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离子色谱仪器使用说明

  离子色谱仪器一般由流动相输运系统、进样系统、分离系统、抑制或衍生系统、检测系统及数据处理系统等几部分组成。
  
  一、离子色谱流动相输运系统
  
  离子色谱仪器的输运系统包括贮液罐、高压输液泵、梯度淋洗装置等,与高效液相色谱的输运系统基本相似。
  
  1、贮液罐
  
  溶剂贮存主要用来供给足够数量并符合要求的流动相,对于溶剂贮存器的要求是:
  
  (1)必须有足够的容积,以保证重复分析时有足够的供液;
  
  (2)脱气方便;
  
  (3)能承受一定的压力;
  
  (4)所选用的材质对所使用的溶剂一律惰性。
  
  由于离子的流动相一般是酸、碱、盐或络合物的水溶液,因此贮液系统一般是以玻璃或聚四氟乙烯为材料,容积一般以0.5~4L为宜,溶剂使用前必须脱气。因为色谱柱是带压力操作的,在流路中易释放气泡,造成检测器噪声增大,使基线不稳,仪器不能正常工作,这在流动相含有有机溶剂时更为突出。
  
  脱气方法有多种,在离子色谱中应用比较多的有如下方法:
  
  (1)低压脱气法:通过水泵、真空泵抽真空,可同时加温或向溶剂吹氮,此法特别适用纯水溶剂配制的淋洗液。
  
  (2)吹氦气或氮气脱气法:氦气或氮气经减压通入淋洗液,在一定压力下可将淋洗液的空气排出。
  
  (3)超声波脱气法:将冲洗剂置于超声波清洗槽中,以水为介质超声脱气。一般超声30min左右,可以达到脱气目的。新型的离子色谱仪,在高压泵上带有在线脱气装置,可自动对淋洗液进行在线自动脱气。
  
  2、高压输液泵
  
  高压输液泵是离子色谱仪的重要部件,它将流动相输入到分离系统,使样品在柱系统中完成分离过程。离子色谱用的高压泵应具备下述性能:
  
  (1)流量稳定:通常要求流量精度应为±1%左右,以保证保留时间的重复和定性定量分析的精度。
  
  (2)有一定输出压力,离子色谱一般在20MPa状态下工作,比高效液相色谱略低。
  
  (3)耐酸、碱和缓冲液腐蚀,与高效液相色谱不同,离子色谱所有淋洗液含有酸或碱,泵应采用全塑Peek材料制作。
  
  (4)压力波动小,更换溶剂方便,死体积小,易于清洗和更换溶剂。
  
  (5)流量在一定范围任选,并能达到一定精度要求。
  
  (6)部分输液泵具有梯度淋洗功能。
  
  目前离子色谱应用较多的是往复柱塞泵,只有低压离子色谱采用蠕动泵,但蠕动泵所能承受的压力太小,实际操作过程中会出现问题。
  
  由于往复柱塞泵的柱塞往复运动频率较高,所以对密封环的耐磨性及单向阀的刚性和精度要求都很高。密封环一般采用聚四氟乙烯添加剂材料制造,单向阀的球、阀座及柱塞则用人造宝石材料。往复泵有单柱塞、双柱塞。
  
  一般来说,双柱塞流量更平稳,脉动小,但构造复杂,价格也比较高。
  
  高效液相色谱采用不锈钢或钛合金材料,与高效液相色谱相比,离子色谱的泵体则采用全塑系统,从而对酸、碱、盐有抗污染的性能,并保证了对金属离子测定的准确性。
  
  a.单柱塞泵
  
  采取一些必要的措施如增加阻尼器,对凸轮形状作特别设计以及利用先进的电子技术也可获得满意的结果。早期的离子色谱和一些简易型离子色谱仪常采用单柱塞泵系统。
  
  b.双柱塞泵
  
  双柱塞泵即两个泵头并联使用,凸轮相差180°,使压力和流量波动减少。因此这种双柱塞泵可以不加阻尼器直接进入分离系统,可以进行低压梯度淋洗。如今大多数高档离子色谱仪均已经采用双柱塞泵。
  
  目前,最新型的微孔型离子色谱仪,由于其采用的色谱柱为2mm内径,为常规的4mm内径的色谱柱横截面的1/4,因此在线速度不变的条件下,其流速为常规色谱的1/4,因此它采用的泵的流速为0.01~2.50ml/min。其主要特点是柱塞比较小,但结构与常规的离子色谱仪相似。由于流速的减小,可以大大减少溶剂的用量。如以同样的量进样,灵敏度可以增大到原来的4倍。
  
