黃維雄

(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)環(huán)境學(xué)院, 湖北 武漢 430074)

IC一般以低交換容量的離子交換樹脂為固定相[5,8],其柱容量通?？刂圃?0-6～10-4eq/mL之間[9](eq表示當(dāng)量,是早期文獻(xiàn)中常用的單位,本文沿用該單位)。與高效液相色譜(HPLC)中廣泛使用的硅膠固定相不同,抑制型離子色譜由于通常使用強(qiáng)酸或強(qiáng)堿淋洗液而要求能夠耐受pH 0～14的固定相,因此現(xiàn)代IC一般采用有機(jī)聚合物固定相以滿足耐受極端pH的要求。IC固定相通常由基質(zhì)和功能基團(tuán)兩部分組成[6]。根據(jù)表面功能基與固定相基質(zhì)的連接方式,可將IC固定相分為接枝型[10]與靜電乳膠附聚(electrostatic latex agglomeration, ELA[11])型。接枝型固定相中功能基與基質(zhì)通過化學(xué)鍵合的方式連接,穩(wěn)定性較高;而ELA型固定相則通過靜電引力作用將帶有功能基團(tuán)的乳膠微球附聚到帶相反電荷的基質(zhì)上,獲得非常高的比表面積和交換容量。

開管毛細(xì)管液相色譜柱具有體積小、柱壓低、柱效高、固定相用量小、試劑消耗少等優(yōu)點(diǎn)。為保證高柱效,開管液相色譜柱均為毛細(xì)管柱,其內(nèi)徑一般小于100 μm[12]。為簡便起見,本文從此處起以“開管液相色譜柱”表示開管毛細(xì)管液相色譜柱,以“開管離子色譜(open tubular ion chromatography, OTIC)柱”表示開管毛細(xì)管離子色譜柱。1979年,Knox等[13]研究了微柱色譜理論并詳細(xì)討論了液相色譜毛細(xì)管填充柱和開管液相色譜柱的分離效率[13,14],通過理論計(jì)算得出開管液相色譜柱的優(yōu)化內(nèi)徑為0.26 μm,分析時(shí)間僅為毛細(xì)管填充柱的1/100。如此小內(nèi)徑的開管液相色譜柱在實(shí)際應(yīng)用中難以實(shí)現(xiàn)。

OTIC的理論源自開管液相色譜。而作為一種離子分析的專用方法,IC又具有獨(dú)特性,如固定相為離子交換固定相、淋洗液為酸堿等電解質(zhì)水溶液,檢測器為電導(dǎo)檢測器,使用電化學(xué)抑制技術(shù)降低淋洗液背景等。如果OTIC能夠繼承常規(guī)IC的這些特點(diǎn),則OTIC將成為可媲美甚至超越常規(guī)IC的高效離子分析方法。事實(shí)上,隨著OTIC柱[15-20]制備技術(shù)的發(fā)展,非接觸式電導(dǎo)檢測器(capacitively coupled contactless conductivity detector, C4D)[21-24]和溶液接觸式毛細(xì)管電導(dǎo)檢測器[25]的出現(xiàn)以及毛細(xì)管抑制器[18,26,27]的成功研制,抑制型開管離子色譜法已在實(shí)驗(yàn)室中成功實(shí)現(xiàn)[27]。

由于OTIC研究進(jìn)展緩慢,相關(guān)報(bào)道很少,因此目前關(guān)于OTIC的綜述性報(bào)道均包含于毛細(xì)管離子色譜[12,28,29]和毛細(xì)管液相色譜[30]中。近年來,美國的Dasgupta組在OTIC的研究(特別是分離柱方面)已取得突破性進(jìn)展[9,20,25,27,31]。而目前國內(nèi)涉及開管柱的研究多集中在開管液相色譜[32,33]和開管毛細(xì)管電色譜[34,35]領(lǐng)域,極少涉及OTIC[29,36]。本文將依據(jù)OTIC的發(fā)展歷程詳盡地闡述開管離子色譜柱的制備和表征方法。對OTIC系統(tǒng)中微量進(jìn)樣裝置[17,37,38]和檢測器[23,24,39-42]等感興趣的讀者可自行查閱相關(guān)文獻(xiàn)。

