離子色譜檢測的類型
離子色譜的檢測手段主要有電導檢測、電化學(安培)檢測和光度檢測。電導檢測主要用于在水溶液中化合物的酸式離解常數(shù)(pKa)或堿式離解常數(shù)(pKb)小于7的離子的檢測，有時也可用于間接法檢測；安培檢測有直流、脈沖和掃描3種操作方式，用于能發(fā)生電化學反應的化合物分析，即在某一特定的外加電壓下能產(chǎn)生氧化或還原反應的化合物的測定。光學檢測的工作原理及性能與HPLC完全相同，在離子色譜中主要用于通過柱后衍生反應生成在可見光區(qū)有較強吸收的離子的測定，如過渡金屬、鑭系元素以及磷、硅等。
離子色譜的檢測器是用于連續(xù)監(jiān)測樣品被色譜系統(tǒng)分離后的柱流出物的組成和含量變化的裝置。其作用是將柱流出物中樣品組成和含量的變化轉(zhuǎn)化為可供檢測的信號，以完成定性定量的任務。因此，檢測器是一種信號接收和能量轉(zhuǎn)換裝置。
對于離子色譜檢測器要滿足以下幾個方面的要求：
(1)靈敏度高，可以檢測出μg／mL以下溶質(zhì)的含量；
(2)線性范圍寬，在樣品含量有幾個數(shù)量級變化時，也能落在檢測器的線性動態(tài)范圍之內(nèi)，以便準確、方便地進行定量測定；
(3)響應快，以便能快速、精確地將流出物轉(zhuǎn)換成能記錄下來的電信號；
(4)穩(wěn)定性好，對流量、溫度的變化不敏感；
(5)可靠性高，操作簡單，維修方便；
(6)噪聲低，漂移小，對沖洗劑組分的變化不敏感，從而在進行梯度淋洗時也能測定；
(7)〖JP2〗不會引起很大的柱外譜帶擴張效應，以保持高的分離效能。
檢測器按照用途分類，可分為通用型和選擇型兩類。通用型的檢測器如直接電導檢測器，它能連續(xù)地測定柱后流出物某些物理參數(shù)如電導值的變化，這是任何淋洗液都存在的物理量，因此具有廣泛的適應性。但因其靈敏度低，且對流動相也有響應，因此容易受流動相的組成、流速、溫度等的影響，引起較大的噪聲和波動，它不能使用梯度淋洗，限制了使用范圍。選擇型檢測器有光度檢測器、安培檢測器，它們對檢測物質(zhì)的響應有特異性，而對流動相則沒有響應或響應很小，因此靈敏度很高，受操作條件變化和外界環(huán)境影響很小，可用作梯度淋洗。
離子色譜檢測器除了上述常用的檢測器外，已經(jīng)開發(fā)了離子色譜與原子吸收、電感耦合等離子體光譜、質(zhì)譜等聯(lián)用技術，并取得了很大的進展。
檢測器的性能指標如下：
一、噪聲和漂移
噪聲和漂移是檢測器穩(wěn)定性的主要表現(xiàn)。噪聲是指與被測物無關的檢測器輸出信號的隨機擾動變化，分短期噪聲和長期噪聲兩種。 鹽度計| 酸堿度計| 電導計| 水分測定儀| 濁度計| 色度計| 粘度計| 折射計| 滴定儀| 密度計| 熱流計| 濃度計| 折射儀| 采樣儀|
噪聲和漂移:短期噪聲使基線呈"絨毛狀"，因信號頻率的波動而引起，由有關電子部件的質(zhì)量和泵的脈動等產(chǎn)生。長期噪聲反映輸出信號隨機和低頻的變動情況，是不規(guī)則的變化，大部分情況是由于檢測器本身不穩(wěn)定或溶劑不純、溫度和流速等的波動所引起的。只有通過改進結(jié)構(gòu)和設計，更換部件，控制周圍環(huán)境等來加以消除。
