二維離子色譜法同時測定4種無機陰離子和葡萄糖酸根離子

陳愛連, 丁 卉, 方琳美, 施超歐

(華東理工大學分析測試中心, 上海 200237)

技術與應用

二維離子色譜法同時測定4種無機陰離子和葡萄糖酸根離子

陳愛連, 丁 卉, 方琳美, 施超歐*

(華東理工大學分析測試中心, 上海 200237)

二維離子色譜;電導檢測;脈沖安培檢測;無機陰離子;葡萄糖酸根

復雜體系的分離分析一直是化學分析的重要研究方向。對于復雜樣品的分離,一種分離模式往往不能提供足夠的分離效率,組合不同的分離模式構建二維和多維系統是解決這一問題的有效途徑。二維的分析模式在高效液相色譜中的發(fā)展已經比較成熟,其機理是將兩支或多支不同類型的色譜柱串聯或并聯,樣品經過第一維的色譜柱分離后,通過濃縮富集、中心切割等各種類型的閥切換方式進入第二維色譜柱中,使分離效率大幅度提高。在二維離子色譜研究中,由于其流動相的特殊性(強酸和強堿)以及抑制器的存在,相對于二維液相色譜而言進展緩慢,受制約的因素更多。在近年來的分析中,多采用Dionex公司的離子色譜儀,也有部分使用其他公司的儀器,如Metrohm的離子色譜儀[1,2]。第一維分離系統以4 mm色譜柱為主,少數使用2 mm色譜柱[3-5]。第二維近期多采用0.4 mm的毛細管離子色譜柱體系[5-7],早期多使用2 mm的色譜柱體系[8,9];也有少數使用4 mm色譜柱體系[4,5,10]。檢測系統中第一維均使用電導檢測器,第二維以電導檢測器為主,安培檢測器[2]、質譜以及電感耦合等離子體質譜(ICP-MS)[1,11]也有一定的應用。二維離子色譜法主要利用第二維的分離特點分析一些特殊的離子。

葡萄糖酸鋅是常見的食品補鋅添加劑,具有調節(jié)皮脂分泌的功能,在化妝品行業(yè)中作為除臭劑、肌理調節(jié)劑。醫(yī)藥方面,葡萄糖酸鋅對兒童厭食、腹瀉和輪狀病毒導致的腸道感染[12]等有很好的治療效果,對高血壓性腦出血也有顯著療效[13]。在葡萄糖酸的檢測方法中,液相色譜應用得較多[14,15],離子色譜相對較少[16]。葡萄糖酸是糖的衍生物,在陰離子色譜柱上保留弱,出峰快,且與氟離子、乙酸、乳酸出峰時間相差無幾,易受干擾,定性和定量困難。而在糖柱上則有較強的保留,且在安培檢測器中有一定的響應,因此在本文中的二維離子色譜方法中,利用脈沖安培檢測器對其高靈敏度響應以及電導檢測器對陰離子普適性的分析,建立了電導和安培雙檢測器的兩維模式。一維采用常規(guī)的4 mm陰離子色譜柱分離,第二維利用糖柱延長葡萄糖酸根的保留時間將葡萄糖酸根和其他干擾基質分離,安培檢測器的選擇性響應消除其他離子干擾,對其進行定性和定量分析。利用閥切換將先出峰的葡萄糖酸根切換到安培檢測系統,其他無機離子進入電導檢測系統;實現了同步測定并具有較高的靈敏度和較快的分析速度。目前國內外對二維離子色譜的研究報道較少,但二維離子色譜是離子色譜發(fā)展的一個趨勢,構建兩維模式,選擇合適的分析柱、閥切換方式及高靈敏度的檢測器對復雜樣品進行分離和分析,可以提高分離效率以及檢測的準確度和精密度。

1 實驗部分

1.1 儀器、試劑與標準品

美國Dionex公司雙系統ICS-3000離子色譜儀(包括DP四元泵,GP50四元泵,AS自動進樣器,DC控制單元,Chromeleon 6.8色譜工作站); Millipore公司Milli-Q Advantage A10超純水機;BRANSON公司BRANSON 2510超聲儀。

氯離子、亞硝酸根離子、硫酸根離子和硝酸根離子標準儲備液(100 mg/L,上海計量測試技術研究院);氫氧化鈉(50%(質量分數),默克公司);葡萄糖酸鋅(含量99.8%,武漢鮮保生物技術有限公司)。

1.2 色譜條件

第一維:電導檢測系統。色譜柱:Ionpac AG18(50 mm×4 mm)+Ionpac AS18(250 mm×4 mm);捕獲柱:Ionpac ATC-3 (4 mm);抑制器:ASRS 300(4 mm); CO2去除裝置:CRD 200(4 mm);流速:1.0 mL/min;柱溫:30 ℃;進樣量:25 μL;淋洗條件:0～5 min, 5 mmol/L NaOH溶液(富集待測葡萄糖酸根); 5～20 min, 20 mmol/L NaOH溶液(洗脫無機陰離子);電導檢測器檢測。

