常規(guī)離子色譜系統(tǒng)-電容耦合非接觸式電導(dǎo)檢測(cè)器的構(gòu)建

陳小花, 侯彥杰, 楊丙成*, 艾 雷

(1. 華東理工大學(xué)藥學(xué)院, 上海 200237; 2. 蘇州明昊色譜技術(shù)有限公司, 江蘇 蘇州 215500)

離子色譜(ion chromatography, IC)是一種分析離子型化合物的液相色譜技術(shù)[1,2],尤其是在陰離子分析方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。盡管現(xiàn)代IC系統(tǒng)中有很多檢測(cè)器類型[3-5],但電導(dǎo)檢測(cè)器因其通用、靈敏等優(yōu)勢(shì)而成為最常用的檢測(cè)模式。根據(jù)電極與溶液是否接觸,電導(dǎo)檢測(cè)器可分為接觸式和非接觸式兩種類型,前者指電極與淋洗液直接接觸,后者指電極與淋洗液在空間上完全隔離。目前IC系統(tǒng)中常用的電導(dǎo)檢測(cè)器為接觸式[6],但其存在電極容易污染、電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、易產(chǎn)生氣泡干擾(對(duì)于某些檢測(cè)池為非直通式的尤其明顯)等缺點(diǎn)。非接觸式電導(dǎo)檢測(cè)器(CCD)由于電極與溶液不直接接觸,可以從根本上消除上述缺陷。早期CCD采用4個(gè)電極[7],該結(jié)構(gòu)對(duì)于平板式檢測(cè)池電極的放置不存在技術(shù)問題,但對(duì)于管式檢測(cè)池很難放置，尤其是現(xiàn)代色譜系統(tǒng)為降低柱外擴(kuò)散采用毛細(xì)管連接管,校準(zhǔn)極其困難。

1998年,Zemann等[8]和do Lago等[9]分別提出一種電容耦合非接觸式電導(dǎo)檢測(cè)器(C4D),用于毛細(xì)管電泳(CE)系統(tǒng)。C4D采用兩個(gè)與石英毛細(xì)管外徑適配的管式電極在間隔一定距離處軸向固定在石英毛細(xì)管上,其中一個(gè)電極為激勵(lì)電極,另一個(gè)為信號(hào)接收電極。該結(jié)構(gòu)有效解決了電極的放置問題,具有電路系統(tǒng)簡(jiǎn)單、池體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和成本低等特點(diǎn),同時(shí)避免了電極與溶液接觸而衍生的問題。因此C4D一經(jīng)提出很快在CE和微流控芯片領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[10-13]。

現(xiàn)代IC系統(tǒng)多以抑制型模式為主,抑制模式下高電導(dǎo)淋洗液通過抑制器轉(zhuǎn)變?yōu)榧兯蛉跛嵝缘碗妼?dǎo)溶液,因此進(jìn)入檢測(cè)池的溶液阻抗很高,這與使用高濃度緩沖溶液的CE和微流控低阻抗明顯不同。背景阻抗的增加會(huì)導(dǎo)致容抗在整個(gè)阻抗中的權(quán)重不同,傳統(tǒng)C4D的設(shè)計(jì)是基于容抗遠(yuǎn)高于溶液阻抗的前提下設(shè)計(jì)的,抑制模式下產(chǎn)生的高溶液阻抗會(huì)導(dǎo)致信號(hào)變小甚至失真,因此傳統(tǒng)C4D的多個(gè)參數(shù)需要重新優(yōu)化或設(shè)計(jì)。C4D在IC中的應(yīng)用報(bào)道極少[14,15],多集中于非抑制毛細(xì)管型IC系統(tǒng)(淋洗液未經(jīng)抑制直接進(jìn)入檢測(cè)池)[15-18],在該模式下,溶液阻抗與CE系統(tǒng)相近。Hauser等[14]報(bào)道了C4D用于常規(guī)型IC系統(tǒng),結(jié)果證明該類型檢測(cè)器性能與商品化電導(dǎo)檢測(cè)器相當(dāng),但并未考察各個(gè)參數(shù)的影響。Dasgupta等[19,20]利用開管型離子色譜(其分離柱內(nèi)徑<20 μm)詳細(xì)考察了檢測(cè)池高阻抗時(shí)相關(guān)參數(shù)對(duì)C4D信噪比的影響,并利用不同內(nèi)徑(1、8和16 μm)的開管柱在抑制或非抑制兩種模式下分離無機(jī)陰離子溴離子,檢出限與常規(guī)電導(dǎo)檢測(cè)器相當(dāng)。

本文通過優(yōu)化C4D參數(shù),旨在研制出適用于常規(guī)型IC系統(tǒng)的電導(dǎo)檢測(cè)器。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

