | F-、Cl-、NO2-、Br-、SO32-、NO3-、PO43-、SO42-、ClO-、ClO2-、ClO3-、BrO4-、低分子量有機酸 | 陰離子交換 | 電導(dǎo)、UV |
SO32- | 離子排斥 | 安培 | |||
砷酸鹽、硒酸鹽、亞硒酸鹽 | 陰離子交換 | 電導(dǎo) | |||
亞砷酸鹽 | 離子排斥 | 安培 | |||
弱酸 | BO32-、CO32- | 離子排斥 | 電導(dǎo) | ||
SiO32- | 離子交換、離子排斥 | 柱后衍生,VIS | |||
疏水性 | CN-、HS-（高離子強度基體） BF4-、S2O32-、SCN-、ClO4-、I- | 離子排斥 陰離子交換、離子對 | 安培 電導(dǎo) | ||
縮合磷酸劑 多價螯合劑 | 未絡(luò)合 已絡(luò)合 | 陰離子交換 陰離子交換 | 柱后衍生,VIS 電導(dǎo) | ||
金屬絡(luò)合物 | Au(CN)2-、Au(CN)4-、Fe(CN)64-、Fe(CN)63-EDTA-Cu | 離子對 陰離子交換 | 電導(dǎo) 電導(dǎo) | ||
有機 陰離子 | 羧酸 | 一價 | 脂肪酸，C＜5（酸消解樣品，鹽水，高離子強度基體） | 離子排斥 | 電導(dǎo) |
脂肪酸，C＞5芳香酸 | 離子對/陰離子交換 | 電導(dǎo)，UV | |||
一至三價 | 一元、二元、三元羧酸+無機陰離子 羥基羧酸、二元和三元羧酸+醇 | 陰離子交換 離子排斥 | 電導(dǎo) 電導(dǎo) | ||
磺酸 | 烷基磺酸鹽、芳香磺酸鹽 | 離子對，陰離子交換 | 電導(dǎo)，UV | ||
醇類 | C＜6 | 離子排斥 | 安培 | ||
表5-4分離方式和檢測器的選擇（陽離子）
分析 離 子 | 分離方式 | 檢測器 | ||
無機陽離子 | Li+、Na+、K+、Rb+、Cs+、Mg2+、Ca2+、Sr2+、Ba2+、NH4+ | 陽離子交換 | 電導(dǎo) | |
過度金屬 | Cu2+、Ni2+、、Zn2+、Co2+、Cd2+、Pb2+、Mn2+、Fe2+、Fe3+、Sn2+、Sn4+、Cr3+、V4+、V5+、UO2+、Hg2+ Al3+ Cr6+(CrO42-) | 陰離子交換/陽離子交換 陽離子交換 陰離子交換 | 柱后衍生VIS 電導(dǎo) 柱后衍生VIS 柱后衍生VIS | |
鑭系金屬 | La3+、Ce3+、Pr3+、Nd3+、Sm3+、Eu3+、Gd3+、Tb3+、Dy3+、Ho3+、Er3+、Tm3+、Yb3+、Lu3+ | 陰離子交換、陽離子交換 | 柱后衍生VIS | |
有機陽離子 | 低分子量烷基胺，醇胺，堿金屬和堿土金屬 | 陽離子交換 | 電導(dǎo)、安培 | |
高分子量烷基胺，芳香胺，環(huán)己胺，季胺，多胺 | 陽離子交換，離子對 | 電導(dǎo)、紫外、安培 | ||
（2）改變分離和檢測方式
若待測離子對固定相親合力相近或相同，樣品稀釋的效果常不令人滿意。對這種情況，除了選擇適當?shù)牧鲃酉嘀?，還應(yīng)考慮選擇適當?shù)姆蛛x方式和檢測方式。例如，NO3-和ClO3-，由于它們的電荷數(shù)和離子半徑相似，在陰離子交換分離柱上共淋洗。但ClO3-的疏水性大于NO3-，在離子對色譜柱上就很容易分開了。又如NO2-與Cl－在陰離子交換分離柱上的保留時間相近，常見樣品中Cl－的濃度又遠大于NO2-，使分離更加困難，但NO2-有強的UV吸收，而Cl－則很弱，因此應(yīng)改用紫外作檢測器測定NO2-，用電導(dǎo)檢測Cl－，或?qū)煞N檢測器串聯(lián)，于一次進樣同時檢測Cl－與NO2-。對高濃度強酸中有機酸的分析，若采用離子排斥，由于強酸不被保留，在死體積排除，將不干擾有機酸的分離。
（3）樣品前處理
