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离子色谱技术进展和发展趋势

仪器信息网 2020/05/14 10:16:13 点击 1629 次
[导读] 离子色谱是一个相对较新的技术,从1975年至今只有45年的发展时间。离子色谱的诞生主要受现代工业对环境污染引发的水质检测需求的影响。

离子色谱的诞生

离子色谱是一个相对较新的技术,从1975年至今只有45年的发展时间。离子色谱的诞生主要受现代工业对环境污染引发的水质检测需求的影响。1975年,Dow Chemical公司的Hamish Small等人在美国分析化学杂志上发表了第一篇离子色谱方面的论文。同期,第一家离子色谱生产厂商Dionex(现为Thermo Fisher Scientific)公司成立,且并专门生产离子色谱仪。从70年代中期开始,离子色谱仪开始生产并销售,且生产规模逐步扩大。不过,因为该技术是专利,所以在一定的时期之内,只有Dionex公司可以生产。

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离子色谱仪器

1979年,美国衣阿华州大学的J.S.Fritz等人建立了单柱型(非抑制型)离子色谱,因此很多其他生产液相的公司也可以生产离子色谱仪,离子色谱在这个时期推广应用更加广泛。

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近25年离子色谱为主题的论文数

截至今天,Web of Science收录离子色谱相关论文11084篇,而由Hamish Small在Analytical Chemistry发表的第一篇离子色谱论文到现在为止已经被引用了1124次,是离子色谱领域被引用非常多文章。该论文介绍了新的离子交换色谱的离子分离和电导检测的方法,同时引进了一种称为抑制柱的技术,抑制柱后来发展成为现在的抑制器概念。而最近的25年,即从1996年到今年初,离子色谱技术相关论文总的趋势都是在增长,说明离子色谱技术的应用非常稳固扎实。

 

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近25年在SCI收录的离子色谱相关文章涉及的领域也很多,包括化学方面、生物分子学、环境、食品等各个领域,其中传统的离子色谱应用领域主要是环境领域,今后离子色谱将会在生物分子学和食品领域有更多的发展。当然除了这些领域还有更多,上图是主要涉及的二十多个领域。

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论文发表的国家和地区

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主要出版物

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主要作者

从发表论文区域来讲,美国发表离子色谱相关论文最多,中国也非常多,其次是日本,中国特别是大陆地区近年来一直有比较快的发展,今后可望赶超美国。这也是跟中国经济体量的发展直接相关,20年前的新世纪初中国离子色谱仪器的需求量还不及日本的1/10,更不要说跟美国相比,而时至今日,中国的离子色谱市场的需要量已经可以跟北美地区平起平座,今后超过北美地区就跟中国的经济总量一样,只是一个时间问题。而主要出版物中,发表离子色谱论文最多的是JOURNAL OF CHROMATOGRAPHY A,其次是ANALYTICA CHIMICA ACTA和美国分析化学,此外还有TALANTA等。当然我国的《分析化学》、《色谱》等期刊,也发表了很多离子色谱相关论文。

而发表离子色谱论文的作者中,Paul Haddad发表的最多,他是澳大利亚的两院院士,前不久刚刚退休。本人相关论文也还算多,我国也有很多人,像牟世芬老师,这方面早期也做了非常多的贡献。

 

离子色谱主要人物及贡献

1975年,Dow Chemical公司的Hamish Small通过抑制电导检测和乳胶附聚离子交换做成了第一代离子色谱。

1979年,Iowa State University的James Fritz在Journal of Chromatography上发表了关于非抑制电导的论文,由于没有专利,因此该技术被一些厂家广泛应用,包括HP、Waters、岛津等,不过现在有些厂家已经不再生产离子色谱。另外,与James Fritz同一大学的Dennis Johnson教授发明了脉冲安培检测器。后面,脉冲安培检测得到非常广泛的应用,特别在生物领域如糖、氨基酸、抗生素等分析中有非常重要的应用。

