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离子色谱

离子色谱仪介绍与发展现状

 

  1975年,Small等人用电导检测器的连续检测柱流出物获得成功,标志着离子色谱法的诞生。经过近三十年的发展,离子色谱法(IC)已经成为分析离子性物质的常用方法。我国第一代离子色谱仪于19836月通过了专家鉴定。离子色谱仪与一般的液相色谱仪一样,由输液系统、进样系统、分离系统和检测系统构成。本文主要介绍离子色谱仪硬件方面的现状和最新进展。

 

  2输液系统

 

  离子色谱的输液系统主要包括流动相容器、脱气装置、高压输液泵和梯度洗脱装置等。IC对输液系统的一般要求是:流量稳定,耐高压性能好,耐腐蚀性强,脱气方便等。

 

  2.1脱气装置

 

  流动相的脱气是离子色谱分析过程中的一个重要环节。输液泵的扰动或色谱柱前后的压力变化以及抑制过程都可能导致流动相中溶解的气体析出,形成小气泡。这些小气泡会产生很多尖锐的噪声峰,较大的气泡还可能引起输液泵流速的变化,因此对流动相要进行脱气处理。流动相脱气的方法主要有:真空泵直接脱气法,超声波震荡脱气法,惰性气体鼓泡吹扫脱气法以及在线脱气法。前3种方法的脱气效果都不错,但不足之处是一次性脱气,脱气后很难防止空气再次溶解进入流动相,而且存在流动相被污染的可能。与前3种方法相比,在线脱气法可以避免上述情况的发生。其工作原理是:将一段用多孔合成树脂膜做的输液管密封于真空容器内,当流动相流经输液管时,由于膜外侧压力减小,流动相中的氧气、二氧化碳等小分子气体就会透过树脂膜而被排除。在实际操作中,真空容器内的气压应尽可能的稳定。因为气压的波动会使脱气效果不一致,导致基线起伏。目前,比较先进的离子色谱仪都自己有在线脱气系统。

 

  2.2输液泵

 

  输液泵的作用是使流动相以相对稳定的流量或压力通过流路系统。流量或压力的稳定将直接影响基线的稳定和分析结果的重现性。一般输液泵的流量可以设定在0.01~10.OmL/min之间,对于一般分析工作,0.5~2.OmL/min的流量最为常用。输液泵在较低流量时,通常要求压力能够达到3OMPa。耐高压的能力是衡量离子色谱仪性能的一个重要指标。目前,离子色谱仪的耐高压性能越来越好。

 

  输液泵主要有气动放大泵、螺旋传动注射泵、隔膜型往复泵、柱塞往复泵等。

 

  (1)气动放大泵能提供无脉动的稳定流量,很适合恒量分析。因为气动泵能迅速获得很高的出口压力并提供较大的输出流量,所以特别适合匀浆法填充色谱柱。这种泵的缺点是液缸体积大,更换流动相不方便,所以现在已不再用于分析型液相色谱仪。

 

  (2)螺旋传动注射泵能以恒定的流量输送流动相,与操作压力无关,但是在活塞复原的短时间内,没有流量输出,从而产生压力波动。另外,这种泵体积大,比较笨重,更换流动相不方便。

 

  (3)隔膜型往复泵是一种恒流泵。它的优点是活塞不直接与流动相接触,避免了活塞密封垫磨损对流动相的污染。缺点是结构比较复杂,价格较贵,有脉动,需要配置阻尼装置来消除。

 

  (4)柱塞往复泵是目前使用最广泛的一种恒流泵,分为单柱塞和双柱塞两种。单柱塞往复泵脉动较大,必须配置阻尼装置;双柱塞泵有两个活塞交替伸缩,脉动比单柱塞泵小得多。双柱塞泵有活塞缸并联或串联两种模式。并联模式,两个活塞的凸轮形状完全相同,但相位相反,所产生的脉动正好互相抵消;串联模式,两个凸轮形状不同,第一个凸轮提供主要动力,第二个凸轮的作用是当第一个凸轮回收时提供补充动力。柱塞往复泵的流量由电机的转速控制。柱塞往复泵的特点是:流量控制精确,脉动较小,使用方便,故障率低,更换流动相方便。与其他几种输液泵相比,柱塞往复泵具有一定的优势,尤其是双柱塞往复泵更为常用。

 

