离子色谱(ion chromatography, IC)是一种分析离子型化合物的液相色谱技术^{[1, 2]}, 尤其是在阴离子分析方面具有显著优势。尽管现代IC系统中有很多检测器类型^[3-5], 但电导检测器因其通用、灵敏等优势而成为最常用的检测模式。根据电极与溶液是否接触, 电导检测器可分为接触式和非接触式两种类型, 前者指电极与淋洗液直接接触, 后者指电极与淋洗液在空间上完全隔离。目前IC系统中常用的电导检测器为接触式^[6], 但其存在电极容易污染、电路系统结构复杂、易产生气泡干扰(对于某些检测池为非直通式的尤其明显)等缺点。非接触式电导检测器(CCD)由于电极与溶液不直接接触, 可以从根本上消除上述缺陷。早期CCD采用4个电极^[7], 该结构对于平板式检测池电极的放置不存在技术问题, 但对于管式检测池很难放置，尤其是现代色谱系统为降低柱外扩散采用毛细管连接管, 校准极其困难。

1998年, Zemann等^[8]和do Lago等^[9]分别提出一种电容耦合非接触式电导检测器(C⁴D), 用于毛细管电泳(CE)系统。C⁴D采用两个与石英毛细管外径适配的管式电极在间隔一定距离处轴向固定在石英毛细管上, 其中一个电极为激励电极, 另一个为信号接收电极。该结构有效解决了电极的放置问题, 具有电路系统简单、池体积小、结构简单和成本低等特点, 同时避免了电极与溶液接触而衍生的问题。因此C⁴D一经提出很快在CE和微流控芯片领域得到广泛应用^[10-13]。

现代IC系统多以抑制型模式为主, 抑制模式下高电导淋洗液通过抑制器转变为纯水或弱酸性低电导溶液, 因此进入检测池的溶液阻抗很高, 这与使用高浓度缓冲溶液的CE和微流控低阻抗明显不同。背景阻抗的增加会导致容抗在整个阻抗中的权重不同, 传统C⁴D的设计是基于容抗远高于溶液阻抗的前提下设计的, 抑制模式下产生的高溶液阻抗会导致信号变小甚至失真, 因此传统C⁴D的多个参数需要重新优化或设计。C⁴D在IC中的应用报道极少^{[14, 15]}, 多集中于非抑制毛细管型IC系统(淋洗液未经抑制直接进入检测池)^[15-18], 在该模式下, 溶液阻抗与CE系统相近。Hauser等^[14]报道了C⁴D用于常规型IC系统, 结果证明该类型检测器性能与商品化电导检测器相当, 但并未考察各个参数的影响。Dasgupta等^{[19, 20]}利用开管型离子色谱(其分离柱内径＜20 μm)详细考察了检测池高阻抗时相关参数对C⁴D信噪比的影响, 并利用不同内径(1、8和16 μm)的开管柱在抑制或非抑制两种模式下分离无机阴离子溴离子, 检出限与常规电导检测器相当。

本文通过优化C⁴D参数, 旨在研制出适用于常规型IC系统的电导检测器。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

ICS2000 IC系统, 包括Dionex AS20氢氧根体系阴离子交换色谱柱(250 mm×4.0 mm)(美国赛默飞世尔科技公司), 其中KOH淋洗液发生器、电致膜抑制器由苏州明昊色谱技术有限公司提供。

标准品NaF、KCl、NaNO₂、KBr、NaNO₃和Na₂SO₄均购自上海阿拉丁试剂有限公司, 均为优级纯, 测试时用超纯水稀释成适合浓度的混合标准溶液。超纯水由超纯水仪(美国Millipore公司)提供。

1.2 电容耦合非接触式电导检测器的构建

C⁴D装置主要由信号发生器、检测池和信号处理电路3部分构成(见图 1)。信号发生器由555芯片加外围控制电路构成; 检测池直接使用连接管, 可最大限度地降低柱外扩散。在内径为0.25 mm的石英毛细管(即连接管)外轴间隔0.8 mm处放置两个10 mm的管式电极, 分别为激发电极和接收电极。将高频交流电压(18 kHz，20 V，方波)施加于激发电极上, 通过连接管中的溶液(或管壁)与接收电极耦合形成回路。溶液中溶液电阻的微弱变化通过接收电极经信号处理电路放大和整流处理后转化为可观测的直流电信号。在两电极之间放置直径约10 mm、厚0.1 mm的铜箔(与电路地相连)，以屏蔽两个电极之间的空气耦合。检测池和信号处理电路分别密封于接地的金属壳内以屏蔽外界电磁干扰。所有连接线均为屏蔽线，以最大限度降低外界信号干扰。C⁴D装置的等效电路图见图 1中的内插图。

图 1

Fig. 1

图 1 电容耦合非接触式电导检测器的示意图 Fig. 1 Schematic diagram of capacitively coupled contactless conductivity detector (C4D) 1. detection tube; 2. pick-up electrode; 3. grounded Faraday shield; 4. excitation electrode; Cw: wall capacitance; Cs: solution capacitance; R: solution resistance.

