离子色谱分离度的改善

一、分离度的改善

 （一）决定保留的参数

    与液相色谱不同离子色谱的选择性主要由固定相性质决定。戴安公司有数十种不同选择性的柱子可供选择，对我国的多数用户，选购多种子有一定困难。本节主要讨论固定相选定之后的一些主要参数。对于待测离子而言，决定保留时间的主要参数是待测离子的价数，离子的大小，离子的极化度和离子的酸碱性强度。

1 价数

    一般的规律是，待测离子的价数越高，保留时间越长，如二价的SO₄^2-的保留时间大于一价的NO₃^-。例外是多价离子，如磷酸盐的保留时间与淋洗液的PH有关，在不同的 PH磷酸盐的存在形态不同，随着PH的增高，磷酸由一价阴离子（H₂PO₄^-）到二价（HPO₃^2-）和三价（PO₄^3-），三价阴离子PO₄^3-的保留时间大于一价的H₂PO₄^-。

2 离子大小

    待测离子的离子半径越大，保留时间越长。例如，下列一价离子的保留时间按下列顺序增加：F^-<Cl^-<Br^-<<I^-。

3 极化度

    待测离子的极化度越大，保留时间越长，例如二价SO₄^2-的保留时间小于极化度大的一价离子SCN^-。因为SCN^-在固定相上的保留除了离子交换之外还加上了吸附作用。

（二）改善分离度

1 稀释样品

对组成复杂的样品，若待测离子对树脂亲合力相差颇大，就要作几次进样，并用不同浓度或强度的淋洗液或梯度淋洗。对固定相亲合力差异较大的离子，增加分离度的zui简单方法是稀释样品或作样品前处理。例如盐水中SO₄^2-和Cl^-的分离。若直接进样，其色谱峰很宽而且拖尾,表明进样量已超过分离柱容量，在常用的分析阴离子的色谱条件下，30min之后Cl^-的洗脱仍在继续. 在这种情况下，在未恢复稳定基线之前不能再进样。若将样品稀释10倍之后再进样就可得到Cl^-与痕量SO₄2-之间的较好分离。对阴离子分析推荐的zui大的进样量，一般为柱容量的30%，超过这个范围就会出现大的平头峰或肩峰。

2 改变分离和检测方式

若待测离子对固定相亲合力相近或相同，样品稀释的效果常不令人满意。对于这种情况，除了选择适当的流动相之外，还应考虑选择适当的分离方式和检测方式。例如，NO₃^-和ClO₃^-，由于它们的电荷数和离子半径相似，在阴离子交换分离柱上共淋洗。但ClO₃^-的疏水性大于NO₃^-，在离子对色谱柱上就很容易分开了。又如NO₂^-与Cl^-在阴离子交换分离柱上的保留时间相近，常见样品中Cl^-的浓度又远大于NO₂^-，使分离更加困难，但NO₂^-有强的UV吸收，而Cl^-则很弱，因此应改用紫外作检测器测定NO₂^-，用电导检测Cl^-或将两种检测器串联，一次进样同时检测Cl^-与NO₂^-。对高浓度强酸中有机酸的分析，若采用离子排斥，由于强酸不被保留，在死体积排除，将不干扰有机酸的分离。

3 样品前处理

对高浓度基体中痕量离子的测定，例如海水中阴离子的测定，的方法是对样品作适当的前处理。除去过量Cl^-的前处理方法有：使样品通过Ag⁺型前处理柱除去Cl^-，或进样前加AgNO₃到样品中沉淀Cl^-；也可用阀切换技术，其方法是使样品中弱保留的组分和90%以上的Cl^-进入废液，只让10%左右的Cl^-和保留时间大于Cl^-的组分进入分离柱进行分离。对含有大的有机分子的样品，应于进样前除去有机物，较简单的方法是用戴安公司的前处理柱OnGuard的RP或P柱或在线阀切换除去有机基体。