噪聲通常在最高靈敏度下，用記錄器滿量程的百分比來表示，也可用檢測器自身的物理量來表示。
基線隨時間的增加而產(chǎn)生的偏離稱為漂移，如圖4.1(c)所示。它反映的是信號的連續(xù)遞增與遞減，可用一定時間范圍內(nèi)(如1h)信號的變化作為漂移大小的量度。它是由于電源電壓不穩(wěn)、色譜系統(tǒng)沒有達到平衡、固定相的流失、沖洗劑的變化、溫度和流量等的波動而引起的，要根據(jù)不同情況采取相應措施予以消除。
二、靈敏度
靈敏度是檢測器最主要的性能指標。它表示一定量的樣品物質(zhì)通過檢測器時所給出信號的大小。假如所得的分離譜圖是以高斯型分布，對于微分型檢測器，此時進入檢測器的樣品量是隨時間或淋洗液體積而變化的，當以淋洗液體積為計算單位，通過檢測器的樣品量等于它在淋洗液中的濃度c(g／mL)在全部淋洗液體積下的積分值。
三、敏感度
檢測器靈敏度的高低，并不等于它檢測最小樣品量或最低樣品濃度能力的高低。因為在定義檢測器靈敏度S值時，并沒有考慮噪聲的大小，而敏感度與噪聲的大小是直接有關的，通常以2倍的基線濃度(或噪聲)Ib作為可檢測出的最小測定信號。
其物理意義為每毫升淋洗液中含有樣品的量進入檢測器時產(chǎn)生的信號，恰好等于噪聲的2倍。對于濃度型檢測器，其單位為g／mL(或mg／mL)；對于質(zhì)量型檢測器，其單位為g／s(或mg／s)。
值得注意的是:敏感度除與檢測器的噪聲和靈敏度有關外，還與色譜分離條件及各種柱外因素引起的峰的展寬有關。通常是把一個已知量的標準溶液直接注入到檢測器中來測定其敏感度的大小
四、譜峰的擴張
近年來由于離子微型柱的出現(xiàn)和發(fā)展，加之色譜柱的柱效不斷改進和提高，在檢測器中所造成的色譜峰的擴展變得越來越大。除制備色譜外，大多數(shù)離子色譜的池體積都小于10μL。在使用細徑離子色譜柱時，池體積應減少到1～2μL，甚至更低，不然檢測系統(tǒng)所帶來的峰擴張問題就會變得很嚴重。因此這時池體、檢測器與色譜柱的連接、接頭等都要精心設計，不然就會嚴重影響柱效能和靈敏度。
上述6項性能指標是影響離子色譜檢測器質(zhì)量的主要因素，使用者在選擇檢測器時需要把它們綜合起來考慮。此外，檢測器對周圍環(huán)境的適應性、操作維修的簡易性、使用時的耐用可靠性及成本價格的合理性等都是必須考慮的因素。
4.1直接電導檢測
當電場施加于兩電極時，溶液中陰離子趨向陽極，陽離子趨向陰極。溶液中離子數(shù)目和遷移速度的大小決定溶液的電導值，離子的相對遷移率由其極限摩爾電導值決定。離子在電場作用下的運動速度，除受離子電荷和離子大小等因素影響外，還與溫度、介質(zhì)的性質(zhì)及施加電壓的大小有關。兩極間可以施加直流電壓，但通常是施加正弦波或方波型交流電壓。當施加的有效電壓確定后，測量出電路的電流值，即能測出電導值。然而，由于電極表面附近形成的雙電層極化電容(或稱法拉第交流阻抗)的影響，會引起有效電壓的改變，因而電路施加于兩極的電壓不等于有效電壓。雙電層形成機理的解釋如下：當電極兩端的電壓低于離子的分解電壓時，電極附近的溶液層將吸引反電荷的離子形成一雙電層，此雙電層由兩部分組成：