1 OTIC柱的制備

本文依據(jù)OTIC柱制備的發(fā)展歷程,將OTIC柱按基質(zhì)材料分為二氧化硅基質(zhì)和有機(jī)聚合物基質(zhì)兩大類。

1.1 二氧化硅基質(zhì)的OTIC柱

1981年,Ishii等[15]制備了磺酸型陽離子交換OTIC柱:30～60 μm i.d.的玻璃毛細(xì)管內(nèi)表面先經(jīng)苯基三乙氧基硅烷或者2-巰基乙基三乙氧基硅烷化學(xué)修飾,再通過濃硫酸或者高錳酸鹽氧化以獲得離子交換基團(tuán)。所得的開管陽離子分離柱的柱容量為2×10-8eq/m。實(shí)驗(yàn)表明增加內(nèi)表面積可有效增大柱容量,升高柱溫可明顯地提高柱效。1987年,Pfeffer等[43]將氯化十六烷基吡啶動(dòng)態(tài)修飾到C8反相開管柱上,制成陰離子交換開管柱。

1983年,Manz等[44]制備了三氯十八烷基硅烷修飾的二氧化硅開管柱(25 μm i.d.)。1989年,Muller等[45]報(bào)道了更小內(nèi)徑(9.5、5.4和4.6 μm)的聚丁二烯磺酸或聚丁二烯馬來酸修飾的陽離子交換二氧化硅開管柱,成功分離了堿金屬、堿土金屬離子、6種氨基酸和4種核苷。為了制備厚度約0.1 μm的固定相,作者采用靜態(tài)真空加溫干燥技術(shù)制備開管柱,真空加溫干燥時(shí)間長達(dá)6個(gè)星期。1991年該課題組又采用靜態(tài)與動(dòng)態(tài)相結(jié)合的開管柱制備技術(shù)[16],分別制備了固定相厚度更薄的陽離子交換開管柱和陰離子交換開管柱:4.6 μm i.d.的陽離子交換開管柱可在25 s內(nèi)分離堿金屬離子;相同內(nèi)徑的陰離子交換開管柱在35 s內(nèi)即可分離6種常見的一價(jià)陰離子;2.3 μm i.d.的二氧化硅毛細(xì)管內(nèi)表面不需要任何化學(xué)修飾,僅需控制pH 9.4,利用毛細(xì)管內(nèi)表面自帶的硅醇基即可在70 s內(nèi)實(shí)現(xiàn)Li+/Na+(共淋洗)、K+、Rb+和Cs+等陽離子的快速分離。但是隨著柱內(nèi)徑的減小,開管柱的制備難度顯著增加,如越來越容易發(fā)生堵塞等[19];另外,使用硅烷化學(xué)修飾的陽離子交換和陰離子交換二氧化硅開管柱在高pH條件下不穩(wěn)定[16,18,19]。

在液相色譜中,溶質(zhì)在固定相和流動(dòng)相中的擴(kuò)散系數(shù)相當(dāng),增加固定相厚度所導(dǎo)致的柱效損失較氣相色譜而言要小得多[13]。為了增加柱容量以及減少開管柱制備時(shí)間,可使用75 μm i.d.的二氧化硅毛細(xì)管制備多層固定相修飾的開管柱[18,26,46]。在制備二氧化硅開管柱之前,通常需要對二氧化硅毛細(xì)管內(nèi)表面進(jìn)行化學(xué)預(yù)處理[16,17],例如先用HF/HNO3(2.5%, v/v)腐蝕毛細(xì)管內(nèi)壁30 min,再用HCl(1%, v/v)清洗30 min,最后用去離子水清洗至pH中性[17]。目的是獲取盡可能多的硅醇基以增強(qiáng)固定相的附著力。

