離子色譜儀器介紹

　　離子色譜儀器一般由流動相輸運系統、進樣系統、分離系統、抑制或衍生系統、檢測系統及數據處理系統等幾部分組成.

　　2.1離子色譜流動相輸運系統

　　離子色譜儀器的輸液系統包括貯液罐、高壓輸液泵、梯度淋洗裝置等，與高效液相色譜的輸液系統基本相似。

　　一、貯液罐

　　溶劑貯存主要用來供給足夠數量并符合要求的流動相，對于溶劑貯存器的要求是：

　　(1)必須有足夠的容積，以保證重復分析時有足夠的供液;

　　(2)脫氣方便;

　　(3)能承受一定的壓力;

　　(4)所選用的材質對所使用的溶劑一律惰性。

　　由于離子的流動相一般是酸、堿、鹽或絡合物的水溶液，因此貯液系統一般是以玻璃或聚四氟乙烯為材料，容積一般以0.5～4L為宜，溶劑使用前必須脫氣。因為色譜柱是帶壓力操作的，在流路中易釋放氣泡，造成檢測器噪聲增大，使基線不穩，儀器不能正常工作，這在流動相含有有機溶劑時更為突出。

　　脫氣方法有多種，在離子色譜中應用比較多的有如下方法：

　　(1)低壓脫氣法：通過水泵、真空泵抽真空，可同時加溫或向溶劑吹氮，此法特別適用純水溶劑配制的淋洗液。

　　(2)吹氦氣或氮氣脫氣法：氦氣或氮氣經減壓通入淋洗液，在一定壓力下可將淋洗液的空氣排出。

　　(3)超聲波脫氣法：將沖洗劑置于超聲波清洗槽中，以水為介質超聲脫氣。一般超聲30min左右，可以達到脫氣目的。新型的離子色譜儀，在高壓泵上帶有在線脫氣裝置，可自動對淋洗液進行在線自動脫氣。

　　二、高壓輸液泵

　　高壓輸液泵是離子色譜儀的重要部件，它將流動相輸入到分離系統，使樣品在柱系統中完成分離過程。離子色譜用的高壓泵應具備下述性能：

　　(1)流量穩定：通常要求流量精度應為±1%左右，以保證保留時間的重復和定性定量分析的精度。

　　(2)有一定輸出壓力，離子色譜一般在20MPa狀態下工作，比高效液相色譜略低。

　　(3)耐酸、堿和緩沖液腐蝕，與高效液相色譜不同，離子色譜所有淋洗液含有酸或堿，泵應采用全塑Peek材料制作。

　　(4)壓力波動小，更換溶劑方便，死體積小，易于清洗和更換溶劑。

　　(5)流量在一定范圍任選，并能達到一定精度要求。

　　(6)部分輸液泵具有梯度淋洗功能。

　　目前離子色譜應用較多的是往復柱塞泵，只有低壓離子色譜采用蠕動泵，但蠕動泵所能承受的壓力太小，實際操作過程中會出現問題。

　　由于往復柱塞泵的柱塞往復運動頻率較高，所以對密封環的耐磨性及單向閥的剛性和精度要求都很高。密封環一般采用聚四氟乙烯添加劑材料制造，單向閥的球、閥座及柱塞則用人造寶石材料。往復泵有單柱塞、雙柱塞,往復單柱塞泵的結構如圖

　　一般來說，雙柱塞流量更平穩，脈動小，但構造復雜，價格也比較高。

　　高效液相色譜采用不銹鋼或鈦合金材料，與高效液相色譜相比，離子色譜的泵體則采用全塑系統，從而對酸、堿、鹽有抗污染的性能，并保證了對金屬離子測定的準確性。

　　1.單柱塞泵

　　采取一些必要的措施如增加阻尼器，對凸輪形狀作特別設計以及利用先進的電子技術也可獲得滿意的結果。早期的離子色譜和一些簡易型離子色譜儀常采用單柱塞泵系統。

　　2.雙柱塞泵

　　雙柱塞泵即兩個泵頭并聯使用，凸輪相差180°，使壓力和流量波動減少。因此這種雙柱塞泵可以不加阻尼器直接進入分離系統，可以進行低壓梯度淋洗。如今大多數高檔離子色譜儀均已經采用雙柱塞泵。