第二維:脈沖安培檢測系統。色譜柱:CarboPac PA1 (50 mm×4 mm)+CarboPac PA20(30 mm×3 mm);淋洗液:90 mmol/L NaOH溶液;流速:0.8 mL/min;柱溫:30 ℃; ICS-3000離子色譜儀自帶六通閥為切換閥,Ionpac AG15保護柱(捕獲柱)(50 mm×4 mm);脈沖安培檢測器:金工作電極,Ag/AgCl參比電極,四電位檢測。

1.3 系統組成

二維雙檢測器系統的結構如圖1所示。在進樣之前兩個四元泵分別對兩個系統進行平衡,調節(jié)Vavle 1自動進樣器開始進樣,樣品隨流動相經過AG18+AS18柱進行第一維分離,葡萄糖酸根在陰離子分析柱上保留能力弱,很快被洗脫出來。根據陰離子和葡萄糖酸根保留時間的差異控制Vavle 2,通過閥切換時間的計算,將葡萄糖酸根切割到AG15柱上,利用AG15柱的保留時間差進行收集。收集結束后,第二維的流動相將AG15柱上富集的葡萄糖酸根和其他干擾組分洗脫至串聯的PA1和PA20保護柱上分離后經脈沖安培器檢測。保留在陰離子分析柱上未被切割的無機陰離子組分用高濃度的NaOH溶液依次洗脫再經過抑制器和CRD 200到電導檢測器檢測。

圖 1 二維離子色譜系統的結構圖Fig. 1 Structural diagram of two-dimensional ion chromatographic system

2 結果與討論

2.1 色譜柱的選擇

2.1.1 ATC-3柱(捕獲柱)

在二維離子色譜系統中,進樣閥和泵之間接有ATC-3捕獲柱,其作用在于除去淋洗液中的陰離子,尤其是CO2,以避免CO2對手配NaOH淋洗液在進行梯度分離時對基線和樣品測定的干擾。

2.1.2 AG18柱+AS18柱(第一維陰離子分析柱)

AS18柱是標準的常用陰離子分離柱之一,既可以用于等度分離,也可以用于梯度分離,在實驗過程中為了獲得較低的起始淋洗液濃度和較好的分離效果,采用高低兩個濃度進行等度分離。

2.1.3 AG15柱(捕獲柱)

Dionex公司標準的離子捕獲柱(例如TAC-LP1)對葡萄糖酸根的保留很弱,回收率低,因此用保留能力較強的AG15保護柱替代常規(guī)的離子捕獲柱。

2.1.4 CRD 200(CO2去除裝置)

CRD 200接在抑制器的后面,用于除去經過抑制器抑制后流動相中的殘留CO2,避免對被測離子的干擾,同時降低了背景電導,可提高被測離子靈敏度約20%～30%。CRD 200相當于第二個抑制器(柱),但其不能單獨使用。

2.1.5 PA1+PA20保護柱(第二維葡萄糖酸根分析柱)

在第二維離子色譜體系中,如果直接連接糖保護柱和分析柱,由于葡萄糖酸根在糖柱上的保留能力遠高于葡萄糖,要得到較快的分離,必須采用極高濃度的NaOH淋洗液洗脫,但高濃度的NaOH溶液會對兩維切換不利。因而采用兩根保護柱串聯方式,既能使葡萄糖酸根有一定的保留,且NaOH溶液的濃度不高,同時與一維分離時間匹配。

2.2 兩維系統的選擇分析

2.2.1 第一維系統中淋洗液體系和第二維系統中脈沖安培體系的選擇

在第一維系統中,如果KOH淋洗液采用淋洗液發(fā)生器發(fā)生,由于淋洗液發(fā)生器產生KOH是一個電化學反應過程,該反應過程會電解出氫氣,雖然氫氣會被脫去,但仍會有少量進入淋洗液系統,同時電解會產生一些電活性物質,這些電活性物質被AG15柱富集后,會在第二維安培系統中產生很高的干擾峰,嚴重影響到第二維系統的分析。ICS-3000的EG模塊自帶脫氣裝置,不能完全去除氫氣,需外接一個真空脫氣泵連接至淋洗液自動發(fā)生器脫氣裝置的出口將氫氣抽除完全。而脫氣泵和淋洗液自動發(fā)生器脫氣裝置連接的組件較多,且安裝復雜?？紤]到實驗成本和可操作性,本實驗選擇手動配制的NaOH溶液為淋洗液,在泵后連上Ionpac ATC-3柱(4 mm)除去淋洗液中的干擾陰離子,以平穩(wěn)基線。

圖 2 AG15柱對葡萄糖酸根的保留作用Fig. 2 Retention of AG15 column for gluconate a. sample treated with AG15 column; b. sample without AG15 column processing. Peaks: 1. gluconate; 2. Cl-; 3..