2007年,Kuban等[18]利用雙環(huán)氧化合物和伯胺的縮聚反應(yīng),采用動(dòng)態(tài)縮聚技術(shù),制備了陰離子交換固定相修飾的開管柱(75 μm i.d.)。制備過程如下:(A)將2.8%甲胺和7.2% 1,4-丁二醇二縮水甘油醚(1,4-butanedioldiglycidyl ether, BDDE)的混合水溶液持續(xù)泵入預(yù)處理后的二氧化硅毛細(xì)管30 min,獲得黏附在毛細(xì)管內(nèi)壁的“第一層”; (B)依次泵入4%甲胺水溶液30 min, 10% BDDE水溶液30 min; (C)重復(fù)n-1次步驟(B)。每層固定相的制備時(shí)間約1 h。固定相的結(jié)構(gòu)見圖1。掃描電鏡實(shí)驗(yàn)測得7層固定相的厚度約200 nm。采用逐層動(dòng)態(tài)縮聚方法的優(yōu)點(diǎn)是可通過逐層性能表征以確定合適的縮聚層數(shù)。作者通過該法制備了多達(dá)25層的多孔型固定相。實(shí)驗(yàn)表明柱容量隨著縮聚層數(shù)的增加而增加。將該開管柱與管狀抑制器連接,以1.0 mmol/L KOH為淋洗液,采用C4D檢測,首次獲得了抑制型開管離子色譜圖。但是由于該開管柱的內(nèi)徑為75 μm,需要長達(dá)5 m的柱長才能得到滿意的柱效,且所獲得的離子色譜圖的死時(shí)間太長。2011年,Huang等[26]采用類似的縮聚技術(shù),制備了多層殼聚糖修飾的陰離子交換開管柱(75 μm i.d.)。

圖1 聚合物結(jié)構(gòu)[18]

2008年,Kuban等[46]制備了以多層聚丁二烯-馬來酸(poly(butadiene-maleic acid), PBMA)為固定相的陽離子交換開管柱。單層固定相制備過程如下:先將PBMA聚合物前體與5%的偶氮二異丁腈的混合物泵入預(yù)處理過的二氧化硅毛細(xì)管,再用N2將柱中的混合液吹出,僅在毛細(xì)管內(nèi)壁留下一層很薄的液膜;然后將含液膜的毛細(xì)管置于烘箱中進(jìn)行熱聚合反應(yīng)(160 ℃, 15 min)。多層固定相可通過同樣的方式逐層疊加制備。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)單層固定相的厚度取決于PBMA的使用濃度。兩層PBMA修飾的二氧化硅開管柱(1 m×75 μm i.d.)可通過重力流以1 mmol/L酒石酸為淋洗液在10 min內(nèi)分離4種堿金屬陽離子。

一種更為簡便的開管柱制備方式是采用ELA技術(shù),將乳膠微球固定相靜電吸附到帶相反電荷的基質(zhì)上。該技術(shù)具有快速傳質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)[19],可追溯到最早的抑制型離子色譜報(bào)道[1]。隨著乳膠微球制備技術(shù)的發(fā)展,ELA已成為一種IC固定相制備的常用技術(shù)[19,47,48]。由于酸處理后的二氧化硅毛細(xì)管內(nèi)表面的硅醇基在一定的pH條件下會(huì)電離而使其內(nèi)表面帶負(fù)電,因此帶正電的乳膠微球極易靜電吸附到二氧化硅毛細(xì)管的內(nèi)表面,形成單層陰離子交換固定相。同種乳膠微球由于帶同種電荷而互相排斥,因此只能單層吸附。

1997年,Pyo等[17]將粒徑為375 nm的陰離子交換乳膠微球靜電吸附到二氧化硅毛細(xì)管(3 m×50 μm i.d.)內(nèi)表面,制成陰離子交換開管柱。制備過程非常簡單:直接將稀乳膠微球懸濁液持續(xù)泵入預(yù)處理過的二氧化硅毛細(xì)管,再用去離子水沖洗毛細(xì)管以除去毛細(xì)管中未吸附的乳膠微球即制成開管柱。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)用該法制得的單層乳膠微球附聚的開管柱已具備較大的柱容量。為進(jìn)一步增大柱容量,可對二氧化硅開管柱進(jìn)行陰離子交換乳膠(A)和陽離子交換乳膠(B)微球的交替吸附,如形成A-B-A-B-A 5層吸附結(jié)構(gòu)[18]。實(shí)驗(yàn)表明通過這種交替吸附方式所制得的開管柱的柱容量雖然比單層吸附更高,但卻損失了柱效。2012年,Diao等[36]也采用該方法制備了多層乳膠交替吸附的二氧化硅開管柱。將ELA技術(shù)應(yīng)用于二氧化硅開管柱的不足在于:高pH的淋洗液會(huì)使乳膠微球從毛細(xì)管的內(nèi)表面整體脫落,損壞開管柱。

