離子色譜儀的結(jié)構(gòu)原理及應(yīng)用維護(hù)

離子色譜儀的結(jié)構(gòu)原理及應(yīng)用維護(hù)

Summary：離子色譜（IC,IonChromatography）自20世紀(jì)70年代中期作為一種新的分析技術(shù)引入以來(lái)，在各領(lǐng)域中已廣泛應(yīng)用。本文簡(jiǎn)述了離子色譜儀的結(jié)構(gòu)、原理和應(yīng)用，并講述如何對(duì)離子色譜儀進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，分析了在日常使用中離子色譜儀容易出現(xiàn)的故障，給出相應(yīng)的處理方法和建議。這些對(duì)離子色譜儀的正常使用十分重要。Keys：離子色譜儀；結(jié)構(gòu)；原理；應(yīng)用；維護(hù)保養(yǎng)；故障排除StructurePrincipleandApplicationMaintenanceofIonChromatographYuJingsong(ThermoFisherScientific(China)Co.,Ltd,Shanghai201206,China)Abstract:Ionchromatographyhasenjoyedwidelyusedinvariousfields,sinceitsintroductionasanewanalyticaltechniqueinthemid-1970s.Thispaperbrieflydescribedthestructure,principleandapplicationofionchromatograph,anddescribedhowtomaintaintheionchromatograph,analysingthecommonfaultsinthedailyuseofionchromatograph,andgavethecorrespondingmethodsandsuggestions.Theseareveryimportantforthenormaluseofionchromatograph.Keywords:Ionchromatograph;structure;principle;application;maintenance;troubleshooting0引言離子色譜（IC,IonChromatography）是利用離子交換分析的原理，將被分析物注入色譜分離柱，在淋洗液的洗脫分離后進(jìn)入特定的電導(dǎo)檢測(cè)器檢測(cè)其含量的一種色譜分離分析技術(shù)。色譜法中，流動(dòng)相可以是氣體，也可以是液體，當(dāng)流動(dòng)相是液態(tài)時(shí)，我們稱為“液相色譜”。離子色譜的流動(dòng)相也為液體，故離子色譜屬于液相色譜的一個(gè)分支[1]，其主要應(yīng)用在水或食品中的陰陽(yáng)離子的分析，流動(dòng)相為酸性或堿性水溶液，與常規(guī)的液相色譜主要使用有機(jī)溶劑、分析有機(jī)樣品有所區(qū)別。在離子色譜領(lǐng)域，戴安(Dionex)公司發(fā)明并推出了第一臺(tái)離子色譜，開(kāi)創(chuàng)了離子色譜技術(shù)的先河。戴安公司發(fā)明了抑制器技術(shù)，抑制的材質(zhì)右填充樹(shù)脂優(yōu)化為電解抑制，始終引領(lǐng)著離子色譜發(fā)展的方向[1]。戴安公司于2011年5月16日正式被賽默飛世爾科技收購(gòu)。離子色譜目前被廣泛應(yīng)用于化工、電力、食品工業(yè)、醫(yī)藥臨床、環(huán)境分析、微電子設(shè)備等領(lǐng)域。除了常見(jiàn)的陰、陽(yáng)離子分析，離子色譜還能分析生物樣品中的蛋白質(zhì)、肽，甚至小分子氨基酸，以及抗生素、糖等物質(zhì)[2]。本文中提及的離子色譜儀的相關(guān)概念及應(yīng)用必要時(shí)會(huì)以Dionex離子色譜舉例。1離子色譜儀的結(jié)構(gòu)原理1.1結(jié)構(gòu)及概念離子色譜儀的組成要素主要包括：淋洗液儲(chǔ)備裝置（淋洗液自動(dòng)發(fā)生器）、泵、進(jìn)樣裝置、保護(hù)柱和分析柱、抑制器、電導(dǎo)池及控制軟件等[3]。