高端離子色譜功能樣機(jī)的性能測(cè)試及開發(fā)

施超歐 王 勇 劉玉梅 趙曉含 李 曉 張業(yè)平

(1.華東理工大學(xué) 化學(xué)與分子工程學(xué)院 分析測(cè)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(tǒng)多功能離子色譜儀作為高端的離子色譜儀，廣泛應(yīng)用于各種復(fù)雜樣品分析和高要求工作中[1-3]，發(fā)揮了巨大的作用，尤其其變色龍軟件的強(qiáng)大功能，大大提升了儀器的性能。

國(guó)產(chǎn)離子色譜儀大多僅僅滿足常規(guī)的分析，在低端離子色譜儀中互相競(jìng)爭(zhēng)，與國(guó)外高端產(chǎn)品無(wú)法相抗衡[4-7]。為提升國(guó)內(nèi)離子色譜水平，國(guó)家啟動(dòng)了重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)—“多功能離子色譜儀的開發(fā)與產(chǎn)業(yè)化”，但產(chǎn)品的檔次對(duì)比ICS高端系列，還是存在著很大的差距。

為縮短與國(guó)外的差距，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白，在對(duì)離子色譜儀器進(jìn)行深入研究的基礎(chǔ)上[8-12]，我們集中精力研發(fā)了Peek四元梯度泵，多功能自動(dòng)進(jìn)樣器以及各種檢測(cè)器尤其具有脈沖安培功能的檢測(cè)器以及相應(yīng)的色譜軟件，這3個(gè)模塊和軟件在國(guó)家重大離子色譜專項(xiàng)中基本沒有涉及。

本工作對(duì)這3個(gè)模塊進(jìn)行了性能測(cè)試，結(jié)果表明，整體性能良好，已經(jīng)具備小批量生產(chǎn)的條件。

2 儀器參數(shù)

2.1 Peek四元梯度泵

高壓恒流泵：國(guó)內(nèi)首臺(tái)高性能、低脈沖低壓peek四元雙柱塞恒流泵，采用高精度步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)精密滾珠絲桿系統(tǒng)，提高了其使用的可靠性、穩(wěn)定性和耐用性，可根據(jù)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(dòng)：≤0.02MPa；

(5)流量穩(wěn)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(dòng)進(jìn)樣器

兩種進(jìn)樣瓶可選，注射器規(guī)格可選，可實(shí)現(xiàn)在線濃縮富集以及雙系統(tǒng)交叉進(jìn)樣?？缮?jí)為部分進(jìn)樣。可外接TTL和R232控制。可由進(jìn)口軟件控制，全自動(dòng)運(yùn)行。

(1)進(jìn)樣位：標(biāo)配64位(8×8，8mL)，選配 142位(12×12-2，2mL);

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

(3)進(jìn)樣閥：可選(六通閥或十通閥)，可預(yù)設(shè)1～2個(gè)閥；

(4)進(jìn)樣體積：滿環(huán)進(jìn)樣方式，可升級(jí)為部分進(jìn)樣方式；

(5)進(jìn)樣速度：抽取，推樣五檔速度可調(diào)；

(6)清洗：清洗速度可調(diào)，清洗體積和清洗次數(shù)可調(diào)。

2.3 電化學(xué)檢測(cè)器

可選擇二電極電導(dǎo)檢測(cè)器或脈沖安培檢測(cè)器(二選一)，包含柱溫箱模塊，含數(shù)字和模擬輸出以及TTL和232接口。安培檢測(cè)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(cè)的需求。

2.3.1電導(dǎo)檢測(cè)器

(1)量程：0.0001～16000μS，無(wú)需換擋，量程自動(dòng)調(diào)節(jié)；

(2)檢測(cè)頻率高達(dá)100Hz；

(3)最大耐壓：10MPa(1500psi)；

(4)儀器線性：≥0.995；

(5)定性重復(fù)性RSD6定性：≤1.5%；

(6)定量重復(fù)性RSD6定量：≤1.5%；

(7)恒溫精度：室溫～60±0.01℃。

2.3.2安培檢測(cè)器

(1)3種檢測(cè)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(cè)器

(1)波長(zhǎng)范圍：190nm～700nm；

(2)光譜帶寬：5nm；

(3)波長(zhǎng)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(cè)濃度：≤5×10-9g/mL(萘)

