實(shí)驗室儀器儀表離子色譜方法及其應用

　　離子色譜是高效液相色譜的一種，是用于分離能在水中解離成有機和無(wú)機離子的一種液相色譜方法。從20世紀70年代中期問(wèn)世以來(lái)，很快成為水溶液中陰、陽(yáng)離子的重要分析手段。應用范圍從分析水中常見(jiàn)的陰、陽(yáng)離子和有機酸類(lèi)，發(fā)展到分析極性有機化合物以及生物樣品中的糖、氨基酸、肽、蛋白質(zhì)等。

　　一、離子色譜方法的特點(diǎn)

　　對離子型化合物的測定是經(jīng)典分析化學(xué)的主要內容。對陽(yáng)離子的分析已有一些快速而靈敏的分析方法，如原子吸收、高頻電感偶合等離子體發(fā)射光譜和X射線(xiàn)熒光分析等。而對于陰離子的分析長(cháng)期以來(lái)缺乏快速靈敏的方法。一直沿用經(jīng)典的容量法、重量法和光度法等。這些方法操作步驟冗長(cháng)費時(shí)，靈敏低且易受干擾。而發(fā)展起來(lái)的離子色譜克服了以上缺點(diǎn)，具有快速、靈敏度高、選擇性好、可同時(shí)測定多組分的優(yōu)點(diǎn)�？梢哉f(shuō)，離子色譜對陰離子的分析是分析化學(xué)中的一項新突破。

　　1快速、方便對7種常見(jiàn)陰離子(F-、Cl-、Br-、NO3-、NO2-、SO42-、PO43-)和六種常見(jiàn)陽(yáng)離子(Li、Na、NH4、K、Mg2、Ca2)的分析時(shí)間小于10min。如采用高效分離柱對上述七種常見(jiàn)陰離子的分離時(shí)間只需3min。

　　2靈敏度高離子色譜分析的濃度范圍為μg/L~mg/L。當進(jìn)樣量為50μl時(shí)，常見(jiàn)陰離子的檢出限小于是10μg/L。如增加進(jìn)樣量并采用小孔徑柱(2mm直徑)或在線(xiàn)濃縮時(shí)，檢出限可達10-12g/L。

　　3選擇性好IC法分析無(wú)機和有機陰、陽(yáng)離子的選擇性主要由選擇適當的分離和檢測系統來(lái)達到的。由于IC的選擇性，對樣品的前處理要求簡(jiǎn)單、一般只需做稀釋和過(guò)濾。

　　4可同時(shí)測定多種離子化合物與光度法、原子吸收法相比，IC的主要優(yōu)點(diǎn)是只需很短的時(shí)間就可同時(shí)檢測樣品中的多種成分。

　　5分離柱的穩定性好、容量高IC中苯乙烯/二乙烯苯聚合物是應用最廣的填料。這種樹(shù)脂的高pH穩定性允許用強酸或強堿作淋洗液，有利于擴大應用范圍。樣品分析時(shí)，溶解、稀釋和過(guò)濾是前處理的主要工作。

　　二、離子色譜系統的組成

　　IC系統的構成主要由流動(dòng)相傳送部分、分離柱、檢測器和數據處理單元四個(gè)部分組成(見(jiàn)圖1為化學(xué)抑制型離子色譜工藝流程)。其中，分離柱是離子色譜的最重要部件之一。高效柱和特殊分離柱的成功研制是離子色譜迅速發(fā)展的關(guān)鍵。而對于抑制型檢測器，抑制器是關(guān)鍵部件，高的抑制溶量、低的死體積，能自動(dòng)連續工作，不用有害的化學(xué)試劑是現代抑制器的主要特點(diǎn)。

　　一個(gè)理想的檢測器，對不同的樣品，在不同濃度及各種淋洗條件下均能準確、及時(shí)、連續地反應色譜峰的變化。為實(shí)現上述要求，檢測器應具備較高的靈敏度、較寬的定量檢測范圍，較好的選擇性和重現性。

　　離子色譜常用的檢測方法可以分為兩類(lèi)：即電化學(xué)法和光學(xué)法。電化學(xué)檢測器有三種，即電導、安培和積分安培(包括脈沖安培)。其中，電導檢測器應用的最廣泛。電導檢測器又可分為抑制型(兩柱型)和非抑制型(單柱型)兩種。由于抑制型能夠顯著(zhù)提高電導檢測器的靈敏度和選擇性已逐漸成為電導檢測器的主流。而光學(xué)法主要是紫外—可見(jiàn)光和熒光檢測器。