(1)內(nèi)壁薄層，在此層內(nèi)離子濃度隨電極距離的增加而減少，呈線性關系。
(2)擴散層，在此層內(nèi)離子濃度隨電極距離的增加而減少，呈指數(shù)關系。雙電層的存在，亦會產(chǎn)生電壓降，實際上施加電壓為有效電壓(由溶液電阻產(chǎn)生的電壓降)和雙電層電壓降的總和。如果施加電壓大于分解電壓，則將發(fā)生電解，電流通過時陽極表面發(fā)生氧化反應，陰極表面發(fā)生還原反應。這種過程產(chǎn)生的法拉第交流阻抗也會延遲電子的轉(zhuǎn)移過程，在電極的表面將發(fā)生離子的增加或部分離子的消耗，同樣亦改變了有效電壓。為了精確地測量溶液電導的真實值，在電導檢測器設計中采用多種體系。
五、電極間施加交流電壓及采用有關的測量技術
改變電流方向，將使離子運動轉(zhuǎn)到各相反方向，倒轉(zhuǎn)電解方式和改變雙電層結(jié)構(gòu)。當然，各種過程變化的延遲時間是不同的。隨著頻率的增高，電解過程造成的影響可以減少，以至消除，電流易通過雙電層。頻率增高的極限值為1MHz。因為高于極限值后，離子不再發(fā)生遷移運動，僅發(fā)生偶極矩共振。在100kHz交流電壓下，電解和雙電層電容的影響已不明顯。在一些電導儀的電路中，可配置一個與雙電層電容相匹配的補償電容，構(gòu)成一橋路以消除法拉第雙電層電容的影響。另一種設計是采用瞬間電流測量法，瞬間電流是指交流電位施加于電極時，在脈沖的初期雙電層還未形成時測得的電流。采用頻率為102～105Hz的正弦交流電，在測量電路中，用了同步采樣測量技術，即僅測出與施加頻率相同的瞬間電流。
六、雙脈沖電導測量技術
其特點是:在極短的時間間隔(100μs)，向電極輸入兩個電壓脈沖。這兩個脈沖的周期相同,輻度相等，唯電壓相反。電路設計中，只采樣測量第二脈沖終點時的電流，在此點電導電流服從歐姆定律，不受雙電層電容的影響，也不會發(fā)生電解，故可準確測量出電導值。它采用8085芯片作為中心處理器(CPU)，通過處理機輸入輸出部件(PIO)對其他單元進行控制，由CPU時鐘分頻觸發(fā)后產(chǎn)生雙極脈沖，經(jīng)整形后送至電導池；電導池返回的信號在第二個脈沖的后沿被采樣保持，轉(zhuǎn)換為一個直流信號，此信號與溫度測定信號交替送入電壓頻率變換器，數(shù)字信號送至CPU。在進行補償時，CPU將這個信號處理后，通過D／A(補償)轉(zhuǎn)換器，送回放大電路，對原信號進行補償，直至比較輸出為"OK"狀態(tài)。信號輸出也是通過V／F變頻電路送至CPU，CPU對其處理后通過D／A(輸出)變頻電路經(jīng)驅(qū)動器輸出至數(shù)據(jù)處理器.