通常有兩種類型的淋洗液，一種是傳統(tǒng)方法即手工配制淋洗液，檢測(cè)陽(yáng)離子使用甲基磺酸淋洗液，檢測(cè)陰離子用碳酸鹽體系或氫氧化物體系的淋洗液。另一種是在線電解淋洗液發(fā)生系統(tǒng)（FRIC），F(xiàn)RIC為Dionex的專利技術(shù)，相比前者方法操作更加靈活簡(jiǎn)易，只需要高純水作為載體，不再需要手工配制濃淋洗液，既節(jié)省了人力和時(shí)間，又消除了人工配制淋洗液的誤差，大大提高了儀器分析結(jié)果的重現(xiàn)性。這是離子色譜技術(shù)的一次重大變革和發(fā)展。離子色譜儀的檢測(cè)方式可以分為電化學(xué)檢測(cè)法和分光光度檢測(cè)法。我們通常采用電化學(xué)檢測(cè)，其分為安培檢測(cè)和電導(dǎo)檢測(cè)。其中，安培系統(tǒng)采用安培池作為檢測(cè)器[2]；電導(dǎo)系統(tǒng)采用抑制電導(dǎo)檢測(cè)模式，檢測(cè)器部分包括抑制器和電導(dǎo)池。電化學(xué)檢測(cè)器的功能是檢測(cè)在色譜柱中分離的物質(zhì)，產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)的電信號(hào)，傳送給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對(duì)分離的物質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)。既然色譜是用于分析的一種分離技術(shù)，使用離子色譜的目的就是為了準(zhǔn)確檢測(cè)出待測(cè)離子，而抑制器用于去除淋洗液中的反離子，即若待測(cè)離子是陰離子，則與這些陰離子相關(guān)的、具有相反電荷的、可移動(dòng)的離子視為“反離子”。抑制器用于降低基線噪音，提高分析物響應(yīng)，使得使用離子色譜作為一種分析手段成為可能。離子色譜法包含三種分離機(jī)理，魯蘊(yùn)甜[5]提到離子色譜法的三種分離機(jī)理：一種分離機(jī)理是高效離子交換，顧名思義，主要分離有機(jī)和無(wú)機(jī)陰陽(yáng)離子；第二種是高效離子排斥，包括空間排斥、唐南排斥、吸附作用，主要分離弱酸；最后一種是離子對(duì)色譜，基于吸附機(jī)制，由流動(dòng)相決定分離的選擇性，主要用于分離表面活性陰陽(yáng)離子和過(guò)渡金屬絡(luò)和物。1.2工作原理離子色譜最常見(jiàn)的分離方法是離子交換?；跇悠冯x子性質(zhì)及結(jié)構(gòu)的不同，附著于固定相中的固定電荷上的親和力亦不同，使樣品中的不同組分得以分離出來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)了樣品中的離子交換[4]。根據(jù)分離方式，總結(jié)出離子色譜儀工作原理，即淋洗液離子進(jìn)入色譜柱后吸附在色譜柱固定相上，然后樣品離子進(jìn)入色譜柱后，置換淋洗液離子吸附在色譜柱固定相上，隨著淋洗液離子的不斷進(jìn)入，樣品離子由于對(duì)色譜柱固定相的親和力不同，結(jié)合力較弱的先被沖洗下來(lái)，結(jié)合力較強(qiáng)的隨后再被沖洗下來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)分離。待測(cè)離子和淋洗液繼而依次經(jīng)過(guò)檢測(cè)系統(tǒng)即抑制器和電導(dǎo)池（如下方IC系統(tǒng)流程圖），抑制器可同時(shí)降低基線噪音和提高分析物響應(yīng)，電導(dǎo)池可測(cè)量待測(cè)離子的電導(dǎo)率，最后運(yùn)用軟件系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，將譜圖上的離子峰與標(biāo)準(zhǔn)液中的峰進(jìn)行比對(duì)，完成樣品分析。淋洗液輸送裝置淋洗液儲(chǔ)備裝置