(7)波長(zhǎng)掃描：多波長(zhǎng)時(shí)間編程(10波段)；

(8)池體積：8μL；

(9)系統(tǒng)重復(fù)性RSD6定性：≤0.05%；

(10)系統(tǒng)重復(fù)性RSD6定量：≤0.2%。

2.5 軟件

系統(tǒng)可接兩個(gè)泵、兩個(gè)檢測(cè)器、多個(gè)閥，具備常規(guī)的分析功能和數(shù)據(jù)處理功能。

3 性能測(cè)試

3.1 Peek四元梯度泵的測(cè)試

參考液相色譜儀及離子色譜儀的相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(JJG 705-2014、GB/T 26792-2011、GB/T 36240-2018、JJG 824-2014)對(duì)四元梯度泵的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試[13-16]。

3.1.1輸液泵耐壓檢定

流量設(shè)定為0.1mL/min，將輸液泵最高壓力設(shè)定在壓力上限值90%處，待系統(tǒng)壓力平穩(wěn)后并且保持10min。用堵頭將泵出口堵住，系統(tǒng)壓力將逐漸上升，當(dāng)達(dá)到輸液泵壓力上限值90%時(shí)，輸液泵停止運(yùn)行，記錄此時(shí)系統(tǒng)顯示的壓力值，同時(shí)按下秒表，10min后記錄壓力顯示值，按規(guī)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(nèi)，檢定結(jié)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(shè)定值誤差和流量穩(wěn)定性測(cè)試

用儀器專用管路連接輸液泵的出口、入口，出口適當(dāng)加一背壓(8MPa±2MPa)，參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定流量。設(shè)置流量為0.1mL/min、0.2mL/min、0.5mL/min、1.0mL/min各收集10分鐘，設(shè)置流量為1.5mL/min、2.0mL/min各收集5min,測(cè)定結(jié)果如表2所示。

表2 四元梯度泵流量測(cè)定值 mL/min

根據(jù)流量流速的測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算出輸液泵的流量設(shè)定值誤差，流量穩(wěn)定性(相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差)，檢定結(jié)果如表3所示。

表3 輸液泵的流量檢定結(jié)果

從表中可以看出，輸液泵的流量準(zhǔn)確性能夠滿足2%的要求。

3.1.3泵梯度設(shè)定值誤差檢定

參照液相色譜儀相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)泵的梯度設(shè)定值進(jìn)行測(cè)試，采用紫外檢測(cè)器，數(shù)據(jù)表明結(jié)果良好。設(shè)置梯度從0到100%，變化的數(shù)據(jù)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(jì)算得到設(shè)定值誤差分別為0.56%、0.78%、0.74%和0.53%，小于國(guó)家規(guī)定的2%。四元梯度泵性能測(cè)試結(jié)果如圖1所示。

圖1 四元梯度泵性能測(cè)試結(jié)果

3.2 自動(dòng)進(jìn)樣器的測(cè)試

目前離子色譜國(guó)標(biāo)中沒有自動(dòng)進(jìn)樣器的標(biāo)準(zhǔn)，參考最新液相色譜的檢定方法[17]，將其應(yīng)用到離子色譜中。

3.2.1自動(dòng)進(jìn)樣器取樣精度測(cè)試

由于離子色譜自動(dòng)進(jìn)樣器進(jìn)樣方式與液相色譜不一，而且目前只有滿環(huán)的進(jìn)樣方式，整體要求比較簡(jiǎn)單，這里僅僅對(duì)自動(dòng)進(jìn)樣器的取樣精度進(jìn)行了簡(jiǎn)單的測(cè)試。根據(jù)設(shè)定的不同定量環(huán)體積以及倍數(shù)關(guān)系(注射器 250μl)，并設(shè)置相應(yīng)的死體積，檢測(cè)其取樣精度，測(cè)試結(jié)果如表4所示。

表4 自動(dòng)進(jìn)樣器取樣精度測(cè)試

從測(cè)試結(jié)果看，實(shí)際取樣體積與定量環(huán)設(shè)置和倍數(shù)有關(guān)，與死體積的設(shè)置無(wú)關(guān)，儀器設(shè)置最大進(jìn)樣量為注射器的90%，僅能取樣1次，說(shuō)明整個(gè)程序還需改進(jìn)，尤其需要考慮死體積的關(guān)系。