1.3 信噪比(SNR)的测定

以超纯水为流动相, 在1 mL/min流速下对5 μmol/L的KCl样品进行分析，连续进样3次, 每次进样量为25 μL, 记录峰高和基线背景, 计算相应的背景噪声和信噪比。背景噪声值等于1 min内背景信号的2倍标准偏差, 信噪比相当于峰高与背景噪声的比值。

2 结果与讨论

2.1 电极长度的影响

管式电极环绕下的连接管在电路上等效于一个电容, 通常称为管壁电容^[21]。不同电极长度会影响C⁴D的最终性能。固定其他条件不变, 考察不同电极长度在不同激励频率(f)下对检测器信噪比的影响, 结果见图 2。可以看出, 在不同频率下信噪比随电极长度的增加而增加, 在f≈12 kHz时尤其显著。根据等效电路可知, 管壁电容和管内溶液电阻是串联关系^{[9, 21]}, 当电极长度增大, 管壁电容增大, 阻抗减小, 有利于提高检测器的响应。但电极长度过大会导致背景响应显著增加, 相应的背景噪声也随之增加, 同时受所用装置尺寸的限制, 未考察更长的电极。综合考虑, 电极长度选择10 mm。

图 2

Fig. 2

图 2 电极长度对信噪比的影响 Fig. 2 Effect of electrode length on the signal-to- noise ratio (SNR) Sample: 5 μmol/L KCl; injection volume: 25 μL; eluent: deionized water; flow rate: 1 mL/min; excitation signal: square wave, 20 V; interelectrode gap: 1 mm; detection cell: polyetheretherketone (PEEK) tube (125 μm I. D.×1.6 mm O. D.).

2.2 电极间距的影响

虽然在激发电极与接收电极之间引入屏蔽板可以有效降低两电极通过空气耦合产生的杂散电容, 但由于屏蔽板上有孔存在(放置检测池的通道), 因此杂散电容无法完全消除。电极间距的改变会影响杂散电容、溶液电容和检测池电阻等参数, 进而影响检测灵敏度。电极间距对检测器信噪比的影响见图 3, 可以看出, 随着电极间距的减小, 信噪比逐渐增大;

图 3

Fig. 3

图 3 电极间距对信噪比的影响 Fig. 3 Effect of electrode gap on the signal-to-noise ratio Electrode length: 10 mm. The other conditions are the same as in Fig. 2.

当间距为0.8 mm时信噪比最大, 此时对应的最佳激发频率较1.0 mm时略有增大, 由12 kHz增至14 kHz。由于屏蔽板的存在, 未考察两电极更小间距。因此, 选取0.8 mm电极间距进行后续优化。

2.3 管径的影响

为考察管径对信噪比的影响, 选取了3种不同内径(125、250和500 μm)但外径均为1.6 mm的PEEK管作为检测池。如图 4可知, 检测池管径增大, 检测器的信噪比随之增大, 但检测池死体积也随之增大。在PEEK管外径相同的条件下, 内径增大使管壁变薄从而使管壁电容增大池电阻降低, 最终检测器信噪比显著提高。为兼顾检测器信噪比与死体积, 选择250 μm内径的连接管进行后续考察。

图 4

Fig. 4

图 4 管径对信噪比和死体积的影响 Fig. 4 Effect of inner diameters (I.D.) of PEEK tube on the signal-to-noise ratio and dead volume Interelectrode gap: 0.8 mm; electrode length: 10 mm; outer diameter of PEEK tube: 1.6 mm. The other conditions are the same as that in Fig. 2.

