国际离子色谱发展趋势

(这篇论文是澳大利亚分离科学研究中心主任、澳大利亚塔斯马尼亚大学化学系，澳大利亚工程院院士Paul R. Haddad教授在今年生物分析化学（Anal Bioanal Chem (2004) 379 : 341.343）上刚刚发表对离子色谱最新发展和展望的简要综述。
Paul R. Haddad院士也是2002年全球色谱马丁金奖获得者和2003年IICS（国际离子色谱学术会议）主席)


Raul R. Haddad
Analytical and Bioanalytical Chemistry(分析和生物分析化学)，379卷3册


在最初的装置中，离子色谱（IC）技术被认为是用高效离子交换色谱而围绕着低分子量离子的分离和定量。开始时，用离子色谱典型的分离的样品是典型的无机阴离子和阳离子分离。但今天离子色谱被用于分离大量不同类型的物质如有机酸和有机碱，胺基酸。糖类等、尽管大多数化学家仍以为离子色谱作为测定无机阴离子的首次方法，这类的分析是离子色谱中最频繁的。通常离子色谱的应用领域包括仅仅环境分析、临床分析、工业分析等少数领域。


这篇文章关注用抑制电导检测的离子色谱的发展状态和今后的发展方向。虽然还有其它形式的离子色谱，但抑制电导的离子色谱是最广泛应用并且往往提供最好的效能。用抑制电导的离子色谱，淋洗液含有一种适合电解质通过特定的高效离子交换树脂到一个装置称为抑制器，然后进入电导检测器。被测离子在离子交换色谱柱上分离，然后被分离的样品离子（与淋洗液一起）进入抑制器。在抑制器中，淋洗液的电导降低（或“被抑制”）而洗脱的离子电导增加，导致检测信号的信噪比大大增加。抑制器一般功能是具有替换淋洗液或样品阳离子为氢离子，采用离子交换装置带适合的树脂或膜。例如，如果淋洗含有弱酸的盐，如碳酸氢钠，氢离子将被替换为钠离子形成弱电导碳酸。在另一方面，当含有强酸盐的样品，如氯化钠，抑制器会形成盐酸从而使电导增大。


从第一篇离子色谱论文出现至今已经有近30年，而商品化离子色谱也已经超过了25年。在这期间，离子色谱稳步发展，但近年的两个主要成就已经大大加速了离子色谱的发展。第一是成功实现了氢氧根梯度，而第二是研制了高效的电解抑制器。这些内容简要讨论如下。


碳酸氢根淋洗液（有时也用碳酸根－碳酸氢根混合物）淋洗已经被作为主要淋洗液用于离子色谱好多年。这类淋洗液的主要问题抑制后形成的碳酸易于部分电离，导致背景电导略微比希望的高。理想的淋洗液是氢氧根，因为它抑制后形成水而水的实际为零电导而因此提供完美的电导基线。然而，氢氧根淋洗是的问题是难以使用，因为首先它们易于吸收二氧化钠而形成碳酸根，导致被测物的保留时间改变。第二，在淋洗液中的碳酸根会引起不稳定的色谱基线。


离子色谱的一项重大突破是引入电解氢氧根淋洗液发生器。在这个装置中，在淋洗液中的氢氧根离子是水电解发生的。因为氢氧根是在一个密闭的系统中发生，淋洗液不受碳酸根的污染。而且，在淋洗液中氢氧根离子的浓度也可以用淋洗液发生器中不同的电解电流来调节。以这种方式，可以实现重现性氢氧根淋洗液的梯度淋洗。


然而，在离子色谱用氢氧根淋洗液的梯度洗脱能够实际可行之前必须采用有效率极高的抑制器。当然，用一种弱离子交换替换离子如氢氧根有效梯度淋洗需要用相对高浓度的氢氧根在梯度的后程。典型的氢氧根淋洗液浓度需要100mmol/L或者更高，淋洗液的流速为1mL/min或更高，现在需要对这样的淋洗液进行抑制（如质子化），因此，随着对抑制器的要求增加。适合于电解的抑制器是微膜抑制器与电解结合。这种加入电场的抑制器，使离子流经过离子交换膜的流量增加，形成更高的抑制容量，最重要的是这种抑制器去除了化学试剂（酸）的需要。这是因为电场也用于电解水，产生抑制所需要的氢离子，抑制器唯一需要的试剂是纯水。


可以看到电解抑制器和电解淋洗液的发生意味着离子色谱仪器能够用水作为仅有的试剂。在淋洗液发生器中水的电解产生淋洗液，而抑制器仅需要水作为氢离子源。而且，仪器的废液（如抑制的淋洗液）也是水。在分析化学中仅有极少其它例子，总体上不需要化学试剂进行分析。在图1中用电解发生氢氧根淋洗液梯度淋洗完成的高效分离。IC是一种可靠和实用的分析方法，非常灵敏的分析能力。然而，正如许多现有色谱技术对改善它的分析速率和简化方法建立过程是非常有兴趣的工作。它们的趋势如下。

