第一章　概述

第一节　 离子色谱的定义和进展

离子色谱（IC）是液相色谱（LC）的一种，是分析阴、阳离子和小分子极性有机化合物的一种液相色谱方法。现代IC的开始源于H. Small及其合作者的工作，他们于1975年发表了第一篇IC论文[1]，同年商品仪器问世。

Small等将第二支柱子（后来称为抑制器）连接于离子交换分离柱之后，通过在抑制柱中发生的化学反应，于进入电导检测器之前，将淋洗液转变成低电导形式、待测离子成高电导形式，降低流动相的背景电导，提高待测离子的电导响应值，称为抑制型电导。1979年Fritz等提出另一种分离与检测离子的模式[2]，不用抑制器，电导检测池直接连接于分离柱之后，用较低容量的离子交换分离柱，较低离子强度的溶液作流动相，称为非抑制型离子色谱法(或称为单柱离子色谱法)。两种方法所用柱填料和淋洗液不同，各有优缺点，抑制型电导的应用较非抑制型广。

离子色谱不同于气相色谱（GC）与高效液相色谱（HPLC）的独特选择性，是其快速发展的推动力。从离子色谱问世至今，已经发生了巨大的变化。在其初期，IC主要用于常见阴离子的分析，而今，IC已是一项成熟的分析技术[3]，成为分析无机阴离子与小分子极性有机阴离子的首选方法。离子色谱也广泛应用于阳离子的分析，但由于有多种灵敏的多元素分析方法(特别是ICP-MS)，IC在阳离子分析中尚未承担主要作用。离子交换是IC的主要分离方式，离子排斥和离子对色谱在离子型和水可溶有机离子的分析中也起着重要的补充作用。就其主要应用而言，电导检测器是最通用的检测器，紫外/可见（UV/Vis）、安培或脉冲安培、荧光以及ICP-MS等元素特征检测器也得到广泛应用。IC法早期发展的主要推动力是阴离子的分析，如一次进样，8min内可同时测定几微克每升至数百毫克每升数量级的F−、Cl−、NO−2、Br−、NO−3、HPO2−4和SO2−4等多种阴离子，因此IC问世之后很快就成为分析阴离子的首选方法。阳离子的IC法分析也在分析化学中广泛被接受。例如新型的弱酸型阳离子交换分离柱，一次进样10min内就可完成碱金属（一价）、碱土金属（二价）及铵的分离与检测。近年来，IC在有机和生化分析方面的应用研究也很活跃，特别是在生化与药物分析方面的应用迅速增长。如用离子排斥柱，稀酸作流动相，可分析30余种常见的水溶性小分子有机酸，其中包括用GC难以分析的羟基有机酸与难以在HPLC柱上保留的极性强的有机酸。又如糖和氨基酸的分析，IC法中无须柱前和柱后衍生反应[4]，在强碱介质中，氨基酸、单糖和低聚糖以阴离子形式存在，用氢氧化钠（或氢氧化钾）作流动相，阴离子交换分离、脉冲安培检测，直接进样，可检测的浓度低至pmol/L～fmol/L。药物中杂质的监测是制药工业的一项基本任务[5]。当这些杂质是离子或可离子化的化合物时，离子色谱法是一个可选择的好分析方法，因为离子色谱提供的分离选择性是对广泛使用的反相HPLC的补充，由于分离机理不同，增加了检测杂质的概率。元素的价态与形态分析是分析化学关注的难点之一，离子的不同价态与形态是影响其在离子交换色谱柱上保留的关键因素，因此可在离子色谱柱上很好地被保留与分离，离子色谱与ICP-MS、AFS等联用，检测的浓度可低至pg/L。