3.2.2自動(dòng)進(jìn)樣器殘留測(cè)試

對(duì)一定高濃度的CN-進(jìn)行分析，設(shè)置進(jìn)樣后不清洗定量環(huán)，清洗1次定量環(huán)，清洗2次定量環(huán)，結(jié)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(shè)置進(jìn)樣后,2次清洗即可。自動(dòng)進(jìn)樣器殘留小于最新國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的0.01%。

采用氰根離子專用柱，準(zhǔn)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(cè)器。測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

圖2 進(jìn)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(cè)器部件的開發(fā)及測(cè)試

3.3.1電極墊片的開發(fā)

我們收集了可能的各種不同聚合物材質(zhì)類型的膜片，對(duì)其進(jìn)行了相關(guān)性能測(cè)試，并制成不同厚度的墊片，進(jìn)行評(píng)價(jià)，并與進(jìn)口原裝比較。

從各種材料看，大部分可以用，少數(shù)不太適合，從實(shí)際使用效果看，不同厚度的墊片應(yīng)采用不同的材質(zhì)。設(shè)計(jì)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(duì)測(cè)定結(jié)果的影響

自行開發(fā)了1mm、2mm、3mm的金電極，對(duì)3種尺寸金電極，以及不同厚度墊片的測(cè)試。結(jié)果表明響應(yīng)值主要依賴于電極的大小，直徑越大響應(yīng)值越大，但隨著直徑的增加單位響應(yīng)效率反而比較低，厚度影響其次，厚度對(duì)響應(yīng)的隨著高度的增加而減小，并不成線性，但符合指數(shù)冪的關(guān)系。

對(duì)于噪聲，不同厚度對(duì)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(yīng)有一個(gè)合適的比例，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果為最后產(chǎn)品定型提供了可靠的數(shù)據(jù)。

3.3.3脈沖安培檢測(cè)器的重現(xiàn)性測(cè)試

目前已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)金電極和銀電極的脈沖安培檢測(cè)，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(jìn)樣量20μL，柱溫30℃。連續(xù)進(jìn)樣10次，測(cè)定其保留時(shí)間，峰高和峰面積。結(jié)果表明，定性和定量重復(fù)性相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差小于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的1.5%，重復(fù)性良好。測(cè)試結(jié)果如表5、圖3所示。

表5 乳糖脈沖安培的重現(xiàn)性數(shù)據(jù)

圖3 乳糖的脈沖安培重現(xiàn)性

3.4 電導(dǎo)檢測(cè)器的性能測(cè)試

3.4.1最小檢測(cè)濃度檢定

根據(jù)離子色譜儀相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，準(zhǔn)確配置0.5μg/mL的Cl-進(jìn)行測(cè)定，記錄色譜圖，由色譜峰高和基線噪聲，標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度以及進(jìn)樣體積，按式(1)計(jì)算最小檢測(cè)濃度(按25μL進(jìn)樣量計(jì)算)。

(1)

式中：Cmin——最小檢測(cè)濃度，μg/mL；

HN——基線噪聲峰峰值，μS；

c——標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度，μg/mL；

H——標(biāo)準(zhǔn)溶液的色譜峰峰高，μS；

V——進(jìn)樣體積，μL。

通過(guò)計(jì)算，其最小檢測(cè)濃度為3.46×10-4μg/mL。通過(guò)檢測(cè)表明，其噪聲滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的0.005μS的要求，漂移小于0.10μS，最小檢測(cè)濃度小于0.02μg/mL。結(jié)果如表6所示。

表6 各項(xiàng)檢測(cè)指標(biāo)結(jié)果

3.4.2儀器線性的檢定

選擇在兩個(gè)數(shù)量級(jí)范圍內(nèi)，均勻分布的用水稀釋的5個(gè)濃度的Cl-系列標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行測(cè)量，每個(gè)濃度點(diǎn)測(cè)試3次取平均值，并與標(biāo)準(zhǔn)溶液的標(biāo)準(zhǔn)值做線性回歸，按式(2)計(jì)算其相關(guān)系數(shù)。

