仪器信息网APP

选仪器、听讲座、看资讯

立即体验

当前位置：仪器社区 >色谱 > 离子色谱（IC） > 帖子详情

高端离子色谱功能样机的性能测试及开发

恐龙

2019/08/19
色谱发烧友

私聊

离子色谱（IC）

摘要：目前市场上国产的离子色谱基本上都是简单的低端机，仅仅能满足基本的阴阳离子分析，软件功能简单，与国外差距明显。为提高国内离子色谱水平，于2018年4月完成了高端离子色谱原理样机的设计，2019年3月组成一套功能样机（GI3000），并对其性能指标进行测试，并开发相应的分析方法。根据相关国家仪器检定规范标准，实验结果表明，四元梯度泵泵压差小于5MPa，流量准确性能满足2%的要求，泵梯度设定值误差小于2%；对自动进样器进行测试，其残留小于最新相关标准的0.01%；对脉冲安培检测器进行测试，其定性重复性小于1.5%；对电导检测器进行测试，最小检测浓度小于0.02μg/mL；对紫外检测器进行测试，最小检测浓度为0.005μg/mL。仪器性能指标良好，为小批量生产奠定了基础，peek四元梯度泵，三种检测器可选是本仪器最大的亮点。
关键词：高端离子色谱；功能样机；性能测试；方法开发
0 引言
热电公司的ICS3000/ICS5000/ICS5000+/ICS6000双系统多功能离子色谱仪作为高端的离子色谱仪，广泛应用于各种复杂样品分析和高要求工作中，发挥了巨大的作用，尤其其变色龙软件的强大功能，大大提升了仪器的性能。
国产离子色谱仪大多仅仅满足常规的分析，在低端离子色谱仪中互相竞争，与国外高端产品无法相抗衡。为提升国内离子色谱水平，国家启动了重大科学仪器设备开发专项—“多功能离子色谱仪的开发与产业化”，但产品的档次对比ICS高端系列，还是存在着很大的差距。为缩短与国外的差距，填补国内空白，在对离子色谱仪器进行深入研究的基础上，我们集中精力研发了Peek四元梯度泵，多功能自动进样器以及各种检测器尤其具有脉冲安培功能的检测器以及相应的色谱软件，这三个模块和软件在国家重大离子色谱专项中基本没有涉及。
本文对这三个模块进行性能测试，结果表明，整体性能良好，已经具备小批量生产的条件。
1 仪器参数
1.1 Peek四元梯度泵
高压恒流泵：国内首台高性能、低脉冲低压peek四元双柱塞恒流泵，采用高精度步进电机驱动精密滚珠丝杆系统，提高了其使用的可靠性、稳定性和耐用性，可根据需要选择分析型等度泵及四元梯度泵，可外接TTL控制。
（1）最大耐压：40MPa
（2）压力显示精度：≤0.1MPa
（3）流量范围：0.001-9.999mL/min
（4）压力脉动：≤0.02MPa
（5）流量稳定性：（0.2-0.5）mL/min≤3%
（05-1.0）mL/min ≤2%
大于1.0mL/min ≤2%
1.2 多功能自动进样器
二种进样瓶可选，注射器规格可选，可实现在线浓缩富集以及双系统交叉进样。可升级为部分进样。可外接TTL和R232控制。可由进口软件控制，全自动运行。
（1）进样位：标配64位（8×8，8ml），选配 142位（12×12-2，2ml）
（2）注射器：标配250μl，选配100μl，500μl，1000μl，2500μl，5000μl
（3）进样阀：可选（六通阀或十通阀），可预设1-2个阀
（4）进样体积：满环进样方式，可升级为部分进样方式
（5）进样速度：抽取，推样五档速度可调
（6）清洗：清洗速度可调，清洗体积和清洗次数可调
1.3 电化学检测器