對高濃度基體中痕量離子的測定，例如海水中陰離子的測定，*好的方法是對樣品作適當?shù)那疤幚?。除去過量Cl－的前處理方法有：使樣品通過Ag+型前處理柱除去Cl－，或進樣前加AgNO3到樣品中沉淀Cl－；也可用閥切換技術(shù)，其方法是使樣品中弱保留的組分和90%以上的Cl－進入廢液，只讓10%左右的Cl－和保留時間大于Cl－的組分進入分離柱進行分離。
（4）選擇適當?shù)牧芟匆?/div>
離子色譜分離是基于淋洗離子和樣品離子之間對樹脂有效交換容量的競爭，為了得到有效的競爭，樣品離子和淋洗離子應(yīng)有相近的親合力。下面舉例說明選擇淋洗液的一般原則。用CO32-/HCO3-作淋洗液時，在Cl－之前洗脫的離子是弱保留離子，包括一價無機陰離子、短碳鏈一元羧酸和一些弱離解的組分，如F－、HCOO－、CH3COO－、AsO2-、CN－和S2-等。對HCOO－、CH3COO－、與F－、Cl－等的分離應(yīng)選用較弱的淋洗離子，常用的弱淋洗離子有HCO3-、OH－和B4O72-。由于HCO3-和OH－易吸收空氣中CO2，CO2在堿性溶液中會轉(zhuǎn)變成CO32-，CO32-的淋洗強度較HCO3-和OH－大，因而不利于上述弱保留離子的分離。B4O72-亦為弱淋洗離子，但溶液穩(wěn)定，是分離弱保留離子的推薦淋洗液。中等強度的碳酸鹽淋洗液對高親和力組分的洗脫效率低。對離子交換樹脂親合力強的離子有兩種情況，一種是離子的電荷數(shù)大，如PO43-、AsO43-和多聚磷酸鹽等；一種是離子半徑較大，疏水性強，如I－、SCN-、S2O32-，苯甲酸和檸檬酸等。對前者以增加淋洗液的濃度或選擇強的淋洗離子為主。對后一種情況，推薦的方法是在淋洗液中加入有機改進劑(如甲醇、乙腈和對氰酚等)或選用親水性的柱子，有機改進劑的作用主要是減少樣品離子與離子交換樹脂之間的非離子交換作用，占據(jù)樹脂的疏水性位置，減少疏水性離子在樹脂上的吸附，從而縮短保留時間，減少峰的拖尾，并增加測定靈敏度。
在離子色譜中，可由加入不同的淋洗液添加劑來改善選擇性，這種淋洗液添加劑只影響樹脂和所測離子之間的相互作用，而不影響離子交換。對與樹脂親合力較強的離子，如一些可極化的離子，I－和ClO4-，以及疏水性的離子，苯甲酸和三乙胺等，在淋洗液中加入適量極性的有機溶劑如甲醇或乙腈，可縮短這些組分的保留時間并改善峰形的不對稱性。為了減少樣品離子與樹脂之間的非離子交換作用，減少樹脂對疏水性離子的吸附，在陰離子分析中，可在淋洗液中加入對氰酚。如測定1%NaCl中的痕量I－和SCN－時，加入對氰酚占據(jù)樹脂對I－和SCN－的吸附位置，從而減少峰的拖尾并增加測定的靈敏度。IC中，一價淋洗離子洗脫一價待測離子，二價淋洗離子洗脫二價待測離子，淋洗液濃度的改變對二價和多價待測離子保留時間的影響大于一價待測離子。若多價離子的保留時間太長，增加淋洗液的濃度是較好的方法。
2.2 減少保留時間
縮短分析時間與提高分離度的要求有時是相矛盾的。在能得到較好的分離結(jié)果的前提下分析的時間自然是越短越好。為了縮短分析時間，可改變分離柱容量、淋洗液流速、淋洗液強度，在淋洗液中加入有機改進劑和用梯度淋洗技術(shù)。
以上方法中*簡便的是減小分離柱的容量，或用短柱。例如用3×500mm分離柱分離NO3-和SO42-，需用18min，而用3×250mm的分離柱，用相同濃度的淋洗液只用9min。但NO3-和SO42-的分離不好，若改用稍弱的淋洗液就可得到較好的分離。
大的進樣體積有利于提高檢測靈敏度，但導(dǎo)致大的系統(tǒng)死體積，即大的水負峰，因而推遲樣品離子的出峰時間。如在Dionex的AS11柱上用NaOH為淋洗液，進樣量分別為25μL、250μL和750μL時，F(xiàn)－的保留時間分別為2.0min、2.5min和3.6min。為了減小保留時間，*好用小的進樣體積。