ELA技術(shù)也用于制備開管毛細(xì)管電色譜柱[49]、預(yù)濃縮柱[50]和硅膠整體柱[51]。2000年,Breadmore等[49]將AS5A(75 nm粒徑)乳膠微球靜電吸附到二氧化硅毛細(xì)管內(nèi)表面用于無機(jī)陰離子的毛細(xì)管電色譜分離。2006年,Zhang等[50]將AS5A和CS3(300 nm粒徑)乳膠微球依次吸附到二氧化硅毛細(xì)管內(nèi)表面,制成雙層離子交換乳膠吸附開管柱(見圖2),用于陽離子的毛細(xì)管電色譜預(yù)濃縮和電泳分離。

圖2 雙層乳膠附聚二氧化硅開管柱結(jié)構(gòu)示意圖[50]

1.2 有機(jī)聚合物基質(zhì)的OTIC柱

采用ELA技術(shù)制備開管柱的最大優(yōu)點(diǎn)是易制備和耗時(shí)短(可低于30 min)。除了二氧化硅以外,很多有機(jī)聚合物的表面也容易經(jīng)氧化/水解/磺化而使其表面帶負(fù)電[19],因此也可以將帶正電的乳膠微球吸附到經(jīng)化學(xué)預(yù)處理的有機(jī)材質(zhì)毛細(xì)管內(nèi)壁上。

在經(jīng)典的采用抑制電導(dǎo)檢測的陰離子交換色譜法中,當(dāng)淋洗液為OH-時(shí),經(jīng)抑制后的淋洗液是極弱電離的純水,這極大地降低了淋洗液背景電導(dǎo),從而降低了噪聲水平,提高了信噪比,降低了檢出限;同時(shí)通過抑制器引入極限摩爾電導(dǎo)值更高的對離子,進(jìn)一步提高了被分析離子電導(dǎo)檢測的靈敏度。因此抑制電導(dǎo)檢測比直接(非抑制)電導(dǎo)檢測靈敏度更高,檢出限更低。

鑒于抑制電導(dǎo)檢測靈敏度高、檢出限低的優(yōu)點(diǎn)以及ELA型開管柱容易制備的特點(diǎn),Dasgupta組一直致力于研制兼容OH-淋洗液的ELA型陰離子交換開管柱,并結(jié)合抑制電導(dǎo)檢測,實(shí)現(xiàn)抑制型開管離子色譜。

首先是兼容OH-淋洗液的ELA型開管柱的制備。早期的嘗試包括ELA型二氧化硅開管柱(50 μm i.d.)的制備[17]。經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)該開管柱不兼容OH-淋洗液[18]:低濃度的OH-淋洗液(<5 mmol/L)在幾分鐘內(nèi)就會(huì)使開管柱中的乳膠微球脫落,損壞分離柱。不兼容的原因可能如下:硅醇基的酸性極弱,吸附乳膠微球時(shí)未完全電離,導(dǎo)致其與乳膠微球間靜電引力太弱;淋洗液中的氫氧根腐蝕二氧化硅基質(zhì)。

為此,Dasgupta組[19,20]嘗試使用有機(jī)聚合物材質(zhì)的毛細(xì)管:Zhang等[19]采用ELA技術(shù)制備了聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate, PMMA)基質(zhì)的陰離子交換開管柱(16～20 μm i.d.),使用3種無損方法測定該開管柱的柱容量,并搭建了一套非抑制型開管離子色譜系統(tǒng)[37]。PMMA開管柱的制備過程如下:(A)毛細(xì)管內(nèi)表面預(yù)處理:取一段約80 cm的PMMA毛細(xì)管,先用乙醇沖洗30 min,清除柱內(nèi)可能殘留的有機(jī)物,再用去離子水沖洗毛細(xì)管,然后持續(xù)泵入NaOH溶液(10%, w/v)90 min(利用強(qiáng)堿水解毛細(xì)管內(nèi)表面的酯基以獲得帶負(fù)電的-COO-),最后再用去離子水沖洗毛細(xì)管至pH中性。(B)乳膠附聚:用兩個(gè)氣動(dòng)泵將稀釋10倍的乳膠懸濁液正反向交替(每個(gè)方向10 min)泵入PMMA毛細(xì)管至少2 h,然后用一個(gè)氣動(dòng)泵單方向泵入去離子水,置換出未吸附的乳膠懸濁液。實(shí)驗(yàn)表明使用1 mmol/L苯甲酸鈉淋洗液,該開管柱對Cl-的柱效可達(dá)到1.5×105/m;但是當(dāng)使用≥ 10 mmol/L OH-淋洗液一段時(shí)間后,乳膠微球仍然從PMMA開管柱的內(nèi)表面脫落[19,20]。原因可能是淋洗液中的OH-腐蝕PMMA基質(zhì)(PMMA在堿性條件下易水解)。

