高压电致淋洗液发生器的研制与评价
罗明艳等
摘 要 研制出离子色谱系统的关键部件之一——电致淋洗液发生器。详细考察了其性能参数。此器件关键性能指标均达到国外同类器件的水平,耐压21 MPa, 淋洗液范围可达100 mmol/L,设计使用寿命354天(按工作时间8 h/天)。这将有利于提升国产离子色谱仪器的整机性能。
关键词 离子色谱;淋洗液发生器;氢氧化钾;阴离子
1 引 言
离子色谱是一种用于分析离子型化合物的特殊液相色谱技术[1,2]。区别于液相色谱使用有机相淋洗液,离子色谱通常使用强碱或强酸溶液作为淋洗液。人工配制这些淋洗液时易出现操作误差,特别是强碱溶液(如KOH)易吸收空气中的CO2,变成洗脱强度远大于OH的CO23,影响后续的分离和检测。电致淋洗液发生器(Electrodialytic eluent generator, EDG)技术的出现从根本上克服了该缺陷[3~5]。它是基于电渗析原理,通过电解纯水实现淋洗液的在线产生。它消除了人工配制淋洗液所带来的误差和可能的空气污染,还使整机更易自动化、增强系统的重现性和灵敏度[3,6,7]。
美国赛默飞公司(原戴安公司)于1998年推出了商品化EDG[3]。它作为该公司离子色谱系统的核心部件,近年来一直占据着绝大部分中高端离子色谱市场。尽管从20世纪80年代国内就开始研制离子色谱整机,但对这一关键技术的研究尚属空白,以致于相关技术一直被国外公司所垄断。
实验通过对EDG关键技术研究,成功构建出电致淋洗液发生器实验室样机。测试结果表明,其关键性能参数完全达到国外器件性能水平。另外,该器件还具有淋洗液种类齐全、淋洗液浓度范围宽等优势。
2 实验部分
2.1 试剂
所用样品标准品NaF, KCl, KBr, NaNO3, Na2SO4(上海阿拉丁试剂有限公司);KOH电解液(美国Sigma公司);超纯水由Millipore超纯水仪提供。
2.2 EDG基本原理和结构
以KOH发生器为例,EDG基本原理和结构如图1所示:主要由淋洗液发生器及其附属部件(包括程控恒流源、杂质在线捕获器和在线脱气装置)构成。淋洗液发生器是整个装置的核心。从结构它分为电解室、阳离子膜和发生室三部分。阳离子膜在空间上将电解室和发生室隔离开来。阴、阳电极分别放置于发生室和电解室。工作时,超纯水在高压泵驱动下进入发生室,在恒定电流下阴级区水电解产生OH,而电解室内的K+经过阳离子膜电迁移至发生室与OH结合生成KOH。其浓度取决于施加的电流值。因此通过控制电流大小即可得到所要浓度的KOH。图1中杂质在线捕获器是用于脱除淋洗液内可能的杂质离子(主要来自纯水),而在线脱气装置是脱除电解过程中产生的电解气体。将图1中电解室中的KOH换成甲基磺酸、阳离子膜更换成阴离子膜,同时阴阳电极切换即可变成用于阳离子分析的甲基磺酸发生器。
3 结果与讨论
3.1 耐压性能测试
由于EDG放置于泵和进样阀之间,因此该器件必须要能承受足够的压力以适配色谱系统高压。将EDG串联阻尼,考察纯水在不同流速下经过EDG和阻尼产生的被压,二者拟合即可测试出EDG的动力学稳定性和耐压能力。结果表明, 二者呈现出良好的线性相关(R2>0.9991)。测试表明,EDG可承受至少21 MPa压力,与进口器件(21 MPa)相当,可满足常见离子色谱系统的压力要求。
3.2 淋洗液浓度响应
以KOH 发生器为例,从电流效率、浓度梯度、纯度和稳定性等方面对其性能进行了评价。
由于EDG是基于水电解生成KOH,因此其浓度遵循法拉第定律,也就是正比于所施加的电流强度。由图2可见,产生的KOH浓度与施加电流呈良好的线性关系。在1.0 mL/min流速下,实际测得的KOH浓度与电流拟合方程斜率为0.623,与按照法拉第定律计算出的理论值0.621非常吻合。表明此器件具有近乎理想的电流效率。
由KOH发生器在不同电流条件下产生的浓度梯度(图3)可见,产生的KOH浓度与电流变化高度相关。进一步测试表明,此器件至少可产生100 mmol/L的KOH淋洗液。此浓度水平与进口器件相当,完全可满足常见阴离子分析对淋洗液浓度的要求。配置高抑制容量的抑制器, KOH EDG产生的KOH浓度还有很大的提升的空间。另外,淋洗液发生器本身腔体体积很小(<300 μL),梯度延迟时间小于20 s。这一特点在梯度洗脱模式下确保可忽略的延迟时间。
KOH发生器产生的KOH纯度通过离子色谱系统另一个关键部件抑制器进行了验证。若KOH纯度高则抑制后的背景溶液接近了纯水。两个KOH浓度水平下(10和80 mmol/L)经抑制器抑制后均达到了典型纯水的背景电导(<1 μS/cm);另外,考察了其运行稳定性,结果见图4。在300 min内,KOH浓度波动<0.1 mmol/L,表现出良好的稳定性。