  3、梯度淋洗装置
  
  梯度淋洗和气相色谱中的程序升温相似,给色谱分离带来很大的方便,但离子色谱电导检测器是一种总体性质的检测器,因此梯度淋洗一般只在含氢氧根离子的淋洗液中采用抑制电导检测时才能实现。采用梯度淋洗技术可以提高分离度、缩短分析时间、降低检测限,它对于复杂混合物,特别是保留强度差异很大的混合物的分离,是极为重要的手段。另外,新型抑制器通过脱气使淋洗液中CO2去除,碳酸盐的淋洗液背景电导很低,使灵敏度大大增加,也可以实现碳酸盐的梯度淋洗。离子色谱梯度淋洗可分为低压梯度和高压梯度两种,现分别介绍如下:
  
  a.低压梯度
  
  b.高压梯度
  
  它是由两台高压输液泵、梯度程序控制器、混合器等部件所组成。两台泵分别将两种淋洗液输入混合器,经充分混合后,进入色谱分离系统。它又称为泵后高压混合形式。
  
  梯度淋洗的溶剂混合器必须具备容积小、无死区、清洗方便、混合效率高等性能,能获得重复的、滞后时间短的梯度淋洗效果。
  
  目前美国Dionex公司最新的淋洗液发生器EG40,只要加入纯水就能自动生成淋洗液,它可以通过控制电流达到淋洗液梯度的目的。
  
  二、离子色谱的进样系统
  
  离子色谱的进样主要分为3种类型:即气动、手动和自动进样方式。
  
  1、手动进样阀
  
  手动进样采用六通阀,其工作原理与HPLC相同,但其进样量比HPLC要大,一般为50μl。样品首先以低压状态充满定量管,当阀沿顺时针方向旋至另一位置时,即将贮存于定量管中固定体积的样品送入分离系统。
  
  2、气动进样阀
  
  气动阀采用一定氦气或氮气气压作动力,通过两路四通加载定量管后,进行取样和进样,它有效地减少了手动进样因动作不同所带来的误差。
  
  3、自动进样
  
  自动进样器是在色谱工作站控制下,自动进行取样、进样、清洗等一系列操作,操作者只须将样品按顺序装入贮样机中。圆盘式自动进样的工作步骤如下:
  
  (1)电机带动贮样盘旋转,待分析样品置于取样针正下方。
  
  (2)电机正转,丝杆带动滑块向下移,把取样针插入样品塑料盖,滑块继续下移,将瓶盖推入瓶内,在瓶盖挤压下样品经管道流入进样阀定量管,完成取样动作。
  
  (3)进样阀切换,完成进样。
  
  (4)电机反转,丝杆带动滑块上移,取样针恢复原位。
  
  自动进样可以达到很宽的样品进样量范围的目的。
  
  三、离子色谱的分离系统
  
  离子色谱是一种分离分析方法,因此分离系统是离子色谱的核心和基础。而离子色谱柱是离子色谱仪的"心脏",要求它柱效高、选择性好、分析速度快等。离子色谱是一种液固色谱,为高效液相色谱的一种,但柱填料和分离机理有其自身特点,离子色谱柱的研究也是离子色谱领域的一个热点课题。离子色谱柱填料的粒度一般在5~25μm之间,比高效液相色谱的柱填料略大,因此其压力比高效液相色谱的要小,一般为单分散,而且呈球状。
  
  1、高分子聚合物填料
  
  离子色谱中使用得最广泛的填料是聚苯乙烯二乙烯苯共聚物。其中阳离子交换柱一般采用磺酸或羧酸功能基,阴离子交换柱填料则采用季胺功能基或叔胺功能基。离子排斥柱填料主要为全磺化的聚苯乙烯二乙烯苯共聚物,这类离子交换树脂可在pH0~14范围内使用。如果采用高交联度的材料来改进,还可兼容有机溶剂,以抗有机污染。一般来说,离子交换型色谱柱的交换容量均很低。
  
  2、硅胶型离子色谱填料
  
  该填料采用多孔二氧化硅柱填料制得,是用于阴离子交换色谱法的典型薄壳型填料。它是用含季胺功能基的甲基丙烯十醇酯涂渍在二氧化硅微球上制备的。阳离子交换树脂是用低相对分子质量的磺化氟碳聚合物涂渍在二氧化硅微粒上制备的。这类填料的pH值使用范围为4~8,一般用于单柱型离子色谱柱中。
  
  3、色谱柱结构
  
  一般分析柱内径为4mm,长度为100~250mm,柱子两头采用紧固螺丝。高档仪器特别是阳离子色谱柱一般采用聚四氟乙烯材料,以防止金属对测定的干扰。随着离子色谱的发展,细内径柱受到人们的重视,2mm柱不仅可以使溶剂消耗量减少,而且对于同样的进样量,灵敏度可以提高4倍。
  
  四、离子色谱的抑制系统
  
  对于抑制型(双柱型)离子色谱系统,抑制系统是极其重要的一个部分,也是离子色谱有别于高效液相色谱的最重要特点。抑制器的发展经历了多个发展时期,而目前商品化的离子色谱仪亦分别采用不同的抑制手段及相关研究成果。
  
  1、树脂填充抑制柱
  
  该抑制系统采用高交换容量的阳离子树脂填充柱(阴离子抑制),通过硫酸,将树脂转化为氢型。它抑制容量不高,需要定期再生,而且死体积比较大,对弱酸根离子由于离子排斥的作用,往往无法准确定量。
  