　　電導檢測器按照Kohlraush定律，電解液在一定的電場(chǎng)作用下，溶液的電導率與其濃度是成正比的。此檢測器主要用于測定無(wú)機陰、陽(yáng)離子離子(pKa<7,pKb<7)、部分極性有機化合物，如一些羧酸類(lèi)。各種強酸、強堿的陰、陽(yáng)離子如氯離子、硫酸根、三氟乙酸、鈉離子和鉀離子在電導檢測器上都有很好的靈敏度。一些弱酸離子由于其不完全電離，測定的靈敏度較低。通�？赏ㄟ^(guò)改變流動(dòng)相的pH來(lái)提高靈敏度。我們熟知的有機酸不管是帶有羧基、磺酸基或膦酸基官能團，其pKa均在4.75以下，因此都有很好的檢出效果。

　　安培檢測器是一種用于測量電活性分子在工作電極表面氧化或還原反應時(shí)所產(chǎn)生電流變化的檢測器。常用于分析那些離解度低，用電導檢測器難于檢測或根本無(wú)法檢測的pK>7的離子。直流安培檢測器具有很高的靈敏度，可以測定μg/L級無(wú)機和有機離子，如與環(huán)境有關(guān)的陰離子、硫化物、氰化物、As、鹵素、肼和各種酚。積分安培和脈沖安培檢測器則主要測量醇、醛、胺和含硫基團、糖類(lèi)有機化合物和硫化物。

　　紫外—可見(jiàn)光吸收和熒光檢測器它具有選擇性好、應用面廣、靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)，其應用范圍越來(lái)越廣泛。紫外—可見(jiàn)光檢測器的基本原理是以郎伯—比爾定律為基礎的。UV-Vis檢測器在離子色譜中最重要的應用是通過(guò)柱后衍生技術(shù)測量過(guò)渡金屬和鑭系元素。以吡啶2，6-二羧酸或草酸為淋洗液可分離過(guò)渡金屬，經(jīng)分離后，34種過(guò)渡金屬可與顯色劑4-間苯二酚發(fā)生衍生反應。同時(shí)，還可對一些元素的不同氧化態(tài)進(jìn)行檢查，如Fe3/Fe2、Cr3/Cr6、Sn2/Sn4。

　　熒光檢測器是通過(guò)測定分子中電子能級躍遷時(shí)發(fā)射出的熒光強度來(lái)表征物質(zhì)的濃度�？捎糜跍y定銨離子、伯胺、多胺和肽。

　　離子色譜檢測器的選擇，主要的依據是被測定離子的性質(zhì)、淋洗液的種類(lèi)等。同一種物質(zhì)有時(shí)可以用多種檢測器進(jìn)行檢測，但靈敏度不同。離子色譜常用檢測器的主要應用范圍見(jiàn)表1。

　　表1離子色譜中的主要檢測器的應用范圍檢測方法檢測原理應用范圍電導法電導pKa<7;pKb<7的陰、陽(yáng)離子安培法在電極上產(chǎn)生氧化還原反應CN-，S2-，I-，SO32-，氨基酸，醇，醛，單糖、寡糖、酚、有機胺、硫醇紫外/可見(jiàn)光檢測器紫外/可見(jiàn)光吸收在紫外或可見(jiàn)光區域有吸收的陰、陽(yáng)離子和在柱前柱后衍生反應后具有紫外或可見(jiàn)光吸收的離子或化合物，如過(guò)渡金屬、二氧化硅等。熒光激發(fā)和發(fā)射銨、氨基酸

　　三、離子色譜的分離方式

　　按照分離機理，離子色譜可分為高效離子交換色譜(HPIC)、離子排斥色譜(HPIEC)和離子對色譜(MPIC)三種。用于三種分離方式的柱填料的樹(shù)脂骨架都是苯乙烯和二

　　乙烯苯的共聚物。HPIC用低溶量的離子交換樹(shù)脂，HPIEC用高容量的樹(shù)脂，MPIC用不含離子交換基團的多孔樹(shù)脂。

　　高效離子交換色譜HPIC的分離機理主要是離子交換，是基于離子交換樹(shù)脂上可離解的離子與流動(dòng)相中具有相同電荷的離子之間進(jìn)行的可逆交換。依據不同離子對交換劑的不同親合力而被逐漸分離。它是離子色譜的主要分離方式，用于親水性陰、陽(yáng)離子的分離。如以NaOH為淋洗液分析水體中陰離子時(shí)，先用淋洗液平衡陰離子交換分離柱，再將樣品帶入。樣品進(jìn)入后，待測離子將陰離子交換樹(shù)脂上OH-根置換下來(lái)，并暫時(shí)而選擇地保留在固定相上。隨后，被保留的待測陰離子依據與樹(shù)脂親合力的差別，而由弱到強逐漸被洗脫下來(lái)，從而達到分離的目的。經(jīng)分離柱分離之后，如洗脫液直接進(jìn)入電導池時(shí)稱(chēng)非抑制型離子色譜，如洗脫液先通過(guò)抑制器，再進(jìn)入電導池稱(chēng)抑制型離子色譜。相比而言，抑制型離子色譜具有更高的靈敏度。抑制器主要起到降低淋洗液的背景電導和增加被測離子的電導值，改善信噪比的作用。通過(guò)抑制器后，淋洗液被中和成電導值很小的水，而被測樣品轉化成相應的酸或堿，大大提出高了被測樣品的靈敏度。為了減弱抑制器填充樹(shù)脂再生時(shí)外來(lái)的干擾，自動(dòng)再生連續工作的抑制器是目前最先進(jìn)的抑制器。