可选择二电极电导检测器或安培检测器（二选一），包含柱温箱模块，含数字和模拟输出以及TTL和232接口。安培检测器包括金、银和白金电极以及不同厚度的垫片，满足不同检测的需求。
1.3.1 电导检测器
（1）量程：0.0001-16000μS，无需换挡，量程自动调节
（2）检测频率高达100Hz
（3）最大耐压：10MPa（1500psi）
（4）仪器线性：≥0.995
（5）定性重复性RSD₆_定性：≤1.5%
（6）定量重复性RSD₆_定量：≤1.5%
（7）恒温精度：室温~60±0.01℃
1.3.2 安培检测器
（1）三种检测方法：直流安培、脉冲安培、积分安培法，以满足不同样品的需求
（2）工作电极:金电极、铂电极、银电极。电极尺寸1mm，2mm，3mm，垫片厚度1mil，2mil，3mil，4mil，5mil以及更厚的定制尺寸
（3）参比电极：Ag/AgCl（饱和KCl）参比电极
（4）池体积：＜0.5μL（垫片厚度1mil）
1.4 紫外检测器
（1）波长范围：190nm-700nm
（2）光谱带宽：5nm
（3）波长示值误差：≤±1nm
（4）基线噪声：≤±2×10^-5 AU(甲醇、1ml/min、254nm、20℃)
（5）基线漂移：≤±5×10^-3 AU/h(甲醇、1ml/min、254nm、20℃)
（6）最低检测浓度：≤5×10^-9g/ml(萘)
（7）波长扫描：多波长时间编程（10波段）
（8）池体积：8μL
（9）系统重复性RSD₆_定性：≤0.05%
（10）系统重复性RSD₆_定量：≤0.2%
1.5 软件
系统可接二个泵、二个检测器、多个阀，自带安培快速校正系统，具备常规的分析功能和数据处理功能。
2 性能测试
2.1 Peek四元梯度泵的测试
参考液相色谱仪及离子色谱仪的相关国家标准（JJG705-2014、GB/T 26792-2011、GB/T 36240-2018、JJG 824-2014）对四元梯度泵的各项指标进行测试。
2.1.1 输液泵耐压检定
流量设定为0.1mL/min，将输液泵最高压力设定在压力上限值90%处，待系统压力平稳后并且保持10min。用堵头将泵出口堵住，系统压力将逐渐上升，当达到输液泵压力上限值90%时，输液泵停止运行，记录此时系统显示的压力值，同时按下秒表，10min后记录压力显示值，按规定泵的压力下降值不能大于5Mpa，或者压力下降值在最高压力的2%以内，检定结果如表1所示。

表1 四元梯度泵的耐压检定

最高压力/Mpa	10min后压力/Mpa	压力下降值/Mpa
24.35	22.63	1.72
40.30	37.56	2.74

2.1.2 泵流量设定值误差和流量稳定性测试
用仪器专用管路连接输液泵的出口、入口，出口适当加一背压（8MPa±2MPa），按照国家标准方法测定流量。设置流量为0.1ml/min、0.2ml/min、0.5ml/min、1.0ml/min各收集10分钟，设置流量为1.5ml/min、2.0ml/min各收集5min。测定结果如表2所示。

表2四元梯度泵流量测定值

	0.1 mL/min	0.2 mL/min	0.5 mL/min	1.0 mL/min	1.5 mL/min	2.0 mL/min
质量/g	0.9782	1.9963	5.0003	9.9685	7.3965	10.0105
质量/g	0.9658	1.9875	4.9896	9.9783	7.4562	9.9996
质量/g	0.9962	2.0005	4.9875	9.9996	7.5069	9.7296
质量/g	0.9978	1.9863	4.9785	9.8798	7.5162	9.9893
质量/g	0.9885	1.9798	5.0103	9.7662	7.3782	9.8283

根据流量流速的测试数据计算出输液泵的流量设定值误差，流量稳定性（相对标准偏差），检定结果如表3所示。

表3 输液泵的流量检定结果

流速/（mL/min）	流量设定值误差/%	流量稳定性/%	RSD/%
0.1	1.27	1.53	1.36
0.2	0.30	1.32	0.42
0.5	0.06	2.32	0.25
1.0	0.62	0.86	0.97
1.5	0.46	1.56	0.84
2.0	0.87	1.63	1.27