　　目前，最新型的微孔型離子色譜儀，由于其采用的色譜柱為2mm內徑，為常規的4mm內徑的色譜柱橫截面的14，因此在線速度不變的條件下，其流速為常規色譜的1/4，因此它采用的泵的流速為0.01～2.50 ml/min。其主要特點是柱塞比較小，但結構與常規的離子色譜儀相似。由于流速的減小，可以大大減少溶劑的用量。如以同樣的量進樣，靈敏度可以增大到原來的4倍。

　　三、梯度淋洗裝置

　　梯度淋洗和氣相色譜中的程序升溫相似，給色譜分離帶來很大的方便，但離子色譜電導檢測器是一種總體性質的檢測器，因此梯度淋洗一般只在含氫氧根離子的淋洗液中采用抑制電導檢測時才能實現。采用梯度淋洗技術可以提高分離度、縮短分析時間、降低檢測限，它對于復雜混合物，特別是保留強度差異很大的混合物的分離，是極為重要的手段。另外，新型抑制器通過脫氣使淋洗液中CO2去除，碳酸鹽的淋洗液背景電導很低，使靈敏度大大增加，也可以實現碳酸鹽的梯度淋洗。離子色譜梯度淋洗可分為低壓梯度和高壓梯度兩種，現分別介紹如下：

　　1.低壓梯度

　　2.高壓梯度

　　它是由兩臺高壓輸液泵、梯度程序控制器、混合器等部件所組成。兩臺泵分別將兩種淋洗液輸入混合器，經充分混合后，進入色譜分離系統。它又稱為泵后高壓混合形式。

　　梯度淋洗的溶劑混合器必須具備容積小、無死區、清洗方便、混合效率高等性能，能獲得重復的、滯后時間短的梯度淋洗效果。

　　目前美國Dionex公司最新的淋洗液發生器EG40，只要加入純水就能自動生成淋洗液，它可以通過控制電流達到淋洗液梯度的目的。

　　2.2離子色譜的進樣系統

　　離子色譜的進樣主要分為3種類型：即氣動、手動和自動進樣方式。

　　一、手動進樣閥

　　手動進樣采用六通閥，其工作原理與HPLC相同，但其進樣量比HPLC要大，一般為50μL。樣品首先以低壓狀態充滿定量管，當閥沿順時針方向旋至另一位置時，即將貯存于定量管中固定體積的樣品送入分離系統。

　　二、氣動進樣閥

　　氣動閥采用一定氦氣或氮氣氣壓作動力，通過兩路四通加載定量管后，進行取樣和進樣，它有效地減少了手動進樣因動作不同所帶來的誤差。

　　三、自動進樣

　　自動進樣器是在色譜工作站控制下，自動進行取樣、進樣、清洗等一系列操作，操作者只須將樣品按順序裝入貯樣機中。圓盤式自動進樣的工作步驟如下：

　　(1)電機帶動貯樣盤旋轉，待分析樣品置于取樣針正下方。

　　(2)電機正轉，絲桿帶動滑塊向下移，把取樣針插入樣品塑料蓋，滑塊繼續下移，將瓶蓋推入瓶內，在瓶蓋擠壓下樣品經管道流入進樣閥定量管，完成取樣動作。

　　(3)進樣閥切換，完成進樣。

　　(4)電機反轉，絲桿帶動滑塊上移，取樣針恢復原位。

　　自動進樣可以達到很寬的樣品進樣量范圍的目的。

　　2.3離子色譜的分離系統

　　離子色譜是一種分離分析方法，因此分離系統是離子色譜的核心和基礎。而離子色譜柱是離子色譜儀的"心臟"，要求它柱效高、選擇性好、分析速度快等。離子色譜是一種液固色譜，為高效液相色譜的一種，但柱填料和分離機理有其自身特點，離子色譜柱的研究也是離子色譜領域的一個熱點課題。離子色譜柱填料的粒度一般在5～25μm之間，比高效液相色譜的柱填料略大，因此其壓力比高效液相色譜的要小，一般為單分散，而且呈球狀。