4 选择适当的淋洗液

离子色谱分离是基于淋洗离子和样品离子之间对树脂有效交换容量的竞争，为了得到有效的竞争，样品离子和淋洗离子应有相近的亲合力。下面举例说明选择淋洗液的一般原则。用CO₃^2--HCO₃^-作淋洗液时，在Cl^-之前洗脱的离子是弱保留离子，包括一价无机阴离子、短碳链一元羧酸和一些弱离解的组分，如F^-、甲酸、乙酸、AsO₂^-、CN-和S^2-等。对乙酸、甲酸与F^-、Cl^-等的分离应选用较弱的淋洗离子，常用的弱淋洗离子有HCO₃-OH^-和B₄O₇^2-。由于HCO₃^-和OH^-易吸收空气中CO₂，CO₂在碱性溶液中会转变成CO₃^2-，CO₃^2-的淋洗强度较HCO₃^-和OH^-大，因而不利于上述弱保留离子的分离。B₄O₇^2-亦为弱淋洗离子，但溶液稳定，是分离弱保留离子的推荐淋洗液。中等强度的碳酸盐淋洗液对高亲和力组分的洗脱效率低。对离子交换树脂亲合力强的离子有两种情况，一种是离子的电荷数大，如PO₄^3-、AsO₄^3-和多聚磷酸盐等；一种是离子半径较大，疏水性强，如I^-、SCN^-、S₂O₃^2-，苯甲酸和柠檬酸等。对前者以增加淋洗液的浓度或选择强的淋洗离子为主。对后一种情况，推荐的方法是在淋洗液中加入有机改进剂(如甲醇乙腈和对氰酚等)或选用亲水性的柱子，有机改进剂的作用主要是减少样品离子与离子交换树脂之间的非离子交换作用，占据树脂的疏水性位置，减少疏水性离子在树脂上的吸附，从而缩短保留时间，减少峰的拖尾，并增加测定灵敏度。

在离子色谱中，可由加入不同的淋洗液添加剂来改善选择性，这种淋洗液添加剂只影响树脂和所测离子之间的相互作用，而不影响离子交换。对与树脂亲合力较强的离子，如一些可极化的离子，I^-和ClO₄^-，以及疏水性的离子，苯甲酸和三乙胺等，在淋洗液中加入适量极性的有机溶剂如甲醇或乙腈，可缩短这些组分的保留时间并改善峰形的不对称性。为了减少样品离子与树脂之间的非离子交换作用，减少树脂对疏水性离子的吸附，在阴离子分析中，可在淋洗液中加入对氰酚。如测定1%NaCl中的痕量I^-和SCN^-时，加入对氰酚占据树脂对I^-和SCN^-的吸附位置从而减少峰的拖尾并增加测定的灵敏度。IC中，一价淋洗离子洗脱一价待测离子，二价淋洗离子洗脱二价待测离子，淋洗液浓度的改变对二价和多价待测离子保留时间的影响大于一价待测离子。若多价离子的保留时间太长，增加淋洗液的浓度是较好的方法。

（三）减少保留时间

    缩短分析时间与提高分离度的要求有时是相矛盾的。在能得到较好的分离结果的前提下分析的时间自然是越短越好。为了缩短分析时间，可改变分离柱容量、淋洗液流速、淋洗液强度，在淋洗液中加入有机改进剂和用梯度淋洗技术。

    以上方法中zui简便的是减小分离柱的容量，或用短柱。例如用3×500mm分离柱分离NO₃^-和SO₄^2-，需用18min，而用3×250mm的分离柱，用相同浓度的淋洗液只用9min。但NO₃-和SO₄^2-的分离不好，若改用稍弱的淋洗液就可得到较好的分离。

    大的进样体积有利于提高检测灵敏度，但导致大的系统死体积，即大的水负峰，因而推迟样品离子的出峰时间。如在戴安公司的AS11柱上用NaOH为淋洗液，进样量分别为25、250和750μL时，F^-的保留时间分别为2.0、2.5和3.6分。为了减小保留时间，用小的进样体积。

    增加淋洗液的流速可缩短分析时间，但流速的增加受系统所能承受的zui高压力的限制。流速的改变对分离机理不*是离子交换的组分的分离度的影响较大，例如对 Br^-和NO₂-之间的分离，当流速增加时分离度降低很多，而分离机理主要是离子交换的NO₃-和SO₄²-，甚至在很高的流速时，他们之间的分离度仍很好。

    增加淋洗液的强度对分离度影响与缩短分离柱或增加淋洗液的流速相同。用较强的淋洗离子可加速离子的淋洗，但对弱保留和中等保留的离子，会降低分离度。当用弱淋洗液（如B₄O₇²-）分离弱保留样品离子时，弱保留离子，如奎尼酸盐、F^-、乳酸盐、乙酸盐、丙酸盐、甲酸盐、丁酸盐、甲基磺酸盐、丙酮酸盐、戊酸盐、BrO₃-和Cl^-等得到较好分离。但一般样品中都含有一些对阴离子交换树脂亲合力强的离子，如SO₄^2-、PO₄^3-、草酸盐等，如果用等浓度淋洗，它们将在一小时之后甚至更长时间才被洗脱。对这种情况，应于3-5次进样之后，用高浓度的强淋洗液作样品进一次样，将强保留组分从柱中推出来，或者用较强的淋洗液洗柱子半小时。

