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離子色譜基礎(chǔ)知識(shí)

更新時(shí)間:2025-09-26點(diǎn)擊次數(shù):732
  離子色譜(Ion Chromatography,IC)是一種分離和分析溶液中離子的技術(shù)方法。它基于離子交換作用原理,通過(guò)通過(guò)固定相上的陰陽(yáng)離子交換樹(shù)脂將待測(cè)樣品中的離子分離開(kāi)來(lái)。

離子色譜是高效液相色譜的一種,故又稱(chēng)高效離子色譜(HPIC)或現(xiàn)代離子色譜。許多小伙伴在離子色譜使用過(guò)程中,多多少少會(huì)遇到這樣那樣的問(wèn)題,今天就和大家聊一聊離子色譜常見(jiàn)故障及解決辦法。
     離子色譜 (Ion Chromatography)是高效液相色譜(HPLC)的一種,是分析陰離子和陽(yáng)離子的一種液相色譜方法。離子色譜法的定義是:利用被測(cè)物質(zhì)的離子性進(jìn)行分離和檢測(cè)的液相色譜法。

離子色譜方法
     離子色譜是分離離子型成份的所有色譜方法的統(tǒng)稱(chēng)。包括:

(1)離子對(duì)色譜 

(2)離子交換色譜

(3)離子排斥色譜

待測(cè)成份和流動(dòng)相通常是極性和/或離子型的。離子交換色譜是離子色譜中最重要的分離方式。 

應(yīng)用方法  
對(duì)海水樣品進(jìn)行簡(jiǎn)單前處理后,使用便攜離子色譜儀對(duì)目標(biāo)物質(zhì)進(jìn)行分析。
海水樣品加入物質(zhì)氧化銀進(jìn)行處理,然后分別對(duì)亞硝酸鹽(NO2)、硝酸鹽(NO3)、磷酸鹽(PO4)和硫酸根進(jìn)行檢測(cè)。如下圖:

離子色譜儀

 

步驟1:得到硫酸根離子圖譜

離子色譜儀

 

步驟2:得到硝酸根、亞硝酸根、磷酸根圖譜

離子色譜儀

 

1、離子對(duì)色譜
     通過(guò)加入親脂性對(duì)離子,陽(yáng)離子和陰離子與非離子分子反應(yīng)。分離生成的非極性分子在反相模式中得以分離。固定相=非極性(例如:C18)-流動(dòng)相=極性(例如:乙腈或甲醇/水)
 
2、離子交換色譜

陽(yáng)離子和陰離子與固定相形成弱離子鍵。

C:固定相=極性(例如:R-SO3-)-流動(dòng)相=極性(例如:HNO3水溶液)
 
A:固定相=極性(例如:R-NR3+)-流動(dòng)相=極性(例如:Na2CO3水溶液)
 
