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第一章 離子色譜法基本原理第一節 離子色譜系統離子色譜儀器一般由淋洗液輸運系統、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，其結構與常規的高效液相色譜極為相似，但離子色譜與常規高效液相色譜最明顯的差異在於，（1）離子色譜由於其淋洗液採用酸或鹼，流路一般採用Peek材料，（2）離子色譜在檢測器之前一般帶有抑制器。其基本構造如圖1-1所示。
圖1-1 離子色譜儀基本構造示意圖
一、離子色譜淋洗液輸運系統
離子色譜儀器的淋洗液輸送系統包括貯液罐、高壓輸液泵、梯度淋洗液發生裝置等，與高效液相色譜的輸液系統基本相似。
1．貯液罐
貯存足夠數量並符合要求的淋洗液，對於淋洗液貯液罐的要求是：
(1)必須有足夠的容積，以保證重複分析時有足夠的淋洗液；
(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淋洗液為惰性。
由於離子色譜的流動相一般是酸、鹼、鹽或絡合物的水溶液，因此貯液系統一般是以玻璃、聚四氟乙烯或聚丙烯為材料，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製的淋洗液。
(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：將衝洗劑置於超聲波清洗槽中，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脫氣。
2．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複性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、鹼和緩衝液腐蝕，與高效液相色譜不同，離子色譜所有淋洗液含有酸或鹼，泵應採用全塑Peek材料製作；
(4)壓力波動小，更換溶劑方便，死體積小，易於清洗；
(5)流量在一定範圍任選，並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式柱塞泵，只有低壓離子色譜採用蠕動泵，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。
由於往復式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。密封環一般採用聚四氟乙烯添加特殊材料製造，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、雙柱塞之分。一般來說，雙柱塞流量更平穩，脈動小，但構造複雜，價格也比較高，單柱塞泵流量脈動比較高，價格較低，需要用阻尼器來降低流量脈動。高效液相色譜泵體採用不鏽鋼或鈦合金材料，與高效液相色譜相比，離子色譜的泵體則採用全塑系統，從而對酸、鹼、鹽有抗汙染的性能，並保證了對金屬離子測定的準確性。
3．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或甲基磺酸的淋洗液中採用抑制電導檢測時才能實現。採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，它對於複雜混合物，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。離子色譜梯度淋洗可分為低壓梯度和高壓梯度及特殊的淋洗液發生器三種，現分別介紹如下：
(1)低壓梯度
是一種目前離子色譜較為廣泛採用的低壓梯度裝置，可進行四元梯度淋洗，它通過控制電磁比例閥的開關頻率，可得一任意混合濃度的淋洗液，並在程序的設定下得到不同時間的不同淋洗液濃度。
(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，經充分混合後，進入色譜分離系統。它又稱為泵後高壓混合形式。梯度淋洗的淋洗液混合器必須具備容積小、死體積小、清洗方便、混合效率高等性能，才能獲得重複的、滯後時間短的梯度淋洗效果。
(3) 淋洗液發生裝置
美國Dionex公司新推出的淋洗液發生器，只要加入純水並通過控制電流的大小就能自動生成不同濃度的淋洗液，從而達到梯度淋洗的目的，實現了單泵梯度的新模式，極大地提高了儀器的性能。
二、離子色譜的進樣系統離子色譜的進樣方式主要分為3種類型：即氣動、手動和自動進樣。
1．手動進樣閥
手動進樣採用六通閥，其工作原理與HPLC相同，但其進樣量比HPLC要大，一般為50μL。它的結構如圖1-2所示，其定量管接在閥外。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，即將貯存於定量管中固定體積的樣品送入分離系統。
圖1-2 六通閥進樣裝置圖
2．氣動進樣閥
氣動閥採用氦氣或氮氣氣壓作動力，通過兩路四通加載定量管後，進行取樣和進樣，它有效地減少了手動進樣過程中動作不同所帶來的誤差，並實現半自動進樣的方式。
3．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樣品盤中。圓盤式自動進樣的工作步驟如下：
(1)電機帶動樣品盤旋轉，待分析樣品置於取樣針正下方；
(2)電機正轉，絲杆帶動滑塊向下移，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，絲杆帶動滑塊上移，取樣針恢復原位。
自動進樣可以達到很寬的樣品進樣量範圍的目的。高檔的自動進樣器還具有在線處理樣品的能力，如過濾、稀釋、混合、滲析等功能。
三、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」，它要求柱效高、選擇性好、分析速度快等。離子色譜是一種離子交換色譜，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低，其顆粒一般為單分散，而且呈球狀。
1．高分子聚合物填料
離子色譜中使用得最廣泛的填料是苯乙烯-二乙烯苯共聚物。其中陽離子交換柱一般採用磺酸或羧酸功能基，陰離子交換柱填料則採用季胺功能基或叔胺功能基。離子排斥柱填料主要為磺化的苯乙烯-二乙烯苯共聚物，這類離子交換樹脂可在pH0～14範圍內使用。如果採用高交聯度的材料來改進，還可兼容有機溶劑，以抗有機汙染。一般來說，離子交換型色譜柱的交換容量均很低。
2．矽膠型離子色譜填料
該填料採用多孔二氧化矽製得，是用於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塗漬在二氧化矽微球上表面的。陽離子交換樹脂是用相對低分子質量的磺化氟碳聚合物塗漬在二氧化矽微粒上製備的或在二氧化矽微粒上接枝馬來酸和丁二酸功能基。這類填料的pH值使用範圍為2～8，一般用於單柱型離子色譜柱中。
