最全的离子色谱使用手册

 

离子色谱是实验室常用设备之一，实验人员对设备原理及维护进行全面掌握，使用及操作过程中注意仪器的维护和保养，才能熟练掌握离子色谱分析技术，满足不同行业的应用需求。现以离子色谱仪为例，介绍并分析设备使用操作的注意事项及技巧。

离子色谱 (Ion Chromatography)是高效液相色谱（HPLC）的一种，是分析阴离子和阳离子的一种液相色谱方法。离子色谱法的定义是：利用被测物质的离子性进行分离和检测的液相色谱法。

 

离子色谱法在上世纪70年代逐步发展起来的一种微量离子分析技术，在分析测定阴、阳离子、离子型化合物方面具有灵敏、快速、准确度高、选择多样等优点，获得很多研究人员及技术人员的青睐，随后离子色谱仪被广泛应用于环境监测、石油化工、农药、食品生产等行业。

 

由于样品组成及其浓度复杂，样品物理形态多变，对离子色谱仪的正常分析测定造成影响，为此，在使用仪器前，应安排专门人员进行必要的培训，对设备原理及维护进行全面掌握，使用及操作过程中注意仪器的维护和保养，才能熟练掌握离子色谱分析技术，满足不同行业的应用需求。现以离子色谱仪为例，介绍并分析设备使用操作的注意事项及技巧。

 

 

离子色谱仪原理

 

离子色谱法是以低交换容量的离子交换树脂为固定相对离子性物质进行分离, 用电导检测器连续检测流出物电导变化。

 

离子色谱类型

 

离子色谱可以分为三种类型：离子交换色谱、离子排斥色谱、离子对色谱。

 

1、离子交换色谱

 

高效离子交换色谱，应用离子交换的原理，采用低交换容量的离子交换树脂来分离离子，这在离子色谱中应用最广泛，其主要填料类型为有机离子交换树脂，以苯乙烯二乙烯苯共聚体为骨架，在苯环上引入磺酸基，形成强酸型阳离子交换树脂，引入叔胺基而成季胺型强碱性阴离子交换树脂，此交换树脂具有大孔或薄壳型或多孔表面层型的物理结构，以便于快速达到交换平衡，离子交换树脂耐酸碱可在任何pH范围内使用，易再生处理、使用寿命长，缺点是机械强度差、易溶易胀、受有机物污染。

 

硅质键合离子交换剂以硅胶为载体，将有离子交换基的有机硅烷与基表面的硅醇基反应，形成化学键合型离子交换剂，其特点是柱效高、交换平衡快、机械强度高，缺点是不耐酸碱、只宜在pH2-8范围内使用。

2、离子排斥色谱

 

它主要根据Donnon膜排斥效应，电离组分受排斥不被保留，而弱酸则有一定保留的原理，制成离子排斥色谱主要用于分离有机酸以及无机含氧酸根，如硼酸根碳酸根和硫酸根有机酸等。它主要采用高交换容量的磺化H型阳离子交换树脂为填料以稀盐酸为淋洗液。

3、离子对色谱

 

离子对色谱的固定相为疏水型的中性填料，可用苯乙烯二乙烯苯树脂或十八烷基硅胶(ODS)，也有用C8硅胶或CN，固定相流动相由含有所谓对离子试剂和含适量有机溶剂的水溶液组成，对离子是指其电荷与待测离子相反，并能与之生成疏水性离子，对化合物的表面活性剂离子，用于阴离子分离的对离子是烷基胺类如氢氧化四丁基铵氢氧化十六烷基三甲烷等，用于阳离子分离的对离子是烷基磺酸类，如己烷磺酸钠，庚烷磺酸钠等对离子的非极性端亲脂极性端亲水，其CH2键越长则离子对化合物在固定相的保留越强，在极性流动相中，往往加入一些有机溶剂，以加快淋洗速度，此法主要用于疏水性阴离子以及金属络合物的分离，至于其分离机理则有3种不同的假说，反相离子对分配离子交换以及离子相互作用。

 

离子色谱基本构成

 

离子色谱仪主要包括由淋洗液系统、检测系统、色谱泵系统、进样系统、流路系统、分离系统、化学抑制系统、和数据处理系统等组成。

 

 

1、淋洗液系统

 

