离子色谱仪的发展现状

离子色谱仪的发展现状
摘要介绍了离子色谱仪的输液系统、进样器、分离柱和检测器的现状及最新进展。 关键词离子色谱仪脱气装置输液泵进样器 固定相抑制器

1 前言 1975年，Small等人用电导检测器地连续检测柱 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L2 3。我国第一代离子色谱仪 于1983年6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L3]，超声波震荡脱气法 ]，惰 性气体鼓泡吹扫脱气法L1 5_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容解进人流动相，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 谱仪都配有在线脱气系统转速计| 水份计| 水份仪| 分析仪| 溶氧计| 电导度计| PH计| 酸碱计| 糖度计| 盐度计| 酸碱度计| 电导计| 水分测定仪| 浊度计| 色度计| 粘度计| 折射计| 滴定仪| 密度计| 热流计| 浓度计| 折射仪| 采样仪| 。
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0．01～10．0mL／min之间，对于一般分 析工作，0．5～2．0mL／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30MPa。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 合痕量分析。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 作者简介：段钢，男，1973年2月出生，在读硕士研究生，主要从事离子色谱应用方面的研究。 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，柱塞馥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 ( )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。现在比较好的六通进样阀由于采 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l6]。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、季铵功能基的类型 和结构。 早期的薄壳材料的核心颗粒采用15-40~范围 的球型PS—D、 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)或甲基丙烯酸酯缩水 甘油脂(GMA)的聚合物制备。甲基丙烯酸酯材料 的性能优异，表现为： (1)对阴离子如碘离子和硫氰根离子选择性非 常好。 (2)可以增大F一与水峰的分离。 (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IonPac AS9一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EⅦ 一DⅦ 颗粒涂溃15％交联度缩水甘油 乙氧基甲基丙烯酸酯的聚合物 J。 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 ，加J。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。烷 基醇委铵功能基树脂对OH一的亲和力显著增强，被 称为OH一选择性树脂，适合于用氢氧化物作为淋洗 液。例如：Dionex公司的IonPac ASll，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 子则采用柠檬酸与己二胺的混合溶液u 。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n 。美国Dionex公司的IonPac CS12A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；IonPac CSll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，Kazutoku Ohta等人 以硅胶作固定相，利用硅胶本身的离子交换功能，采 用添加了冠醚的淋洗液，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—AES和ICP— MS的不断普及，它们与IC的联用技术正越来越受 到人们的重视。
5．1 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u引。 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一型转变成NO3型(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 和OH一消耗后，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cch，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_l 。
(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) 。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 和OH一，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 田昭武等首次将电渗析原理引入抑制器_l ，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 和OH一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(见图1)。 当阴阳两极接通恒流电源，水被电解产生H 和 OH一。在电场作用下，H 穿过阳离子交换膜，进入 淋洗液中和掉OH一，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 阴极 阳离子交换膜 图1 阴离子电解再生抑制器的工作原理 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。 目前国内已能自行生产阴、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(U、，／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U、，／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 、NO2-、Br一、I J。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_2 。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、汞、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t~g／L级的离子，例 如：硫化物、氰化物 、三价砷_2 、各种酚[ 等。 脉冲安培检测器在3个不同的间隔时间(t 、t：、 t )内，快速、连续地施加3种不同的电位E 、E2、E 。 其中，E 为工作电位，E2、E3分别为清洗正电位和清 洗负电位。仅在t 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 电极恢复到未受玷污的状态。使用金电极的脉冲安 培检测器是分析糖的好方法 卫 ，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、醛、胺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 2 。
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AAS、ICP—AES、ICP — 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。

6 新进展
6．1 淋洗液发生器 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 cch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_2 。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 端填装钾型。在这个色谱柱的两端施加直流电压， 氢型端接阳极，钾型端接阴极。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， 氢离子逐渐替代钾型树脂中的钾离子向阴极移动； 被替换下来的钾离子在阴极区与电解水产生的氢氧 根形成氢氧化钾淋洗液，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 c02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、便携化方向发展。新的固定相将会不断出 现，例如：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。