　　高效離子交換色譜可以分析弱保留陰離子，主要包括F-、一價(jià)無(wú)機陰離子、一元羧酸和一些弱離解組分，如HCO32-、CN-、和S2-等。

　　同時(shí)，還可分析易極化的無(wú)機陰離子，如I-，SCN-，CLO4-，S2O32-，以及含氧金屬陰離子MoO42-,WO42-、CrO42-和多聚磷酸鹽等。對小分子的有機酸類(lèi)也有很好的分析效果。利用離子交換色譜分析堿金屬、堿土金屬和胺類(lèi)是最常用的方法。在測定過(guò)渡金屬和重金屬方面，柱后衍生光度法的成功應用，顯著(zhù)地改進(jìn)了重金屬和過(guò)渡金屬的分析方法，使得IC成為一種廣泛應用的多元素分析方法。它不僅可同時(shí)分析多種元素，還可同時(shí)檢測元素的不同價(jià)態(tài)。使得IC成為復雜體系中重金屬和過(guò)渡金屬分析的有效方法。

　　利用IC法測定重金屬和過(guò)渡金屬時(shí)，首先，在淋洗液中加入一定的絡(luò )合劑，使待測金屬與其發(fā)生絡(luò )合反應而降低金屬離子的活性，進(jìn)而使其能在分離柱上有效分離。經(jīng)分離柱分離后金屬離子與連續加入的顯色劑發(fā)生顯色反應，生成可用分光光度法測定的帶發(fā)色基團的衍生物。

　　離子排斥色譜由于Donnan排斥，完全離解的強電解質(zhì)受排斥而不被固定相保留，而未離解的化合物不受Donnan排斥，能進(jìn)入樹(shù)脂的內微孔，分離是基于溶質(zhì)和固定相

　　之間的非離子性相互作用。被分離的化合物再經(jīng)過(guò)不同檢測器的測定，可成功地分析無(wú)機弱酸(如：硼酸、氟、亞砷酸、氫氰酸、氫碘酸、硅酸、亞硫酸和碳酸)和大量有機酸，也可用于醇類(lèi)、醛類(lèi)的分析。

　　離子對色譜在流動(dòng)相中加入一種與待分離的離子電荷相反的離子，使其與待測離子生成疏水性化合物。經(jīng)分離柱分離后，再用不同的檢測器進(jìn)行測定�？捎糜诜蛛x一般陰離子和金屬絡(luò )合物，也可分離多種胺類(lèi)，并對陰、陽(yáng)離子類(lèi)的表面活劑有較好的分離效果。

　　四、離子色譜的應用

　　作為近20年來(lái)來(lái)發(fā)展最快的技術(shù)這一，離子色譜的應用已滲透到眾多領(lǐng)域。應用范圍從分析水中常見(jiàn)陰、陽(yáng)離子和有機酸，發(fā)展到分析極性化合物、氨基酸、糖、重金屬和過(guò)渡過(guò)金屬及不同氧化態(tài)。作為一種有效的痕量分析手段，由于其具有簡(jiǎn)便、高效、高靈敏度和重現好的特點(diǎn)，離子色譜已在許多領(lǐng)域代替了傳統的化學(xué)分析方法，如蒸氣鍋中痕量Fe3、Fe2、Cu2、和SiO32-以及Cl-、SO42-、Na、Mg2、Ca2等離子分析，已經(jīng)廣泛采用離子色譜法。另外，離子色譜在環(huán)境、食品、衛生、石油開(kāi)發(fā)、石油化工、飲用水、高純水和水文地層方面已得到廣泛應用。

　　離子色譜在分析飲用水水質(zhì)方面，除能對十三種常見(jiàn)陰、陽(yáng)離子(F-、Cl-、Br-、NO3-、NO2-、SO42-、PO43-、Li、Na、NH4、K、Mg2、Ca2)的快速分析外，還可對已被美國EPA列入飲用水必測項目(國內正著(zhù)手制定相關(guān)標準)的消毒副產(chǎn)物：亞氯酸根、次氯酸根、氯酸根、溴酸根、溴化物等進(jìn)行準確得定量。同時(shí)，還可分析氰化物、不同價(jià)態(tài)的鉻、二氧化硅、部分重金屬，有機酸類(lèi)。對于水處理中常用的混凝劑Al和Fe的殘留濃度也能準確測定。

　　經(jīng)過(guò)多年的應用，離子色譜已逐漸被國內外分析領(lǐng)域所接受，并被一些國際上有影響的機構確定為標準分析方法或推薦方法。它是一種很有發(fā)展前途的分析方法。