离子排斥色谱用于低分子羧酸分析

出处：按学科分类—自然科学总论 北京出版社《现代科技综述大辞典上》第438页（3869字）

低分子羧酸在电力工业、化学工业、食品工业、环境保护、生物化学、生物医学和生命科学等领域中有着重要的分析价值。

低分子羧酸的高效液相色谱法有反相色谱法和离子对色谱法等。离子色谱是根据离子色谱分离低分子羧酸的机理，大致可以分为离子交换色谱分离法(HPIC)和离子排斥色谱分离法(HPIEC)两大类。20世纪70年代后期，由于弱离子化低浓度有机酸定量分析的需要，导致以离子排斥色谱为基础的离子色谱分离方法的发展(W．Rich等，1979)。20世纪50～60年代R．M．Wheaton和W．C．Barman建议使用离子交换树脂将溶液中的离子化组分与非离子化组分分离，并且首先将离子排斥概念用于这一分离方式。

G．R．Harlow和D．H．Morman用离子排斥分配色谱方法，研究了50多种不同结构的酸在H型阳离子交换树脂上，以水为淋洗剂的洗脱特性。指出酸的电离常数(pK_n)、酸在水中的溶解度和酸的分子量都是影响在离子排斥色谱中分离的重要因素。

P．Jandera和J．Curacek对60年代有机酸阳离子交换树脂上分离的有关报道进行了评论。1979年K．Tanaka等使用阳离子交换树脂，以水作淋洗剂，采用HPLC技术和流动库仑检测、电导检测、紫外和荧光检测等方法，进一步研究了22种不同强度酸的离子排斥色谱保留特性，计算了它们的分配系数。

1979年Tanaka等首先发现酸的保留体积V_R取决于它们的pKa值。B．H．Clod和W．Kemula(1986)用电动力学检测方法测定了色谱柱的空体积V、内部体积V₁并且计算了被分离酸的电离常数K_a，认为强酸(pKa＜2．5)和弱酸(pKa＞6．5)在离子排斥色谱中不易被相互分离洗脱。中等强度的酸(2．5＜pKa＜6．5)，其保留体积与它们的pKa值呈正比。

但是，另一种观点认为，某些酸在离子排斥固定相上的保留，主要是这些酸分子在碳链一侧即疏水部分同“树脂相”之间存在范德华力作用所产生的疏水吸附(江头晓，1973)。

1987年K．Kihara等研究脂肪羧酸在强阳离子交换树脂上的洗脱特性。认为羧酸保留行为是Donnan电势、排阻和疏水性等几种作用力相互影响的综合结果。

他们用离子色谱方法，研究了一价和二价脂肪羧酸在碱金属和氨离子型树脂上的保留行为。指出羧酸的洗脱特性以碳数为顺序，不同分子量羧酸其保留机理可能不尽相同。

1989年赵国梁等导出了关联分配系数与酸离解常数及吸附常数的关系式，认为InK与脂肪酸的拓扑参数X之间具有良好的线性关系。

在阴离子HPIEC中，由于使用了非常稳定的，聚苯乙烯－二乙烯苯微孔、粒度均匀的填料，改善了固定的刚性和分析的重现性。这些填料可以满足HPIEC淋洗液流速的要求，它们在H⁺浓度10^－14～0mol／L范围内都是稳定的，并且有较长的寿命。1987年P．E．Buell和J．E．Girad介绍了有机酸和其它弱酸性化合物HPIEC最常用的分离柱、填料。

硅基离子交换材料和薄壳型填粒虽然也有用于HIPEC的，但是由于它们存在适用H⁺浓度范围受限制和离子排斥分离效率等问题，使用比较少。

1987年苏天升等研究了高效率离子排斥色谱用的多孔磺化树脂的制备方法。他们认为，欲加速Donnan膜的平衡过程以达到高效分离，基质树脂必须具有较大的孔径，在适当的淋洗条件下，以联度为20%的磺化树脂为填料，可使几种有机酸得到较好的分离。Buell和Dirad则指出，较低交联度(8%)的有机聚合物树脂最常用于pKa值为2～4的酸的有效分离。

1988年P．Wlaser介绍了一种适膈羧酸HPIEC分离的PRP－X300阳离子交换树脂脂柱，该柱可以在5min内使短链羧酸得以分离。PRP－X300与典型的离子排斥色谱柱相比，其磺化速度属于中等。

J．I．Toei使用带预柱的凝胶阳离子交换树脂柱系统。

实现了高碱性溶液中低分子有机酸的分离和检测。

从总体上看，水、稀矿物酸、有机酸这三类淋洗剂的选用与分离柱的特性、抑制器的类型和检测方式有很大的关系。用水作淋洗剂最大的优点是背景电导低，但淋洗强度较弱。用稀矿物酸作淋洗剂通常都有柱后抑制系统并采用电导检测方式，否则为非抑制系统光度检测方式或者是其它检测方式，例如质谱(MS)、折光等。在这一类淋洗剂中，有一些采用较低浓度，以降低淋洗液背景电导实现非抑制分离检测，用酸性较弱的无机酸如硼酸作淋洗剂的目的也是了降低淋洗液背景电导。