离子色谱仪常用的分析模式为离子交换电导检测模式，主要用于阴离子和阳离子的分析。

 

常用阴离子分析淋洗液有OH根体系和碳酸盐体系等，常用阳离子分析淋洗液有甲烷磺酸体系和草酸体系等。

 

淋洗液的一致性是保证分析重现性的基本条件。为保证同一次分析过程中淋洗液的一致性，在淋洗液系统中加装淋洗液保护装置，可以将进入淋洗液瓶的空气中的有害部分吸附和过滤，如CO2和H2O等。

 

2、检测系统

离子色谱最基本和常用的检测器是电导检测器，其次是安培检测器。

（1）电导检测器：

电导检测器是基于极限摩尔电导率应用的检测器，主要用于检测无机阴阳离子、有机酸和有机胺等。

 

双极脉冲检测器：

在流路上设置两个电极，通过施加脉冲电压，在合适的时间读取电流，进行放大和显示。

容易受到电极极化和双电层的影响。

 

四极电导检测器：

在流路上设置四个电极，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，具有电子抑制功能（阳离子检测支持直接电导检测模式）。

 

五极电导检测器：

在四极电导检测模式中加一个接地屏蔽电极，极大提高了测量稳定性，在高背景电导下仍能获得极低的噪声，具有电子抑制功能（阳离子检测支持直接电导检测模式）。

 

（2）安培检测器：

安培检测器是基于测量电解电流大小为基础的检测器，主要用于检测具有氧化还原特性的物质。

 

直流安培检测模式：

主要用于抗坏血酸、溴、碘、氰、酚、硫化物、亚硫酸盐、儿茶酚胺、芳香族硝基化合物、芳香胺、尿酸和对二苯酚等物质的检测。

 

脉冲安培检测模式：

主要用于醇类、醛类、糖类、胺类（一二三元胺，包括氨基酸）、有机硫、硫醇、硫醚和硫脲等物质的检测。不可检测硫的氧化物。

 

积分脉冲安培检测模式：

为脉冲安培检测的升级检测模式，适用于检测脉冲安培检测的物质。　

　

3、离子色谱仪色谱泵系统

（1）材质：

离子色谱的淋洗液为酸、碱溶液，与金属接触会对其产生化学腐蚀。如果选择不锈钢泵头，腐蚀会导致色谱泵漏液、流量稳定性差和色谱柱寿命缩短等。离子色谱泵头应选择全PEEK材质（色谱柱正常使用压力一般小于20MPa）。

 

（2）类型：

单柱塞泵

双柱塞泵：

1）串联双柱塞泵

2）并联双柱塞泵

3）压力脉动消除方式：电子脉动抑制，脉冲阻尼器。　　

 

4、离子色谱仪流路系统

采用色谱专用管路、接头及其它连接部件，保证全塑无污染溶出，保证材料的可靠性和使用寿命。

材料有PEEK管（高压区）、PTFE管、硅胶管（气路或废液用）、各种接头和连接配件。　

　

5、分离系统

分离系统是离子色谱的重要部件，也是主要耗材。

（1）预柱：

又称在线过滤器，PEEK材质，主要作用是保证去除颗粒杂质。

（2）保护柱：

保护柱与分析柱填料相同，消除样品中可能损坏分析住填料的杂质。如果不一致，会导致死体积增大、峰扩散和分离度差等。

（3）分析柱：

有效分离样品组分。

　　

5、化学抑制系统

抑制系统是离子色谱的核心部件之一，主要作用是降低背景电导和提高检测灵敏度。抑制器的好坏关系到离子色谱的基线稳定性、重现性和灵敏度等关键指标。

（1）柱－胶抑制：

采用固定短柱或现场填充抑制胶进行抑制，不同的抑制柱交替使用，属于间歇式抑制。

（2）离子交换膜抑制：

采用离子交换膜，利用离子浓度渗透的原理进行抑制。

需要配制硫酸再生液，系统需要配置氮气或动力装置。

（3）电解自再生膜抑制：

利用电解水产生媒介离子和离子配合离子交换膜进行抑制（zui佳选择）。　

　