3．色譜柱結構
一般離子色譜分析柱內徑為4或4.6mm，長度為100～250mm,柱子兩頭採用緊固螺絲。高檔儀器特別是陽離子色譜柱一般採用聚四氟乙烯材料，以防止金屬對測定的幹擾。
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，而且對於同樣的進樣量，靈敏度可以提高4倍。
離子色譜柱的生產廠家少，品種比液相少的多，分析柱的價格是普通HPLC分析柱的數倍。
四、離子色譜的抑制系統對於抑制型(雙柱型)離子色譜系統，抑制系統是極其重要的一個部分，也是離子色譜有別於高效液相色譜的最重要區別。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採用不同的抑制手段及相關研究成果。
1．樹脂填充抑制柱
該陰離子抑制系統採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，對弱酸根離子由於離子排斥的作用，往往無法準確定量。
這類抑制器目前已經基本不用，但有些離子色譜生產公司將這類抑制器加以改進，再生可以自動進行，大大改進了傳統的方法，雖然可以提高抑制器的自動化程度，但還是無法克服樹脂填充抑制柱本身的缺陷。
陽離子抑制的情況與此正好相反，它採用高交換容量的陰離子樹脂作填充柱。
2．纖維抑制器
這種陰離子抑制系統採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。
3．微膜抑制器
這種陰離子抑制系統採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。
4．電解抑制器
這種陰離子抑制系統採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等人發明，並投入了生產，但它需要定期加入硫酸來補充H+。美國Dionex公司結合微膜抑制器的原理，對電解抑制器進行改進，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。
5．抑制膠抑制器
這種陰離子抑制器結構有點類似於連續樹脂填充抑制器，其特點是採用可拋棄式抑制樹脂，無需外加硫酸再生。定期更換抑制膠，可使抑制器永遠保持良好的狀態，即使汙染了也沒有關係。
6 其它類型抑制器
如Dionex的Atlas柱膜混合型抑制器、Alltech的DS－plus電再生樹脂抑制器、Metrohm的MCS抑制器等，各有各的特點。
五、離子色譜的衍生系統常見的無機離子可以通過抑制電導直接檢測,但由於重金屬和過渡元素的性質，抑制反應使金屬離子生成不溶的氫氧化物，不能直接用電導檢測。1974年Fritz等提出了高效低容量的離子交換劑分離過渡金屬離子，柱後衍生光度法檢測，取得了較好的效果。1979年Cassidy等成功將IC應用於鑭系元素的分析。柱後衍生膜反應器的及其相關色譜柱的研製成功，使離子色譜成為應用較廣的多元素的分析方法。尤其對於金屬價態的分析，有其獨特的優勢。
這種在分離柱後連續加入顯色劑使這些離子生成帶有吸收基團的衍生物，即可用光度法檢測，這種方法稱為柱後衍生。
目前比較常見的柱後衍生的是採用柱後膜反應器。在反應器中，一根可滲透試劑的特殊空心纖維管繞在柱後衍生器的軸上。從分離柱出來的洗脫液在纖維管內從上往下流動，柱後反應試劑在管外。由於管壁的特殊性，及管外的壓力高於管內，反應液可以不斷滲入纖維管內的洗脫液中。由於纖維管細而長，整個過程顯色劑的濃度不變，顯色試劑與樣品離子之間的反應速度快、而且更完全。
柱後衍生可以分析重金屬離子、胺基酸、多元胺、多聚磷酸鹽和EDTA等。
六、離子色譜的檢測系統電導檢測是離子色譜檢測方式中最主要的一種。由於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係是非線性的，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。目前採用較多的方法有：雙電極脈衝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。
1．雙電極脈衝電導檢測
採用可變頻率雙電極脈衝化學抑制型電導檢測方式是最通用的離子色譜電導檢測器。該檢測方式有效地抑制了電導池等效電容和流動相背景電導的影響，測定靈敏度高，線性範圍寬，穩定性好。
2．五電極電導檢測
採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恆定不受負載電阻、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，它有助於提高測量的穩定性。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，適合於非化學抑制型電導檢測器。
此外，離子色譜還可以採用安培、紫外可見、二極體陣列、螢光、質譜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基本一致。
七、離子色譜的數據處理系統離子色譜柱一般柱效不高，與氣相色譜柱和高效液相色譜柱相比，一般情況下離子色譜分離度不高，它對數據採集的速度要求不高，因此能夠用於其他類型的數據處理系統，同樣也可用於離子色譜中。而且在常規離子分析中，色譜峰的峰形比較理想，可以採用峰高定量分析法進行分析。主要數據處理系統為：
1．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。採用雙筆式記錄儀，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。
2．自動積分儀
它是一種通過A／D轉換，採用固定程序，分析色譜信息，列印色譜圖的儀器。採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。
3．數據工作站
通過A／D轉換，將數據採集於電腦，然後通過對採集的數據分析，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。高檔次的色譜數據工作站，可以同時處理多個色譜儀信息，並可對離子色譜的泵、檢測器、自動進樣器等系統進行控制。
目前來講，第一種方式基本見不到，第二種方式也不多見，由於計算機的普及，絕大部分採用數據工作站來處理，既能有效保存實驗數據，也非常方便地對數據進行處理和交換。
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