专利名称：氢离子的分离方法和分析方法以及离子层析装置的制作方法
技术领域：
本发明申请涉及氢离子的分离方法和分析方法以及离子层析装置。更具体地讲，本发明申请涉及有关从来选择地分离和高准确度地定量困难的氢离子，可以通过离子层析从试样水溶液中选择地分离氢离子并进行定量分析的、新的氢离子分离方法和分析方法以及使这些方法成为可能的离子层析装置。
另一方面，作为氢离子的定量测定方法，现有的pH滴定法或者pH计法被广泛利用，但在这些方法中，高灵敏度而且高准确度地测定是困难的，因此要求开发能够高灵敏度而且高准确度地定量测定方法。
本发明申请是鉴于上述情况，以提供从水溶液试样中选择地分离氢离子、对分离的氢离子能够进行高灵敏度而且高准确度地定量分析的、新的氢离子分离方法和氢离子的分析方法以及提供能够使用这些方法的离子层析装置为课题。
图2是表示本发明的离子层析装置构成例的图。
图3是表示预先将固定相官能基的共轭碱的一部分酸化方法的原理的图。
图4是表示硝酸锂水溶液洗脱液的混合、氢离子的分离结果的图。
图5是表示图4中的氢离子的流出时间和锂离子的浓度之间关系的图。
图6是表示月桂硫酸锂水溶液作为洗脱液时的氢离子的流出时间和锂离子的浓度之间关系的图。
图7是KNO3水溶液作为洗脱液时氢离子的分离结果的图。
图8是表示以LiNO3、NaNO3、KNO3各自作为洗脱液时氢离子的分离结果的图。
图9是表示硝酸钾作为洗脱液时分析对象离子的流出时间和KNO3的浓度之间关系的图。
图10是表示盐酸锂作为洗脱液时分析对象离子的流出时间和LiCl的浓度之间关系的图。
图11是表示硝酸锂作为洗脱液时分析对象离子的流出时间和LiNO4的浓度之间关系的图。
图12是表示硝酸钠作为洗脱液时分析对象离子的流出时间和NaNO3的浓度之间关系的图。
图13是表示硫酸(第1)、高氯(第2)、磷酸(第3)、L-抗坏血酸(第4)、酒石酸(笫5)、邻苯二甲酸(第6，从左自右的方向)试样中的氢离子的分离结果的图。
图14是表示预先将固定相官能基的共轭碱的一部分酸化的实施例6的结果的图。
图15是表示与图14不同的实施例7的结果的图。
在本发明的氢离子分离方法中，从试样水溶液中选择地层析分离氢离子。
此时，作为层析的固定相，在本发明中使用以酸(HA)的共轭碱(A-)为官能基的物质。此时，作为酸(HA)的共轭碱(A-)，使用能够接受氢离子(H+)的任何共轭碱作为分离柱固定相官能基。例如可举磺酸基、羧基、月桂硫酸基、磷酸基等作为本发明中的代表物。还有，作为层析移动相的洗脱液，使用含有阳离子的电解质水溶液。这时的阳离子是要求比氢离子的离子交换能力强的。作为阳离子，例如可选择钾离子、胺离子、钠离子、锂离子等。
图1是表示本发明的氢离子的分离方法原理的。
由于使用以酸(HA)的共轭碱(A-)为官能基的物质作为固定相，氢离子(H+)使酸的共轭碱(A-)酸化，生成共轭酸(HA)。这种性质只有氢离子具有，由此使从其它阳离子中选择地分离氢离子成为可能。
因此，在本发明的氢离子的分离方法中，洗脱液的电解质水溶液中含有阳离子的交换能力比氢离子的离子交换能力大。这是因为氢离子和其它的阳离子一样，与酸的共轭碱之间具有静电的相互作用，所以强调氢离子与酸的共轭碱的酸化力。
另外，在本发明的氢离子的分离方法中，通过在洗脱液的电解质水溶液中添加少量的月桂硫酸离子，可以使2价以上的阳离子不保持在分离柱上。这是因为通过在洗脱液的电解质水溶液中添加少量的月桂硫酸离子，2价以上的阳离子和月桂硫酸离子结合变成了不带电荷的分子的缘故。
在本发明中，被分离柱固定相吸附着的氢离子，可以通过上述洗脱液洗脱，含有的氢离子接着可以通过适当的手段进行定量分析。关于定量分析，可适当地采用电导率法或者其它合适的检测方法，例如电极检测法等。其中，使用电导率法可以使直接地检测、定量成为可能。
通过电导率法的检测信号，氢离子时的当量离子导电率为349.8，洗脱液的离子为钾离子时的当量离子导电率为73.5，锂离子时的当量离子导电率为38.7，为比较这些电导率之差，可以提供直线的校正曲线。
例如根据本发明的分离、分析方法，使现有方法的pH滴定法或者pH计法不可能实现的氢离子的正确而且直接地测量成为可能，不仅具有学术上价值，而且可以期待在产业利用、医疗、生命科学、环境等各方面的广泛贡献。例如化学工业的有机酸或者无机酸等的酸性溶液、或者生物体、生命关连的胃酸、醋酸等都可以成为本发明的分离、分析的对象。还有，对酸雨中的氢离子的分离、分析等也是可能的。
