離子色譜技術及其應用

　　離子色譜(IC)是在離子交換色譜基礎上發展起來的一項新的液相色譜技術。早期的離子交換色譜使用的活動相都是強電解質，其背景電導高，被測離子洗脫到活動相中所引起的電導變化很小，無法使用電導檢測器區別活動相中的淋洗離子和待測離子，而紫外和可見分光光度檢測器只能檢測到少數離子性物質[1-2]。1975年Small等[2]成功地解決了電導檢測器連續檢測柱流出物的困難，創立了用抑制柱除往大部分活動相中的離子，降低活動相背景，進步電導檢測器靈敏度的離子交換色譜法，實現了無機和有機陰離子的快速分離和檢測，使IC作為一項色譜分離技術從液相色譜中獨立出來。1979年，Fritz等[3]提出，不使用抑制柱，只要選擇適當的分離柱和洗脫液，從分離柱流出的液體可直接進進改進的電導檢測器。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分析對象主要包括無機陰離子、無機陽離子(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、有機膦酸、有機磺酸、小分子有機堿和離子化的有機金屬化合物。隨著研究的不斷深進，目前IC技術已成為分析化學學科中發展最快的分析方法之一，已廣泛應用于環境、食品、農業、自來水產業、半導體產業、生物醫學等很多領域的研究。在環境分析中，IC不僅可以進行定量和微量分析，還可以與富集技術結合進行痕量分析，如大氣監測、酸雨、水質和土壤成分的分析等，美國環境保護局的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]。在食品產業中，IC對食品添加劑、致香劑以及食品中金屬元素、有機酸、植酸和糖類的分析已有多篇文獻報道[10-13]。在生物醫學上，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。隨著脈沖安培檢測技術的完善以及高效分離柱的使用，IC已應用于生物化學中糖類、氨基酸、纖維素、抗生素、蛋白質和多肽等大分子量化合物的分析[18-19]。
　　　　
　　與HPLC相比，IC的優點有：①分析速度快。IC分析一個樣品一般只需10min，近年來，新型色譜柱的開發與應用，使得常見陰離子的分析可在5min內完成，并可實現同時定量；②靈敏度高。隨著信號處理和檢測器技術的進步，不經預濃縮處理的樣品分析檢測限可達到μg/L，經過預濃縮處理的樣品，檢測下限可達到ng/L，分析氨基酸，采用脈沖安培檢測器也可達到ng/L的高靈敏度；③可同時分析多種組分。可在20min內同時分析10個以上的離子；④實現元素的形態分析。可分離同種元素不同的離子形式。
　　　　
　　與一般的LC儀一樣，IC儀由輸液、進樣、分離、檢測和數據處理系統構成，其關鍵部件是分離柱、抑制器和檢測器。
　　　　
　　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、氨基酸和蛋白質柱等。分離機理主要是離子交換，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離子之間進行的可逆交換，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現的。按分離機理的不同，IC又可分為離子排斥、離子交換、動相離子、靜電離子、螯合離子、低壓離子和陰陽離子的同時IC法[20]。
　　　　
　　抑制器的作用是降低活動相背景的電導，同時增加被測物的電導，從而進步電導檢測器的靈敏度。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酸型陽離子或強堿型的陰離子交換樹脂。使用時抑制柱填料的官能團要與分離柱相反。如分析陽離子需選擇陰離子抑制柱，陽離子分離柱，活動相中的酸被陰離子抑制柱消除，分離的陽離子轉換成高電導率的堿。填充型抑制柱的缺點是不能長時間連續工作，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，管內淋洗液和管外再生液逆向活動，抑制反應在膜上進行。優點是不需要停機再生，可連續工作，缺點是抑制容量較低，機械強度較差，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，也可連續工作。其優點是結構緊湊，死體積小，抑制容量較大，適應于梯度淋洗，但仍需要化學試劑提供抑制反應所需的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，基線漂移小等優點，缺點是必須定期更換2個電極室的電解液。國產IC儀中曾普遍采用這種抑制器，現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生的H 和OH－來滿足抑制反應的需要，不需要化學再生液，具有使用方便，平衡速度快，背景噪聲低等特點，是目前使用廣泛的抑制器[25-26]。美國Dionex公司在電化學抑制法平板微膜抑制器的基礎上設計制造出電解再生抑制器，這種抑制器可采用循環再生和外加水兩種方式。循環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。因循環再生模式方便，其應用更為廣泛。外加水模式主要用于測定樣品濃度極低或淋洗液中存在有機溶劑的情況。陰離子電解再生抑制器的工作原理為：當陰陽兩極接通恒定電源，水被電解產生H 和OH－，在電場作用下H 穿過陽離子交換膜，進進淋洗液如NaOH淋洗液中和掉OH－，淋洗液中的Na＋則穿過膜直接進進廢液，而陰離子在外加電場作用下不能通過陽離子交換膜，這樣就達到了降低本底電導率，進步被測離子的電導率的目的[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檢測器[21]分為:電化學檢測器和光學檢測器。前者包括電導檢測器和安培檢測器，電導檢測器是非選擇性檢測器，可分為抑制型(雙柱法)和非抑制型(單柱法)檢測器。抑制型電導檢測器的使用廣泛，其靈敏度和線性范圍都優于非抑制型。非抑制型電導檢測器的結構比較簡單，但靈敏度較低，對活動相的要求比較苛刻[2-3]。安培檢測器包括直流、脈沖和積分3種形式，常用于分析解離度較低，電導檢測器難以檢測，同時又能發生電化學反應的物質。直流式的靈敏度較高，可測定μg/L級的電化學活性成分，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，可測定很多直流式不能測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器，是測定氨基酸的理想檢測器[31]。光學檢測器包括紫外/可見和熒光檢測器，紫外/可見檢測器與普通液相色譜使用的沒有明顯區別，主要用于過渡金屬、重金屬和稀有元素的測定。熒光檢測器主要用于衍生化氨基酸的測定，其靈敏度要比紫外/可見檢測器高2～3個數目級，但在IC上應用較少[32]。
　　
　　與其它分析儀器聯用，可以解決IC的定性和更高靈敏度的檢測。目前IC與質譜、原子吸收、原子發射光譜、電感耦合等離子體－原子發射光譜聯用等技術已用于生物、食品、環境等樣品的定性和元素形態分析[33-35]。