七、四電極或五電極電導儀測量技術
用四電極或五電極電導測量技術，能有效地消除雙電層電容和電解效應的影響。圖4.5為五電極電導檢測器的結(jié)構(gòu)示意圖及等效電路。
4.2抑制電導檢測
抑制電導檢測法所用的電導檢測器與單柱型離子色譜電導檢測器相似，但抑制電導通過了抑制器，使背景電導大大降低。因此它采用的電導檢測器相對要求比較低，一般不采用五電極電導檢測器，也可以不加溫度保護，而抑制電導檢測的基礎是抑制器反應，它是構(gòu)成離子色譜的高靈敏度和選擇性的重要因素。因此我們在這里主要介紹抑制反應和抑制器。
一、抑制反應
采用淋洗液的抑制和電導檢測器的離子交換色譜，即抑制型離子色譜，它是一種利用改變樣品離子對固定相的相反電荷離子的親合力的分離技術，所用淋洗液必須是離子型的水溶液。H. Small創(chuàng)始離子色譜的時候，有幾種檢測方式可用，其中電導檢測器是最吸引人的，因為它對水溶液中的離子具有通用性。然而，正因為它的通用性，作為離子色譜的檢測器，它本身就帶來一個問題，即對淋洗液有很高的檢測信號，這就使得它難以識別淋洗時樣品離子所產(chǎn)生的信號。H. Small等人提出了一個簡單而巧妙的解決方法，他們選用弱酸的堿金屬鹽為分離陰離子的淋洗液。當分離陰離子時，使淋洗液通過置于分離柱和檢測器之間的一個氫(H+)型強酸性陽離子交換樹脂填充柱；分析陽離子時，則通羥基(OH-)型強酸性陰離子交換樹脂柱子。這樣，陰離子淋洗液中的弱酸鹽被質(zhì)子化生成弱酸，陽離子淋洗液中的強酸被中和生成水，從而使淋洗液本身的電導大大降低。這種柱子稱為抑制柱。
在陰離子分離中，最簡單的淋洗液是NaOH。淋洗離子OH-從分離柱的陰離子交換位置,置換待測陰離子，當待測陰離子從柱中被洗脫下來進入電導池時，要求能檢測出洗脫液中電導的改變。但淋洗液中OH-離子的濃度必須較樣品陰離子的濃度大得多才能保持分離柱的線性工作范圍。因此，與淋洗液的電導值相比，由于樣品離子進入淋洗液中所引起的電導的改變就非常小，其結(jié)果是用電導檢測器
從抑制柱流出的洗脫液中，淋洗液(NaOH)已被轉(zhuǎn)變成電離很小的水，因此其電導值也很��；而樣品陰離子則變成其相對應的酸。抑制柱反應是一種新型的柱后反應，它同時起了兩個非常重要的作用：第一，轉(zhuǎn)變樣品陰離子為相對應的酸，而由于H+離子的極限摩爾電導是其他陽離子的7倍，大大提高了所測陰離子的檢測靈敏度。第二，將淋洗液離子轉(zhuǎn)變?yōu)楹苋醯乃峄蛩蛊錂z測靈敏度大大降低。以上兩種作用同時改善了信噪比，使陰離子檢測得到較高的靈敏度。
在陽離子分離中，也用相似的柱后化學反應，一般用無機酸為淋洗液。淋洗液進入陽離子交換柱之后，進入填充OH-型高容量陰離子交換樹脂的抑制柱，抑制柱反應將酸(即淋洗液)轉(zhuǎn)變成中性的水，與此同時，將樣品陽離子(C+)轉(zhuǎn)變成其相應的堿：
抑制反應的結(jié)果不僅降低了淋洗液的檢測靈敏度，而且由于OH-離子的離子極限摩爾電導為一般離子的3倍，因而提高了所測陽離子的檢測靈敏度。
使用抑制器可以顯著改善強酸／堿離子的信噪比，但是對弱酸／堿而言，抑制器的中性pH值流動相會降低其離子化程度，因此檢測靈敏度提高不多，但是由于背景電導的下降，信噪比仍然高于非抑制型電導檢測。抑制電導有如下優(yōu)點：
(1)低檢測限。
(2)分析樣品的濃度下降(檢測稀釋樣品，可以延長柱子壽命)。
(3)線性范圍加大。
(4)使用高濃度流動相，可以進行更寬范圍的淋洗液控制，并允許增加樣品濃度或進樣體積。
二、抑制器種類
1.填充抑制柱