降低淋洗液背景导的另一途径是选用低本底电导的酸作淋洗液，例如TDFHA、烷基磺酸和总体氟化的羧酸等。1984年杨泽蓉和金吉祥利用乳酸和硼酸分子间的络合反应，在稀硝酸中加入硼酸，提高了乳酸和甲酸分离的选择性。

对于低分子羧酸HPIEC分析方法，柱后抑制有两个作用：一是降低背景电导，二是改变分离组分的离子化程度，使之之更有利于检测。阴离子HPIEC柱后抑制经历了沉淀反应，粒状离子交换树脂柱，中空纤维和微膜抑制器这样一个发展过程，抑制反应以离子交换为主，其它抑制反应也有所采用。

离子交换柱后抑制开始仅涉及简单的离子交换反应即把H离子转变为其它离子如钠、钾离子，从而降低背景电导。后逐步发展到使用辛烷基磺酸，十三氟代庚酸或全氟丁酸等作淋洗剂，经阳离子交换膜抑制器将H离子交换为NBu₄⁺。

一种磺酸盐离交换纤维抑制柱，用烷基磺酸盐作淋洗液，氢氧化四丁基胺(TBA)作再生剂，可以得到较低的背景电导。1988年T．Murayama等用2mmol／L硫酸作淋洗剂，中性盐或强碱溶液作“放大试剂”。

使淋洗液流经阳离子中空纤维抑制器后pH值升高，放大了色谱峰，抑制了背景电导。对于大多数一价和二价羧酸，使用硫酸钠或硫酸钾作放大剂，色谱峰可增高30倍以上。

1988年J．Haginaka等描述一个类似的方法，随着强碱溶浓液的浓度不同，可以出现正或负的色谱峰。大多数羧酸的响应值可放大到16～83倍，而且负峰的放大倍数比正峰高1．8～3倍。T．Okada和P．K．Dasgupta(1989)使用全氟磺化膜抑制器，并用高浓度(0．1～1．0mol／L)氯化钠(有时加＜1mmol／L NaOH)作再生剂，使弱酸经抑制器后转变为相应的钠盐，导致H⁺浓度下降，再加入酸碱指示剂(4－硝苯酚，波长=400nm，碱式测定)进行光度检测。T．Okada开发了一种氧化还原柱后抑制反应，以氢碘酸作淋洗剂，与氧进行柱后氧化还原反应，用于弱羧酸HPIEC分析，可使色谱峰高比无抑制系统时提高一个数量级，并且可以比常规离子交换抑制器更有效地降低背景电导。此系统特别适合于高酸性淋洗液的柱后抑制。

低分子羧酸HIPEC的检测方式主要是电导检测，其次是其它电化学检测方法。

紫外和可见光度检测方式虽然也采用，但检测灵敏度较低。1974年高田芳矩等将阳离子交换树脂用于指肪酸的快速分离，并首创库化电解检测方法。1980年谢光化等在国内首次报道对一元和二元有机酸直接进行离子排斥分离。用库仑恒电位检测器检测的分析方法。1983年侯纯善用库仑检测法分析了火电厂热系统水、汽样品中的低分子有机酸。Okada和Dasgupta作用膜抑制器和高浓度NaCl再生液。

使被分析的弱酸转变为相应的Na盐，导致淋洗液的H⁺浓度下降，然后加入酸碱指示剂4－硝基苯酚在400nm处以碱式测定，可使中等pKa的弱酸获得较高灵敏度。F．Pacholeec等研究了离子排斥－质谱系统，由此获得的质谱数据，可以提供一元有机酸混合物未知组分有价值的分子量信息。

在HPIEC中，紫外吸收是常用的检测方式，但在多数脂肪羧酸的分子中缺乏强发色团，从而使紫外吸收检测方法受限制。与紫外吸收光变法相比，化学抑制型电导检测对羧酸的检测灵敏度至少要提高一个数量级(牟世芳，1987)，就离子色谱分离和检测技术而言，一般认为化学抑制型电导检测用于低分子羧酸离子色谱分析灵敏度较高。Johson对抑制型离子色谱常见阴离子分析检测限作了专门评论。他指出，在一般进样体积(50μ1下，以3倍于基线噪声的检测信号作为检测限，甲酸、乙酸、丙酸的检测限一般分别为0．5×10^－6，1．0×10^－6，1×10^－6－2×10^－6(V／V)。

阴离子排斥色谱分离－电导检测的灵敏度，除了与淋洗背景抑制情况有关外，还取决于样品离子的离子化程度，因此，间接地与淋洗液的H⁺浓度有一定关系。Arthur等指出，使用100μl进样时，离子排斥色谱分离(柱后抑制电导检测，对于大多数短链有机酸的检测限为100×10^－9(V／V)。

若要实现低于此限有机酸的测定，需要进行柱前预富集。Bachman和Peden使用由分离柱和抑制器组成的双柱HPIEC系统，对雨中的甲酸、乙酸和柠檬酸进行了定量分析，方法的检测限为0．03mg／L(S．R．Bachman等，1987)。

(浙江大学严晋婴、施荫玉撰)