離子色譜法在現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

羅蘭萍

(廣東石油化工學(xué)院，廣東 茂名 525000)

離子色譜起源于1975年，是采用離子交換樹脂為色譜柱填料，以低離子強(qiáng)度的溶液為淋洗液，以電導(dǎo)檢測(cè)器來分析水樣中的陰離子或陽(yáng)離子的一種液相色譜方法，具有操作簡(jiǎn)單、測(cè)試所需時(shí)間短、儀器靈敏度高、色譜柱的選擇性好等特點(diǎn)[1]。離子色譜自問世以來得到迅速發(fā)展，在環(huán)境、生物、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、食品等領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用，是分析化學(xué)中發(fā)展較快的一種分析方法。

現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù)是化學(xué)、物理等多種學(xué)科交叉的一門學(xué)科，其分析過程需要使用現(xiàn)代的分析儀器，主要包括色譜類分析儀器、光學(xué)類分析儀器、電化學(xué)類分析儀器等。隨著現(xiàn)代高新技術(shù)的發(fā)展，各種現(xiàn)代分析儀器應(yīng)運(yùn)而生，現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù)的應(yīng)用也日趨普遍，現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù)的原理和實(shí)驗(yàn)技術(shù)已成為材料、化工、環(huán)境等領(lǐng)域工作者必不可少的基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能[2]。在傳統(tǒng)的現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程中，色譜分析法的內(nèi)容一般只涉及氣相色譜法與高效液相色譜法。離子色譜法雖然是高效液相色譜的一個(gè)分支，但由于其與普通高效液相色譜在儀器的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用范圍即分析對(duì)象上存在一定的差異(如目前應(yīng)用較多的抑制型離子色譜采用了抑制器，而高效液相色譜沒有該裝置；高效液相色譜主要用于有機(jī)化合物的分析，而離子色譜可用于無機(jī)離子的分析等等)，故也可做為獨(dú)立的一個(gè)色譜大類。因此，將離子色譜法增加至現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程中，能豐富現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)內(nèi)容，也能使更多的學(xué)生了解或掌握離子色譜儀的原理、方法及應(yīng)用，對(duì)高校人才的培養(yǎng)具有重要意義。

1 離子色譜法的介紹

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

離子色譜是一種液相色譜技術(shù)，是利用被測(cè)物質(zhì)的離子性來實(shí)現(xiàn)分離和檢測(cè)的。其分離原理主要包括離子交換色譜、離子排斥色譜和離子對(duì)色譜三種類型[3]。此次實(shí)驗(yàn)所使用的色譜柱為離子交換色譜柱，是采用功能基團(tuán)具有固定的電荷的離子交換劑作為固定相，淋洗液中含有與固定相相反電荷的離子，在流動(dòng)過程中，淋洗液接近固定相的功能基，使其保持電中性。根據(jù)交換劑功能基團(tuán)所帶電荷的不同，可分為陰離子交換劑和陽(yáng)離子交換劑兩種。實(shí)驗(yàn)中的色譜柱為陰離子交換色譜柱，電荷基團(tuán)帶正電，色譜柱平衡后，與淋洗液中的帶負(fù)電的平衡離子相結(jié)合，當(dāng)樣品溶液(可能含有中性基團(tuán)、負(fù)電基團(tuán)和正電基團(tuán))被淋洗液帶動(dòng)流經(jīng)色譜柱時(shí)，平衡離子被樣品溶液中的負(fù)電離子置換，使負(fù)電離子被功能基的電荷所保留，中性離子與正電離子不能被功能基的電荷所保留而隨淋洗液流出，因?yàn)椴煌呢?fù)電基團(tuán)與固定相的作用力不同，作用力小的基團(tuán)先被置換出，作用力大的需要較高的離子強(qiáng)度才能被置換出，導(dǎo)致在色譜柱上的保留時(shí)間存在差異，從而實(shí)現(xiàn)了不同的離子的分離。

1.2 儀器的組成

講解完實(shí)驗(yàn)的基本原理后，再按流動(dòng)相的流通順序，依次對(duì)儀器的各組成部件(淋洗液輸送系統(tǒng)、進(jìn)樣系統(tǒng)、色譜柱、抑制器、檢測(cè)系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng))進(jìn)行介紹。介紹到每個(gè)組成部件時(shí)，對(duì)著該部件的實(shí)物進(jìn)行講解，并讓學(xué)生參與簡(jiǎn)單的操作，如隨機(jī)抽取學(xué)生卸下及安裝色譜柱，更換抑制器再生液及清洗液蠕動(dòng)泵管線的卡口等，以加深學(xué)生對(duì)儀器結(jié)構(gòu)及原理的了解。

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

包括溶液(淋洗液、再生液、清洗液、標(biāo)準(zhǔn)溶液、樣品溶液)的準(zhǔn)備、開機(jī)、建立測(cè)試方法、測(cè)樣、關(guān)機(jī)等步驟。因課程的核心是學(xué)習(xí)如何使用離子色譜儀，且配制溶液耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，為了節(jié)省實(shí)驗(yàn)時(shí)間，淋洗液、再生液、清洗液在實(shí)驗(yàn)前均已準(zhǔn)備好，因此只對(duì)學(xué)生講解如何配制該溶液，不要求學(xué)生進(jìn)行具體操作。重點(diǎn)講解如何開機(jī)、排氣、怎樣設(shè)置泵、檢測(cè)器等部件的參數(shù)、怎樣建立測(cè)試方法、如何進(jìn)行簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)處理、實(shí)驗(yàn)完畢后如何沖洗系統(tǒng)并關(guān)機(jī)等。

