高端離子色譜功能樣機的性能測試及開發

施超歐 王 勇 劉玉梅 趙曉含 李 曉 張業平

(1.華東理工大學 化學與分子工程學院 分析測試中心，上海 200237；2.通用(深圳)儀器有限公司，深圳 518000)

1 引言

熱電公司的ICS3000/ICS5000/ICS5000+/ICS6000雙系統多功能離子色譜儀作為高端的離子色譜儀，廣泛應用于各種復雜樣品分析和高要求工作中[1-3]，發揮了巨大的作用，尤其其變色龍軟件的強大功能，大大提升了儀器的性能。

國產離子色譜儀大多僅僅滿足常規的分析，在低端離子色譜儀中互相競爭，與國外高端產品無法相抗衡[4-7]。為提升國內離子色譜水平，國家啟動了重大科學儀器設備開發專項—“多功能離子色譜儀的開發與產業化”，但產品的檔次對比ICS高端系列，還是存在著很大的差距。

為縮短與國外的差距，填補國內空白，在對離子色譜儀器進行深入研究的基礎上[8-12]，我們集中精力研發了Peek四元梯度泵，多功能自動進樣器以及各種檢測器尤其具有脈沖安培功能的檢測器以及相應的色譜軟件，這3個模塊和軟件在國家重大離子色譜專項中基本沒有涉及。

本工作對這3個模塊進行了性能測試，結果表明，整體性能良好，已經具備小批量生產的條件。

2 儀器參數

2.1 Peek四元梯度泵

高壓恒流泵：國內首臺高性能、低脈沖低壓peek四元雙柱塞恒流泵，采用高精度步進電機驅動精密滾珠絲桿系統，提高了其使用的可靠性、穩定性和耐用性，可根據需要選擇分析型等度泵及四元梯度泵，可外接TTL控制。

(1)最大耐壓：40MPa；

(2)壓力顯示精度：≤0.1MPa；

(3)流量范圍：0.001～9.999mL/min；

(4)壓力脈動：≤0.02MPa；

(5)流量穩定性：0.2～0.5mL/min≤3%；

05～1.0mL/min ≤2%；

大于1.0mL/min≤2%。

2.2 多功能自動進樣器

兩種進樣瓶可選，注射器規格可選，可實現在線濃縮富集以及雙系統交叉進樣。可升級為部分進樣。可外接TTL和R232控制。可由進口軟件控制，全自動運行。

(1)進樣位：標配64位(8×8，8mL)，選配 142位(12×12-2，2mL);

(2)注射器：標配250μL，選配100μL，500μL，1000μL，2500μL，5000μL；

(3)進樣閥：可選(六通閥或十通閥)，可預設1～2個閥；

(4)進樣體積：滿環進樣方式，可升級為部分進樣方式；

(5)進樣速度：抽取，推樣五檔速度可調；

(6)清洗：清洗速度可調，清洗體積和清洗次數可調。

2.3 電化學檢測器

可選擇二電極電導檢測器或脈沖安培檢測器(二選一)，包含柱溫箱模塊，含數字和模擬輸出以及TTL和232接口。安培檢測器包括金、銀和白金電極以及不同厚度的墊片，滿足不同檢測的需求。

2.3.1電導檢測器

(1)量程：0.0001～16000μS，無需換擋，量程自動調節；

(2)檢測頻率高達100Hz；

(3)最大耐壓：10MPa(1500psi)；

(4)儀器線性：≥0.995；

(5)定性重復性RSD6定性：≤1.5%；

(6)定量重復性RSD6定量：≤1.5%；

(7)恒溫精度：室溫～60±0.01℃。

2.3.2安培檢測器

(1)3種檢測方法：直流安培、脈沖安培、積分安培法，以滿足不同樣品的需求；

(2)工作電極:金電極、鉑電極、銀電極。電極尺寸1mm，2mm，3mm，墊片厚度1mil，2mil，3mil，4mil，5mil以及更厚的定制尺寸；

(3)參比電極：Ag/AgCl(飽和KCl)參比電極；

(4)池體積：<0.5μL(墊片厚度1mil)。

2.4 紫外檢測器

(1)波長范圍：190nm～700nm；

(2)光譜帶寬：5nm；

(3)波長示值誤差：≤±1nm；

(4)基線噪聲：≤±2×10-5AU(甲醇、1mL/min、254nm、20℃)；

(5)基線漂移：≤±5×10-3AU/h(甲醇、1mL/min、254nm、20℃)；

(6)最低檢測濃度：≤5×10-9g/mL(萘)

(7)波長掃描：多波長時間編程(10波段)；

(8)池體積：8μL；

(9)系統重復性RSD6定性：≤0.05%；

(10)系統重復性RSD6定量：≤0.2%。

2.5 軟件

系統可接兩個泵、兩個檢測器、多個閥，具備常規的分析功能和數據處理功能。

3 性能測試

3.1 Peek四元梯度泵的測試

參考液相色譜儀及離子色譜儀的相關國家標準(JJG 705-2014、GB/T 26792-2011、GB/T 36240-2018、JJG 824-2014)對四元梯度泵的各項指標進行測試[13-16]。