離子色譜中所用的第一代抑制柱是樹脂填充抑制柱。所用樹脂為中到高交聯(lián)度的常規(guī)強酸型陽離子和強堿型陰離子交換樹脂。在抑制過程中，陰離子抑制柱樹脂逐漸從H+型變成Na+型，陽離子抑制柱樹脂逐漸從OH-型變成Cl-(或NO-3)型。由于抑制柱積累了來自淋洗液中的Na+離子或Cl-離子會逐漸失去抑制能力，需要定期分別用酸或堿進行再生，使其恢復到原來的抑制能力。
填充抑制柱的一個主要問題是再生前的使用時間。用高容量離子交換樹脂填充的抑制柱具有較長的使用壽命。
填充抑制柱的另一個主要問題是弱酸陰離子和弱堿陽離子在陰、陽離子抑制柱中的行為。例如，在陰離子抑制柱中，當樣品離子Cl-進入H+型抑制柱與抑制柱中H+型樹脂接觸時即轉(zhuǎn)變成HCl。一般情況下HCl是完全離解的，Cl-會相繼通過抑制柱的其余部分，但這只限于抑制柱中樹脂顆粒之間的間隙體積。抑制柱樹脂具有高的電荷密度，其離子交換位置的負電荷與Cl-離子相同。這就使Cl-離子進入抑制柱時由于受到Donnan排斥的阻礙，不能進入樹脂的微孔內(nèi)。未經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)镠Cl的NaCl中的Cl-也是完全離解的，也不能進入樹脂的微孔。
現(xiàn)在來討論弱酸陰離子如NO－2通過抑制柱的行為。當NO－2以NaNO2形式存在時，它與Cl-一樣受到Donnan排斥。當NO-2與抑制柱中H+接觸時，NO-2就從NaNO2轉(zhuǎn)變成HNO2。因為HNO2是較弱的酸，即使在稀溶液中也有相當大部分HNO2處在不離解狀態(tài)。未離解的HNO2不受Donnan排斥，不僅能進入抑制柱樹脂顆粒之間的間隙體積，也能進入樹脂微孔內(nèi)。隨著抑制柱的Na+，H+界面不斷向下移動，NO－2進入樹脂微孔的程度不斷改變，因此得不到好的再現(xiàn)性，甚至無法進行定量分析，解決的辦法是減少樹脂的微孔。高離子交換容量樹脂的微孔體積與交聯(lián)度成反比，因此可以通過增加抑制柱樹脂的交聯(lián)度來縮小微孔。但另一方面弱電解質(zhì)在樹脂微孔的吸附也與樹脂的交聯(lián)度成正比。因此對抑制柱樹脂交聯(lián)度的選擇只能用一個折衷方案(一般為8%～12%)。
填充抑制柱在今天的離子色譜上已經(jīng)基本不采用，但美國Alttech公司將填充抑制柱改進，將其抑制柱中加入指示劑，使抑制柱可以通過顏色的改變指示其再生情況，而再生時采用電化學方法進行，從而實現(xiàn)自動再生。而更新的DSPlus抑制器，在抑制柱后加入脫氣裝置，淋洗液經(jīng)化學抑制后去除CO2，進一步降低背景電導值，可以提高弱電離物質(zhì)的靈敏度和實現(xiàn)碳酸鹽梯度淋洗。
2.纖維抑制器
纖維抑制器是一種新型抑制柱，其功能與樹脂填充的抑制柱相同，但通過離子交換纖維膜來進行抑制反應。
這種纖維抑制柱是由一根纖維管繞在一個圓柱軸上制成。纖維膜管內(nèi)填充惰性小珠以減小死體積和增加流動相離子與管壁的接觸。對陰離子分離，推薦的再生液是硫酸或磺酸；對陽離子分離，再生液是Ba(OH)2。用重力或氣體壓力將再生液導入抑制柱。
對陰離子纖維膜抑制器，透過膜壁所發(fā)生的反應，纖維管本身是一種離子交換膜，具有磺酸(R-SO-3)陽離子交換基團。當淋洗液(NaHCO3)通過纖維管時，陽離子Na+被庫侖力吸引到管壁的離子SO-3基上，同時再生液(H2SO4)中的質(zhì)子H+也被吸引，并通過下述反應不斷消耗H+，使H+透過膜的擴散不斷進行
由于H2CO3是很弱的酸，反應趨向于生成H2CO3。為了保持離子平衡，Na+離子就會不斷擴散進入流動的再生液中，這種纖維膜類似一個"半透膜"，只允許陽離子通過，不允許陰離子通過。在纖維管壁的反應可分為3個區(qū)：
(1)淋洗液進入總消耗區(qū)。
(2)抑制反應發(fā)生的動態(tài)平衡區(qū)。
(3)總再生區(qū)，淋洗液流出。
業(yè)務：