　　一、高分子聚合物填料

　　離子色譜中使用得最廣泛的填料是聚苯乙烯二乙烯苯共聚物。其中陽離子交換柱一般采用磺酸或羧酸功能基，陰離子交換柱填料則采用季胺功能基或叔胺功能基。離子排斥柱填料主要為全磺化的聚苯乙烯二乙烯苯共聚物，這類離子交換樹脂可在pH0～14范圍內使用。如果采用高交聯度的材料來改進，還可兼容有機溶劑，以抗有機污染。一般來說，離子交換型色譜柱的交換容量均很低。

　　二、硅膠型離子色譜填料

　　該填料采用多孔二氧化硅柱填料制得，是用于陰離子交換色譜法的典型薄殼型填料。它是用含季胺功能基的甲基丙烯十醇酯涂漬在二氧化硅微球上制備的。陽離子交換樹脂是用低相對分子質量的磺化氟碳聚合物涂漬在二氧化硅微粒上制備的。這類填料的pH值使用范圍為4～8，一般用于單柱型離子色譜柱中。

　　三、色譜柱結構

　　一般分析柱內徑為4mm，長度為100～250mm,柱子兩頭采用緊固螺絲。高檔儀器特別是陽離子色譜柱一般采用聚四氟乙烯材料，以防止金屬對測定的干擾。隨著離子色譜的發展，細內徑柱受到人們的重視，2mm柱不僅可以使溶劑消耗量減少，而且對于同樣的進樣量，靈敏度可以提高4倍。

　　2.4離子色譜的抑制系統

　　對于抑制型(雙柱型)離子色譜系統，抑制系統是極其重要的一個部分，也是離子色譜有別于高效液相色譜的最重要特點。抑制器的發展經歷了多個發展時期，而目前商品化的離子色譜儀亦分別采用不同的抑制手段及相關研究成果。

　　一、樹脂填充抑制柱

　　該抑制系統采用高交換容量的陽離子樹脂填充柱(陰離子抑制)，通過硫酸，將樹脂轉化為氫型。它抑制容量不高，需要定期再生，而且死體積比較大，對弱酸根離子由于離子排斥的作用，往往無法準確定量。

　　這類抑制器目前已經基本不用，但美國Alttech公司將這類抑制器加以改進，使填充柱需要再生時會變色，并采用電化學法再生，大大改進了傳統的方法，提高了抑制器的性能。

　　陽離子抑制的情況與此正好相反，它采用高交換容量的陰離子樹脂作填充柱。

　　二、纖維抑制器

　　這種抑制系統采用陽離子交換的中空纖維作為抑制器，外通硫酸作為再生液，可連續對淋洗液進行再生，這種抑制器的死體積比較大，抑制容量也不高。

　　三、微膜抑制器

　　這種抑制系統采用陽離子交換平板薄膜，中間通過淋洗液，而外兩側通硫酸再生液。這種抑制器的交換容量比較高，死體積很小，可進行梯度淋洗。

　　四、電解抑制器

　　這種抑制系統采用陽離子交換平板薄膜，通過電解產生的H+，對淋洗液進行再生。早期的這類抑制器是由我國廈門大學田昭武發明，并投入了生產，但它需要定期加入硫酸來補充H+。美國Dionex公司對這類抑制器進行了改進，使之成為自再生，只要用淋洗液自循環或去離子水電解就可能實現再生，抑制容量可以通過改變電流的大小加以控制，而且死體積很小。美國Alttech公司采用填充柱抑制器，通過合適的電解進行再生，同樣具有方便、高效的功能;其最新的 DSPlus型抑制器，在化學抑制和電化學再生的基礎上，再進行了二氧化碳的排除，可以有效降低背景電導值以實現不同碳酸鹽的梯度淋洗。

