離子色譜技術(shù)及其應(yīng)用

　　離子色譜(IC)是在離子交換色譜基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一項(xiàng)新的液相色譜技術(shù)。早期的離子交換色譜使用的活動(dòng)相都是強(qiáng)電解質(zhì)，其背景電導(dǎo)高，被測(cè)離子洗脫到活動(dòng)相中所引起的電導(dǎo)變化很小，無法使用電導(dǎo)檢測(cè)器區(qū)別活動(dòng)相中的淋洗離子和待測(cè)離子，而紫外和可見分光光度檢測(cè)器只能檢測(cè)到少數(shù)離子性物質(zhì)[1-2]。1975年Small等[2]成功地解決了電導(dǎo)檢測(cè)器連續(xù)檢測(cè)柱流出物的困難，創(chuàng)立了用抑制柱除往大部分活動(dòng)相中的離子，降低活動(dòng)相背景，進(jìn)步電導(dǎo)檢測(cè)器靈敏度的離子交換色譜法，實(shí)現(xiàn)了無機(jī)和有機(jī)陰離子的快速分離和檢測(cè)，使IC作為一項(xiàng)色譜分離技術(shù)從液相色譜中獨(dú)立出來。1979年，F(xiàn)ritz等[3]提出，不使用抑制柱，只要選擇適當(dāng)?shù)姆蛛x柱和洗脫液，從分離柱流出的液體可直接進(jìn)進(jìn)改進(jìn)的電導(dǎo)檢測(cè)器。Small提出的使用抑制柱的IC通常稱為雙柱IC或抑制IC，把Fritz提出的不使用抑制柱的IC稱為單柱IC或無抑制IC[4]。
　　
　　一般而言，IC分析對(duì)象主要包括無機(jī)陰離子、無機(jī)陽離子(堿金屬、堿土金屬、過渡金屬和稀土金屬)、水溶性的小分子羧酸、有機(jī)膦酸、有機(jī)磺酸、小分子有機(jī)堿和離子化的有機(jī)金屬化合物。隨著研究的不斷深進(jìn)，目前IC技術(shù)已成為分析化學(xué)學(xué)科中發(fā)展最快的分析方法之一，已廣泛應(yīng)用于環(huán)境、食品、農(nóng)業(yè)、自來水產(chǎn)業(yè)、半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)、生物醫(yī)學(xué)等很多領(lǐng)域的研究。在環(huán)境分析中，IC不僅可以進(jìn)行定量和微量分析，還可以與富集技術(shù)結(jié)合進(jìn)行痕量分析，如大氣監(jiān)測(cè)、酸雨、水質(zhì)和土壤成分的分析等，美國環(huán)境保護(hù)局的EPA方法就有采用IC來丈量地表、地下、飲用水和廢水中的普通陰離子[5-9]。在食品產(chǎn)業(yè)中，IC對(duì)食品添加劑、致香劑以及食品中金屬元素、有機(jī)酸、植酸和糖類的分析已有多篇文獻(xiàn)報(bào)道[10-13]。在生物醫(yī)學(xué)上，IC多用于人體唾液、尿液和血液中陰陽離子的分析[14-17]，可作為臨床上判定一些疾病的輔助手段。隨著脈沖安培檢測(cè)技術(shù)的完善以及高效分離柱的使用，IC已應(yīng)用于生物化學(xué)中糖類、氨基酸、纖維素、抗生素、蛋白質(zhì)和多肽等大分子量化合物的分析[18-19]。
　　　　
　　與HPLC相比，IC的優(yōu)點(diǎn)有：①分析速度快。IC分析一個(gè)樣品一般只需10min，近年來，新型色譜柱的開發(fā)與應(yīng)用，使得常見陰離子的分析可在5min內(nèi)完成，并可實(shí)現(xiàn)同時(shí)定量；②靈敏度高。隨著信號(hào)處理和檢測(cè)器技術(shù)的進(jìn)步，不經(jīng)預(yù)濃縮處理的樣品分析檢測(cè)限可達(dá)到μg/L，經(jīng)過預(yù)濃縮處理的樣品，檢測(cè)下限可達(dá)到ng/L，分析氨基酸，采用脈沖安培檢測(cè)器也可達(dá)到ng/L的高靈敏度；③可同時(shí)分析多種組分。可在20min內(nèi)同時(shí)分析10個(gè)以上的離子；④實(shí)現(xiàn)元素的形態(tài)分析?？煞蛛x同種元素不同的離子形式。
　　　　
　　與一般的LC儀一樣，IC儀由輸液、進(jìn)樣、分離、檢測(cè)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)構(gòu)成，其關(guān)鍵部件是分離柱、抑制器和檢測(cè)器。
　　　　
　　因分離柱填料和固定相的不同，IC分離柱可分為：陽離子、陰離子、鰲合離子、氨基酸和蛋白質(zhì)柱等。分離機(jī)理主要是離子交換，基于離子交換樹脂上可離解的離子與淋洗液中具有相同電荷的溶質(zhì)離子之間進(jìn)行的可逆交換，不同的離子因與交換劑的親和力不同而被分離。與HPLC不同的是，IC選擇性的改變主要通過采用不同的固定相來實(shí)現(xiàn)的。按分離機(jī)理的不同，IC又可分為離子排斥、離子交換、動(dòng)相離子、靜電離子、螯合離子、低壓離子和陰陽離子的同時(shí)IC法[20]。
　　　　