3.3 色谱性能评价及与进口器件的性能对比
将KOH发生器与离子色谱系统连接,在自循环抑制模式下考察了KOH发生器对阴离子的分离(图5a)。需要指出的是,由于所使用的分离柱柱效不高,Br和NO3无法达到基线分离,但这并不影响对KOH发生器的性能评价。由图5a可见,在梯度模式下系统表现出良好的重复性(保留时间和峰面积的RSD分别小于1.6%和2.2%);与进口器件的对比(图5b),二者差异极小。
按每天工作时间8 h计算,在常规1不起mL/min流速下产生典型20 mmol/L KOH浓度计算,该KOH发生器的设计使用寿命为354天。后续使用仅通过更换电解池罐即可实现器件的再生。
4 结 论
成功构建了电致淋洗液发生器样机。其主要性能指标达到国外器件水平,可适配离子色谱系统用于阴阳离子分析。这将有利于提升国产离子色谱系统的整机性能。
References
1 Small H, Stevens T S, Bauman W C. Anal. Chem., 1975, 47(11): 1801-1809
2 Haddad P R. Anal. Bioanal. Chem., 2004, 379(3): 341-343
3 Liu Y, Nebojsa A, Chris P, Richard M, Harpreet D, Ruthann K. Am. Lab., 1998, 30: 48C-54C
4 Small H. LC-GC North Am., 2013, 25(4): 8-15
5 Strong D L, Dasgupta P K, Friedman K, Stillian J R. Anal. Chem., 1991, 63(5): 480-486
6 Yang B C, Takeuchi M, Dasgupta P K. Anal. Chem., 2008, 80(1): 40-47
7 Liu Y, Srinivasan K, Pohl C, Avdalovic N. J. Biochem. Biophys. Methods, 2004, 60(3): 205-232
摘 要 研制出离子色谱系统的关键部件之一——电致淋洗液发生器。详细考察了其性能参数。此器件关键性能指标均达到国外同类器件的水平,耐压21 MPa, 淋洗液范围可达100 mmol/L,设计使用寿命354天(按工作时间8 h/天)。这将有利于提升国产离子色谱仪器的整机性能。
关键词 离子色谱;淋洗液发生器;氢氧化钾;阴离子
1 引 言
离子色谱是一种用于分析离子型化合物的特殊液相色谱技术[1,2]。区别于液相色谱使用有机相淋洗液,离子色谱通常使用强碱或强酸溶液作为淋洗液。人工配制这些淋洗液时易出现操作误差,特别是强碱溶液(如KOH)易吸收空气中的CO2,变成洗脱强度远大于OH的CO23,影响后续的分离和检测。电致淋洗液发生器(Electrodialytic eluent generator, EDG)技术的出现从根本上克服了该缺陷[3~5]。它是基于电渗析原理,通过电解纯水实现淋洗液的在线产生。它消除了人工配制淋洗液所带来的误差和可能的空气污染,还使整机更易自动化、增强系统的重现性和灵敏度[3,6,7]。
美国赛默飞公司(原戴安公司)于1998年推出了商品化EDG[3]。它作为该公司离子色谱系统的核心部件,近年来一直占据着绝大部分中高端离子色谱市场。尽管从20世纪80年代国内就开始研制离子色谱整机,但对这一关键技术的研究尚属空白,以致于相关技术一直被国外公司所垄断。
实验通过对EDG关键技术研究,成功构建出电致淋洗液发生器实验室样机。测试结果表明,其关键性能参数完全达到国外器件性能水平。另外,该器件还具有淋洗液种类齐全、淋洗液浓度范围宽等优势。
2 实验部分
2.1 试剂
所用样品标准品NaF, KCl, KBr, NaNO3, Na2SO4(上海阿拉丁试剂有限公司);KOH电解液(美国Sigma公司);超纯水由Millipore超纯水仪提供。
2.2 EDG基本原理和结构