80年代主要人物有两位,第一个是University of Taxes in Arlington 的 Purnendu  Dasgupta建立了连续再生抑制应用,并在此基础上产生了新一代的离子色谱。另外,University of Tasmania 的Paul Haddad做了很多离子色谱应用,他也是发表离子色谱相关论文最多的一位。以上两位一起与Dionex合作,在前几年还建立了毛细管离子色谱。


离子色谱技术发展

离子色谱技术发展有很多方面,重点的几个方面主要有:第一是水的电离、离子定向迁移和离子交换膜的选择性透过技术,其中比较重要的是抑制器和淋洗发生器;第二是电催化氧化及电极在线清洗技术,也是所谓的脉冲安培检测;第三是离子色谱固定相的制备,该技术实现了更快的分析速度和更好的选择性;第四是离子色谱与质谱的联用,联用技术使灵敏度更高、选择性更强、应用面也更广。

电解、离子定向迁移、离子交换膜

1985年,厦门大学田绍武院士最早提出了电解技术,并发表论文与专利,因此我国的抑制器发展一直很好。而自再生抑制器就是在电解技术的基础上改进的,1992年Dionex(现为Thermo Fisher Scientific)公司对自再生抑制器进行了产业化。此外,电解的纯化产生了氢氧根的淋洗,这是所谓的淋洗液发生器的初期,1998年Dionex公司开始研制生产淋洗液发生器。同年,Hamish Small还建立了离子回流技术,虽然这个技术至今未产业化,却推动了整个离子色谱技术的进步。除了自再生抑制器和淋洗液发生器外,还有连续再生捕获柱技术,这三个技术结合产生了无试剂离子色谱。

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抑制器结构

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淋洗液发生器

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连续再生捕获器

电催化氧化剂电极在线清洗——脉冲安培检测

脉冲安培检测器最早是由Iowa州立大学的Dennis Johnson建立,80年代中期,Dionex (现为Thermo Fisher Scientific)公司将其商品化并用金电极测定糖类。积分脉冲安培检测器出现在90年代初,后被商业化,其应用范围更加广泛,用于胺类、含硫化合物等分析。90年代末,在积分脉冲安培检测器的基础上产生了生物液相色谱仪和氨基酸分析系统。

离子色谱固定相的发展

1975年,Hamish Small建立了乳胶附聚型固定相,该固定相性能相对较好,目前仍在使用。但有一些缺点,比如其水负峰和氟离子比较接近,而对阳离子一、二价分离差别较大,且有亲水性差等问题。

1980年,接枝型固定相产生。该类固定相亲水性更好,水负峰和氟离子可较好的分开,且交换容量增加。在此基础上,人们又发明了季铵烷醇类固定相,该类固定相亲水性更好。而马来酸根固定相则不需要梯度或者其他方式就可实现一、二价阳离子几乎同时进行分离。

90年代末期,穴状化合物基固定相诞生,该固定相主要是将穴状化合物基团接到色谱柱上,可实现可变交换容量。在此过程中,胡文治发明了两性离子固定相,其可实现阴、阳离子同时分析,不过该固定相最终并未实现商品化。此外,日本的田中一颜教授将离子排斥和离子交换结合起来,该方法可同时测定阴阳离子,该类色谱柱有产品专利,但由于产品不够理想,因此销量并不高。

新世纪以后,根据液相色谱的发展,又产生了整体柱,且引用到了离子色谱领域。最早引入的是加拿大的Charles Lucy,该柱引入后,加大了离子色谱的分析速度,一分钟即可解决很多分析问题,后期被Dionex(现为Thermo Fisher Scientific)公司商业化。

同时,还有毛细管式离子色谱柱,其流量小、灵敏度高。而最新的则是杨炳成老师及 Purnendu Dasgupta团队在进行的开管式色谱柱的研究,该类色谱柱流量小、灵敏度高且压力更低。