2.4 检测池材质的影响

实验考察了3种材质的连接管(检测池)对信噪比的影响(见图 5)。结果表明, PEEK管作为检测池时较相同规格的聚四氟乙烯管(polytetrafluoroethylene, PTFE)可得到更高的信噪比或峰高。这可能与PEEK材质具有更高的介电常数有关, 介电常数越大, 管壁电容越大。PEEK管(内径0.25 mm, 外径1.6 mm)与石英毛细管(内径0.25 mm, 外径0.38 mm)相比, 后者的信噪比明显优于前者, 这可能与后者薄壁结构有关。尽管二者外径不同, 无法得出石英材质优于PEEK材质的结论, 但在本实验条件下选择石英毛细管作为检测池最佳。

图 5

Fig. 5

图 5 检测池材质对信噪比的影响 Fig. 5 Effect of detection cell material on the signal-to-noise ratio PTFE: polytetrafluoroethylene. The conditions are the same as that in Fig. 4.

2.5 激发电压和波形的影响

以石英毛细管作为检测池, 考察激励电压和波形对信噪比的影响。结果表明, 在5~20 V电压范围内信噪比随激励电压的增大而增大, 在20 V时信噪比达到最大值, 因此20 V为最优激励电压。在最优激励频率18 kHz和激励电压20 V下, 三角波、正弦波与方波3种波形下对应的信噪比分别为3843.42±28.66、4062.35±6.72和4612.76±25.34。方波激励信号略优于其他两种波形, 因此该波形作为最优波形进行后续测试。

2.6 色谱性能评价及与商品化器件的性能对比

将自制的C⁴D与常规型离子色谱系统ICS-2000连接, 对常见无机阴离子(F^-、Cl^-、NO₂^-、Br^-、NO₃^-和SO₄^2-进行分析, 在抑制模式下考察检测器的色谱性能(见表 1)。结果表明, 常见无机阴离子的检出限(信噪比=3)为0.02~0.08 μmol/L; 峰面积的相对标准偏差＜1.8%(n=6);在0.1~10 μmol/L范围内阴离子的浓度与其峰面积的线性关系良好, 相关系数(R²)＞0.999。在相同条件下与ICS-2000自带的电导检测器进行对比(见表 1), 自制检测器的关键性能参数与商品化检测器相当。

表 1 (Table 1)

表 1 自制C4D检测器与商品化接触式检测器的性能对比 Table 1 Comparison of the performance for the self-made C4D detector with the commercial contact detector Analyte Self-made C4D detector Commercial contact detector RSD/% R2 LOD/(μmol/L) Noise (drift)/mV RSD/% R2 LOD/(μmol/L) Noise (drift)/mV F- 0.82 0.9956 0.04 0.05 (0.17) 1.00 0.9996 0.03 0.72 (1.88) Cl- 1.23 0.9967 0.02 1.49 0.9991 0.01 NO2- 0.87 0.9950 0.06 0.68 0.9992 0.04 Br- 0.96 0.9953 0.08 1.09 0.9990 0.05 NO3- 1.12 0.9968 0.05 1.04 0.9993 0.03 SO42- 1.78 0.9956 0.06 1.30 0.9993 0.04 RSD: relative standard deviation for peak area (n=6); R2: correlation coefficients for calibration curves based on peak areas in the range of 0.1-10 μmol/L. IC conditions: eluent, 8 mmol/L KOH; suppression current, 24 mA. The other conditions are the same as in Fig. 6.

表 1 自制C4D检测器与商品化接触式检测器的性能对比 Table 1 Comparison of the performance for the self-made C4D detector with the commercial contact detector

将自制的C⁴D和商品化电导检测器串联后与ICS-2000相连, 对常见阴离子进行分析(见图 6)。可以看出, 在两种检测器条件下，常见阴离子的峰高、峰形和分离度等参数没有显著性差异。

图 6

Fig. 6

图 6 采用自制C4D和商品化接触式电导检测器时常见阴离子的色谱图 Fig. 6 Chromatograms of the common anions by self-made C4D and commercial contact detector Sample: 10 μmol/L F-, Cl-, NO2-, Br-, NO3-, SO42-; eluent: 10 mmol/L KOH; suppression current: 30 mA; column: Dionex AS20 (250 mm×4.0 mm); column temperature, 30 ℃; injection volume: 25 μL; flow rate: 1 mL/min.

3 结论

本文成功研制出用于常规型离子色谱系统的电容耦合非接触式电导检测器, 其关键性能指标达到了商品化接触式电导检测器的水平。虽然本文仅以无机阴离子为目标化合物, 但通过更换淋洗液和相应的抑制器, 该电容耦合非接触式电导检测器同样适用于阳离子检测。该模式为离子色谱系统检测器的使用提供了一种新选择。

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