    在淋洗液中加入有机改进剂，可缩短保留时间和减小峰的拖尾。  

（四）改善检测灵敏度

    首先是按说明书操作，是仪器在*工作状态，得到稳定的基线，才可将检测器的灵敏度设置在较高灵敏档，这是提高检测灵敏度的zui简单方法，但此时基线噪音也随之增大。

    第二种方法是增加进样量。直接进样，进样量的上限取决于保留时间zui短的色谱峰与死体积（IC中一般称水负峰）之间的时间，例如用IonPacCS12A柱，12mmol/L硫酸作淋洗液。进样体积1300μl，可直接用电导检测低μg/L的碱金属和碱土金属，见图 1。图中，Li⁺（保留时间zui小的峰）的保留时间为4.1min，水负峰在1.6min，Li⁺峰与水负峰之间相隔达2.5min，因此可直接用大体积进样。而在阴离子分析中，若用CO₃^2-/HCO₃^-作流动相，由于F^-峰（保留时间zui短的峰）靠近水负峰，若增加进样体积，水负峰增大，F^-的峰甚至与水负峰分不开；另一方面由于F^-的保留时间一般小于2min，若进样量大于1ml，流速为1-2ml/min，F^-没有足够的时间参加色谱过程，因此峰拖尾定量困难。若用亲水性强的固定相，以NaOH为淋洗液，特别是梯度淋洗时，由于梯度淋洗开始时NaOH浓度低，又由于通过抑制器之后的背景溶液是低电导的水，几乎无水负峰，这种情况可适当增大进样量，图2表明，若进样量为750uL可直接测定10^-1g/L的常见阴离子。

图 1 大体积进样 1300μL测定低含量（μg/L）的阳离子

分离柱：IonPacCS12A,2mm;                      淋洗液：12mmol/LH₂SO4

进样体积：1300μL；                           检测器：抑制型电导；

色谱峰（μg/L）：1－Li⁺(1)； 2－Na⁺(4)； 3－NH₄⁺（5）；4－K⁺(10)；

5－Mg²⁺(5)； 6－Ca²⁺(10)

图 2 大体积(750 μL)进样测定低μg/L的阴离子

分离柱：IonPacAS11(2mm)； 淋洗液：NaOH 梯度（0.5－26mmol/L）;检测器；抑制性电导；色谱峰（μg/L）：1－F^－(0.5)；2－乙酸(0.20)；3－甲酸(0.10)；4－Cl^－(0.25)；5－NO₂^－(0.25)；6－Br^－(0.75)；7－NO₃^－(0.50)；8－未知；9-CO₃^2－；10－SO₄^2－； 11－草酸(0.50)；12－PO₄^3-

    第三种方法是用浓缩柱，但一般只用于较清洁的样品中痕量成分的测定，用浓缩柱时要注意，不要使分离柱超负荷。柱子的动态离子交换容量小于理论值的30%。用浓缩柱富集F^-时，若样品中同时还含有保留较强的离子，如SO₄^2- 或PO₄^3-等，F^-的回收不好。其原因是样品中的SO₄^2-或PO₄^3-也起淋洗离子的作用，可将弱保留的F^-部分洗脱下来。对弱保留的离子，若浓缩柱的柱容量不是足够大，则用加大进样量方法所得到的结果较用浓缩柱好。除此之外，用浓缩柱时还应考虑样品的基体。例如，动力厂冷凝水中Cl^-和SO₄^2-的含量只有1-10μg/L。用浓缩柱后，SO₄^2-的测定结果很好，而Cl^-的结果则很不正常。其原因是工厂为了防止腐蚀，在水中加氨以降低水的pH值。氨与水作用生成的氢氧化铵中，OH^-对树脂的亲合力与Cl^-相近，其浓度则远大于Cl^－，因而起了淋洗离子的作用。而SO₄2-对树脂亲合力较大，因而受OH^-的影响小。

    第四种方法是用微孔柱。离子色谱中常用的标准柱的直径为4mm，微孔柱的直径为2mm。因为微孔柱较标准柱的体积小4倍，在微孔柱中进同样（与标准柱）质量的样品，将在检测器产生4倍于标准柱的信号。而且淋洗液的用量只为标准柱的四分之一，因而减少淋洗液的消耗。