  离子色谱经常使用强酸、强碱作为流动相,这就要求与流铁路改革步入深水区新中铁快运有望冲破困局动相接触的输液系统材料必须能够耐酸碱腐蚀。通常使用的材料有:不锈钢、氟塑料、聚乙烯、陶瓷以及聚醚醚酮(PEEK)等。对于不锈钢材料,若使用强酸溶液作洗脱液,须在进样阀前安装一个很高容量的阳离子交换柱,用来吸附由不锈钢输液泵体溶解的金属离子。PEEK材料的应用改变了这种情况。PEEK基本上不受酸碱腐蚀的影响,具有很高的硬度,非常适于制造输液泵的泵头和单向阀。国外离子色谱仪已经普遍采用了这种全塑泵,国内厂家近年来也在逐步采用。

  3进样器

 

  IC对进样器的基本要求是:耐高压、耐腐蚀、重复性好、操作方便。进样器的种类主要有六通进样阀。气动进样阀和自动进样器。

 

  六通进样阀是目前最常用的。它的特点是进样量的重复性非常好。但普通六通进样阀在装样(LOAD)和进样(INJECT)两个位置之间流路被截断时,会在扳阀过程中产生一个瞬间的高压,非常容易引起流路的泄漏。现在比较好的六通迸样阀由于采用了断前接通技术,基本上消除了这种瞬间高压,同时也大大减少了误操作的可能。考虑到流动相的腐蚀,PEEK和陶瓷材料制成的六通进样阀最适合离子色谱仪使用。美国RHEODYNE公司是生产高压六通进样阀最著名的公司。目前国内已有性能与之接近的产品。

 

  气动进样阀是一种比较先进的进样阀。它采用一定压力的氮气作为动力,通过两路四通加载定量管进行装样和进样,能有效减少手动进样带来的误差,其不方便之处在于必须使用氮气钢瓶。

 

  自动进样器是一种自动化程度很高的系统,由软件控制,自动进行装样、进样、清洗,操作者只需将样品按顺序装入贮样机即可。自动进样器价格比较昂贵,一般只有高档仪器才会配备。4分离柱

 

  与HPLC一样,分离柱是离子色谱仪最重要的组成部分。离子色谱的分离机理主要是离子交换,基于离子交换树脂上可离解的离子与流动相中具有相同电荷的溶质离子之间进行的可逆交换,不同的离子因与交换剂的亲和力不同而被分离,与HPLC不同的是,离子色谱选择性的改变主要是通过采用不同的固定相来实现的。

 

  4.1阴离子交换分离柱

 

  阴离子交换分离柱使用的填料主要是表面附聚薄壳型阴离子交换树脂。树脂的内核是苯乙烯一二乙烯苯的共聚物(PS-DVB),核外是一层磺化层,最外层是粒度均匀的单层季铵化乳胶颗粒,以离子键结合在磺化层上。由于树脂的表面完全被乳胶颗粒覆盖,所以乳胶的性质决定了固定相的选择性。由于薄膜层快速的运动和大的渗透能力,薄壳材料比一般微孔离子交换物有更高的交换效能。这种类型的固定相的性能主要由三个因素决定:PS-DVB树脂的交联度、乳胶颗粒的材料、季钱功能基的类型和结构。

 

  早期的薄壳材料的核心颗粒采用15~40μ范围的球型PS-DVB树脂。这种微粒的交联度一般为2%~5%,有足够的物理稳定性。然而5%交联度PS-DVB微粒没有足够的硬度允许使用有机溶剂,它们只能用水溶液作为流动相。使用乙烯基苯乙烯(EVB)、交联度为55%的二乙烯苯的固定相是离子色谱发展的一大进步,因为有机溶剂如:甲醇、乙醇、丙三醇、乙睛,可以高浓度地加入到流动相中以改变分离的选择性。

 

  离子交换乳胶一般采用直径为10~500nm的微粒,以200nm最为通用。阴离子交换柱所用的乳胶主要通过与苯乙烯基氯(VBC)或甲基丙烯酸醋缩水甘油脂(GMA)的聚合物制备。甲基丙烯酸酶材料的性能优异,表现为:

 

  (3)可以用来分离卤氧化合物阴离子,如溴酸根离子、亚氯酸根离子和氯酸根离子。在Dionex公司最近研制的IonPacAS9-HC柱上,卤氧化合物和一般无机阴离子被成功分离,其固定相是由55%交联度超孔EVB-DVB颗粒涂溃15%交联度缩水甘油乙氧基甲基丙烯酸醋的聚合物。

 

