离子对色谱：多组分同时检测的选择

离子色谱法（Ion Chromatography，IC）是以离子型化合物为分析对象的液相色谱法。它与普通液相色谱法的不同之处是它通常使用离子交换固定相和电导检测器。离子色谱法作为20世纪70年代发展起来的一项新的分析技术，由于具有快速、灵敏、选择性好等特点，尤其在阴离子检测方面有着其他方法所无法比拟的优势，因此被广泛地应用于化工、医药、环保、卫生防疫、半导体制造等行业，并在某些领域被列为标准测定方法。

1.离子色谱的基本原理

离子色谱的分离机理主要是离子交换，有3种分离方式，分别为离子交换色谱法（Ion Exchange Chromatography，IEC）、离子排斥色谱法（Ion Chromatography Exclusion，ICE）和离子对色谱法（Ion-Pair Chromatography，IPC）。用于3种分离方式的柱填料的树脂骨架基本都是苯乙烯-二乙烯基苯的共聚物，但树脂的离子交换功能和容量各不相同。IEC用低容量的离子交换树脂，ICE用高容量的树脂，IPC用不含离子交换基团的多孔树脂。3种分离方式各基于不同的分离机理。IEC的分离机理主要是离子交换，ICE主要基于离子排斥，而IPC则主要基于吸附和离子对的形成。

（1）离子交换色谱 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，这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-二乙烯基苯共聚体为骨架，在苯环上引入磺酸基，形成强酸型的阳离子交换树脂。引入叔胺基而成为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值范围内使用，易再生处理，使用寿命长。其缺点是机械强度差，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，使离子交换基的有机硅烷与表面的硅醇基反应，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pH值为2～8的范围内使用。

（2）离子排斥色谱 根据Donnan膜的排斥效应，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、碳酸根和硫酸根等。它主要采用高交换容量的磺化H型阳离子交换树脂作填料，以稀盐酸为洗脱液。

（3）离子对色谱 无机离子以及离解很强的有机离子通常采用离子交换色谱或离子排斥色谱进行分离。很多大分子或离解较弱的有机离子需要采用通常用于中性有机化合物分离的反相（或正相）色谱进行分离。然而，直接采用正相色谱或反相色谱存在困难。这是因为大多数可离解的有机化合物在正相色谱的硅胶固定相上吸附太强，致使被测物质保留值太大，出现拖尾峰，有时甚至不能被洗脱，而在反相色谱的非极性（或弱极性）固定相中的保留又太小。在这种情况下，就可采用离子对色谱。

离子对色谱也称为离子相互作用色谱。在流动相中加入适当的具有与被测离子相反电荷的离子，即离子对试剂，使之与被测离子形成中性的离子对化合物。此离子对化合物在反相色谱柱上被保留，保留的大小主要取决于离子对化合物的解离平衡常数和离子对试剂的浓度。离子对色谱也可采用正相色谱的模式，即可以用硅胶柱，但不如反相色谱效果好，因此多数情况下采用反相色谱模式，所以离子对色谱也常称为反相离子对色谱。

2.离子色谱系统

离子色谱系统的构成与高效液相色谱系统相同，仪器由流动相传送部分、分离柱、检测器和数据处理系统4个部分组成，如图5-6-2所示。其主要区别是离子色谱系统的流动相要求耐酸碱腐蚀以及在可与水互溶的有机溶剂（如乙腈、甲醇和丙酮等）中不溶胀的系统。因此，凡是流动相通过的管道、阀门、泵、柱子及接头等均不宜用不锈钢材料，而应用耐酸碱腐蚀的PEEK材料的全塑离子色谱系统。离子色谱的最重要部件是分离柱。柱管材料应是惰性的，一般均在室温下使用。高效柱和特殊性能分离柱的研制成功，是离子色谱迅速发展的关键。

图5-6-2 流路系统装配图（以阴离子系统为例）(www.xing528.com)

3.离子色谱的优点

（1）快速、方便 对7种常见阴离子（F^-、Cl^-、Br^-、NO^2-、NO^3-、SO^2-₄、PO^3-₄）和6种常见阳离子（Li⁺、Na⁺、NH⁺₄、K⁺、Mg²⁺、Ca²⁺）的平均分析时间分别小于8min。用高效快速分离柱对上述7种最重要的常见阴离子达基线分离只需3min。

（2）灵敏度高 离子色谱分析的浓度范围为几微克每升（1～10μg/L）至数百毫克每升。直接进样（25μL），电导检测，对常见阴离子的检出限小于10μg/L。

（3）选择性好 离子色谱法分析无机和有机阴、阳离子的选择性可通过选择恰当的分离方式来达到。与高效液相色谱法相比，离子色谱法中的固定相对选择性的影响较大。

（4）可同时分析多种离子化合物 与光度法、原子吸收法相比，离子色谱法的主要优点是可同时检测样品中的多种成分。只需很短的时间就可得到阴、阳离子以及样品组成的全部信息。

（5）分离柱的稳定性好、容量高 与高效液相色谱法中所用的硅胶填料不同，离子色谱柱填料的高pH值稳定性允许用强酸或强碱作洗脱液，有利于扩大应用范围。

4.离子色谱的检测方法

离子色谱的检测器分为两大类，即电化学检测器和光学检测器。电化学检测器包括电导、直流安培、脉冲安培和积分安培；光化学检测器包括紫外光度检测器和荧光检测器。

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。

5.离子色谱的应用

作为近年来发展最快的技术之一，离子色谱的应用已渗透到众多领域，应用范围从分析水中常见阴、阳离子和有机酸，发展到分析极性化合物、氨基酸、糖、重金属和过渡金属及不同氧化态。作为一种有效的痕量分析手段，由于具有简便、高效、高灵敏度和重现好的特点，离子色谱法已在许多领域代替了传统的化学分析方法，如蒸气锅中痕量Fe³⁺、Fe²⁺、Cu²⁺、SiO^2-₃以及Cl^-、SO^2-₄、Na⁺、Mg²⁺、Ca²⁺等离子的分析，已经广泛采用离子色谱法。另外，离子色谱在环境、食品、卫生、石油开发、石油化工、饮用水、高纯水和水文地层方面已得到广泛应用。