離子色譜法在現代分析測試技術實驗教學中的應用

羅蘭萍

(廣東石油化工學院，廣東 茂名 525000)

離子色譜起源于1975年，是采用離子交換樹脂為色譜柱填料，以低離子強度的溶液為淋洗液，以電導檢測器來分析水樣中的陰離子或陽離子的一種液相色譜方法，具有操作簡單、測試所需時間短、儀器靈敏度高、色譜柱的選擇性好等特點[1]。離子色譜自問世以來得到迅速發展，在環境、生物、醫藥、農業、食品等領域均有廣泛的應用，是分析化學中發展較快的一種分析方法。

現代分析測試技術是化學、物理等多種學科交叉的一門學科，其分析過程需要使用現代的分析儀器，主要包括色譜類分析儀器、光學類分析儀器、電化學類分析儀器等。隨著現代高新技術的發展，各種現代分析儀器應運而生，現代分析測試技術的應用也日趨普遍，現代分析測試技術的原理和實驗技術已成為材料、化工、環境等領域工作者必不可少的基礎知識和基本技能[2]。在傳統的現代分析測試技術實驗課程中，色譜分析法的內容一般只涉及氣相色譜法與高效液相色譜法。離子色譜法雖然是高效液相色譜的一個分支，但由于其與普通高效液相色譜在儀器的結構和應用范圍即分析對象上存在一定的差異(如目前應用較多的抑制型離子色譜采用了抑制器，而高效液相色譜沒有該裝置；高效液相色譜主要用于有機化合物的分析，而離子色譜可用于無機離子的分析等等)，故也可做為獨立的一個色譜大類。因此，將離子色譜法增加至現代分析測試技術實驗課程中，能豐富現代分析測試技術實驗課程的教學內容，也能使更多的學生了解或掌握離子色譜儀的原理、方法及應用，對高校人才的培養具有重要意義。

1 離子色譜法的介紹

1.1 實驗原理

離子色譜是一種液相色譜技術，是利用被測物質的離子性來實現分離和檢測的。其分離原理主要包括離子交換色譜、離子排斥色譜和離子對色譜三種類型[3]。此次實驗所使用的色譜柱為離子交換色譜柱，是采用功能基團具有固定的電荷的離子交換劑作為固定相，淋洗液中含有與固定相相反電荷的離子，在流動過程中，淋洗液接近固定相的功能基，使其保持電中性。根據交換劑功能基團所帶電荷的不同，可分為陰離子交換劑和陽離子交換劑兩種。實驗中的色譜柱為陰離子交換色譜柱，電荷基團帶正電，色譜柱平衡后，與淋洗液中的帶負電的平衡離子相結合，當樣品溶液(可能含有中性基團、負電基團和正電基團)被淋洗液帶動流經色譜柱時，平衡離子被樣品溶液中的負電離子置換，使負電離子被功能基的電荷所保留，中性離子與正電離子不能被功能基的電荷所保留而隨淋洗液流出，因為不同的負電基團與固定相的作用力不同，作用力小的基團先被置換出，作用力大的需要較高的離子強度才能被置換出，導致在色譜柱上的保留時間存在差異，從而實現了不同的離子的分離。

1.2 儀器的組成

講解完實驗的基本原理后，再按流動相的流通順序，依次對儀器的各組成部件(淋洗液輸送系統、進樣系統、色譜柱、抑制器、檢測系統及數據處理系統)進行介紹。介紹到每個組成部件時，對著該部件的實物進行講解，并讓學生參與簡單的操作，如隨機抽取學生卸下及安裝色譜柱，更換抑制器再生液及清洗液蠕動泵管線的卡口等，以加深學生對儀器結構及原理的了解。

1.3 實驗步驟

包括溶液(淋洗液、再生液、清洗液、標準溶液、樣品溶液)的準備、開機、建立測試方法、測樣、關機等步驟。因課程的核心是學習如何使用離子色譜儀，且配制溶液耗費時間長，為了節省實驗時間，淋洗液、再生液、清洗液在實驗前均已準備好，因此只對學生講解如何配制該溶液，不要求學生進行具體操作。重點講解如何開機、排氣、怎樣設置泵、檢測器等部件的參數、怎樣建立測試方法、如何進行簡單的數據處理、實驗完畢后如何沖洗系統并關機等。