泵

進(jìn)樣裝置

數(shù)據(jù)采集及儀器控制抑制型電導(dǎo)檢測(cè)

抑制器電導(dǎo)池離子交換單元保護(hù)柱分析柱

IC系統(tǒng)流程圖2離子色譜技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展2.1離子色譜分離方法的選擇前文中我們提到了離子色譜法的三種分離機(jī)理，故在談及離子色譜技術(shù)的應(yīng)用時(shí)我們首先要選擇合適正確的分離方法。在色譜系統(tǒng)的所有要素中，固定相是關(guān)鍵。離子交換劑是離子色譜中應(yīng)用最廣泛的固定相。離子交換劑由三個(gè)重要元素組成：不溶性基質(zhì)，可以是有機(jī)的或無(wú)機(jī)的；固定的離子位點(diǎn)，可以附著在基質(zhì)上，也可以是基質(zhì)的組成部分；與這些固定位點(diǎn)相關(guān)聯(lián)的，與固定位點(diǎn)相反的等量電荷離子。所附基團(tuán)通常被稱為功能基團(tuán)，相關(guān)的離子稱為反離子。它們?cè)谡麄€(gè)離子交換中均可移動(dòng)，最重要的是，當(dāng)它們與含有類似電荷的溶液接觸時(shí)，它們能夠與其他類似電荷的溶液進(jìn)行交換。正是固定相決定了什么樣的分離機(jī)制是有效的。2.2離子色譜技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域離子色譜是檢測(cè)和分析陰陽(yáng)離子的重要手段，它已被廣泛應(yīng)用在能源、環(huán)境、電力、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、食品飲料、醫(yī)藥、檢驗(yàn)、化學(xué)、石油化工、科研等各個(gè)領(lǐng)域（表1）。比如：國(guó)標(biāo)GB/T14642-2009中提及工業(yè)循環(huán)冷卻水及鍋爐水中氟、氯、磷酸根、亞硝酸根、硝酸根和硫酸根的測(cè)定，使用了Dionex電解自動(dòng)再生微膜抑制器；國(guó)標(biāo)GBZ/T160.36-2004和GBZ/T160.37-2004中提到工業(yè)場(chǎng)所空氣中氯化物、氟化物的測(cè)定，使用了Dionex離子色譜柱IonPacAS14A，等等。表1離子色譜法應(yīng)用領(lǐng)域領(lǐng)域樣品應(yīng)用環(huán)境/污染大氣/雨水/河水/污水雨水中的離子城市用水自來(lái)水/水源自來(lái)水中的消毒副產(chǎn)物化學(xué)品設(shè)備提取物/聚合物環(huán)氧類粘合劑中的陰離子半導(dǎo)體/電子高純水/晶片沖洗水高純水中的離子型雜質(zhì)金屬/鋼材表面處理液、電鍍槽、冷卻水電鍍槽中的抗壞血酸農(nóng)業(yè)肥料/土壤/植物等土壤中離子醫(yī)學(xué)血液/尿尿液中草酸電力冷卻水鍋爐蒸汽中的雜質(zhì)食品/飲料酒/飲料飲料中的有機(jī)酸造紙/紙漿紙漿液、處理水紙張和液體中的離子2.3離子色譜聯(lián)用技術(shù)的發(fā)展在實(shí)際工作中，我們往往會(huì)遇到復(fù)雜樣品，當(dāng)對(duì)這些復(fù)雜樣品進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，為了一次進(jìn)樣得到更多的信息，可轉(zhuǎn)變思路，嘗試將多種檢測(cè)器串聯(lián)使用。在蔣園園的《離子色譜技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展》一文中就有提到離子色譜聯(lián)用技術(shù)，例如離子色譜-質(zhì)譜聯(lián)用（IC-MS）、離子色譜-電感耦合等離子質(zhì)譜聯(lián)用（IC-ICP/MS）等，其方法原來(lái)越成熟，檢測(cè)分離的效果也很不錯(cuò)[9]。3離子色譜儀的維護(hù)保養(yǎng)3.1色譜柱和抑制器維護(hù)色譜柱對(duì)樣品離子的分離起到重要作用，其價(jià)格昂貴，我們要注意維護(hù)保養(yǎng)好色譜柱，盡可能延長(zhǎng)使用時(shí)間[6]。在連接色譜柱之前，我們需檢查系統(tǒng)是否清洗干凈，避免堵塞色譜柱。復(fù)雜樣品需要經(jīng)過(guò)一系列的預(yù)處理，去除可能會(huì)干擾待測(cè)離子吸附或堵塞泵和色譜柱的雜質(zhì)[6][7]，延長(zhǎng)壽命的同時(shí)也可以提高檢測(cè)靈敏度。一般情況下，色譜柱不需要額外沖洗，保存在淋洗液中即可[8]。需長(zhǎng)時(shí)間保存時(shí)（30天以上），先按要求向柱內(nèi)泵入保存液，然后取下柱子，用無(wú)孔接頭將柱子兩端堵死，放在通風(fēng)干燥處保存。短時(shí)間不用，每周應(yīng)至少開(kāi)機(jī)一次，讓儀器運(yùn)行1-2個(gè)小時(shí)。