离子色谱技术及其应用

　　离子色谱(IC)是在离子交换色谱基础上发展起来的一项新的液相色谱技术。早期的离子交换色谱使用的活动相都是强电解质，其背景电导高，被测离子洗脱到活动相中所引起的电导变化很小，无法使用电导检测器区别活动相中的淋洗离子和待测离子，而紫外和可见分光光度检测器只能检测到少数离子性物质[1-2]。1975年Small等[2]成功地解决了电导检测器连续检测柱流出物的困难，创立了用抑制柱除往大部分活动相中的离子，降低活动相背景，进步电导检测器灵敏度的离子交换色谱法，实现了无机和有机阴离子的快速分离和检测，使IC作为一项色谱分离技术从液相色谱中独立出来。1979年，Fritz等[3]提出，不使用抑制柱，只要选择适当的分离柱和洗脱液，从分离柱流出的液体可直接进进改进的电导检测器。Small提出的使用抑制柱的IC通常称为双柱IC或抑制IC，把Fritz提出的不使用抑制柱的IC称为单柱IC或无抑制IC[4]。
　　
　　一般而言，IC分析对象主要包括无机阴离子、无机阳离子(碱金属、碱土金属、过渡金属和稀土金属)、水溶性的小分子羧酸、有机膦酸、有机磺酸、小分子有机碱和离子化的有机金属化合物。随着研究的不断深进，目前IC技术已成为分析化学学科中发展最快的分析方法之一，已广泛应用于环境、食品、农业、自来水产业、半导体产业、生物医学等很多领域的研究。在环境分析中，IC不仅可以进行定量和微量分析，还可以与富集技术结合进行痕量分析，如大气监测、酸雨、水质和土壤成分的分析等，美国环境保护局的EPA方法就有采用IC来丈量地表、地下、饮用水和废水中的普通阴离子[5-9]。在食品产业中，IC对食品添加剂、致香剂以及食品中金属元素、有机酸、植酸和糖类的分析已有多篇文献报道[10-13]。在生物医学上，IC多用于人体唾液、尿液和血液中阴阳离子的分析[14-17]，可作为临床上判定一些疾病的辅助手段。随着脉冲安培检测技术的完善以及高效分离柱的使用，IC已应用于生物化学中糖类、氨基酸、纤维素、抗生素、蛋白质和多肽等大分子量化合物的分析[18-19]。
　　　　
　　与HPLC相比，IC的优点有：①分析速度快。IC分析一个样品一般只需10min，近年来，新型色谱柱的开发与应用，使得常见阴离子的分析可在5min内完成，并可实现同时定量；②灵敏度高。随着信号处理和检测器技术的进步，不经预浓缩处理的样品分析检测限可达到μg/L，经过预浓缩处理的样品，检测下限可达到ng/L，分析氨基酸，采用脉冲安培检测器也可达到ng/L的高灵敏度；③可同时分析多种组分。可在20min内同时分析10个以上的离子；④实现元素的形态分析。可分离同种元素不同的离子形式。
　　　　
　　与一般的LC仪一样，IC仪由输液、进样、分离、检测和数据处理系统构成，其关键部件是分离柱、抑制器和检测器。
　　　　
　　因分离柱填料和固定相的不同，IC分离柱可分为：阳离子、阴离子、鳌合离子、氨基酸和蛋白质柱等。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淋洗液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，IC选择性的改变主要通过采用不同的固定相来实现的。按分离机理的不同，IC又可分为离子排斥、离子交换、动相离子、静电离子、螯合离子、低压离子和阴阳离子的同时IC法[20]。
　　　　