因此在本发明中，提供使具有上述特征的氢离子的分离、分析成为可能的离子层析装置。其构成的一例在图2中表示。
该装置连通配置有洗脱液储存箱(1)、将洗脱液导入分离柱的装置(2)、试样加入部(3)、氢离子分离柱(4)和氢离子检测器(5)。在此，氢离子分离柱(4)如上述的以酸(HA)的共轭碱(A-)为官能基的物质作为固定相。还有，洗脱液含有上述的阳离子，氢离子检测器(5)是电导率测定装置。
有关试样或者洗脱液中的阳离子的浓度，没有特别的限制。只是盐分极高的试样，例如海水等的情况时，有发生障碍的危险。如在这样的情况时，预先进行脱盐处理是有效的。洗脱液的流速也没有特别限制，例如以0.5～2.5ml/min为大致标准。
关于本发明的另一形态进行说明，通过对作为上述的固定相中官能基的共轭碱(A-)的一部分进行(AH)酸化，可以使试样水溶液中的超微量的氢离子分离成为可能。
具体地讲，例如这是通过添加硝酸约0.1mM等的酸，使添加有少量氢离子的洗脱液等的移动相和固定相接触，作为固定相官能基的共轭碱(A-)的一部分被预先酸化(AH)而实现的。
例如通过官能基为磺酸基(-SO3-)、移动相的KNO3水溶液中添加硝酸使磺酸基(-SO3-)的一部分酸化的例，来说明氢离子分离的原理，如图3所示，移动相的KNO3水溶液中预先通过硝酸添加少量的氢离子，可以使固定相官能基(R-SO3-)预先酸化。固定相酸化后剩余(在移动相中)的氢离子，与交换离子(即，移动相离子，例如K+)相比由于仅存在很少的量，所以与离子交换场，即电气二重层的构造无关。换句话讲，这时的电气二重层由交换离子，即只有K+而构成(步骤I)。将含氢离子的水溶液试样加入具有这样一部分酸化的固定相的分离柱，氢离子和其它的阳离子(用M+表示)与电气二重层的K+进行离子交换，通过电气二重层，即固定相而被保持·分离(步骤II)。由电气二重层保持的氢离子(以及其它试样阳离子M)是再次通过移动相、由K+置换、返回移动相(步骤III)。为置换N摩尔的氢离子，就需要N摩尔(等当量)的移动相离子。
因此，通过这样的在移动相离子和试样离子之间产生的离子交换导致移动相的电导率变化，即检测信号的强度变化，可以用下式来表示。
Conductance＝Ci(λi-λe)式中，Ci表示试样中离子种i的摩尔浓度，λi表示离子i的当量离子导电率，λe表示移动相离子种的当量离子导电率。因为氢离子的当量离子导电率为349.8，钾离子的当量离子导电率为73.5(25℃)，所以上式就变成了下式。
Conductance＝276.3Ci因此，在中性～酸性范围内，即使较低浓度的氢离子(试样离子)，也可由检测计检出增加的电导信号。
在此，通过以下实施例进一步详细说明本发明。
用30mM硝酸锂水溶液作为洗脱液的氢离子的分离结果见图4。图中A、B、C、D表示以下试样A10.0mM H2SO4，B20.0mM HClO4，C30.0mM H3PO4，D10.0mM(名)NaCl、NH4Cl、KCl、H2SO4。另外，分别接收洗脱液，用pH计测定其pH值。图4的括号内表示的pH值即是实测值。洗脱液的流速为1.0ml/min，检测器用电导率计。
图5是表示用硝酸锂水溶液作为洗脱液时的氢离子的流出时间和锂离子的浓度之间关系的，在图5中，k’是表示相对于柱的氢离子的保持系数。还有，图6是表示月桂硫酸锂水溶液作为洗脱液时的氢离子的流出时间和锂离子的浓度之间关系的，图中的k’是表示相对于柱的氢离子的保持系数。(实施例2)在图2的装置构成中，用40.0mM KNO3水溶液作为洗脱液进行氢离子的分离。作为分离柱使用市售的ODS-添装的用月桂硫酸锂胶粒处理的，其内径4.6mm，长为150mm。洗脱液的流速为2.0ml/min，检测器用电导率计。试样中的阳离子的浓度是1.0、2.5、5.0、10.0mM(各)Li+、Na+、NH4+、H+。分离结果见图7。图中的峰表示如下1＝H+，2＝NH4+，3＝Na+，4＝Li+。洗脱顺序是Li+＞Na+＞NH4+＞H+，由此可知氢离子(H+)是最强被保持的。如此，相对于氢离子(H+)有极高的选择性，以现有的离子交换作为分离原理的离子交换层析是如何也不能实现的。