  季铵功能基的结构也是影响选择性的重要因素。从理论上讲,季铵功能基的结构有数百种可能,对于这方面已进行了许多研究。一般情况下,当功能基的大小增加时,亲水性多价阴离子的保留时间减少。亲水性一价限离子受功能团大小的影响较小,而且当功能团大小增加时,保留时间略有增加。易极化阴离子受功能基水合作用的影响较大,当功能基变得更疏水时,它们的保留时间减少。烧基醇委钱功能基树脂对OH-的亲和力显著增强,被称为OH-选择性树脂,适合于用氢氧化物作为淋洗液。例如:Dionex公司的IonPacAS11,该柱以Na-ON溶液为淋洗液进行梯度淋洗,可以一次分离34种无机和有机酸阴离子表现出非常好的性能。

 

  4.2阳离子交换分离柱

 

  广泛应用的阳离子交换分离柱使用的是薄壳型树脂,树脂核是惰性PS-DVB共聚物,核的表面以共价键结合阳离子交换功能基。以前,阳离交换功能基大多采用磺酸基,一价阳离子和二价阳离子在磺化阳离子交换剂上的保留行为差异太大,使得这两类离子的同时分析变得非常困难,只能分别进行。一价阳离子的洗脱采用无机强酸溶液,二价阳离子则采用拧橡酸与己二胺的混合溶液。研究表明,改变阳离子交换或离子交换功能基的密度可改变其选择性,从而达到一价阳离子和二价阳离子同时分离的目的。美国Dionex公司的IonPacCS12A阳离子交换分离柱使用接枝型羧酸和磷酸功能基的固定相;IonPacCS11阳离子交换分离柱仍采用磺酸基固定相,但改变了交换基的密度。这两种分离柱都可以使用等浓度淋洗,一次进样,同时分离碱金属和碱土金属离子。最近,kazutokuOhta等人以硅胶作固定相,利用硅胶本身的离子交换功能,采用添加了冠酷的淋洗液,成功地同时分离了一价和二价阳离子。

 

  5检测器

 

  用于IC的检测器主要有:电导检测器,紫外可见光检测器,安培检测器,荧光检测器等。其中电导检测器是日常IC分析中最常用的检测器;紫外可见光检测器可以作为电导检测器的重要补充;安培检测器主要用于能发生电化学反应的物质;荧光检测器的灵敏度要比紫外吸收检测器高2~3个数量级,但在IC上的应用比较少。随着ICP-AESICP-MS的不断普及,它们与.1电导检测器

 

  电导检测器分为抑制电导检测器(双柱法)和非抑制电导检测器(单柱法)。非抑制电导检测器的结构比较简单,但灵敏度较低,对流动相的要求比较苛刻。抑制电导检测器在灵敏度和线性范围都优于非抑制电导检测器,甚至优于配有较好的色谱柱和恒温装置的单柱离子色谱系统[凶。

 

  在抑制型电导检测器中抑制器发挥着重要的作用。抑制器的作用是降低流动相背景电导,同时增加被测物的电导,从而提高电导检测器的灵敏度。抑制器大致可以分为五种类型:(1)填充抑制柱

 

  树脂填充抑制柱是最早的抑制器,正因如此,抑制法又被称为双柱法。所用的树脂是高容量的强酸型阳离子或强碱型阴离子交换树脂。抑制柱工作时,阳离子交换树脂由H 型转变成Na 型,阴离子交换树脂由OH-型转变成NO3-(或其他阴离子)。其主要缺点是不能长时间连续工作,树脂上的H OH-消耗后,失去抑制能力,需要用酸或碱进行再生。

 

  美国Alttech公司对填充抑制柱进行了改进,采用电化学方法实现了自动再生。更新的DS-Plus抑制器,在抑制柱后增加了脱气装置,能够除去抑制反应产生的CO2,进一步降低了背景电导,减小了水负峰,使碳酸盐梯度淋洗成为可能。

 

  (2)管状纤维膜抑制器

 

  管状纤维膜抑制器不需要停机再生,可连续工作。它通过管状离子交换纤维膜进行工作,管内淋洗液和管外再生液逆向流动,抑制反应在膜上进行。作阴离子分析时,再生液推荐使用硫酸或甲磺酸:作阳离子分析时,则推荐使用Ba(OH)2。这种抑制器的缺点是抑制容量较低,机械强度较差,而且每使用半年左右就需要更换离子交换膜。

 

  (3)平板微膜抑制器

 

  平板微膜抑制器与管状纤维膜抑制器的抑制方式相同,也可连续工作。它的优点是结构紧凑,死体积小,具有较高的抑制容量,适用于梯度淋洗。但仍需要化学试剂提供抑制反应所需的H OH-,而且工作曲线的线性范围也受到一定的影响。