图1　用氢氧根淋洗液的离子色谱梯度分离
Dionex IonPac AS11色谱柱用水和NaOH进行梯度淋洗的流动相。检测采用抑制模式电导。被测物1, 异丙基乙基磷酸; 2, 奎尼酸; 3, 氟离子; 4, 醋酸; 5, 丙酸; 6, 甲酸; 7, 甲磺酸; 8, 丙酮酸; 9, 亚氯酸;10, 戊酸; 11, 一氟醋酸; 12, 溴酸; 13, 氯离子; 14,亚硝酸; 15, 三氟乙酸; 16, 溴离子; 17, 硝酸; 18, 氯酸;19, 亚硒酸; 20, 碳酸; 21, 丙二酸; 22, 马来酸; 23, 硫酸;24, 草酸; 25, 酮基丙二酸; 26, 钨酸; 27, 苯甲酸; 28; 磷酸;29, 铬酸; 30, 柠檬酸; 31, tricarballylate; 32, 异柠檬酸; 33,反乌头酸; 34, 顺乌头酸. 色谱图由于Dionex提供
快速离子色谱分离研究的最初方法是采用整体式固定相用高流速淋洗液洗脱。典型的整体式固定相特别诱人之处是它低的压力和高效的质量传递性能，能够用高流速是淋洗液在没有损失分离效率的情况下进行。在离子色谱整体式固定相的采用还刚刚开始，最好的结果是通过整体式硅胶基质反相色谱柱通过半永久涂覆亲脂性表面活性剂转化为离子交换剂来完成的。例如，Merck整体式C18色谱柱作上表面活性剂溴化双十二烷基双甲基胺（DDAB）用对腈酚淋洗液在10mL/min的流速下对阴离子洗脱（图2）。这些条件对实际应用并不理想，但可以预测整体式固定相（特别是聚合基质材料）不久会研制并用于毛细管柱的形式。

图2　七种阴离子在30秒内分离。固定相是Merck Chromolith speed ROD RP18e色谱柱涂上DDAB，淋洗液为6.0 mmol/L 对腈酚(pH=7.0)以10mL/min流速。采用抑制电导检测，得到文献7的许可。


与大多数液相分离系统一样，离子色谱是最大缺点是新的分离方法建立比较慢，因为对每个需要评价的新淋洗液，建立色谱柱的平衡需要时间。研究建立一种快速计算机辅助模拟离子色谱分离和优化淋洗液组成因此成为离子色谱用户感兴趣问题。这类软件能够通过计算机模拟来评价固定相和淋洗液，用最少的实验来优化淋洗液的组成和固定相的选用。一个离子色谱的模拟和优化软件是Virtual Column 2，由于Dionex公司出品。这个软件用于测定约50种化合物保留数据以预测被测物的保留行为，以模拟分离，发现设定分离的最优条件。


这个简要综述显示离子色谱继续快速的发展，导致更快、更方便、更灵敏的分离。它因此可以预测离子色谱将继续成为无机阴、阳离子选择的分析方法。今后离子色谱发展还有另人激动方面，特别是整体式固定相，方法建立的软件工具，也许还有更多可行的领域，如微型装置中实现离子色谱。


参考文献
1. Haddad PR, Jackson PE (1990) Ion chromatography: principles and applications, Journal of Chromatography Library Series,No 46. Elsevier, Amsterdam
2. Weiss J (1995) Ion chromatography, 2nd edn. VCH, Weinheim
3. Gjerde DT, Fritz JS (2000) Ion chromatography, 3rd edn. Huthig,Heidelberg
4. Small H (1989) Ion chromatography. Plenum Press, New York
5. Small H, Stevens TS, Bauman WC (1975) Anal Chem 47:1801.1808
6. Rabin S, Stillian J, Baretto V, Friedman K, Toofan M (1993)J Chromatogr 640:97.109
7. Hatsis P, Lucy CA (2003) Anal Chem 75:995.1001
8. Madden JE, Shaw MJ, Dicinoski GW, Haddad PR (2002) Anal Chem 74:6023.6030




这篇论文是澳大利亚分离科学研究中心主任、澳大利亚塔斯马尼亚大学化学系，澳大利亚工程院院士Paul R. Haddad教授在今年生物分析化学（Anal Bioanal Chem (2004) 379 : 341.343）上刚刚发表对离子色谱最新发展和展望的简要综述。
Paul R. Haddad院士也是2002年全球色谱马丁金奖获得者和2003年IICS（国际离子色谱学术会议）主席


Paul R. Haddad院士提出的主要观点如下
一、 近年来，离子色谱的主要两大成就是（1）淋洗液发生器；（2）电解膜抑制，这两项技术使离子色谱只用纯水就可以实现氢氧根淋洗液的梯度淋洗和纯水电解提供氢离子实现电导抑制，并且废液还是水；
二、 整体固定相会使离子色谱更加快速、灵敏，整体式固定相将会在离子色谱很快商品化，并使离子色谱微型化；
三、 计算机模拟和优化软件，如Virtual Column 2等将为离子色谱新方法的建立，将为用户提供方便、快速和最少的实验操作下的最佳分离方案。
另外，受浙江大学资助，Paul R. Haddad院士将于今年10月来杭州短期讲学，这会大大提高我国离子色谱研究水平。