圖3 AS18乳膠附聚COP開管柱梯度色譜圖[27]

Huang等[20]進(jìn)一步嘗試了環(huán)烯烴聚合物/共聚物(cycloolefin polymer/copolymer, COP/COC)材質(zhì)的毛細(xì)管,成功制備了兼容OH-淋洗液的ELA型陰離子交換COP開管柱(19～28 μm i.d.)。制備過程如下:(A)毛細(xì)管內(nèi)表面氯磺酸(-SO3Cl)化:先用干燥的N2吹洗毛細(xì)管>5 min以清除毛細(xì)管中的水分,然后用氣動(dòng)泵將85%～95%/15%～5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))氯磺酸/冰醋酸混合液泵入干燥的COP毛細(xì)管2～15 h,磺化毛細(xì)管內(nèi)表面。由于磺化過程中氯磺酸過量,因此COP內(nèi)表面的-SO3H會(huì)進(jìn)一步與氯磺酸反應(yīng),生成-SO3Cl[52]。(B)-SO3Cl水解成-SO3H:先用氣動(dòng)泵持續(xù)將冰醋酸泵入COP毛細(xì)管30 min以置換出毛細(xì)管中未反應(yīng)的ClSO3H,然后用去離子水在較高的恒定流速下(1.5～10 μL/min)沖洗毛細(xì)管4～5天,使毛細(xì)管內(nèi)表面的-SO3Cl完全水解成-SO3H。(C)乳膠附聚:按PMMA開管柱的乳膠附聚步驟完成COP開管柱的制備。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該COP開管柱兼容40 mmol/L的OH-淋洗液,因此適合OH-等度或者梯度淋洗。此外,Huang等[27]還成功研制了配套的電滲析毛細(xì)管抑制器,與COP開管離子色譜柱配合使用,得到了兼容OH-淋洗液的抑制型開管陰離子色譜(圖3為7種常見陰離子的梯度色譜圖)。雖然COP開管柱的制備周期較長(>5天),但它是迄今為止已報(bào)道的唯一兼容OH-淋洗液的乳膠附聚型開管柱。

2 OTIC柱的表征

2.1 柱容量的實(shí)驗(yàn)測定

自2013年起,Dasgupta組利用ELA技術(shù)先后制備了10～30 μm i.d.的PMMA[19]和COP[20]離子色譜開管柱,并測定了乳膠微球附聚前后的陽離子交換和陰離子交換容量[19,31]。由于PMMA和COP開管柱的柱容量低,測量準(zhǔn)確度差,因此在柱容量測定時(shí)使用了3種不同的測量方法并相互比對測量結(jié)果。這3種柱容量測量方法分別為:(A)熒光素離子置換法(fluorescent ion displacement, FID); (B)迎頭置換色譜法(frontal displacement chromatography, FDC); (C)迎頭反應(yīng)色譜法(frontal reaction chromatography, FRC),也稱柱上酸堿滴定法。其中FID法為離線測定法,較耗時(shí);而FDC和FRC法均為柱上測定方法,簡便可靠。通過選擇合適的探針離子,FDC和FRC法可使用光度或C4D檢測指示滴定終點(diǎn)階躍突變。對AS18乳膠附聚的PMMA開管柱,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)FRC法測得的柱容量約為FID和FDC測得值的2倍,原因?yàn)锳S18乳膠微球含有大致等量的強(qiáng)堿性和弱堿性功能基團(tuán),FRC法測得功能基團(tuán)總量,而FID和FDC僅測定強(qiáng)堿性功能基團(tuán)[19]。對FRC法,可使用以下公式計(jì)算開管柱的柱容量[31]:

CAEX=CH+×Q×(ts-th)=CH+×Q×Δt

(1)

CCEX=COH-×Q×(ts-th)=COH-×Q×Δt

(2)