3、離子排斥色譜
     H+離子型固定相表面形成非極性Donan膜。只有非極性和非離解的分子可以進(jìn)入該膜。離解的離子受到固定相Donnan膜的排斥。依據(jù)分子的離解常數(shù)不同進(jìn)行分離。 
檢測(cè)原理
     大多數(shù)電離物質(zhì)在溶液中會(huì)發(fā)生電離,產(chǎn)生電導(dǎo),通過(guò)對(duì)電導(dǎo)的檢測(cè),就可以對(duì)他的電離程度進(jìn)行分析。由于在稀溶液中大多數(shù)電離物質(zhì)都會(huì)電離,因此可以通過(guò)測(cè)定電導(dǎo)值來(lái)檢測(cè)被測(cè)物質(zhì)的含量。所以,離子色譜通用檢測(cè)器主要以電導(dǎo)檢測(cè)器為基礎(chǔ)。 
      離子色譜分離原理是基于離子色譜柱(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溶質(zhì)離子之間進(jìn)行的可逆交換和分析物溶質(zhì)對(duì)交換劑親和力的差別而被分離。適用于親水性陰、陽(yáng)離子的分離。例如檢驗(yàn)亞硝酸鹽,樣品溶液進(jìn)樣之后,首先亞硝酸根離子與分析柱的離子交換位置之間直接進(jìn)行離子交換(即被保留在柱上),然后被淋洗液中的OH-基置換并從柱上被洗脫。對(duì)樹(shù)脂親和力弱的分析物離子先于對(duì)樹(shù)脂親和力強(qiáng)的分析物離子依次被洗脫,如F-,Cl-,然后是亞硝酸根離子,硝酸根離子,這就是離子色譜分離過(guò)程。
     關(guān)鍵問(wèn)題是不僅被測(cè)離子具有導(dǎo)電性,而且一般淋洗液本身也是一種電離物質(zhì),具有很強(qiáng)的電離度。所以,在離子色譜柱后端,加入相反電荷的離子交換樹(shù)脂填料,如陰離子色譜柱后加入氫型的陽(yáng)離子交換樹(shù)脂,陽(yáng)離子色譜柱后加入氫氧根型的陰離子交換樹(shù)脂填料,由分離柱流出的攜帶待測(cè)離子的洗脫液,在這里發(fā)生兩個(gè)簡(jiǎn)單但十分重要的化學(xué)反應(yīng):一個(gè)是將淋洗液轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗妼?dǎo)組分,以降低來(lái)自淋洗液的背景電導(dǎo);另一是將樣品離子轉(zhuǎn)變成其相應(yīng)的酸或堿,以增加其電導(dǎo)。這種在分離柱和檢測(cè)器之間能降低背景電導(dǎo)值而提高檢測(cè)靈敏度的裝置,成為抑制柱(抑制器)。
離子色譜流路圖:

離子色譜流路圖

 

抑制器主要起兩個(gè)作用:降低淋洗液的背景電導(dǎo);增加被測(cè)離子的電導(dǎo)率值,改善信噪比。

離子色譜

離子色譜

 干擾

     進(jìn)行微克/升級(jí)或更低濃度的分析時(shí),污染是嚴(yán)重的問(wèn)題,在測(cè)試的所有環(huán)節(jié)(采樣、存儲(chǔ)和分析)都必須非常小心,避免污染。

     與其它色譜法一樣,當(dāng)樣品中某組分濃度非常高時(shí),譜圖中會(huì)對(duì)應(yīng)產(chǎn)生很大峰,掩蓋其它物質(zhì)的峰并造成干擾,這種干擾通??筛鶕?jù)其它陰離子濃度,適當(dāng)稀釋樣品而減小。

      對(duì)于用濃縮柱進(jìn)樣時(shí),某些高濃度的強(qiáng)保留陰離子會(huì)起淋洗液的作用,可將弱保留被測(cè)陰離子洗脫下來(lái),這種情況下適宜用大容積樣品定量環(huán)直接進(jìn)樣。 

常見(jiàn)故障及解決辦法

 一、電導(dǎo)檢測(cè)器常見(jiàn)故障有哪些?

     電導(dǎo)檢測(cè)器常見(jiàn)故障是檢測(cè)池被污染。

 故障原因:污染物主要來(lái)源于沒(méi)有經(jīng)過(guò)適當(dāng)前處理的樣品,如濃度過(guò)高、復(fù)雜的樣品基體等。

 故障現(xiàn)象:基線(xiàn)噪聲變大,靈敏度降低。

 處理方法:

 1、用3mol/LHNO3溶液清洗電導(dǎo)池,再用去離子水清洗電導(dǎo)池至pH值達(dá)中性;

 2、用0.001 mol/LKCI溶液校正電導(dǎo)池,使電導(dǎo)值顯示為147μS。

 二、系統(tǒng)壓力增高該咋辦?