与HPLC不同，IC中改变选择性的关键因素是固定相，分离柱是IC的关键部件，新的离子交换固定相的研究一直是IC发展中最具挑战性的目标，是IC研究的热点。为了改变与改善选择性，研制离子色谱的公司已发展了数十种分离柱，如美国Dionex公司（2011年之后合并入Thermo Fisher Scientific）已经商品化的阴离子交换分离柱近40种，阳离子交换分离柱近20种。固定相的几个主要发展是：改进树脂的表面化学性质，用新的键合官能团与结构获得新的离子交换选择性，改进离子交换剂的水解与热稳定性和亲水性以扩大应用范围；增加柱容量，改进直接进样分析含高浓度基质的复杂样品的能力；减小树脂的粒度，提高柱效；减小柱子的直径，可与选择性好、灵敏度高的多元素分析仪器（如IC-MS、AFS、ESI-MS等）联用，毛细管离子色谱已经商品化。高交联度离子交换树脂填充的阴离子交换分离柱，除了在pH 0～14稳定外，还可兼容反相有机溶剂（如甲醇、乙腈等），可在淋洗液中加入有机溶剂调节和改善分离的选择性，缩短疏水性较强的离子的保留时间，以及用有机溶剂清洗有机物对色谱柱的污染以延长柱子的使用寿命。对羟基（OH−）选择性的亲水性固定相的研制成功是对IC固定相的又一突破。可用氢氧化钠（或氢氧化钾）作流动相，由于OH−经抑制反应之后转变成水，淋洗液浓度的改变不影响背景电导，可作梯度淋洗；降低了淋洗液的背景电导，提高检测灵敏度；水负峰小，大体积进样时非常小的水负峰不干扰弱保留离子的分离。高效高容量柱（如阴离子交换分离柱IonPac AS19和阳离子交换分离柱IonPac CS16的柱容量分别高达359μmol/柱和8000μmol/柱），增加弱保留离子的保留，改善弱保留离子的分离；可用于高离子浓度基体的样品中痕量阴、阳离子的直接进样分析。具有离子交换、离子对和反向分离机理的多维分离柱[6]，可同时用多种分离机理来改善分离和选择性，一次进样可同时分离离子型和非离子型化合物。螯合树脂填料的引入[7]可做在线浓缩、富集和基体消除，降低IC法的检出限1～2个数量级。小孔径（2mm）IC柱[8]，直接进样，较相同条件下直径为4mm标准孔柱的灵敏度高4倍；需用的样品量和化学试剂量少，而且由于淋洗液的流量降低，相当于抑制器抑制容量的扩大，因此可用较高浓度的淋洗液分离高电荷以及强保留的阴、阳离子。小颗粒（4μm）填料的新型柱，提高了柱效；以OH−为淋洗液，梯度淋洗，峰容量已达40多种离子。快速柱，对常见7种阴离子的分离小于3min。

前面已经述及，离子色谱中OH−是一种非常理想的淋洗离子，但这种碱性溶液非常容易吸收空气中的CO2。CO2在碱性溶液中将转变成淋洗强度较OH−强的CO2−3，导致选择性的改变、基线波动与高的噪声。淋洗液在线发生器（详见第二章）可得到纯的所需浓度的OH−。对OH−选择性的亲水性分离柱与淋洗液在线发生器的结合，是离子色谱发展的又一新的里程碑[9,10]。碳酸盐淋洗液的在线发生器也已商品化。该项新技术，勿需用化学试剂手工配制流动相，只需用水及鼠标操作，即可在线产生所需准确浓度的淋洗液。该项新技术不仅为离子色谱的在线自动检测提供了技术基础，而且将离子色谱发展到真实的“绿色化学”的新阶段。

抑制器是离子色谱的特殊而关键部件，抑制器技术的最新发展是可自动再生连续工作。将电解和离子交换膜（或离子交换树脂）技术结合，在库仑力的作用下推动离子通过离子交换膜的移动速度，因而增加了抑制器的抑制容量和减少平衡时间。该抑制器简化了抑制器的操作，摒弃了外加再生液（较浓的酸或碱）的需要，由电解水产生抑制反应所需的H＋和OH－。基于该原理，为提高抑制容量、减小死体积、改善稳定性等性能的多种型号抑制器已商品化，而且不断有创新[11~13] 。

两项新技术——淋洗液在线发生器[14]与自动再生电解抑制器的发展，加速了离子色谱应用的发展。只用水不用化学试剂进行一项分析任务，而且废液也是清洁的水，分析化学中几乎找不到先例。

高压离子色谱系统的商品化改变了离子色谱低压的限制，可用粒径小于4µm的柱填料，提高柱效与加快流速。