离子色谱发展趋势

首先,离子色谱发展From Small to small。即从Hamish Small建立了离子色谱技术以来, 离子色谱就越来越小,主要包括固定相颗粒、色谱柱内径、检测器检测下限和仪器体积越来越小。

此外,离子色谱速度越来越快,即分析时间、样品制备和自动化水平越来越快。另外,压力越来越大,指的是系统压力、固定相耐压、抑制器耐压和检测器耐压越来越大。

离子色谱仪关键部件的发展趋势

离子色谱仪发展主要包括以下几个方面:首先是流动相输送体系,其耐压能力是有限的,因此耐压水平正在不断的提高;其次是进样体系的精确化和微型化,主要涉及进样准确和微量,阀切换技术应用;再有就是水的电解和膜技术完美结合,主要为淋洗液发生器和抑制器;检测系统(电导和脉冲安培)的稳定性,主要涉及减少噪声和提高稳定性;最后为仪器整机的兼容性,包括恒温系统、仪器和软件的兼容。

固定相的发展趋势

对于固定相未来发展,主要有几个的方面:一、新型的基质材料,目标是在耐酸碱性不变的前提下,改善其耐压性、刚性、热稳定性;二、新型的修饰材料,目标是提高乳胶附聚和接枝的动力速度,改善亲水性,新型装饰材料包括离子液体、碳纳米管、石墨烯、水热碳球、超枝化和树状大分子、金属有机骨架化合物、共价有机框架材料等。而新型的装饰方式有化学键、静电吸附、分子间作用力(涂覆)等。

超支化阴离子交换固定相:由Christopher Pohl 首先提出,该技术是在磺化的EVB-DVB或石英毛细管表面,将甲胺和双环氧化合物进行循环缩聚反应得到超支化聚季铵盐,通过静电作用吸附,分别制备了分析型填充柱和毛细管开管柱。该类固定相的特征是氢氧根选择性强;交换容量和离子选择性可由循环缩聚次数调控。新型超支化固定相包括新型材料的应用;采用新型的接枝技术;对传统超支化聚合物进行化学改性。

超支化固定相最新进展——新型接枝技术:利用EVB-DVB微球表面的悬挂双键与半胱胺或半胱氨酸中的巯基发生点击反应,将氨基引入聚合物微球表面。在此基础上可制备新型键合型超支化阴离子交换固定相。与已有的化学键合修饰方法相比,此法简便、高效且固定相具有良好的氢氧根体系兼容性和选择性。

超支化固定相最新进展——化学改性:Thermo Fisher Scientific在原有技术上,对超支化固定相进行了一系列化学改性。如超支化固定相缩水甘油改性:将缩水甘油溶液 通过超支化的IonPac AS19柱并进行热处理。随着该步骤重复多次进行,二价离子的保留在增大后迅速降低,部分单价离子间的分离度得到提升。该固定相解决了部分商品柱上碳酸根与某些离子共洗脱的问题;也使得溴酸根、氯离子、亚硝酸根离子间的选择性可调控。

样品前处理——拓展应用关键

样品前处理即为将不同状态(固态、气体、有机溶剂)转化为水溶液,包括固态的溶解、燃烧;气态的吸收;有机溶剂的转移等。此外,样品前处理技术还包括消除复杂基质的干扰,主要技术包括固相萃取、膜处理(微孔、超滤、电渗析、中空纤维等)、蒸馏、阀切换在线自动化等。

气态样品的前处理:针对气态样品,主要采用吸附捕获的方法进行 前处理。在离子色谱领域中,Purnendu Dasgupta等人在基于膜的样品前处理方面做了一系列工作。其中,针对离子色谱对气态样品的分析,自制了小型化的气态样品吸收处理装置,该方法能有效收集并分析气态样品中的NH3、SO2等。