     壓力增高一般都是因儀器部件發(fā)生堵塞引起的,當(dāng)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)壓力增高時(shí)應(yīng)從流路的檢測(cè)器端開(kāi)始,逐一排查,以找到引起壓力增高的具體單元。

 1、在線(xiàn)過(guò)濾器發(fā)生堵塞時(shí),直接更換濾芯;

 2、色譜柱入口處濾膜堵塞時(shí),應(yīng)反接色譜柱用去離子水反復(fù)沖洗; 

 3、單向閥和濾頭堵塞后需將其卸下先用無(wú)水乙醇超聲清洗15min ~30min,以清除部件上粘附的有機(jī)物,再用去離子水清洗干凈后放入1:1的硝酸溶液中超聲清洗15min,最后用去離子水反復(fù)清洗干凈后按原方位安裝好后使用。高壓系統(tǒng)中常出現(xiàn)堵塞問(wèn)題的部件有單向閥、濾頭、在線(xiàn)過(guò)濾器、分離柱、保護(hù)柱等; 

 4、檢查管路中peek頭是否擰得過(guò)緊,否則也會(huì)導(dǎo)致壓力增高。

 三、分析泵常見(jiàn)故障咋處理?

     分析泵常見(jiàn)故障是泵內(nèi)產(chǎn)生氣泡和漏液故障現(xiàn)象:基線(xiàn)的噪聲加大,色譜峰形變差(出現(xiàn)亂峰)。處理方法:為分析泵提供充足的淋洗液,并且給淋洗液施加一定的壓力(通常小于35kPa)。對(duì)于容易產(chǎn)生氣體的溶液可以先用真空脫氣,然后用惰性氣體在線(xiàn)脫氣的處理方法;若泵漏液,可更換泵密封圈。

 四、抑制器使用中的常見(jiàn)故障怎么排除?

     抑制器在離子色譜儀中具有舉足輕重的作用。抑制器工作性能的好壞對(duì)分析結(jié)果有很大的影響。抑制器最常見(jiàn)的故障是漏液,使峰面積減?。`敏度下降)和背景電導(dǎo)升高。

 1、峰面積減小

     造成峰面積減小的主要原因有:微膜脫水、抑制器漏液、溶液流路不暢和微膜被玷污。抑制器長(zhǎng)期不用,會(huì)發(fā)生微膜脫水現(xiàn)象,為激活抑制器,可用注射器向陰離子抑制器內(nèi)以淋洗液流路相反的方向注入少許0.2mol/L的硫酸溶液。同時(shí)向再生液進(jìn)口注入少許純凈水,并將抑制器放置半小時(shí)以上。抑制器內(nèi)玷污的金屬離子可以用草酸鈉清洗。

2、背景電導(dǎo)值高

     在化學(xué)抑制型電導(dǎo)檢測(cè)分析過(guò)程中,若背景電導(dǎo)高,說(shuō)明抑制器部分存在一定的問(wèn)題。大多數(shù)是操作不當(dāng)引起的。例如淋洗液或再生液流路堵塞,系統(tǒng)中無(wú)溶液流動(dòng)造成背景電導(dǎo)偏高或使用的電抑制器電流設(shè)置的太小等。膜被污染后交換容量下降亦會(huì)使背景電導(dǎo)升高。而失效的抑制器在使用時(shí)會(huì)出現(xiàn)背景電導(dǎo)持續(xù)升高的現(xiàn)象,此時(shí)應(yīng)更換一支新的抑制器。

3、漏液

     抑制器漏液的主要原因是抑制器內(nèi)的微膜沒(méi)有充分水化。因此,長(zhǎng)時(shí)間未使用的抑制器在使用前應(yīng)讓微膜水溶脹后再使用。另外要保證再生液出口順暢,因此反壓較大時(shí)也會(huì)造成抑制器漏液。另外抑制器保管不當(dāng)造成抑制器內(nèi)的微膜收縮、破裂也會(huì)發(fā)生漏液現(xiàn)象。 