从表中可以看出，输液泵的流量准确性能够满足2%的要求。
2.1.3 泵梯度设定值误差检定
参照液相色谱仪相关国家标准，对泵的梯度设定值进行测试，采用紫外检测器，数据表明结果良好。设置梯度从0到100%，变化的数据为-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。计算得到设定值误差分别为0.56%，0.78%，0.74%和0.53%，小于国家规定的2%。四元梯度泵性能测试结果如图1所示。

图1 四元梯度泵性能测试结果

2.2 自动进样器的测试
目前离子色谱国标中没有自动进样器的标准，参考最新液相色谱的检定方法，将其应用到离子色谱中。
2.2.1 自动进样器取样精度测试
由于离子色谱自动进样器进样方式与液相色谱不一，而且目前只有满环的进样方式，整体要求比较简单，这里仅仅对自动进样器的取样精度进行了简单的测试。根据设定的不同定量环体积以及倍数关系（注射器 250μl），并设置相应的死体积，检测其取样精度，测试结果如表4所示。
从测试结果看，实际取样体积与定量环设置和倍数有关，与死体积的设置无关，仪器设置最大进样量为注射器的90%，仅能取样一次，说明整个程序还需改进，尤其需要考虑死体积的关系。
2.2.2 自动进样器残留测试，
对一定高浓度的CN^-进行分析，设置进样后不清洗定量环，清洗一次定量环，清洗二次定量环，结果表明，不清洗残留为9.31%，清洗一次残留为0.25%，清洗二次残留为零，因此设置进样后二次清洗即可。自动进样器残留小于最新国家标准规定的0.01%。

表4 自动进样器取样精度测试

定量环/μl	倍数	死体积/μl	质量/g
20	5	20	0.1005
20	5	25	0.1007
20	4	20	0.0809
20	4	25	0.0814
25	5	20	0.1261
25	5	25	0.1261
25	4	20	0.1010
25	4	25	0.1012
50	5	20	-
50	5	25	-
50	4	20	0.2017
50	4	25	0.2013

采用氰根离子专用柱，准确配置20mmol/L Na₂CO₃，14.7mmol/L乙二胺，10mmol/L硼酸，流速1.0ml/min，安培检测器。测试结果如图2所示。

图2 进样后不清洗、清洗一次与清洗两次色谱图

2.3 脉冲安培检测器部件的开发及测试
2.3.1 电极垫片的开发
目前流行的采用PEI和PTFE材质，国内无生产PEI，有PTFE生产。我们收集了可能的各种不同聚合物材质类型的膜片，对其进行了相关性能测试，并制成不同厚度的垫片，进行评价，并与进口原装比较。
从各种材料看，大部分可以用，少数不太适合，从实际使用效果看，不同厚度的垫片应采用不同的材质。设计的膜厚度从0.025mm-0.3mm之间（25.4um=1mil 毫英寸）。
2.3.2 不同尺寸电极和垫片厚度对测定结果的影响

自行开发了1mm,2mm,3mm的金电极，对三种尺寸金电极，以及不同厚度垫片的测试。结果表明响应值主要依赖于电极的大小，直径越大响应值越大，但随着直径的增加单位响应效率反而比较低，厚度影响其次，厚度对响应的随着高度的增加而减小，但并不成比例。
对于噪声，不同厚度对噪声值基本不变，但随着电极直径的增加而增加，电极直径和厚度应有一个合适的比例，其实验结果为最后产品定型提供了可靠的数据。
2.3.3 脉冲安培检测器的重现性测试
目前已经可以实现金电极和银电极的脉冲安培检测，用于糖和CN^-的分析。
采用PA10色谱柱，200mmol/LNaOH，流速1.0ml/min，脉冲安培电位，乳糖5mg/L，进样量20μl，柱温30℃。连续进样10次，测定其保留时间，峰高和峰面积。结果表明，定性和定量重复性小于国家标准规定的1.5%，重复性良好。测试结果如表5图3所示。