　　抑制器的作用是降低活动相背景的电导，同时增加被测物的电导，从而进步电导检测器的灵敏度。抑制器可分为5种类型[21]：填充柱、管状纤维膜、平板微膜、电渗析和电解再生抑制器。较早的抑制器是填充型抑制柱，所用的树脂是高交换容量的强酸型阳离子或强碱型的阴离子交换树脂。使用时抑制柱填料的官能团要与分离柱相反。如分析阳离子需选择阴离子抑制柱，阳离子分离柱，活动相中的酸被阴离子抑制柱消除，分离的阳离子转换成高电导率的碱。填充型抑制柱的缺点是不能长时间连续工作，树脂上的H 和OH－被消耗后，失往抑制能力，需要用酸或碱进行再生[22]。管状纤维膜抑制器通过管状离子交换纤维膜工作，管内淋洗液和管外再生液逆向活动，抑制反应在膜上进行。优点是不需要停机再生，可连续工作，缺点是抑制容量较低，机械强度较差，每使用半年左右需要更换离子交换膜[23]。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。其优点是结构紧凑，死体积小，抑制容量较大，适应于梯度淋洗，但仍需要化学试剂提供抑制反应所需的H 和OH－，而且工作曲线的线性范围也受到一定的影响[23]。电渗析抑制器受恒定的抑制电流的控制，具有抑制效果好，抑制容量大，基线漂移小等优点，缺点是必须定期更换2个电极室的电解液。国产IC仪中曾普遍采用这种抑制器，现已逐步被电解再生抑制器取代[24]。电解再生抑制器通过电解水产生的H 和OH－来满足抑制反应的需要，不需要化学再生液，具有使用方便，平衡速度快，背景噪声低等特点，是目前使用广泛的抑制器[25-26]。美国Dionex公司在电化学抑制法平板微膜抑制器的基础上设计制造出电解再生抑制器，这种抑制器可采用循环再生和外加水两种方式。循环再生是指采用抑制后的淋洗液作为电解水的水源，外加水即采用外加水源。因循环再生模式方便，其应用更为广泛。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。阴离子电解再生抑制器的工作原理为：当阴阳两极接通恒定电源，水被电解产生H 和OH－，在电场作用下H 穿过阳离子交换膜，进进淋洗液如NaOH淋洗液中和掉OH－，淋洗液中的Na＋则穿过膜直接进进废液，而阴离子在外加电场作用下不能通过阳离子交换膜，这样就达到了降低本底电导率，进步被测离子的电导率的目的[27]。阳离子电解再生抑制器的原理与其类似，所不同的是采用阴离子交换膜。
　　　　
　　IC检测器[21]分为:电化学检测器和光学检测器。前者包括电导检测器和安培检测器，电导检测器是非选择性检测器，可分为抑制型(双柱法)和非抑制型(单柱法)检测器。抑制型电导检测器的使用广泛，其灵敏度和线性范围都优于非抑制型。非抑制型电导检测器的结构比较简单，但灵敏度较低，对活动相的要求比较苛刻[2-3]。安培检测器包括直流、脉冲和积分3种形式，常用于分析解离度较低，电导检测器难以检测，同时又能发生电化学反应的物质。直流式的灵敏度较高，可测定μg/L级的电化学活性成分，如砷化物和氰化物等[28-29]。脉冲式的灵敏度和选择性都较理想，可测定很多直流式不能测定的使电极中毒的化合物，如糖类、醇类、醛类和胺等[30]。积分式是一种新形式的脉冲检测器，是测定氨基酸的理想检测器[31]。光学检测器包括紫外/可见和荧光检测器，紫外/可见检测器与普通液相色谱使用的没有明显区别，主要用于过渡金属、重金属和稀有元素的测定。荧光检测器主要用于衍生化氨基酸的测定，其灵敏度要比紫外/可见检测器高2～3个数目级，但在IC上应用较少[32]。
　　
　　与其它分析仪器联用，可以解决IC的定性和更高灵敏度的检测。目前IC与质谱、原子吸收、原子发射光谱、电感耦合等离子体－原子发射光谱联用等技术已用于生物、食品、环境等样品的定性和元素形态分析[33-35]。