固态样品的前处理:针对固态样品,主要采用萃取或消解的方式进行前处理。对固态样品的萃取主要是在传统萃取的基础上强化传质传热的过程(如提高温度和压力,微波辅助等方式),以达到更好的萃取效率,常用的萃取方法有:微波辅助萃取(MAE)和加速溶剂萃取(ASE)。消解处理的作用是破坏有机物、溶解颗粒物,并将各种价态的待测元素氧化成单一高价态或转换成易于分解的无机化合物,常用的消解方法有:燃烧法和碱熔法。随着离子色谱的发展,这些方法不断的完善已经日趋成熟,对处理固态样品十分实用。

液态样品的在线前处理技术:柱切换法是离子色谱分析复杂样品时一种常用的在线消除基质的方法。在离子色谱分析时,通过六通阀/十通阀实现柱切换,将杂质留存在预柱上再消除,而样品中待测组分则富集在富集柱上,再通过分析柱进行分离分析。根据样品基质的不同,将柱切换技术分为针对弱酸基质中离子分离和检测、针对高盐基质中离子分离和检测、针对有机基质中离子分离和检测。根据提供淋洗液的泵的数量,可以将柱切换分为单泵柱切换法和多泵柱切换法

高盐基质中离子的分离和检测:针对高盐基质中无机离子的分析,常规的柱切换法就能实现分离分析。针对难以一次去除的高盐基质,朱岩课题组还提出了循环柱切换法,该方法通过多次柱切换,能有效去除高盐基质。已有的应用实例有:循环柱切换法测定高盐基质中的亚硝酸盐,循环柱切换法测定氯碱盐水中的氯酸盐等。

有机基质中离子的分离和检测:针对有机基质中离子的分析,利用离子色谱柱切换技术在线去除样品中的有机基质,同时实现对离子的分析。这种方法对各类有机基质中离子的分析具有良好的普适性和灵敏度,有效解决了离子色谱技术与有机基质样品的兼容性。

柱切换技术除了作为离子色谱分析中的前处理方法,还可以作为高效液相色谱和离子色谱联用的一种手段,实现对样品中有机组分和无机组分的同时分析。

柱切换技术的应用扩展-膜蒸馏技术:分析复杂生物样品(如血清、尿液等)中的易挥发性组分(如F-、Cl-、NH4+等),直接通过柱切换很难将干扰基质消除干净,通过设计膜蒸馏(MD)组件对样品前处理,再通过柱切换流路设计,可实现生物样品中无机离子的 在线分析。图为利用自制膜蒸馏组件在线分析血液样品中痕量氟离子的流程图(左)和效果图(右)。

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基于膜的离子色谱样品前处理方法:包括超滤、电渗析、在线联用离子色谱、渗析等。

电渗析:Purnendu Dasgupta等人还设计了基于离子交换膜的电渗析装置用于同时分离分析酒中的有机酸。该装置通过离子交换膜的离子交换作用,可同时分别提取出样品中的阴阳离子并进行分析,消除基质的干扰。

基于膜分离在线联用离子色谱的方法的原理:样品通过膜分离组件处理后,待测组分由接受相(acceptor)吸收,再通过六通阀与离子色谱联用,实现在线自动化分析。 基于这一方法,我们可以通过设计多种不同的膜组件(平板膜组件、中空纤维膜组件等)实现不同膜前处理方法的在线自动化。

一体式分析:通过IC和HPLC一体机,实现离子和有机物的同时分析并解决了样品前处理问题,今后有望将GC-HPLC-IC同时联用。

 

作者简介

朱岩,浙江大学化学系教授、博士生导师。中国分析仪器学会离子色谱专家组主任,《分析试验室》副主篇,《色谱》、《中国无机分析化学杂志》编委。从事离子色谱理论和应用研究30多年,发表有关离子色谱相关论文300多篇,其中SCI收录100多篇。


本文根据朱岩教授报告整理而成,欲了解更多内容,请点击链接观看视频:

https://www.instrument.com.cn/webinar/video_112267.html

 

 

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