增加淋洗液的流速可縮短分析時間，但流速的增加受系統(tǒng)所能承受的*高壓力的限制，流速的改變對分離機理不完全是離子交換的組分的分離度的影響較大，例如對Br－和NO2-之間的分離，當流速增加時分離度降低很多，而分離機理主要是離子交換的NO3-和SO42-，甚至在很高的流速時，他們之間的分離度仍很好。
增加淋洗液的強度對分離度影響與縮短分離柱或增加淋洗液的流速相同。用較強的淋洗離子可加速離子的淋洗，但對弱保留和中等保留的離子，會降低分離度。當用弱淋洗液（如B4O72-）分離弱保留樣品離子時，弱保留離子，如奎尼酸鹽、F－、乳酸鹽、乙酸鹽、丙酸鹽、甲酸鹽、丁酸鹽、甲基磺酸鹽、丙酮酸鹽、戊酸鹽、一氯醋酸鹽、BrO3-和Cl－等得到較好分離。但一般樣品中都含有一些對陰離子交換樹脂親合力強的離子，如SO42-、PO43-、草酸鹽等，如果用等濃度淋洗，它們將在一小時之后甚至更長時間才被洗脫。對這種情況，應(yīng)于3-5次進樣之后，用高濃度的強淋洗液作樣品進一次樣，將強保留組分從柱中推出來，或者用較強的淋洗液洗柱子半小時。在淋洗液中加入有機改進劑，可縮短保留時間和減小峰的拖尾。
2.3 改善檢測靈敏度
首先是按說明書操作，是儀器在*佳工作狀態(tài)，得到穩(wěn)定的基線，才可將檢測器的靈敏度設(shè)置在較高靈敏檔，這是提高檢測靈敏度的*簡單方法，但此時基線噪音也隨之增大。
**種方法是增加進樣量。直接進樣，進樣量的上限取決于保留時間*短的色譜峰與死體積（IC中一般稱水負峰）之間的時間，例如用IonPacCS12A柱，12mmol/L硫酸作淋洗液。進樣體積1300μL，可直接用電導(dǎo)檢測低μg/L的堿金屬和堿土金屬，見圖5-11。圖中，Li+（保留時間*小的峰）的保留時間為4.1min，水負峰在1.6min，Li+峰與水負峰之間相隔達2.5min，因此可直接用大體積進樣。而在陰離子分析中，若用CO32-/HCO3-作流動相，由于F－峰（保留時間*短的峰）靠近水負峰，若增加進樣體積，水負峰增大，F(xiàn)－的峰甚至與水負峰分不開；另一方面由于F－的保留時間一般小于2min，若進樣量大于1ml，流速為1mL/min-2mL/min，F(xiàn)－沒有足夠的時間參加色譜過程，因此峰拖尾定量困難。若用親水性強的固定相，以NaOH為淋洗液，特別是梯度淋洗時，由于梯度淋洗開始時NaOH濃度低，又由于通過抑制器之后的背景溶液是低電導(dǎo)的水，幾乎無水負峰，這種情況可適當增大進樣量，圖5-12表明，若進樣量為1000μL可直接測定0.1μg/L的常見陰離子。
第三種方法是用濃縮柱，但一般只用于較清潔的樣品中痕量成分的測定，用濃縮柱時要注意，不要使分離柱超負荷。柱子的動態(tài)離子交換容量小于理論值的30%。用濃縮柱富集F－時，若樣品中同時還含有保留較強的離子，如SO42－或PO43-等，F(xiàn)－的回收不好。其原因是樣品中的SO42－或PO43-也起淋洗離子的作用，可將弱保留的F－部分洗脫下來。對弱保留的離子，若濃縮柱的柱容量不是足夠大，則用加大進樣量方法所得到的結(jié)果較用濃縮柱好。
第四種方法是用微孔柱。離子色譜中常用的標準柱的直徑為4mm，微孔柱的直徑為2mm。因為微孔柱較標準柱的體積小4倍，在微孔柱中進同樣（與標準柱）質(zhì)量的樣品，將在檢測器產(chǎn)生4倍于標準柱的信號。從動力學(xué)的角度考慮，在相同的流動線速度下，內(nèi)徑較大的柱子比內(nèi)徑較小的柱子有較大的洗脫體積，故樣品在內(nèi)徑較大的柱子內(nèi)被稀釋的程度較內(nèi)徑較小的柱子嚴重，另外，內(nèi)徑較小的柱子在進行離子交換時更易洗脫，同時死體積較小，因此即使進樣量較大也不會出現(xiàn)色譜峰嚴重拖尾的現(xiàn)象，同時可以避免使用濃縮柱時可能會出現(xiàn)的由于過高的基體造成某些待測離子不能定量保留的現(xiàn)象。而且淋洗液的用量只為標準柱的四分之一，因而減少淋洗液的消耗。