　　抑制器的作用是降低活動(dòng)相背景的電導(dǎo)，同時(shí)增加被測(cè)物的電導(dǎo)，從而進(jìn)步電導(dǎo)檢測(cè)器的靈敏度。抑制器可分為5種類型[21]：填充柱、管狀纖維膜、平板微膜、電滲析和電解再生抑制器。較早的抑制器是填充型抑制柱，所用的樹脂是高交換容量的強(qiáng)酸型陽離子或強(qiáng)堿型的陰離子交換樹脂。使用時(shí)抑制柱填料的官能團(tuán)要與分離柱相反。如分析陽離子需選擇陰離子抑制柱，陽離子分離柱，活動(dòng)相中的酸被陰離子抑制柱消除，分離的陽離子轉(zhuǎn)換成高電導(dǎo)率的堿。填充型抑制柱的缺點(diǎn)是不能長時(shí)間連續(xù)工作，樹脂上的H 和OH－被消耗后，失往抑制能力，需要用酸或堿進(jìn)行再生[22]。管狀纖維膜抑制器通過管狀離子交換纖維膜工作，管內(nèi)淋洗液和管外再生液逆向活動(dòng)，抑制反應(yīng)在膜上進(jìn)行。優(yōu)點(diǎn)是不需要停機(jī)再生，可連續(xù)工作，缺點(diǎn)是抑制容量較低，機(jī)械強(qiáng)度較差，每使用半年左右需要更換離子交換膜[23]。平板微膜抑制器與管狀纖維膜抑制器的抑制方式相同，也可連續(xù)工作。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，死體積小，抑制容量較大，適應(yīng)于梯度淋洗，但仍需要化學(xué)試劑提供抑制反應(yīng)所需的H 和OH－，而且工作曲線的線性范圍也受到一定的影響[23]。電滲析抑制器受恒定的抑制電流的控制，具有抑制效果好，抑制容量大，基線漂移小等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是必須定期更換2個(gè)電極室的電解液。國產(chǎn)IC儀中曾普遍采用這種抑制器，現(xiàn)已逐步被電解再生抑制器取代[24]。電解再生抑制器通過電解水產(chǎn)生的H 和OH－來滿足抑制反應(yīng)的需要，不需要化學(xué)再生液，具有使用方便，平衡速度快，背景噪聲低等特點(diǎn)，是目前使用廣泛的抑制器[25-26]。美國Dionex公司在電化學(xué)抑制法平板微膜抑制器的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)制造出電解再生抑制器，這種抑制器可采用循環(huán)再生和外加水兩種方式。循環(huán)再生是指采用抑制后的淋洗液作為電解水的水源，外加水即采用外加水源。因循環(huán)再生模式方便，其應(yīng)用更為廣泛。外加水模式主要用于測(cè)定樣品濃度極低或淋洗液中存在有機(jī)溶劑的情況。陰離子電解再生抑制器的工作原理為：當(dāng)陰陽兩極接通恒定電源，水被電解產(chǎn)生H 和OH－，在電場(chǎng)作用下H 穿過陽離子交換膜，進(jìn)進(jìn)淋洗液如NaOH淋洗液中和掉OH－，淋洗液中的Na＋則穿過膜直接進(jìn)進(jìn)廢液，而陰離子在外加電場(chǎng)作用下不能通過陽離子交換膜，這樣就達(dá)到了降低本底電導(dǎo)率，進(jìn)步被測(cè)離子的電導(dǎo)率的目的[27]。陽離子電解再生抑制器的原理與其類似，所不同的是采用陰離子交換膜。
　　　　
　　IC檢測(cè)器[21]分為:電化學(xué)檢測(cè)器和光學(xué)檢測(cè)器。前者包括電導(dǎo)檢測(cè)器和安培檢測(cè)器，電導(dǎo)檢測(cè)器是非選擇性檢測(cè)器，可分為抑制型(雙柱法)和非抑制型(單柱法)檢測(cè)器。抑制型電導(dǎo)檢測(cè)器的使用廣泛，其靈敏度和線性范圍都優(yōu)于非抑制型。非抑制型電導(dǎo)檢測(cè)器的結(jié)構(gòu)比較簡單，但靈敏度較低，對(duì)活動(dòng)相的要求比較苛刻[2-3]。安培檢測(cè)器包括直流、脈沖和積分3種形式，常用于分析解離度較低，電導(dǎo)檢測(cè)器難以檢測(cè)，同時(shí)又能發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)。直流式的靈敏度較高，可測(cè)定μg/L級(jí)的電化學(xué)活性成分，如砷化物和氰化物等[28-29]。脈沖式的靈敏度和選擇性都較理想，可測(cè)定很多直流式不能測(cè)定的使電極中毒的化合物，如糖類、醇類、醛類和胺等[30]。積分式是一種新形式的脈沖檢測(cè)器，是測(cè)定氨基酸的理想檢測(cè)器[31]。光學(xué)檢測(cè)器包括紫外/可見和熒光檢測(cè)器，紫外/可見檢測(cè)器與普通液相色譜使用的沒有明顯區(qū)別，主要用于過渡金屬、重金屬和稀有元素的測(cè)定。熒光檢測(cè)器主要用于衍生化氨基酸的測(cè)定，其靈敏度要比紫外/可見檢測(cè)器高2～3個(gè)數(shù)目級(jí)，但在IC上應(yīng)用較少[32]。
　　
　　與其它分析儀器聯(lián)用，可以解決IC的定性和更高靈敏度的檢測(cè)。目前IC與質(zhì)譜、原子吸收、原子發(fā)射光譜、電感耦合等離子體－原子發(fā)射光譜聯(lián)用等技術(shù)已用于生物、食品、環(huán)境等樣品的定性和元素形態(tài)分析[33-35]。