其中CAEX和CCEX分別為陰離子交換開管柱和陽離子交換開管柱的柱容量,CH+和COH-分別為酸、堿滴定劑的濃度,Q為滴定劑的體積流速,ts和th分別為滴定終點(diǎn)的階躍突變時(shí)間和開管柱的死時(shí)間,Δt為ts和th之間的時(shí)間差。FRC法測定CAEX步驟如下:先用氣動(dòng)泵將強(qiáng)堿溶液泵入陰離子交換開管柱30 min,把乳膠微球中的可交換陰離子全部轉(zhuǎn)換成OH-,再用去離子水沖洗開管柱30 min,最后用氣動(dòng)泵將1 mmol/L強(qiáng)酸滴定液在恒定的低流速下泵入開管柱,用C4D或UV柱上檢測(數(shù)據(jù)記錄自柱上滴定起始至滴定終點(diǎn)階躍突變出現(xiàn)后為止),同時(shí)以重量法測定流速。

對PMMA開管柱[19],用強(qiáng)堿進(jìn)行水解處理后所測得的CCEX為0.6～1.5 peq/mm2(為方便不同內(nèi)徑開管柱之間的柱容量比較,以開管柱中單位內(nèi)表面積的離子交換當(dāng)量表示開管柱的柱容量);經(jīng)AS18乳膠附聚后的CAEX為12～20 peq/mm2。而用氯磺酸磺化后的COP開管柱[20]的CCEX可高達(dá)300 peq/mm2;經(jīng)AS18乳膠附聚后的CAEX則為20～30 peq/mm2,較PMMA開管柱大,其原因可能是氯磺酸腐蝕了COP毛細(xì)管的內(nèi)表面,增大了內(nèi)表面積,但仍按腐蝕前的內(nèi)表面積計(jì)算柱容量。

測定柱容量時(shí)如果信號突變太平緩(如信號變化的時(shí)間窗口太寬或柱容量太小,后者在測定COP磺化后的陽離子交換容量時(shí)經(jīng)常遇到),將導(dǎo)致ts值難以界定,如圖4b中的紅實(shí)線所示。通過對該類數(shù)據(jù)求取一階導(dǎo)數(shù),則通常可得到類似的色譜峰形(圖4b中的紅虛線)[31],此時(shí)即可根據(jù)峰值出現(xiàn)的時(shí)間確定ts值,從而降低測量誤差。

2.2 柱容量的理論計(jì)算

對單層乳膠附聚型的離子交換填充柱和開管柱,其柱容量均可通過乳膠微球的粒徑和單個(gè)乳膠微球的離子交換容量進(jìn)行估算,并用來與實(shí)測值進(jìn)行比較[9]。陰離子交換乳膠微球的比容量s在幾十到幾百μeq/g之間,密度ρ=1.1～1.2 g/cm3,粒徑dlp=50～200 nm。單個(gè)乳膠微球的離子交換容量Clp計(jì)算式如下:

(3)

圖4 乳膠附聚前后的COP開管柱的(a)陰離子交換和(b)陽離子交換容量測定(虛線代表一階求導(dǎo)數(shù)據(jù))[31]

其中Clp以zeq為單位(zeq: 10-21eq)。Clp乘以阿伏伽德羅常數(shù)即可得單顆乳膠微球的離子交換位點(diǎn)數(shù)(nlp;以一價(jià)計(jì)):

(4)

(5)

然而,由于分子孔隙度測定法提供的表面積測定結(jié)果不能等同于可靜電吸附乳膠微球的表面積,因此填充柱的柱容量應(yīng)以實(shí)測值為準(zhǔn)[54]。乳膠微球的投影面積與微球直徑的二次方成正比,而方程(3)顯示單顆乳膠微球的柱容量與微球直徑的3次方成正比,因此將方程(3)代入方程(5)可得柱容量Cpc,max與乳膠粒徑dlp成正比,即可通過控制乳膠微球的粒徑來調(diào)節(jié)柱容量。

對長為L,內(nèi)徑為dc的開管柱,其內(nèi)表面積Stot=πdcL,將其代入方程(5)即可得開管柱的柱容量最小值COT,min(稱其為最小值是因?yàn)殚_管柱預(yù)處理時(shí)內(nèi)表面發(fā)生了化學(xué)腐蝕,因而增大了有效內(nèi)表面積,但仍按腐蝕前的內(nèi)表面積計(jì)算柱容量):