表5 乳糖脉冲安培的重现性数据

	保留时间/min	峰高/nC	峰面积/(nC*min)
1	3.640	55.46	1091
2	3.657	56.27	1091
3	3.683	56.46	1095
4	3.700	56.62	1102
5	3.717	57.54	1098
6	3.717	57.11	1091
7	3.717	57.34	1089
8	3.726	57.64	1088
9	3.725	56.96	1081
10	3.717	57.88	1081
均值	3.700	56.93	1091
RSD	0.81%	1.29%	0.61%

2.4 电导检测器的性能测试
2.4.1最小检测浓度检定
根据离子色谱仪相关国家标准，准确配置0.5μg/mL的Cl^-进行测定，记录色谱图，由色谱峰高和基线噪声，标准溶液浓度以及进样体积，按式（1）计算最小检测浓度（按25μL进样量计算）。

计算公式如下：

（1）

式中：
C_min 最小检测浓度，μg/mL；
H_N 基线噪声峰峰值，μS；
c 标准溶液浓度， μg/mL
H 标准溶液的色谱峰峰高，μS；
V 进样体积，μL。
通过计算，其最小检测浓度为3.46×10^-4μg/mL。通过检测表明，其噪声满足国家标准规定的0.005μS的要求，漂移小于0.10μS，最小检测浓度小于0.02μg/mL。结果如下表7所示。
2.4.2 仪器线性的检定
选择在两个数量级范围内，均匀分布的用水稀释的5个浓度的Cl^-系列标准溶液进行测量，每个浓度点测试三次取平均值，并与标准溶液的标准值做线性回归，按式（2）计算其相关系数。

表6 各项检测指标结果

各项检测指标	值
噪声/μS	0.005
漂移/μS	0.0059
记录时间/min	15
定量管/μL	25
氯离子浓度/（μg/mL）	0.5
离子的峰高/μS	15.2712
最小检测浓度/（μg/mL）	3.46×10^-4μg/mL

计算公式如下：

式中：
C_i 第i种溶液的浓度
A_i 第i种离子的峰面积；
n 某个离子浓度的个数。

某个离子的算数平均浓度；

某个离子的算数平均峰面积；

表7 仪器线性的检定结果

浓度 /(μg/mL)	峰面积/(μS*min)	平均值/(μS*min)	相关系数/γ
0.1	3.80	3.76	0.9976
	3.76
	3.71
0.2	6.40	6.43
	6.47
	6.41
0.5	15.17	15.19
	15.27
	15.13
1	33.86	33.39
	32.54
	33.76
2	71.85	71.83
	71.68
	71.96

结果表明，仪器线性结果良好，大于国家计量检定规程的0.995。仪器线性结果如表8所示。
2.5 紫外检测器的性能测试
紫外检测器从液相色谱移植而来，原来就有。参照相关国家标准对紫外检测器的基线噪声、基线漂移、最小检测浓度、波长示值误差、波长重复性和仪器线性进行测试。结果表明，基线噪声小于5×10^-5AU，基线漂移为6.6×10^-4AU/h，波长示值误差小于2nm，波长重复性小于2nm，最小检测浓度为0.005μg/mL，仪器线性为0.999。结果如下表8所示。

表8 各项检测指标结果

各项检测指标	值
噪声/AU	1.8×10^-5
漂移/（AU/h）	6.6×10^-4
记录时间/min	60
波长示值误差/nm	1
波长重复性/nm	0.5
最小检测浓度/（μg/mL）	0.005
仪器线性	0.999
换挡误差	0