  这类抑制器目前已经基本不用,但美国Alttech公司将这类抑制器加以改进,使填充柱需要再生时会变色,并采用电化学法再生,大大改进了传统的方法,提高了抑制器的性能。
  
  阳离子抑制的情况与此正好相反,它采用高交换容量的阴离子树脂作填充柱。
  
  2、纤维抑制器
  
  这种抑制系统采用阳离子交换的中空纤维作为抑制器,外通硫酸作为再生液,可连续对淋洗液进行再生,这种抑制器的死体积比较大,抑制容量也不高。
  
  3、微膜抑制器
  
  这种抑制系统采用阳离子交换平板薄膜,中间通过淋洗液,而外两侧通硫酸再生液。这种抑制器的交换容量比较高,死体积很小,可进行梯度淋洗。
  
  4、电解抑制器
  
  这种抑制系统采用阳离子交换平板薄膜,通过电解产生的H,对淋洗液进行再生。早期的这类抑制器是由我国厦门大学田昭武发明,并投入了生产,但它需要定期加入硫酸来补充H。美国Dionex公司对这类抑制器进行了改进,使之成为自再生,只要用淋洗液自循环或去离子水电解就可能实现再生,抑制容量可以通过改变电流的大小加以控制,而且死体积很小。美国Alttech公司采用填充柱抑制器,通过合适的电解进行再生,同样具有方便、高效的功能;其最新的DSPlus型抑制器,在化学抑制和电化学再生的基础上,再进行了二氧化碳的排除,可以有效降低背景电导值以实现不同碳酸盐的梯度淋洗。
  
  五、离子色谱的检测系统
  
  电导检测是离子色谱检测方式中最常用的一种。由于电导池中的等效电容的影响,施加到电导池上的电压和电流之间的关系是非线性的,这给测量电导值带来很大困难。另外,流动相中本底电导值很高,从较大的背景值中准确测量待测组分的信号,也是电导检测中的重要问题。目前采用较多的方法有:双极脉冲化学抑制型电导检测、五电极检测和模拟信号交流锁相放大等技术。
  
  1、双极脉冲电导检测
  
  采用可变频率双极脉冲化学抑制型电导检测方式,以美国Dionex公司为代表。该检测方式有效地抑制了电导池等效电容和流动相本底电导的影响,测定灵敏度高,线性范围宽,稳定性好。
  
  它采用8085芯片作为中心处理器(CPU),通过处理机输入输出部件(PIO)对其他单元进行控制,由CPU时钟分频触发后产生双极脉冲,经整形后送至电导池;电导池返回的信号在第二个脉冲后被采样,并转换为一个直流信号,此信号与温度测定信号交替送入电压频率变换器,数字信号送至CPU。在进行补偿时,CPU将这个信号处理后,通过D/A(补偿)转换器,送回放大电路,对原信号进行补偿,直至比较输出呈“OK”状态。信号的输出也是通过V/F变频电路送至CPU,CPU对其处理后通过D/A(输出)变频电路,经驱动器输出至数据处理器。
  
  2、五电极电导检测
  
  采用五电极电导测量技术,能有效地消除双电层电容和电解效应的影响。其结构特点是在流路上设置4个电极,在电路设计中维持两测量电极间电压恒定不受负载电阻、电极间电阻和双电层电容变化的影响。因此,两测量电极间的电流变化,可从负载电阻两端取出信号进行放大和显示。第五电极为屏蔽电极,它有助于提高测量的稳定性。五电极式电导检测器有效地消除了极化和电解效应的影响,在高背景电导下仍能获得极低的噪声水平,适合作非化学抑制型电导检测器。
  
  此外,离子色谱还可以采用紫外、可见光、荧光、安培等高效液相色谱常用的检测器,其原理与常规的高效液相色谱检测相似。
  
  六、离子色谱的数据处理系统
  
  离子色谱一般柱效不高,与气相色谱和高效液相色谱相比一般情况下离子色谱分离度不高,它对数据采集的速度要求不高,因此能够用于其他类型的数据处理系统,同样也可用于离子色谱中。而且在常规离子分析中,色谱峰的峰形比较理想,可以采用峰高定量分析法进行分析。主要数据处理系统为:
  
  1、记录仪
  
  记录仪要求满刻度行程时间≤1s,输入阻抗高,屏蔽好,纸速稳定。采用双笔式记录仪,可以同时测量样品中高浓度和痕量浓度组分,也可进行双检测器分析。
  
  2、自动积分仪
  
  它是一种通过A/D转换,采用固定程序,分析色谱信息,打印色谱图的仪器。采用自动积分仪大大减少了记录仪中色谱手工处理的繁琐手续。
  
  3、数据工作站
  
  通过A/D转换,将数据采集于电脑,然后通过对采集的数据分析,得到相关的色谱信息。随着个人电脑的普及,数据工作站将得到广泛的应用。
  
  美国Dionex公司的离子色谱数据工作站PeakNet,可以同时处理多个色谱仪信息,并可对离子色谱的泵、检测器、自动进样器等系统进行控制。

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