(6)

對AS18乳膠(Clp=34 zeq,dlp=65 nm)附聚的COP開管柱(dc=19 μm,L=951 mm),計(jì)算得到其柱容量COT, min=0.58 neq/柱。而經(jīng)FRC實(shí)驗(yàn)測得的COT, min值為(2.31±0.12) neq/柱(n=3),是計(jì)算值的4倍[54]。因此,柱容量應(yīng)以實(shí)測值為準(zhǔn)。

2.3 固定相相同時(shí)填充柱與開管柱的聯(lián)系

ELA技術(shù)同時(shí)被用于填充柱[47,55,56]和開管柱[20]的制備。當(dāng)使用同種乳膠微球固定相時(shí),雖然填充柱和開管柱的柱容量相差可達(dá)5個(gè)數(shù)量級以上,但是兩者之間必然存在一定的聯(lián)系。Huang等[9]定義了新的柱容量表示參數(shù),經(jīng)理論推導(dǎo)并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了如下關(guān)系:當(dāng)使用同種固定相時(shí),由填充柱的色譜保留行為可以預(yù)測開管柱的色譜行為;反之亦然。

填充柱的柱容量一般以μeq/柱或μeq/mL為單位[3]。為了方便比較,Dasgupta在研究開管柱的時(shí)候除了用neq/柱表示柱容量以外,為找出一個(gè)與開管柱內(nèi)徑無關(guān)的參數(shù),還將柱容量表示成αiex:單位表面積上的離子交換當(dāng)量,單位peq/mm2[19]。為了尋找填充柱與開管柱之間的聯(lián)系,使用了離子交換相比βiex:相同柱長條件下淋洗液中的離子當(dāng)量(eq/cm)與固定相的離子交換容量(eq/cm)的比值;但在計(jì)算βiex時(shí),須預(yù)先指定淋洗液濃度[19,20]。為找出一個(gè)與淋洗液濃度無關(guān)的參數(shù),Dasgupta從淋洗液的當(dāng)量濃度是分離柱中淋洗液體積的函數(shù)出發(fā),提出了另一個(gè)表示柱容量的參數(shù)γiex:離子交換分離柱中單位體積淋洗液所對應(yīng)的固定相離子交換當(dāng)量。對開管柱,γiex和αiex存在著簡單的關(guān)系[9]:

(7)

對同種乳膠附聚的填充柱(柱1)和開管柱(柱2),等度淋洗條件下柱1和柱2中被測離子的保留因子均與各分離柱自身的柱容量成正比,此時(shí)應(yīng)有如下關(guān)系式:

(8)

其中γiex1和γiex2分別為柱1和柱2的柱容量;ki,1和ki,2分別為柱1和柱2中被測離子i的保留因子。

而離子色譜中被測離子的保留因子k與淋洗液濃度[E]之間存在如下關(guān)系:

log10k=-alog10[E]+b

(9)

其中a為被測離子所帶的電荷數(shù),b為常數(shù)。

對同種被測離子,k/γiex值應(yīng)與柱型無關(guān),因此使用同種乳膠固定相的填充柱和開管柱應(yīng)具有相同的log10k/γiex-log10[E]直線,如圖5所示[9],對同種離子,圖中顯示的兩根直線存在一定的斜率差和截距差,其原因包括:填充柱和開管柱的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來自不同的實(shí)驗(yàn)室,且在不同的溫度下測得;開管柱中KOH淋洗液為手動(dòng)配制,難以避免CO2的影響等。

圖5 相同固定相的填充柱和開管柱的log10k/γiex-log10[E]圖[9]

2.4 柱效

2.4.1開管柱的van Deemter曲線繪制

液相色譜開管柱的理論塔板高度H可通過下式計(jì)算[37]:

(10)

其中L為柱長,w1/2、tR分別為被分離組分的半峰寬和保留時(shí)間。開管柱的van Deemter方程表達(dá)式如下[19,20]:

H=2Dm/u+Cu

(11)