 

  (4)电渗析抑制器回昭武等首次将电渗析原理引入抑制器,即电渗析抑制器.电渗析抑制器的抑制容量很大,抑制反应受恒定的抑制电流控制,所以抑制效果很稳定,基线漂移很小.其不方便之处在于必须定期更换两个电极室中的电解液.这种抑制器在国产离子色谱仪中曾被普遍采用,但现在已逐步被更先进的电解再生抑制器取代。

 

  (5)电解再生抑制器电解再生抑制器不需要化学再生液,而是通过电解水产生的H OH-来满足抑制反应的需要,具有使用方便、平衡速度快、背景噪声低等特点。美国Dionex公司最先应用电化学抑制法,在平板微膜抑制器的基础上设计制造出电解再生抑制器。电解再生抑制器可以采用循环再生和外加水两种工作方式。循环再生是指采用抑制后的淋洗液作为电解水的水源,外加水即采用外接水源。因循环再生模式使用方便,得到更广泛的应用。外加水模式主要用于测定样品浓度极低或淋洗液中存在有机溶剂的情况。下面以NaOH淋洗液为例,介绍阴离子电解再生抑制器的工作原理。

 

  当阴阳两极接通恒流电源,水被电解产生H OH。在电场作用下H 穿过阳离子交换膜,进入淋洗液中和掉OH-,淋洗液中的Na 则穿过膜直接进入废液。而阴离子即使在外加电场的作用下,也不能穿过阳离子交换膜。这样就达到了降低本底电导,提高波测离子电导的目的。阳离子电解再生抑制器的原理类似,所不同的是采用阴离子交换膜。

 

  目前国内己能自行生产阴、阳离子电解自身再生抑制器,而且抑制容量、有机溶剂兼容性、死体积等各项技术指标均与国外产品相当。

 

  5.2紫外可见光检测器

 

  紫外可见光(UV/Vis)检测器在IC中是仅次于电导检测器的重要检测方法。UV/Vis检测器对环境温度、流动相组成、流速等的变化不敏感,可以用于梯度淋洗,这些特点正是电导检测器所欠缺的。二极管阵列UV/Vis检测器可以瞬间实现紫外一可见光区的全波长扫描,得到时间一波长一吸收强度三维色谱图。UV/Vis检测器主要有三种检测方式:直接紫外检测、间接紫外检测、衍生化紫外/可见光检测。

 

  在IC中,直接紫外检测应用不多,因为大多数无机离子没有紫外吸收或吸收很弱。直接紫外检测的一个重要应用是分析含有大量氯离子样品中的NO-3NO-2Br-I-。因为氯离子没有紫外吸收,而上述阴离子有紫外吸收。

 

  间接紫外检测,采用具有紫外吸收的物质作为淋洗液,检测无紫外吸收的离子。由于溶质离子经过检测器时,紫外吸收信号减小,所以形成负方向的色谱峰。在普通HPLC仪器上就可以用这种方法进行离子色谱分离分析工作。

 

  紫外衍生化是指将无紫外吸收或吸收很弱的物质与带有紫外吸收集团的衍生化试剂进行反应,产生可用于紫外检测的化合物。衍生化通常分为柱前衍生化和柱后衍生化,相对而言,柱后衍生化应用更广泛。通过衍生化能显著提高检测灵敏度和选择性。柱后可见光衍生化检测经常用于过渡金属离子的分析,将过渡金属离子柱流出物与显色剂反应,生成有色配合物后,在可见光波长下检测。例如:以meso四一(对磺基苯)卟啉为柱后衍生剂,可同时测定铝、隶、锌。5.3安培检测器

 

  安培检测器由恒电位器和电化学池组成。

 

电化学池有3个电极:工作电极、参比电极和对电极。恒电位器可以在工作电极和参比电极之间施加一个可任意选拔的电位,并使输出电位保持恒定,不受电流变化的影响。工作电极的材料可以采用银、金、铂和玻碳四种,分别适于不同物质的分析。参比电极通常使用Ag/AgC1或饱和甘汞电极。对电极的材料有金、铂、玻碳、钛、不锈钢等多种。参比电极和对电极应置于工作电极的下游,以防止对电极的反应产物和参比电极的泄漏对工作电极产生干扰。安培检测器常用于分析解离度较低,用电导检测器难以检测,同时又具有电活性的离子。根据施加电位方式的不同,安培检测器可以分为直流安培检测器、脉冲安培检测器和积分安培检测器。

 