3.1.1輸液泵耐壓檢定

流量設定為0.1mL/min，將輸液泵最高壓力設定在壓力上限值90%處，待系統壓力平穩后并且保持10min。用堵頭將泵出口堵住，系統壓力將逐漸上升，當達到輸液泵壓力上限值90%時，輸液泵停止運行，記錄此時系統顯示的壓力值，同時按下秒表，10min后記錄壓力顯示值，按規定泵的壓力下降值不能大于5Mpa，或者壓力下降值在最高壓力的2%以內，檢定結果如表1所示。

表1 四元梯度泵的耐壓檢定

3.1.2泵流量設定值誤差和流量穩定性測試

用儀器專用管路連接輸液泵的出口、入口，出口適當加一背壓(8MPa±2MPa)，參考國家標準方法測定流量。設置流量為0.1mL/min、0.2mL/min、0.5mL/min、1.0mL/min各收集10分鐘，設置流量為1.5mL/min、2.0mL/min各收集5min,測定結果如表2所示。

表2 四元梯度泵流量測定值 mL/min

根據流量流速的測試數據計算出輸液泵的流量設定值誤差，流量穩定性(相對標準偏差)，檢定結果如表3所示。

表3 輸液泵的流量檢定結果

從表中可以看出，輸液泵的流量準確性能夠滿足2%的要求。

3.1.3泵梯度設定值誤差檢定

參照液相色譜儀相關國家標準，對泵的梯度設定值進行測試，采用紫外檢測器，數據表明結果良好。設置梯度從0到100%，變化的數據為-0.2mAU、35.5 mAU、71.8 mAU、108.6 mAU、145.7 mAU、183.4 mAU，差值35.7 mAU、36.3 mAU、36.8 mAU、37.1 mAU、37.7 mAU。計算得到設定值誤差分別為0.56%、0.78%、0.74%和0.53%，小于國家規定的2%。四元梯度泵性能測試結果如圖1所示。

圖1 四元梯度泵性能測試結果

3.2 自動進樣器的測試

目前離子色譜國標中沒有自動進樣器的標準，參考最新液相色譜的檢定方法[17]，將其應用到離子色譜中。

3.2.1自動進樣器取樣精度測試

由于離子色譜自動進樣器進樣方式與液相色譜不一，而且目前只有滿環的進樣方式，整體要求比較簡單，這里僅僅對自動進樣器的取樣精度進行了簡單的測試。根據設定的不同定量環體積以及倍數關系(注射器 250μl)，并設置相應的死體積，檢測其取樣精度，測試結果如表4所示。

表4 自動進樣器取樣精度測試

從測試結果看，實際取樣體積與定量環設置和倍數有關，與死體積的設置無關，儀器設置最大進樣量為注射器的90%，僅能取樣1次，說明整個程序還需改進，尤其需要考慮死體積的關系。

3.2.2自動進樣器殘留測試

對一定高濃度的CN-進行分析，設置進樣后不清洗定量環，清洗1次定量環，清洗2次定量環，結果表明，不清洗殘留為9.31%，清洗1次殘留為0.25%，清洗2次殘留為零，因此，設置進樣后,2次清洗即可。自動進樣器殘留小于最新國家標準規定的0.01%。

采用氰根離子專用柱，準確配置20mmol/L Na2CO3，14.7mmol/L乙二胺，10mmol/L硼酸，流速1.0ml/min，安培檢測器。測試結果如圖2所示。

圖2 進樣后不清洗、清洗1次與清洗兩次色譜圖

3.3 脈沖安培檢測器部件的開發及測試

3.3.1電極墊片的開發

我們收集了可能的各種不同聚合物材質類型的膜片，對其進行了相關性能測試，并制成不同厚度的墊片，進行評價，并與進口原裝比較。

從各種材料看，大部分可以用，少數不太適合，從實際使用效果看，不同厚度的墊片應采用不同的材質。設計的膜厚度從0.025mm～0.3mm之間(25.4μm=1mil 毫英寸)。

3.3.2不同尺寸電極和墊片厚度對測定結果的影響

自行開發了1mm、2mm、3mm的金電極，對3種尺寸金電極，以及不同厚度墊片的測試。結果表明響應值主要依賴于電極的大小，直徑越大響應值越大，但隨著直徑的增加單位響應效率反而比較低，厚度影響其次，厚度對響應的隨著高度的增加而減小，并不成線性，但符合指數冪的關系。