(实施例3)图8是表示以60.0mM LiNO3(左)、40.0mM NaNO3(中间)、40.0mM KNO3(右)作为洗脱液，与实施例2进行同样地氢离子的分离的结果的。试样中的阳离子浓度是10.0mM(各)Li+、Na+、NH4+、K+、H+。分离结果见图7。图中的峰表示如下1＝H+，2＝NH4+，3＝Na+，4＝Li+，5＝K+，洗脱顺序是Li+＞Na+＞NH4+K+＞H+，由此可知氢离子(H+)是最强被保持的。如此，相对于氢离子(H+)有极高的选择性，以现有的离子交换作为分离原理的离子交换层析是如何也不能实现的。(实施例4)和实施例2同样，使用KNO3水溶液作为洗脱液，评价分析对象离子的溶出时间和KNO3浓度的关系。图9表示分析的结果。图中的k’为容量因子(capacity factor)。
图10是表示盐酸锂作为洗脱液时的结果，图11是表示硝酸锂作为洗脱液时的结果，图12是表示硝酸钠作为洗脱液时的结果。(实施例5)图13是分别表示硫酸(第1)、高氯(笫2)、磷酸(第3)、L-抗坏血酸(第4)、酒石酸(第5)邻苯二甲酸(第6，从左自右的方向)试样中的氢离子的分离结果的。酸的浓度分别为10.0mM，其它条件同实施例2。
不管哪种情况下，都可知确实地分离了氢离子(H+)。(实施例6)根据图3所示的原理，通过固定相官能基的共轭碱的一部分被预先酸化，进行微量氢离子的分离和分析。
分离柱使用市售强酸型阳离子交换柱(35×4.6mmi.d.)，移动相使用预先添加氢离子的20mM KNO3+HNO3(pH3.80)，并用其作为洗脱液。洗脱液的流速为1.0ml/min，试样使用NaCl和HCl的混合水溶液。图14是表示氢离子的分离结果的，图中从右到左分别表示Na+和H+的(各)浓度分别为0.01mM(第1)、0.05mM(第2)、0.10mM(第3)、0.15mM(第4)、0.20mM(第5)的结果。另外，试样加入量为100μl。检测器是通过电导率测定的。(实施例7)和实施例6同样，进行微量氢离子的分离和分析。
作为分离柱使用市售的ODS-添装的用月桂硫酸锂胶粒处理的(250×4.6mmi.d.)。移动相使用预先添加氢离子的40mM KNO3+HNO3(pH3.80)，并用其作为洗脱液。洗脱液的流速为1.0ml/min，试样使用1.0mMLi+、Na+、H+的混合水溶液。试样加入量为100μl。检测器是通过电导率测定的。
图15是表示氢离子分离结果的。
产业上利用的可能性正如上述详细地说明，根据本发明，使现在困难的氢离子的选择分离和高准确度地定量分析成为可能。不仅具有学术上的价值，而且可以期待在产业利用、医疗、生命科学、环境等各方面的广泛贡献。
权利要求
1.氢离子的分离方法，是选择地层析分离氢离子的分离方法，其特征在于，以酸(HA)的共轭碱(A-)为官能基的物质作为固定相，以含有离子交换能力比氢离子的离子交换能力大的阳离子的电解质作为洗脱液使用。
2.权利要求1的氢离子的分离方法，其特征在于，通过预先将固定相官能基的共轭碱(A-)的一部分酸化(AH)，使从试样水溶液中超微量的氢离子的分离成为可能。
3.氢离子的分析方法，其特征在于，对权利要求1或者2分离的氢离子进行定量分析。
4.权利要求3的分析方法是通过电导率测定法或者电极测定法进行定量分析。
5.离子层析装置，是选择地层析分离氢离子的离子层析装置，其特征在于，具有以酸(HA)的共轭碱(A-)为官能基的物质作为分离柱固定相，以含有离子交换能力比氢离子的离子交换能力大的阳离子的电解质作为洗脱液。
6.权利要求5的离子层析装置，其特征在于，通过预先将固定相官能基的共轭碱(A-)的一部分酸化(AH)，使从试样水溶液中超微量的氢离子的分离成为可能。
7.离子层析装置，其特征在于，权利要求5或者6的装置中具有对分离的氢离子进行定量分析的装置。
8.权利要求7的离子层析装置，该定量分析装置是电导率测定装置或者电极测定装置。
全文摘要
选择地层析分离氢离子的氢离子分离方法，通过以酸(HA)的共轭碱(A
文档编号G01N30/02GK1437705SQ01811484
公开日2003年8月20日 申请日期2001年6月20日 优先权日2000年6月20日
发明者古月文志 申请人:科学技术振兴事业团