　　2.5離子色譜的檢測系統

　　電導檢測是離子色譜檢測方式中最常用的一種。由于電導池中的等效電容的影響，施加到電導池上的電壓和電流之間的關系是非線性的，這給測量電導值帶來很大困難。另外，流動相中本底電導值很高，從較大的背景值中準確測量待測組分的信號，也是電導檢測中的重要問題。目前采用較多的方法有：雙極脈沖化學抑制型電導檢測、五電極檢測和模擬信號交流鎖相放大等技術。

　　一、雙極脈沖電導檢測

　　采用可變頻率雙極脈沖化學抑制型電導檢測方式，以美國Dionex公司為代表。該檢測方式有效地抑制了電導池等效電容和流動相本底電導的影響，測定靈敏度高，線性范圍寬，穩定性好。

　　它采用8085芯片作為中心處理器(CPU)，通過處理機輸入輸出部件(PIO)對其他單元進行控制，由CPU時鐘分頻觸發后產生雙極脈沖，經整形后送至電導池;電導池返回的信號在第二個脈沖后被采樣，并轉換為一個直流信號，此信號與溫度測定信號交替送入電壓頻率變換器，數字信號送至CPU。在進行補償時，CPU將這個信號處理后，通過D/A(補償)轉換器，送回放大電路，對原信號進行補償，直至比較輸出呈"OK"狀態。信號的輸出也是通過V/F變頻電路送至CPU，CPU對其處理后通過D/A(輸出)變頻電路，經驅動器輸出至數據處理器。

　　二、五電極電導檢測

　　采用五電極電導測量技術，能有效地消除雙電層電容和電解效應的影響。其結構特點是在流路上設置4個電極，在電路設計中維持兩測量電極間電壓恒定不受負載電阻、電極間電阻和雙電層電容變化的影響。因此，兩測量電極間的電流變化，可從負載電阻兩端取出信號進行放大和顯示。第五電極為屏蔽電極，它有助于提高測量的穩定性。五電極式電導檢測器有效地消除了極化和電解效應的影響，在高背景電導下仍能獲得極低的噪聲水平，適合作非化學抑制型電導檢測器。

　　此外，離子色譜還可以采用紫外、可見光、熒光、安培等高效液相色譜常用的檢測器，其原理與常規的高效液相色譜檢測相似。檢測的原理和應用將在第四章詳細討論。

　　2.6離子色譜的數據處理系統

　　離子色譜一般柱效不高，與氣相色譜和高效液相色譜相比一般情況下離子色譜分離度不高，它對數據采集的速度要求不高，因此能夠用于其他類型的數據處理系統，同樣也可用于離子色譜中。而且在常規離子分析中，色譜峰的峰形比較理想，可以采用峰高定量分析法進行分析。主要數據處理系統為：

　　一、記錄儀

　　記錄儀要求滿刻度行程時間≤1s，輸入阻抗高，屏蔽好，紙速穩定。采用雙筆式記錄儀，可以同時測量樣品中高濃度和痕量濃度組分，也可進行雙檢測器分析。

　　二、自動積分儀

　　它是一種通過A/D轉換，采用固定程序，分析色譜信息，打印色譜圖的儀器。采用自動積分儀大大減少了記錄儀中色譜手工處理的繁瑣手續。

　　三、數據工作站

　　通過A/D轉換，將數據采集于電腦，然后通過對采集的數據分析，得到相關的色譜信息。隨著個人電腦的普及，數據工作站將得到廣泛的應用。

　　美國Dionex公司的離子色譜數據工作站Peak Net，可以同時處理多個色譜儀信息，并可對離子色譜的泵、檢測器、自動進樣器等系統進行控制.

 

 

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