ICS2000 IC系統(tǒng),包括Dionex AS20氫氧根體系陰離子交換色譜柱(250 mm×4.0 mm)(美國賽默飛世爾科技公司),其中KOH淋洗液發(fā)生器、電致膜抑制器由蘇州明昊色譜技術(shù)有限公司提供。

標(biāo)準(zhǔn)品NaF、KCl、NaNO2、KBr、NaNO3和Na2SO4均購自上海阿拉丁試劑有限公司,均為優(yōu)級(jí)純,測(cè)試時(shí)用超純水稀釋成適合濃度的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液。超純水由超純水儀(美國Millipore公司)提供。

1.2 電容耦合非接觸式電導(dǎo)檢測(cè)器的構(gòu)建

C4D裝置主要由信號(hào)發(fā)生器、檢測(cè)池和信號(hào)處理電路3部分構(gòu)成(見圖1)。信號(hào)發(fā)生器由555芯片加外圍控制電路構(gòu)成;檢測(cè)池直接使用連接管,可最大限度地降低柱外擴(kuò)散。在內(nèi)徑為0.25 mm的石英毛細(xì)管(即連接管)外軸間隔0.8 mm處放置兩個(gè)10 mm的管式電極,分別為激發(fā)電極和接收電極。將高頻交流電壓(18 kHz，20 V，方波)施加于激發(fā)電極上,通過連接管中的溶液(或管壁)與接收電極耦合形成回路。溶液中溶液電阻的微弱變化通過接收電極經(jīng)信號(hào)處理電路放大和整流處理后轉(zhuǎn)化為可觀測(cè)的直流電信號(hào)。在兩電極之間放置直徑約10 mm、厚0.1 mm的銅箔(與電路地相連)，以屏蔽兩個(gè)電極之間的空氣耦合。檢測(cè)池和信號(hào)處理電路分別密封于接地的金屬殼內(nèi)以屏蔽外界電磁干擾。所有連接線均為屏蔽線，以最大限度降低外界信號(hào)干擾。C4D裝置的等效電路圖見圖1中的內(nèi)插圖。

圖 1 電容耦合非接觸式電導(dǎo)檢測(cè)器的示意圖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)的測(cè)定

以超純水為流動(dòng)相,在1 mL/min流速下對(duì)5 μmol/L的KCl樣品進(jìn)行分析，連續(xù)進(jìn)樣3次,每次進(jìn)樣量為25 μL,記錄峰高和基線背景,計(jì)算相應(yīng)的背景噪聲和信噪比。背景噪聲值等于1 min內(nèi)背景信號(hào)的2倍標(biāo)準(zhǔn)偏差,信噪比相當(dāng)于峰高與背景噪聲的比值。

2 結(jié)果與討論

2.1 電極長(zhǎng)度的影響

管式電極環(huán)繞下的連接管在電路上等效于一個(gè)電容,通常稱為管壁電容[21]。不同電極長(zhǎng)度會(huì)影響C4D的最終性能。固定其他條件不變,考察不同電極長(zhǎng)度在不同激勵(lì)頻率(f)下對(duì)檢測(cè)器信噪比的影響,結(jié)果見圖2?？梢钥闯?在不同頻率下信噪比隨電極長(zhǎng)度的增加而增加,在f≈12 kHz時(shí)尤其顯著。根據(jù)等效電路可知,管壁電容和管內(nèi)溶液電阻是串聯(lián)關(guān)系[9,21],當(dāng)電極長(zhǎng)度增大,管壁電容增大,阻抗減小,有利于提高檢測(cè)器的響應(yīng)。但電極長(zhǎng)度過大會(huì)導(dǎo)致背景響應(yīng)顯著增加,相應(yīng)的背景噪聲也隨之增加,同時(shí)受所用裝置尺寸的限制,未考察更長(zhǎng)的電極。綜合考慮,電極長(zhǎng)度選擇10 mm。

圖 2 電極長(zhǎng)度對(duì)信噪比的影響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 電極間距的影響

圖 3 電極間距對(duì)信噪比的影響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.

雖然在激發(fā)電極與接收電極之間引入屏蔽板可以有效降低兩電極通過空氣耦合產(chǎn)生的雜散電容,但由于屏蔽板上有孔存在(放置檢測(cè)池的通道),因此雜散電容無法完全消除。電極間距的改變會(huì)影響雜散電容、溶液電容和檢測(cè)池電阻等參數(shù),進(jìn)而影響檢測(cè)靈敏度。電極間距對(duì)檢測(cè)器信噪比的影響見圖3,可以看出,隨著電極間距的減小,信噪比逐漸增大;當(dāng)間距為0.8 mm時(shí)信噪比最大,此時(shí)對(duì)應(yīng)的最佳激發(fā)頻率較1.0 mm時(shí)略有增大,由12 kHz增至14 kHz。由于屏蔽板的存在,未考察兩電極更小間距。因此,選取0.8 mm電極間距進(jìn)行后續(xù)優(yōu)化。