6、离子色谱仪进样系统

进样系统是将常压状态的样品切换到高压状态下的部件。保证每次工作状态的重现性是提高分析重现性的重要途径。

（1）进样阀：

材质：

与色谱泵类似，选择全PEEK材质的进样阀才能保证仪器的寿命和分析结果的准确性。

 类型：

　　1）手动进样阀：进样一致性靠人，系统集成性差。

　　2）电动进样阀：进样一致性较好，系统集成性高。

　　2.自动进样器：

进样一致性最好，系统集成性最好。　　

 

7、数据处理系统

 完成数据处理，联通仪器。

 

离子色谱仪的工作流程

 

高压输液泵将流动相以稳定的流速(或压力)输送至分析体系，在色谱柱之前通过进样器将样品导入，流动相将样品带入色谱柱，在色谱柱中各组分被分离，并依次随流动相流至检测器。抑制型离子色谱则在电导检测器之前增加一个抑制系统，即用另一个高压输液泵将再生液输送到抑制器。在抑制器中，流动相背景电导被降低，然后将流动出物导入电导池，检测到的信号送至数据处理系统记录、处理或保存。非抑制型离子色谱仪不用抑制器和输送再生液的高压泵，因此仪器结构相对比较简单，价格也相对比较便宜。

 

离子色谱仪使用注意事项 

 

1、 流动相瓶中滤头要注意始终处于液面以下，防止将溶液吸干。

 

2、 启动泵前观察从流动相瓶到泵之间的管路中是否有气泡，如果有则应将其排除。

排除方法如下：先将与泵相连的塑料流路接头拧下来，用洗耳球吸满去离子水，从与泵段相连的流路管中注入，将流路管中的气泡排除干净。然后再将流动相瓶（一般为去离子水瓶）抬高，再将流路接头与泵连接好。启动泵，打开泵内排气阀选钮，将泵内气泡排除干净，一般观察为流出液比较均匀，再将泵排气阀拧紧。（注意：此项操作时，整个流路是与色谱柱断开的）

 

3、 用去离子水或流动相清洗整个流路时，可以采用大流量清洗（一般可将流量设置为2.0ml/min，但不能再太大）以缩短清洗时间，但在通流动相接色谱柱时需要将流量调整为色谱柱使用流量条件。

 

操作如下：先将泵停止，再按动正号或负号，将光标调整至流量位置，按下确认键，再通过调节正负号将流量调节至色谱柱使用条件后，再按确认键。此时需要等待5s后再启动泵开关。

 

接色谱柱时注意先将接头在色谱柱前端抵上2-5s，将色谱柱前端气泡排除后再将接头拧紧。待色谱柱下端流出溶液后，在将色谱柱下端接头拧上。（注意：接头不能拧的太紧，防止将管路卡的太紧而造成系统压力增大，拧的程度以不漏液为宜）

 

4、 使用阴离子色谱柱检测，通流动相时注意将电流旋钮打开，调节至70±5mA，实验完毕，在关闭高压泵以前将电流关闭。

 

5、 进样时阀的扳动要注意，不能太快，以免损伤阀体； 也不能太慢，以免造成样品流失。在进样过程中，要严格按清洗程序操作，以减小前次样品残留对本次检测的影响。

 

 

离子色谱仪的维护

 

1、对泵的维护

（1）每次仪器使用前，通水20min，用于清洗泵和整个流路。

（2）每次实验完毕，通水20min，将泵中残留的流动相清洗干净。（注意：此步非常重要，直接关系到泵的正常使用）

（3）仪器长时间不用，一周得通去离子水一次。用于替换泵中已经滋生了少量微生物的去离子水。去离子水如果长期放置，会促使少量微生物的繁殖，微生物容易粘附在泵内的单向阀上。

 

2、对色谱柱的维护

（1）进入色谱柱的样品，均需要对其进行前处理。样品中固体悬浮物、有机物和重金属是影响色谱柱柱效的三大因素。

固体悬浮物的消除：使用0.45或0.22微米孔径的微孔滤膜将样品过滤即可。

有机物： 固态样品，其各检测组份对高温仍比较稳定的，可以采用高温灰化-淋洗液或去离子水浸取法将有机，直接IC检测。

液态样品，可以采用22%双氧水微波消解1.5h除去有机物后调节PH至中性，直接IC进样检测。（注意溶液浓度之间的换算）

重金属：可以将样品流经阳离子交换树脂除去重金属后直接IC进样。

（2）组份高含量样品影响色谱柱柱效。

高Cl-样品的处理：将样品通过Ag处理柱将Cl-除去后进样或稀释后进样分析。

高SO42-样品的处理：将样品通过Ba处理柱将SO42-除去后进样或稀释后进样分析。

（3）实验操作完毕，色谱柱用淋洗液密封保存。

 