(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(gè)離子濃度的個(gè)數(shù)；

C——某個(gè)離子的算數(shù)平均濃度；

A——某個(gè)離子的算數(shù)平均峰面積。

結(jié)果表明，儀器線性結(jié)果良好，大于國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程的0.995。儀器線性結(jié)果如表7所示。

表7 儀器線性的檢定結(jié)果

3.5 紫外檢測(cè)器的性能測(cè)試

紫外檢測(cè)器從液相色譜移植而來(lái)，原來(lái)就有。參照相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)紫外檢測(cè)器的基線噪聲、基線漂移、最小檢測(cè)濃度、波長(zhǎng)示值誤差、波長(zhǎng)重復(fù)性和儀器線性進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果表明，基線噪聲小于5×10-5AU，基線漂移為6.6×10-4AU/h，波長(zhǎng)示值誤差小于2nm，波長(zhǎng)重復(fù)性小于2nm，最小檢測(cè)濃度為0.005μg/mL，儀器線性為0.999。結(jié)果如表8所示。

表8 各項(xiàng)檢測(cè)指標(biāo)結(jié)果

3.6 軟件的性能測(cè)試

對(duì)自行開發(fā)的色譜軟件進(jìn)行測(cè)評(píng)，結(jié)果表明，能實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的基本功能，功能設(shè)置較復(fù)雜，對(duì)于硬件，比普通色譜軟件只能控制一個(gè)泵，一個(gè)檢測(cè)器的問(wèn)題，本軟件可以實(shí)現(xiàn)雙泵、雙檢測(cè)器的控制，可以實(shí)現(xiàn)多閥的序列切換。針對(duì)安培的pH校正，設(shè)置了特殊的優(yōu)化方式，在沒有標(biāo)準(zhǔn)溶液的條件下，也可以進(jìn)行校正。對(duì)脈沖安培模擬信號(hào)輸出進(jìn)行了優(yōu)化，克服了采樣頻率低，信號(hào)容易失真的問(wèn)題。

整體達(dá)到了試用水平，但在個(gè)別功能設(shè)置，程序參數(shù)優(yōu)化等方面，還需要投入很大的精力。

4 結(jié)論

對(duì)儀器的3個(gè)部件進(jìn)行了性能測(cè)試，并長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，結(jié)果表明性能良好，能滿足較高要求的檢測(cè)。根據(jù)相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)四元梯度泵進(jìn)行測(cè)試，其壓力下降值小于5MPa，流量準(zhǔn)確性能滿足2%的要求，泵梯度設(shè)定值誤差小于2%；對(duì)自動(dòng)進(jìn)樣器進(jìn)行測(cè)試，其殘留小于最新相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的0.01%；對(duì)脈沖安培檢測(cè)器進(jìn)行測(cè)試，其定性重復(fù)性小于1.5%；對(duì)電導(dǎo)檢測(cè)器進(jìn)行測(cè)試，其噪聲滿足0.005μS的要求，漂移小于0.1μS，最小檢測(cè)濃度小于0.02μg/mL，儀器線性大于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的0.995；對(duì)紫外檢測(cè)器進(jìn)行測(cè)試，基線噪聲小于5×10-5AU、基線漂移為6.6×10-4AU/h、波長(zhǎng)示值誤差小于2nm、波長(zhǎng)重復(fù)性小于2nm、最小檢測(cè)濃度為0.005μg/mL、儀器線性為0.999。但在具體儀器結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)上，需要進(jìn)一步優(yōu)化，以確保運(yùn)行的可靠性。儀器中各個(gè)部件可以獨(dú)立運(yùn)行，可以由熱電的變色龍軟件控制，這顯示了在進(jìn)口低端機(jī)上進(jìn)行升級(jí)的特殊潛力，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。尤其脈沖安培檢測(cè)器軟件的pH快速校正功能，具有鮮明的自己特色，實(shí)現(xiàn)了比進(jìn)口機(jī)器更好用的特點(diǎn)。脈沖安培的模擬信號(hào)輸出解決了采樣頻率低，信號(hào)輸出易失真的問(wèn)題。同時(shí)加上原有的紫外檢測(cè)器，成為國(guó)內(nèi)唯一同時(shí)擁有3種檢測(cè)器類型的離子色譜儀器。

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