2.3 管徑的影響

為考察管徑對(duì)信噪比的影響,選取了3種不同內(nèi)徑(125、250和500 μm)但外徑均為1.6 mm的PEEK管作為檢測(cè)池。如圖4可知,檢測(cè)池管徑增大,檢測(cè)器的信噪比隨之增大,但檢測(cè)池死體積也隨之增大。在PEEK管外徑相同的條件下,內(nèi)徑增大使管壁變薄從而使管壁電容增大池電阻降低,最終檢測(cè)器信噪比顯著提高。為兼顧檢測(cè)器信噪比與死體積,選擇250 μm內(nèi)徑的連接管進(jìn)行后續(xù)考察。

圖 4 管徑對(duì)信噪比和死體積的影響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 檢測(cè)池材質(zhì)的影響

實(shí)驗(yàn)考察了3種材質(zhì)的連接管(檢測(cè)池)對(duì)信噪比的影響(見圖5)。結(jié)果表明,PEEK管作為檢測(cè)池時(shí)較相同規(guī)格的聚四氟乙烯管(polytetrafluoroethylene, PTFE)可得到更高的信噪比或峰高。這可能與PEEK材質(zhì)具有更高的介電常數(shù)有關(guān),介電常數(shù)越大,管壁電容越大。PEEK管(內(nèi)徑0.25 mm,外徑1.6 mm)與石英毛細(xì)管(內(nèi)徑0.25 mm,外徑0.38 mm)相比,后者的信噪比明顯優(yōu)于前者,這可能與后者薄壁結(jié)構(gòu)有關(guān)。盡管二者外徑不同,無法得出石英材質(zhì)優(yōu)于PEEK材質(zhì)的結(jié)論,但在本實(shí)驗(yàn)條件下選擇石英毛細(xì)管作為檢測(cè)池最佳。

圖 5 檢測(cè)池材質(zhì)對(duì)信噪比的影響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.

AnalyteSelf-made C4D detectorRSD/%R2LOD/(μmol/L)Noise (drift)/mVCommercial contact detectorRSD/%R2LOD/(μmol/L)Noise (drift)/nSF-0.820.99560.040.05 (0.17)1.000.99960.030.72 (1.88)Cl-1.230.99670.021.490.99910.01NO-20.870.99500.060.680.99920.04Br-0.960.99530.081.090.99900.05NO-31.120.99680.051.040.99930.03SO2-41.780.99560.061.300.99930.04

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.

2.5 激發(fā)電壓和波形的影響

以石英毛細(xì)管作為檢測(cè)池,考察激勵(lì)電壓和波形對(duì)信噪比的影響。結(jié)果表明,在5～20 V電壓范圍內(nèi)信噪比隨激勵(lì)電壓的增大而增大,在20 V時(shí)信噪比達(dá)到最大值,因此20 V為最優(yōu)激勵(lì)電壓。在最優(yōu)激勵(lì)頻率18 kHz和激勵(lì)電壓20 V下,三角波、正弦波與方波3種波形下對(duì)應(yīng)的信噪比分別為3 843.42±28.66、4 062.35±6.72和4 612.76±25.34。方波激勵(lì)信號(hào)略優(yōu)于其他兩種波形,因此該波形作為最優(yōu)波形進(jìn)行后續(xù)測(cè)試。

2.6 色譜性能評(píng)價(jià)及與商品化器件的性能對(duì)比

將自制的C4D和商品化電導(dǎo)檢測(cè)器串聯(lián)后與ICS-2000相連,對(duì)常見陰離子進(jìn)行分析(見圖6)?？梢钥闯?在兩種檢測(cè)器條件下，常見陰離子的峰高、峰形和分離度等參數(shù)沒有顯著性差異。

圖 6 采用自制C4D和商品化接觸式電導(dǎo)檢測(cè)器時(shí) 常見陰離子的色譜圖Fig. 6 Chromatograms of the common anions by self-made C4D and commercial contact detector Sample: 10 μmol/L F-, Cl-, Br-, 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 結(jié)論

本文成功研制出用于常規(guī)型離子色譜系統(tǒng)的電容耦合非接觸式電導(dǎo)檢測(cè)器,其關(guān)鍵性能指標(biāo)達(dá)到了商品化接觸式電導(dǎo)檢測(cè)器的水平。雖然本文僅以無機(jī)陰離子為目標(biāo)化合物,但通過更換淋洗液和相應(yīng)的抑制器,該電容耦合非接觸式電導(dǎo)檢測(cè)器同樣適用于陽離子檢測(cè)。該模式為離子色譜系統(tǒng)檢測(cè)器的使用提供了一種新選擇。