以KOH发生器为例,EDG基本原理和结构如图1所示:主要由淋洗液发生器及其附属部件(包括程控恒流源、杂质在线捕获器和在线脱气装置)构成。淋洗液发生器是整个装置的核心。从结构它分为电解室、阳离子膜和发生室三部分。阳离子膜在空间上将电解室和发生室隔离开来。阴、阳电极分别放置于发生室和电解室。工作时,超纯水在高压泵驱动下进入发生室,在恒定电流下阴级区水电解产生OH,而电解室内的K+经过阳离子膜电迁移至发生室与OH结合生成KOH。其浓度取决于施加的电流值。因此通过控制电流大小即可得到所要浓度的KOH。图1中杂质在线捕获器是用于脱除淋洗液内可能的杂质离子(主要来自纯水),而在线脱气装置是脱除电解过程中产生的电解气体。将图1中电解室中的KOH换成甲基磺酸、阳离子膜更换成阴离子膜,同时阴阳电极切换即可变成用于阳离子分析的甲基磺酸发生器。
3 结果与讨论
3.1 耐压性能测试
由于EDG放置于泵和进样阀之间,因此该器件必须要能承受足够的压力以适配色谱系统高压。将EDG串联阻尼,考察纯水在不同流速下经过EDG和阻尼产生的被压,二者拟合即可测试出EDG的动力学稳定性和耐压能力。结果表明, 二者呈现出良好的线性相关(R2>0.9991)。测试表明,EDG可承受至少21 MPa压力,与进口器件(21 MPa)相当,可满足常见离子色谱系统的压力要求。
3.2 淋洗液浓度响应
以KOH 发生器为例,从电流效率、浓度梯度、纯度和稳定性等方面对其性能进行了评价。
由于EDG是基于水电解生成KOH,因此其浓度遵循法拉第定律,也就是正比于所施加的电流强度。由图2可见,产生的KOH浓度与施加电流呈良好的线性关系。在1.0 mL/min流速下,实际测得的KOH浓度与电流拟合方程斜率为0.623,与按照法拉第定律计算出的理论值0.621非常吻合。表明此器件具有近乎理想的电流效率。
由KOH发生器在不同电流条件下产生的浓度梯度(图3)可见,产生的KOH浓度与电流变化高度相关。进一步测试表明,此器件至少可产生100 mmol/L的KOH淋洗液。此浓度水平与进口器件相当,完全可满足常见阴离子分析对淋洗液浓度的要求。配置高抑制容量的抑制器, KOH EDG产生的KOH浓度还有很大的提升的空间。另外,淋洗液发生器本身腔体体积很小(<300 μL),梯度延迟时间小于20 s。这一特点在梯度洗脱模式下确保可忽略的延迟时间。
KOH发生器产生的KOH纯度通过离子色谱系统另一个关键部件抑制器进行了验证。若KOH纯度高则抑制后的背景溶液接近了纯水。两个KOH浓度水平下(10和80 mmol/L)经抑制器抑制后均达到了典型纯水的背景电导(<1 μS/cm);另外,考察了其运行稳定性,结果见图4。在300 min内,KOH浓度波动<0.1 mmol/L,表现出良好的稳定性。
3.3 色谱性能评价及与进口器件的性能对比
将KOH发生器与离子色谱系统连接,在自循环抑制模式下考察了KOH发生器对阴离子的分离(图5a)。需要指出的是,由于所使用的分离柱柱效不高,Br和NO3无法达到基线分离,但这并不影响对KOH发生器的性能评价。由图5a可见,在梯度模式下系统表现出良好的重复性(保留时间和峰面积的RSD分别小于1.6%和2.2%);与进口器件的对比(图5b),二者差异极小。
按每天工作时间8 h计算,在常规1不起mL/min流速下产生典型20 mmol/L KOH浓度计算,该KOH发生器的设计使用寿命为354天。后续使用仅通过更换电解池罐即可实现器件的再生。
4 结 论
成功构建了电致淋洗液发生器样机。其主要性能指标达到国外器件水平,可适配离子色谱系统用于阴阳离子分析。这将有利于提升国产离子色谱系统的整机性能。
References
1 Small H, Stevens T S, Bauman W C. Anal. Chem., 1975, 47(11): 1801-1809
2 Haddad P R. Anal. Bioanal. Chem., 2004, 379(3): 341-343
3 Liu Y, Nebojsa A, Chris P, Richard M, Harpreet D, Ruthann K. Am. Lab., 1998, 30: 48C-54C
4 Small H. LC-GC North Am., 2013, 25(4): 8-15
5 Strong D L, Dasgupta P K, Friedman K, Stillian J R. Anal. Chem., 1991, 63(5): 480-486
6 Yang B C, Takeuchi M, Dasgupta P K. Anal. Chem., 2008, 80(1): 40-47
7 Liu Y, Srinivasan K, Pohl C, Avdalovic N. J. Biochem. Biophys. Methods, 2004, 60(3): 205-232