如需清洗色譜柱應(yīng)注意在清洗前將柱子與系統(tǒng)分離，讓廢液直接排出。流速不宜過(guò)快，最好在1mL/min以下。每次清洗后，應(yīng)該用去離子水沖洗10分鐘以上，再用淋洗液平衡系統(tǒng)。抑制器在降低基線噪音的同時(shí)提高了分析物響應(yīng)，其工作性能的好壞對(duì)樣品的分析結(jié)果有很大的影響。在開(kāi)啟抑制電流前，一定要確保有流動(dòng)相流過(guò)抑制器，以防止抑制器過(guò)熱，損壞抑制器中的離子交換膜。對(duì)新的或長(zhǎng)時(shí)間未使用的抑制器，在使用前應(yīng)進(jìn)行手動(dòng)活化靜置30min后再安裝使用；每月活化一次封存的抑制器；任何情況下注意先關(guān)閉抑制器電源再關(guān)泵，否則會(huì)損傷抑制器離子交換膜；日常保存抑制器時(shí)，為了保護(hù)離子交換膜，可往抑制器中注入適量的酸性或堿性溶液，陰離子抑制器注入酸性溶液，陽(yáng)離子抑制器注入堿性溶液[6]。3.2儀器維護(hù)內(nèi)容3.2.1每日維護(hù)實(shí)際工作中，我們要養(yǎng)成建立和填寫儀器使用記錄的習(xí)慣，如實(shí)記錄儀器使用過(guò)程中的溫度、壓力、保留時(shí)間、電導(dǎo)等信息[8]。注意檢查比例閥、真空腔、淋洗液瓶有無(wú)泄漏，發(fā)現(xiàn)泄漏應(yīng)及時(shí)排除并擦干，特別是泄漏傳感器。補(bǔ)充淋洗液、倒空廢液、檢查清洗液瓶的液位是否符合要求、用去離子水沖洗淋洗液瓶。3.2.2定期維護(hù)注意更換或清洗淋洗液過(guò)濾頭，更換清洗液，檢查管路有無(wú)堵塞。建議每周定時(shí)開(kāi)機(jī)，每月更換淋洗液、再生液，每年可對(duì)儀器做一次預(yù)維護(hù)。3.3故障排除在離子色譜儀使用過(guò)程中難免會(huì)遇到一些故障，當(dāng)我們遇到的時(shí)候先從宏觀上判斷是機(jī)電問(wèn)題，還是化學(xué)問(wèn)題。機(jī)電問(wèn)題主要表現(xiàn)為“報(bào)警”，即文字提示、出現(xiàn)故障代碼等。如果遇到化學(xué)問(wèn)題，如基線噪音、保留時(shí)間重復(fù)性差、保留時(shí)間提前或拖后、不出峰、不出峰、響應(yīng)值低、背景值高、液體泄漏，壓力過(guò)高或者過(guò)低等等，我們只能用排除法來(lái)識(shí)別故障。以下稍列舉一些故障排除以供參考。3.3.1基線噪音①更換過(guò)濾頭或新鮮的淋洗液；②排除泵內(nèi)氣泡；③適當(dāng)增加反壓（反壓過(guò)高將造成檢測(cè)池或抑制器泄漏）；④消除流路泄漏；⑤改變抑制器的工作方式；⑥排除電導(dǎo)池中的氣泡--打開(kāi)出口接頭沖洗幾分鐘，排除安培池中的氣泡--用手指堵住出口管路幾秒鐘并重復(fù)幾次；⑦活化或更換參比電極；⑧清洗、拋光或更換工作電極[10]。3.3.2保留時(shí)間重復(fù)性差①管路泄漏；②更換淋洗液后沒(méi)有置換完全；③比例閥堵塞；④混合器失效。3.3.3保留時(shí)間提前或拖后①檢查淋洗液濃度；②調(diào)節(jié)泵的流速。3.3.4不出峰①EG沒(méi)有運(yùn)行；②安培池沒(méi)有工作。3.3.5峰拖尾①死體積大；②樣品濃度高，色譜柱過(guò)載。3.3.6響應(yīng)值低①增加定量環(huán)長(zhǎng)度或樣品濃度；②清洗或拋光工作電極。3.3.7背景值高①CR-TC被污染；②淋洗液濃度高；③檢查參比電極的pH讀數(shù)；④抑制器沒(méi)工作或電流設(shè)置不當(dāng)；⑤檢查施加電位和積分時(shí)間是否合適；⑥清潔工作電極。3.3.8液體泄漏①泵頭泄漏--更換柱塞密封圈和柱塞沖洗密封圈；②管路泄漏--確定泄漏位置后停泵，打開(kāi)接頭，重新用手?jǐn)Q緊或更換新接頭；③檢測(cè)池泄漏--減小反壓或更換檢測(cè)池；④抑制器泄漏--減小反壓或更換抑制器。3.3.9壓力過(guò)高①流速過(guò)高；②管路堵塞；③更換保護(hù)柱進(jìn)口處的墊片。3.3.10壓力過(guò)低①流路泄漏；②EG的脫氣盒漏液。4結(jié)語(yǔ)離子色譜自上世紀(jì)70年代中期引入以來(lái)，在各領(lǐng)域中已廣泛應(yīng)用，具有靈敏度高、檢測(cè)速度快、選擇性好等諸多優(yōu)點(diǎn)[11]。但在長(zhǎng)期使用儀器的過(guò)程中難免會(huì)發(fā)生一些故障，這就要求實(shí)驗(yàn)員既要會(huì)操作儀器，還要懂得儀器的結(jié)構(gòu)原理以及如何對(duì)故障進(jìn)行排除，以便儀器能夠正常使用。Reference[1]戴安中國(guó)有限公司市場(chǎng)部.戴安-世界離子色譜技術(shù)的先驅(qū)[J].現(xiàn)代儀器,2002,(23):52-53[2]賀欣.離子色譜儀的使用及常見(jiàn)故障排除[J