Ionpac AG15柱是Ionpac AS15柱的保護柱。在較低濃度的NaOH溶液下對葡萄糖酸根有較強的保留作用,在待測離子被淋洗出富集柱之前,留出足夠的時間進行閥切換。如圖2所示,葡萄糖酸根經過AG18柱和AS18柱分離后直接進入電導檢測器檢測的時間為5.157 min,而經過AG15柱富集分離后到達電導檢測器的時間為7.434 min,抑制器和CRD的系統死時間為0.306 min,因此在4.6～5.3 min(考慮了抑制器、CRD的死時間)之間切換Vavle 2使葡萄糖酸根進入AG15柱,從而將其與干擾雜質分離,更有效地收集葡萄糖酸根并進入安培檢測器進行檢測。

第二維中葡萄糖酸根的分析不采用常規(guī)的糖分析柱,而用2根串聯的保護柱是因為在堿性條件下,糖柱對弱電離的糖類有較強的保留,對易電離的離子保留性極強,即使是在陰離子分析體系中弱保留的葡萄糖酸根也是如此。因此,為了得到一定的分離效果,同時保留時間與一維時間基本一致且淋洗液濃度合適,經過多次測試,選用2根保護柱串聯的特殊方式用于葡萄糖酸根的分離。

表 1 4種無機陰離子和葡萄糖酸根的線性范圍、回歸方程、線性相關系數(R2)、檢出限和定量限Table 1 Linear ranges, regression equations, correlation coefficients (R2), limits of detection and limits of quantification of the four inorganic anions and gluconate

Y: peak area;X: mass concentration, mg/L.

2.2.2 分離分析過程和結果

進樣之前,用淋洗液分別對第一維系統和第二維系統進行平衡。進樣后,在0～4.6 min之間,樣品在5 mmol/L NaOH溶液淋洗下在AG18+AS18柱上被分離。由于陰離子分析柱對葡萄糖酸根的保留很弱,很快被洗脫出來。4.6～5.3 min時,通過閥切換用AG15柱對葡萄糖酸根離子進行富集。無機陰離子此時仍保留在第一維的色譜柱中。5.3 min～分析結束,第一維的無機陰離子用20 mmol/L NaOH溶液洗脫,經過抑制器和CRD 200被電導檢測器檢測。第二維分離系統中用90 mmol/L NaOH淋洗液將富集在AG15柱上的組分帶入PA1和PA20柱進行分離并進入安培檢測器檢測,圖3和圖4分別為5 mg/L的4種陰離子和4.282 5 mg/L的葡萄糖酸根的色譜分析圖。

圖 3 氯離子、亞硝酸根離子、硫酸根離子和硝酸根離子混合標準溶液的色譜圖Fig. 3 Chromatogram of a mixed standard solution of chloride, nitrate, nitrite and sulfate ions

圖 4 葡萄糖酸根標準溶液的色譜圖Fig. 4 Chromatogram of gluconate standard solution

2.3 線性關系、進樣重復性、檢出限和定量限

對質量濃度為1.00 mg/L的混合陰離子標準溶液和0. 8 565 mg/L的葡萄糖酸根標準溶液連續(xù)重復進樣8次,目標物峰面積的RSD在1.05%～1.94%之間(見表2),表明重復性較好。

表 2 4種無機陰離子和葡萄糖酸根的進樣重復性(n=8)Table 2 Injection repeatability of the four inorganic anions and gluconate (n=8)

3 結論

本文建立了一種電導檢測器和安培檢測器同時在線測定4種無機陰離子和有機糖酸葡萄糖酸根的二維離子色譜模式。在該分析系統中,通過精確計算閥切換時間,選擇合適的捕獲柱,并創(chuàng)新性地選擇了2根離子色譜保護柱串聯作為第二維系統的分析柱,優(yōu)化了第二維安培檢測的色譜條件,使氯離子、亞硝酸根離子、硫酸根離子、硝酸根離子和葡萄糖酸根同時在線測定達到理想效果,線性關系和重復性好,方法的靈敏度和準確度高。

離子色譜因其抑制器結構和安培檢測器響應的特殊性,使得二維離子色譜的實現存在一定的困難。本文通過一系列的方法優(yōu)化實驗,成功地將電導檢測器和安培檢測器并聯,從而用不同的檢測模式分析了無機陰離子和有機糖酸根,為今后二維離子色譜方法的設計開發(fā)提供了一個借鑒。

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Determination of inorganic anions and gluconate by two-dimensional ion chromatography

CHEN Ailian, DING Hui, FANG Linmei, SHI Chaoou*

(AnalysisandTestingCenter,EastChinaUniversityofScienceandTechnology,Shanghai200237,China)

two-dimensional ion chromatography; conductivity; pulsed amperometric; inorganic anion; gluconate

10.3724/SP.J.1123.2015.08036

2015-08-31

O658

A

1000-8713(2015)12-1333-05

* 通訊聯系人.E-mail:shico@ecust.edu.cn.