2.6 软件的性能测试
对自行开发的色谱软件进行测评，结果表明，能实现相应的基本功能，功能设置较复杂，对于硬件，比普通色谱软件只能控制一个泵，一个检测器的问题，本软件可以实现双泵、双检测器的控制，可以实现多阀的序列切换。针对安培的pH校正，设置了特殊的优化方式，在没有标准溶液的条件下，也可以进行校正。对脉冲安培模拟信号输出进行了优化，克服了采样频率低，信号容易失真的问题。
整体达到了试用水平，但在个别功能设置，程序参数优化等方面，还需要投入很大的精力。
3 结论
本文对仪器的三个部件进行了性能测试，并长时间运行，结果表明性能良好，能满足较高要求的检测。根据相关国家标准，对四元梯度泵进行测试，其压力下降值小于5MPa，流量准确性能满足2%的要求，泵梯度设定值误差小于2%；对自动进样器进行测试，其残留小于最新相关标准的0.01%；对脉冲安培检测器进行测试，其定性重复性小于1.5%；对电导检测器进行测试，其噪声满足0.005μS的要求，漂移小于0.1μS，最小检测浓度小于0.02μg/mL，仪器线性大于国家标准规定的0.995；对紫外检测器进行测试，基线噪声小于5×10^-5AU、基线漂移为6.6×10^-4AU/h、波长示值误差小于2nm、波长重复性小于2nm、最小检测浓度为0.005μg/mL、仪器线性为0.999。但在具体仪器结构细节上，需要进一步优化，以确保运行的可靠性。仪器中各个部件可以独立运行，可以由热电的变色龙软件控制，这显示了在进口低端机上进行升级的特殊潜力，达到了设计要求。尤其脉冲安培检测器软件的pH快速校正功能，具有鲜明的自己特色，实现了比进口机器更好用的特点。脉冲安培的模拟信号输出解决了采样频率低，信号输出易失真的问题。同时加上原有的紫外检测器，成为国内唯一同时拥有三种检测器类型的仪器。
但是在整体软件上，与进口还有较大的差距，软件的性能制约了整机性能的提升，需要以后进一步提升。
参考文献
陈爱连，方琳美，吕海霞，施超欧. 在线固相萃取-离子色谱法测定四种芳环磺酸盐中的硫酸根离子，色谱，2017，已接受，待发表.
黄少波. 水环境监测中离子色谱的应用. 化工设计通讯，2019(3):136-136.
袁苇航. 色谱分析法在食品添加剂检测中的应用研究. 食品安全导刊， 2015(6X):91-92.
闫吉昌，矫立萍. 科学仪器升级改造的现状和展望. 现代科学仪器，2003(5):37-46.
王大珩，胡柏顺. 迎接21世纪挑战，加速发展我国现代仪器事业. 科技导报， 2000， 18(0009):3-6.
邓勃. 现代仪器改造与功能开发大有可为. 现代科学仪器，2001(1):3-5.
尹萍，杨为进. 加强创新意识，重视仪器研制工作. 现代科学仪器, 2000(1):3-4.
陈宁，刘嵘. HLC—601高速离子色谱仪的双模式改造. 分析仪器，1996(3):49-51.
施超欧，李静，刘霞， et al. 戴安离子色谱系列泵结构的剖析. 分析仪器，2008(6):62-66.
施超欧，马浩，姚宝龙， etal. 液相色谱升级改造为离子色谱问题探讨. 分析仪器，2014(5):72-75.
朱岩，王少明，施超欧.离子色谱仪器. 化学工业出版社，2007.
施超欧，吴家钰，潘思， et al.用不同代Dionex产品组成一套完整高端的多功能离子色谱仪系统. 分析仪器， 2017(3):15-19.
JJG 705-2014 液相色谱仪检定规程. 北京:中国质检出版社，2014.
GB/T 26792-2011高效液相色谱仪国家标准. 北京:中国标准出版社，2011.
GB/T 36240-2018 离子色谱仪国家标准. 北京:中国标准出版社，2018.
JJG 823-2014 离子色谱仪检定规程~~. 北京:中国质检出版社，2014.~~
~~液相色谱用自动进样器~~.北京:中国标准出版社，待发布.~~~~