對于噪聲，不同厚度對噪聲值基本不變，但隨著電極直徑的增加而增加，電極直徑和厚度應有一個合適的比例，其實驗結果為最后產品定型提供了可靠的數據。

3.3.3脈沖安培檢測器的重現性測試

目前已經可以實現金電極和銀電極的脈沖安培檢測，用于糖和CN-的分析。

采用PA10色譜柱，200mmol/L NaOH，流速1.0mL/min，脈沖安培電位，乳糖5mg/L，進樣量20μL，柱溫30℃。連續進樣10次，測定其保留時間，峰高和峰面積。結果表明，定性和定量重復性相對標準偏差小于國家標準規定的1.5%，重復性良好。測試結果如表5、圖3所示。

表5 乳糖脈沖安培的重現性數據

圖3 乳糖的脈沖安培重現性

3.4 電導檢測器的性能測試

3.4.1最小檢測濃度檢定

根據離子色譜儀相關國家標準，準確配置0.5μg/mL的Cl-進行測定，記錄色譜圖，由色譜峰高和基線噪聲，標準溶液濃度以及進樣體積，按式(1)計算最小檢測濃度(按25μL進樣量計算)。

(1)

式中：Cmin——最小檢測濃度，μg/mL；

HN——基線噪聲峰峰值，μS；

c——標準溶液濃度，μg/mL；

H——標準溶液的色譜峰峰高，μS；

V——進樣體積，μL。

通過計算，其最小檢測濃度為3.46×10-4μg/mL。通過檢測表明，其噪聲滿足國家標準規定的0.005μS的要求，漂移小于0.10μS，最小檢測濃度小于0.02μg/mL。結果如表6所示。

表6 各項檢測指標結果

3.4.2儀器線性的檢定

選擇在兩個數量級范圍內，均勻分布的用水稀釋的5個濃度的Cl-系列標準溶液進行測量，每個濃度點測試3次取平均值，并與標準溶液的標準值做線性回歸，按式(2)計算其相關系數。

(2)

式中：Ci——第i種溶液的濃度；

Ai——第i種離子的峰面積；

n——某個離子濃度的個數；

C——某個離子的算數平均濃度；

A——某個離子的算數平均峰面積。

結果表明，儀器線性結果良好，大于國家計量檢定規程的0.995。儀器線性結果如表7所示。

表7 儀器線性的檢定結果

3.5 紫外檢測器的性能測試

紫外檢測器從液相色譜移植而來，原來就有。參照相關國家標準對紫外檢測器的基線噪聲、基線漂移、最小檢測濃度、波長示值誤差、波長重復性和儀器線性進行測試。結果表明，基線噪聲小于5×10-5AU，基線漂移為6.6×10-4AU/h，波長示值誤差小于2nm，波長重復性小于2nm，最小檢測濃度為0.005μg/mL，儀器線性為0.999。結果如表8所示。

表8 各項檢測指標結果

3.6 軟件的性能測試

對自行開發的色譜軟件進行測評，結果表明，能實現相應的基本功能，功能設置較復雜，對于硬件，比普通色譜軟件只能控制一個泵，一個檢測器的問題，本軟件可以實現雙泵、雙檢測器的控制，可以實現多閥的序列切換。針對安培的pH校正，設置了特殊的優化方式，在沒有標準溶液的條件下，也可以進行校正。對脈沖安培模擬信號輸出進行了優化，克服了采樣頻率低，信號容易失真的問題。

整體達到了試用水平，但在個別功能設置，程序參數優化等方面，還需要投入很大的精力。

4 結論

對儀器的3個部件進行了性能測試，并長時間運行，結果表明性能良好，能滿足較高要求的檢測。根據相關國家標準，對四元梯度泵進行測試，其壓力下降值小于5MPa，流量準確性能滿足2%的要求，泵梯度設定值誤差小于2%；對自動進樣器進行測試，其殘留小于最新相關標準的0.01%；對脈沖安培檢測器進行測試，其定性重復性小于1.5%；對電導檢測器進行測試，其噪聲滿足0.005μS的要求，漂移小于0.1μS，最小檢測濃度小于0.02μg/mL，儀器線性大于國家標準規定的0.995；對紫外檢測器進行測試，基線噪聲小于5×10-5AU、基線漂移為6.6×10-4AU/h、波長示值誤差小于2nm、波長重復性小于2nm、最小檢測濃度為0.005μg/mL、儀器線性為0.999。但在具體儀器結構細節上，需要進一步優化，以確保運行的可靠性。儀器中各個部件可以獨立運行，可以由熱電的變色龍軟件控制，這顯示了在進口低端機上進行升級的特殊潛力，達到了設計要求。尤其脈沖安培檢測器軟件的pH快速校正功能，具有鮮明的自己特色，實現了比進口機器更好用的特點。脈沖安培的模擬信號輸出解決了采樣頻率低，信號輸出易失真的問題。同時加上原有的紫外檢測器，成為國內唯一同時擁有3種檢測器類型的離子色譜儀器。

但是在整體軟件上，與進口還有較大的差距，軟件的性能制約了整機性能的提升，需要以后進一步提升。