  在直流安培检测器中,一个恒定的直流电位连续施加在工作电极上,被测物质经色谱柱分离后,在电极上发生氧化一还原反应,产生电流,电流的大小与被测物质的浓度在一定范围内成正比。直流安培检测器的灵敏度很高,可以测定μg/L级的离子,例如:硫化物、氨化物、三价砷、各种酚等。

 

  脉冲安培检测器在3个不同的间隔时间(t1t2t3)内,快速、连续地施加3种不同的电位ElE2E3。其中,E1为工作电位,E2E3分别为清洗正电位和清洗负电位。仅在tl时间内记录产生的电流。施加清洗电位的目的是清除电极表面沉积的反应产物,使电极恢复到未受站污的状态。使用金电极的脉冲安培检测器是分析糖的好方法,灵敏度和选择性都很理想。除此之外,脉冲安培检测器还可用于含有醇、醒、胶和含硫集团组分的测定。

 

  积分安培检测器是一种新形式的脉冲安培检测器,它对工作电极施加的是对应时间波形的循环电位,通过连续对金属氧化物生成波形和氧化物还原波形的正、反方向的扫描得到测量电流的积分。波形的周期一般是0.5~2s。相对于脉冲安培检测器,积分安培检测器有以下优点:

 

  (1)通过金属工作电极的氧化层,提高对催化氧化待测组分的检测灵敏度。

 

  (2)消除了来自氧化和还原反应的电荷,使其对基线的影响大大减小,从而得到更加平稳的基线。积分安培检测器应用的最新进展是测定氨基酸。

 

  5.4离子色谱与原子光谱或质谱仪的联用

 

  近年来,对于离子色谱与AASICP-AESICP-MS联用的研究越来越多,使离子色谱的高分离能力与其他分析法的定性能力相结合,对解决许多复杂分析问题很有帮助,特别是用于样品中各种元素的化学形态分析。离子色谱联用技术目前还处于发展阶段,许多技术还不成熟,有待进一步完善。随着接口和基体消除技术的发展,离子色谱联用技术将得到更加广泛的应用。

 

  在阴离子分析中,氢氧化物溶液是最理想的淋洗液。因为,经它抑制后水成为电导率极低的水,并且可以进行梯度淋洗。然而,在实际应用中,氢氧化物溶液本身含有杂质,而且在实验过程中必须防止CO2进入溶液。为了解决这一难题,可以用电解法在线发生NaOH淋洗液,其浓度可以通过电流调节,能够方便地进行梯度淋洗。美国Dionex公司新近推出的淋洗液发生器只需高纯水,就可以自动产生KOH或甲磺酸淋洗液。其工作原理与自动再生抑制器类拟,也是利用离子交换膜的选择透过性。以KOH为例,K 在电场作用下,通过阳离子交换膜进入流动相,与阴极产生的等量OH组成KOH淋洗液。淋洗液的浓度与施加在阴阳两极间的电流成正比,与水的流速成反比。淋洗液发生器的出现不仅解决了上述问题,同时也避免了人工配置淋洗液所产生的误差。

 

  6.2离子回流

 

  离子回流的概念是离子色谱创始人H.Small等于1998年提出的。离子回流简单地说就是将离子色谱淋洗液发生器及电解自再生抑制器串联于一个极化的离子交换柱上。

 

本文只作简要介绍:在一个色谱柱内填装阳离子交换树脂,一端填装氢型,一端填装押型。在这个色谱柱的两端施加直流电压,氢型端接阳极,何型端接阴极。从阴极端泵入去离子水,由阳极流出。在阳极产生的氢离子的推动下,氢离子逐渐替代饵型树脂中的饵离子向阴极移动;被替换下来的饵离子在阴极区与电解水产生的氮氧根形成氮氧化饵淋洗液,在水流的作用下向阳极移动。这两种作用的结果是保持了H /K 界面的稳定。基于这一基本原理,用水作流动相,在一个极化离子交换柱上先后完成了分离和抑制。这种离子回流装置的优点是实现梯度淋洗只需改变电流,没有CO2的干扰,抑制后的背景电导很低。目前离子回流装置应用于离子色谱尚处于实验阶段,还有一些具体问题需要解决。

 

  7小结

 

  离子色谱经过近30年的发展,已成为一种比较成熟的分析技术。但随着新材料、新技术的出现,离子色谱仍会有很大的发展空间。仪器将向一体化、小型化??如:具有阴离子和阳离子交换功能的混合色谱柱,及寿命长、抗污染能力强的色谱柱等。新的检测手段将扩展离子色谱的应用范围。