1.4 注意事項及儀器的維護保養

作為一種精密的分析儀器，為保證儀器少出故障、確保實驗數據的準確性及延長儀器的使用壽命，在使用中或使用完畢后對儀器的精心維護是必不可少的。而且部分相關專業的學生畢業后極有可能從事現代分析測試技術的工作，掌握了實驗過程中注意事項及儀器的基本維護保知識，有利于防止不必要的問題或故障出現，也能增強學生解決問題的能力。溶液輸送系統、IC泵、單向閥、在線過濾器、色譜柱為容易發生故障的部件。上機操作前，淋洗液的正確配制尤為重要，淋洗液作為整個系統的流動相，影響到測試結果是否準確及關系到儀器能否正常運行，需要注意的事項包括：所使用的水為超純水、試劑的稱量及定容要準確、配制好后需要用0.22 μm的水系濾膜抽濾、超聲脫氣等步驟；淋洗液使用期限不超過一周，隔天使用時需要重新抽濾、超聲脫氣。淋洗液使用前若未經過濾，溶液中的細小顆粒會造成IC泵或單向閥的堵塞；若未經脫氣，溶液中的氣體會導致壓力不穩定，基線不穩定，甚至會損壞色譜柱。若系統的壓力波動大，可能是單向閥或在線過濾器堵塞，單向閥維護方法為：使用儀器配套的專用工具將單向閥卸下，浸入盛有乙醇溶液的燒杯中，24 h后放入超純水中超聲清洗；在線過濾器維護方法為定期更換濾芯[4]。操作儀器時只有嚴格按操作規程操作，多注意細節問題，才能在儀器使用過程中得心應手。

2 實驗部分

2.1 實驗操作

實驗采取小班化，每組6人左右，配制標準溶液、建立測試方法、手動進樣、數據處理等步驟均讓學生分工合作、自主操作，授課教師在旁邊指導。為確保學生能順利進行實驗，在實驗講解部分完畢以后，授課教師采用6種陰離子(F-、Cl-、Br-、NO3-、PO43-、SO42-)的混合標準溶液做一次完整的演示實驗。儀器旁配備有儀器的詳細操作規程，演示實驗完畢后，安排學生按實驗方案自主操作儀器，有疑問的地方查閱操作規程或請教老師，這樣能突出學生的主體地位、增強學生的分工合作能力、激發學生的學習興趣。演示實驗的色譜圖如圖1所示。

圖1 標準溶液離子色譜圖

2.2 實驗報告

與其他實驗一樣,學生完成實驗后,需要對自己小組的測試結果進行數據處理及分析，并撰寫出一份完整的實驗報告，包括預習、實驗目的、實驗步驟、實驗數據記錄、實驗結果與討論。作為實驗教學中重要的一個環節，實驗報告能檢查學生是否已經掌握所學知識，也能培養學生認真嚴謹的學習態度。授課老師提前將實驗內容告知學生，讓學生進行充分預習，并撰寫好預習報告；在學生自主實驗過程中，授課老師除了與給學生答疑外，還需要仔細觀察并記錄每位學生的表現(如是否確實進行預習、實驗操作是否規范、實驗數據記錄是否準確等)，在實驗報告批閱的評分中作為主要依據之一。實驗完畢后應提醒學生按時上交實驗報告，并及時按實驗報告的具體要求和評分標準進行批閱，對發現的一些較嚴重的問題及時反饋給學生，引導學生不斷提高書寫實驗報告的能力。

3 總結

離子色譜法的應用涉及環境、食品、生物、應用化學等多個領域，與日常生活密切相關，將利用離子色譜儀測試樣品的實驗增加至現代分析測試技術實驗課程中，能有效利用分析測試中心現有的儀器資源，拓展學生的知識面、提高學生的學習興趣及科研水平，同時也拓展了現代分析測試技術實驗教學的內容。