五、離子色譜柱

      該如何維護(hù)、保存?色譜柱的保存色譜柱填充料的不同,其保存方法也各異。一般而言,大多數(shù)陰離子分離柱在堿性條件下保存,陽(yáng)離子分離柱在酸性條件下保存。需長(zhǎng)時(shí)間保存時(shí)(30天以上),先按要求向柱內(nèi)泵入保存液,然后將柱子從儀器上取下,用無(wú)孔接頭將柱子兩端堵死后放在低溫處保存。短時(shí)間不用,每周應(yīng)至少開(kāi)機(jī)一次,讓儀器運(yùn)行1-2h。

     色譜柱的清洗清洗色譜柱注意事項(xiàng):清洗前,應(yīng)將分離柱與系統(tǒng)分離,讓廢液直接排出。另外,每次清洗后應(yīng)用去離子水沖洗10min以上,再用淋洗液平衡系統(tǒng)。清洗時(shí)的流速不宜過(guò)快,在1mL/min以下。

      無(wú)機(jī)離子的玷污離子半徑較大的無(wú)機(jī)離子與交換基團(tuán)結(jié)合,影響正常的交換分離。首先應(yīng)考慮用組分相同且濃10倍的淋洗液清洗色譜柱。清洗陰離子分離柱上的金屬離子(如Fe3+)使用0.1mol/L草酸。清洗陽(yáng)離子分離柱上的某些金屬(如Al3+)可使用1-3mol/LHCl。

     有機(jī)物玷污清洗色譜柱內(nèi)的有機(jī)物常用甲醇或乙腈,但對(duì)帶有羧基的陽(yáng)離子分離柱需要避免使用甲醇。低交聯(lián)度的離子交換樹(shù)脂填充的色譜柱(交聯(lián)度小于5%)清洗液中有機(jī)溶劑的濃度不宜超過(guò)5%。
       離子色譜儀主要由四個(gè)部分組成:進(jìn)樣系統(tǒng)、柱體系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。
 

  進(jìn)樣系統(tǒng)用于引入待測(cè)樣品到離子色譜柱中。樣品可以以液態(tài)或氣態(tài)形式進(jìn)樣,通常使用自動(dòng)進(jìn)樣器實(shí)現(xiàn)高效、精確的樣品進(jìn)樣。進(jìn)樣后,樣品與流動(dòng)相一起通過(guò)色譜柱。

  柱體系統(tǒng)是整個(gè)離子色譜儀中最核心的部分,包括填充有離子交換樹(shù)脂的色譜柱。色譜柱的選擇取決于待測(cè)離子的性質(zhì)和分離要求。離子在色譜柱中受到固定相上的離子交換樹(shù)脂的作用,如同磁鐵吸引物體一樣,不同離子根據(jù)其與固定相的親合力差異而被分離。

 

  檢測(cè)系統(tǒng)用于監(jiān)測(cè)經(jīng)過(guò)柱體系統(tǒng)的離子峰。最常見(jiàn)的檢測(cè)方法是電導(dǎo)檢測(cè),通過(guò)測(cè)量離子在流動(dòng)相中的電導(dǎo)率來(lái)確定其濃度。其他常用的檢測(cè)方法還包括光學(xué)檢測(cè)、熒光檢測(cè)等。

  數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)用于記錄和分析檢測(cè)到的離子峰。離子色譜儀通常配備專(zhuān)業(yè)的數(shù)據(jù)處理軟件,可以對(duì)離子峰進(jìn)行定量分析、峰面積計(jì)算等操作。這些數(shù)據(jù)有助于確定待測(cè)樣品中離子的類(lèi)型和濃度。

  離子色譜廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、食品安全、制藥、生物化學(xué)等領(lǐng)域。它可以分析水中的無(wú)機(jī)陰離子和陽(yáng)離子,如氯離子、硝酸根離子、鈉離子、鉀離子等,也可以分析有機(jī)陰離子和陽(yáng)離子,如檸檬酸根離子、乙酸根離子、尿素等。

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