1.4 注意事項(xiàng)及儀器的維護(hù)保養(yǎng)

作為一種精密的分析儀器，為保證儀器少出故障、確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及延長(zhǎng)儀器的使用壽命，在使用中或使用完畢后對(duì)儀器的精心維護(hù)是必不可少的。而且部分相關(guān)專業(yè)的學(xué)生畢業(yè)后極有可能從事現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù)的工作，掌握了實(shí)驗(yàn)過程中注意事項(xiàng)及儀器的基本維護(hù)保知識(shí)，有利于防止不必要的問題或故障出現(xiàn)，也能增強(qiáng)學(xué)生解決問題的能力。溶液輸送系統(tǒng)、IC泵、單向閥、在線過濾器、色譜柱為容易發(fā)生故障的部件。上機(jī)操作前，淋洗液的正確配制尤為重要，淋洗液作為整個(gè)系統(tǒng)的流動(dòng)相，影響到測(cè)試結(jié)果是否準(zhǔn)確及關(guān)系到儀器能否正常運(yùn)行，需要注意的事項(xiàng)包括：所使用的水為超純水、試劑的稱量及定容要準(zhǔn)確、配制好后需要用0.22 μm的水系濾膜抽濾、超聲脫氣等步驟；淋洗液使用期限不超過一周，隔天使用時(shí)需要重新抽濾、超聲脫氣。淋洗液使用前若未經(jīng)過濾，溶液中的細(xì)小顆粒會(huì)造成IC泵或單向閥的堵塞；若未經(jīng)脫氣，溶液中的氣體會(huì)導(dǎo)致壓力不穩(wěn)定，基線不穩(wěn)定，甚至?xí)p壞色譜柱。若系統(tǒng)的壓力波動(dòng)大，可能是單向閥或在線過濾器堵塞，單向閥維護(hù)方法為：使用儀器配套的專用工具將單向閥卸下，浸入盛有乙醇溶液的燒杯中，24 h后放入超純水中超聲清洗；在線過濾器維護(hù)方法為定期更換濾芯[4]。操作儀器時(shí)只有嚴(yán)格按操作規(guī)程操作，多注意細(xì)節(jié)問題，才能在儀器使用過程中得心應(yīng)手。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)操作

實(shí)驗(yàn)采取小班化，每組6人左右，配制標(biāo)準(zhǔn)溶液、建立測(cè)試方法、手動(dòng)進(jìn)樣、數(shù)據(jù)處理等步驟均讓學(xué)生分工合作、自主操作，授課教師在旁邊指導(dǎo)。為確保學(xué)生能順利進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)講解部分完畢以后，授課教師采用6種陰離子(F-、Cl-、Br-、NO3-、PO43-、SO42-)的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液做一次完整的演示實(shí)驗(yàn)。儀器旁配備有儀器的詳細(xì)操作規(guī)程，演示實(shí)驗(yàn)完畢后，安排學(xué)生按實(shí)驗(yàn)方案自主操作儀器，有疑問的地方查閱操作規(guī)程或請(qǐng)教老師，這樣能突出學(xué)生的主體地位、增強(qiáng)學(xué)生的分工合作能力、激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。演示實(shí)驗(yàn)的色譜圖如圖1所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)溶液離子色譜圖

2.2 實(shí)驗(yàn)報(bào)告

與其他實(shí)驗(yàn)一樣,學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)后,需要對(duì)自己小組的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及分析，并撰寫出一份完整的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，包括預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論。作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)中重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，實(shí)驗(yàn)報(bào)告能檢查學(xué)生是否已經(jīng)掌握所學(xué)知識(shí)，也能培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)習(xí)態(tài)度。授課老師提前將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容告知學(xué)生，讓學(xué)生進(jìn)行充分預(yù)習(xí)，并撰寫好預(yù)習(xí)報(bào)告；在學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)過程中，授課老師除了與給學(xué)生答疑外，還需要仔細(xì)觀察并記錄每位學(xué)生的表現(xiàn)(如是否確實(shí)進(jìn)行預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)操作是否規(guī)范、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄是否準(zhǔn)確等)，在實(shí)驗(yàn)報(bào)告批閱的評(píng)分中作為主要依據(jù)之一。實(shí)驗(yàn)完畢后應(yīng)提醒學(xué)生按時(shí)上交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，并及時(shí)按實(shí)驗(yàn)報(bào)告的具體要求和評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行批閱，對(duì)發(fā)現(xiàn)的一些較嚴(yán)重的問題及時(shí)反饋給學(xué)生，引導(dǎo)學(xué)生不斷提高書寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告的能力。

3 總結(jié)

離子色譜法的應(yīng)用涉及環(huán)境、食品、生物、應(yīng)用化學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域，與日常生活密切相關(guān)，將利用離子色譜儀測(cè)試樣品的實(shí)驗(yàn)增加至現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程中，能有效利用分析測(cè)試中心現(xiàn)有的儀器資源，拓展學(xué)生的知識(shí)面、提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣及科研水平，同時(shí)也拓展了現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容。