3、对抑制器的维护

通阴离子淋洗液时将电流旋钮打开，阴离子检测完成关闭泵以前将电流旋钮关闭。

 

 

离子色谱仪常见问题及解决办法

 

1、电导检测器常见故障

电导检测器常见故障是检测池被污染。

故障原因：污染物主要来源于没有经过适当前处理的样品，如浓度过高、复杂的样品基体等。

 

2、分析泵常见故障

故障现象：基线的噪声加大,色谱峰形变差(出现乱峰)。

解决办法：分析泵常见故障是泵内产生气泡和漏液。

 

3、抑制器使用中的常见故障与排除

抑制器在离子色谱仪中具有举足轻重的作用。抑制器工作性能的好坏对分析结果有很大的影响。抑制器最常见的故障是漏液，使峰面积减小（灵敏度下降）和背景电导升高。

 

（1）峰面积减小

造成峰面积减小的主要原因有：微膜脱水、抑制器漏液、溶液流路不畅和微膜被玷污。抑制器长期不用，会发生微膜脱水现象，为激活抑制器，可用注射器向阴离子抑制器内以淋洗液流路相反的方向注入少许0.2mol/L的硫酸溶液。同时向再生液进口注入少许纯净水，并将抑制器放置半小时以上。抑制器内玷污的金属离子可以用草酸钠清洗。

 

（2）背景电导值高

在化学抑制型电导检测分析过程中，若背景电导高，说明抑制器部分存在一定的问题。大多数是操作不当引起的。例如淋洗液或再生液流路堵塞，系统中无溶液流动造成背景电导偏高或使用的电抑制器电流设置的太小等。膜被污染后交换容量下降亦会使背景电导升高。而失效的抑制器在使用时会出现背景电导持续升高的现象，此时应更换一支新的抑制器。

 

（3）漏液

抑制器漏液的主要原因是抑制器内的微膜没有充分水化。

因此，长时间未使用的抑制器在使用前应让微膜水溶胀后再使用。另外要保证再生液出口顺畅，因此反压较大时也会造成抑制器漏液。另外抑制器保管不当造成抑制器内的微膜收缩、破裂也会发生漏液现象。

 

4、由流动相到泵之间的管路中有气泡，怎么排除？

排除方法如下：先将与泵相连的塑料流路接头拧下来，用洗耳球吸满去离子水，从与泵段相连的流路管中注入，将流路管中的气泡排除干净。然后再将流动相瓶（一般为去离子水瓶）抬高，再将流路接头与泵连接好。启动泵，打开泵内排气阀选钮，将泵内气泡排除干净，一般观察为流出液比较均匀，再将泵排气阀拧紧。（注意：此项操作时，整个流路是与色谱柱断开的）

 

2、泵单向阀堵塞会有哪些现象？怎么操作？

在如果泵单向阀上粘上了微生物造成堵塞会造成泵吸液不上，最明显的现象是，在废液管没有流液或启动泵时没有液体流出或溶液流出速度很慢。

单向阀如果堵塞了，我们需要对其进行清洗，清洗方法如下：

先将流路接头和接头1全部拧下，再将左侧接头2拧下，用镊子将两单向阀取出（在取单向阀时注意它是有方向的，在单向阀中有一个小圈圈，离小圈圈近的一端为液体的入口），放入50ml烧杯中，加入无水乙醇盖过两个单向阀，放入超声波清洗30min，然后按照1：1的比例加入10％的HNO3（用无水乙醇稀释），清洗5min后，用去离子水将单向阀冲洗干净，将单向阀重新安装到泵中。（注意：接头不要拧的太紧，以免造成螺丝纹受损）

 

总结

离子色谱仪作为精密仪器，在快速和微量分析方面具有极强的有优势，因此广泛应用于环境监测、化学工业、食品卫生等诸多领域。在使用离子色谱仪及维护保养设备过程中应严格按照仪器说明书的要求，正确操作，注意加强定期维护和保养，建立完善的维修日志，及时总结维修经验，才能获得理想的分析结果，减少故障率，延长设备使用寿命。