其中u為淋洗液的線流速,Dm為溶質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù),C為常數(shù)項(xiàng)。Dm和C可通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到:先通過實(shí)驗(yàn)獲得不同u時(shí)某一離子(如Cl-)的色譜圖,再根據(jù)方程(10)計(jì)算出相應(yīng)的H值,繪制H-u散點(diǎn)圖,然后對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,得到Dm和C的最佳值[57,58]。這兩個(gè)參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差可通過“jackknife”方法求得[59]。令dH/du=0,可進(jìn)一步求得擬合曲線最低點(diǎn)的umin和Hmin值(見圖6)[37]。

圖6 乳膠附聚PMMA開管柱的van Deemter曲線[37]

2.4.2高溫OTIC

有兩種方法可有效提高液相色譜開管柱的柱效:一是減小開管柱的內(nèi)徑;二是升高柱溫[17,60]。減小柱內(nèi)徑意味著更小的進(jìn)樣體積和檢測體積(當(dāng)檢測器為柱上檢測器時(shí)),不容易實(shí)現(xiàn)。而升高柱溫則相對簡便的多。在一個(gè)液相色譜開管柱系統(tǒng)中,為了減少分析時(shí)間,將柱溫從20 ℃升到200 ℃所產(chǎn)生的效果等同于將柱內(nèi)徑從50 μm降到12 μm(502/122=17.36),原因在于溶質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)隨著溫度的升高而升高[60],其理論依據(jù)來自Stokes-Einstein方程[61]:

(12)

其中kB為Boltzmann常數(shù),T為絕對溫度,a為溶液中溶質(zhì)的半徑,η為淋洗液的黏度。水相中溶質(zhì)在200 ℃時(shí)的擴(kuò)散系數(shù)Dm200與其在20 ℃時(shí)的擴(kuò)散系數(shù)Dm20的關(guān)系[60]為Dm200/Dm20=(η20/η200)×(473/293)=17.47≈17.36。

Pyo等[17,61,62]制備了乳膠附聚的二氧化硅OTIC柱(50 μm i.d.),通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)升高溫度雖然縮短了被分析離子的保留時(shí)間,但是顯著地提高了柱效,使van Deemter曲線更平緩。升高溫度除了增大離子的Dm值、提高柱效以外,還能改變離子的選擇性[63]。需要注意的是:對固定相中含季銨功能基的陰離子交換開管柱,使用時(shí)溫度不宜超過100 ℃,因?yàn)樵趬A性介質(zhì)條件下,高溫會(huì)使季銨功能基團(tuán)快速發(fā)生去烷基化的Hoffmann消除反應(yīng),損失柱容量[12,46]。

2.5 開管柱的均一性表征

(13)

其中tR, analyte this loc和tR, analyte prev loc分別為被測離子在當(dāng)前位置和先前位置的保留時(shí)間,t0, analyte this loc和t0, analyte prev loc則分別為當(dāng)前位置和先前位置的死時(shí)間。此外,可通過相同淋洗液條件下C4D檢測池在COP柱上不同位置的背景響應(yīng)來獲取COP柱內(nèi)徑的均勻度信息。實(shí)驗(yàn)表明乳膠微球固定相在COP開管柱中分布較均勻,且不受磺化度(當(dāng)磺化度低時(shí))的影響。與自動(dòng)化的全柱檢測技術(shù)[64]相比,以上提到的3種開管柱均一性表征實(shí)驗(yàn)方法更加簡便易行。

3 結(jié)論與展望

IC分離柱必須耐強(qiáng)酸、強(qiáng)堿的特性促進(jìn)了有機(jī)聚合物基質(zhì)OTIC柱的研制。ELA技術(shù)極大地方便了離子色譜開管柱的制備。兼容OH-淋洗液的陰離子交換COP開管柱的成功研制使抑制型開管離子色譜的梯度洗脫得以實(shí)現(xiàn)。目前OTIC需要解決的主要問題是改善重現(xiàn)性,進(jìn)一步的研究包括嘗試使用其他有機(jī)聚合物基質(zhì)的毛細(xì)管制備開管柱,毛細(xì)管抑制器的改進(jìn)和nL/min級的淋洗液生成器的研制等。利用開管柱質(zhì)量輕、耐受溫度范圍寬等特點(diǎn),未來OTIC可制成微型便攜式儀器應(yīng)用于復(fù)雜環(huán)境的現(xiàn)場監(jiān)測和地外星球探索等,應(yīng)用前景廣闊。