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　　摘要从毛细管离子色谱柱制备和毛细管离子色谱仪器研制两方面评述了毛细管离子色谱目前的发展状况。毛细管离子色谱柱包括开管离子色谱柱，毛细管颗粒填充离子色谱柱以及最近几年发展起来的整体毛细管离子色谱柱。对毛细管离子色谱仪的总结包括微流量泵、小体积进样器、适合毛细管离子色谱系统的小体积抑制器、电导和光学检测器等。

　　关键词离子色谱，毛细管液相色谱，毛细管离子色谱，整体柱,评述

　　1 引言

　　仪器微型化是目前分析仪器发展的重要研究方向之一。分离科学与技术的发展，特别是新材料和微制造技术的进步，极大地推进了微分离分析技术乃至其它分析仪器微型化的发展。近年来，色谱领域的微分离技术，如毛细管电泳（CE）、毛细管液相色谱（Capillary HPLC）[1]、毛细管电色谱（CEC）及微流控芯片（Labonchip）等，发展迅速，并在生物、医药、环境等许多领域得到了广泛应用。色谱仪器微型化可以大大降低流动相消耗，从而降低有机溶剂对环境的污染；大大减少了样品用量，非常适合价格昂贵、难以获得的生物样品以及某些有毒的环境样品；分析速度快，装置小，可以实现多通道同时检测。

　　文献[2~4]阐述了离子色谱方法的原理及应用。离子色谱主要用于无机阴、阳离子的分离分析,近些年也应用于有机酸、氨基酸、蛋白质等有机离子的分析。离子色谱最常使用的检测器是电导检测器，此外，紫外可见检测器和安培检测器也经常使用。离子色谱的主要贡献在于对阴离子的分离分析，在离子色谱出现之前，阴离子的分析方法存在灵敏度低、操作烦琐、不能进行多离子同时分析及稳定性、重现性差等缺点。30年来离子色谱在柱技术、抑制器、仪器自动化等方面得到了充分发展。目前，国际上已将离子色谱作为与高效液相色谱、气相色谱和毛细管电泳并列的一种色谱方法单独分类。

　　离子色谱仪器的微型化除了具有和其他色谱仪器微型化相同的优势外，由于其在环境分析领域的特殊地位，微型（小型）化更适应野外环境分析的需要。目前，已有商品化的便携离子色谱仪，将泵、柱、检测器、流动相等全部放在便携箱中，总重量十多kg。

　　普通离子色谱柱内径为4~5 mm，而毛细管离子色谱柱的内径为5~500 μm。1983年，Rokushika等[5]首次报道了毛细管离子色谱仪的研制，采用47 cm×019 mm i.d.石英毛细管柱，柱内填充10 μm阴离子交换填料，配有02 mm i.d.×10 mm中空纤维抑制器，流速19 μL/min，分离了mg/L级的无机阴离子和有机酸以及河水和果汁中的阴离子成分。Kuban等[6]总结了毛细管离子色谱的发展。但是，迄今为止，毛细管离子色谱仪及毛细管离子色谱柱尚未实现商品化。毛细管离子色谱是当今离子色谱领域的重要前沿课题，本文从柱和仪器两个方面对目前毛细管离子色谱的发展进行综述。

　　２毛细管离子色谱柱

　　2.1 开管毛细管离子色谱柱

　　早在1981年开管液相色谱柱已出现，Ishii等[7]在30~60 μm玻璃毛细管内制备了开管离子交换柱，分离了4种核苷。但是，开管液相色谱柱在应用中受到一些限制。我们可以从Golay所推导的开管液相色谱的塔板高度的基本公式看到其局限性。H=2Dm[]u+(11k′2+6k′+1)d2c[]96(1+k′)2DMu+k′d2f[]3(1+k′)2Dsu（1）式中，H为板高，u为流动相线速度，k′为容量因子，dc为色谱柱内径，df为固定相涂层厚度，DM、DS分别为溶质在流动相和固定相的扩散速率。由于分子在液相中扩散系数要小于在气相中的扩散系数，所以在开管液相色谱中，第二项的影响非常大。

　　可以看出，塔板高度随柱直径的增加而增加，柱内径降低才会获得高柱效。开管柱要获得比相同长度的填充柱更高的柱效，其内径需要控制在2~10 μm。Muller等[8]制备了内径46~95 μm的开管柱，46 μm i.d.×90 cm的开管柱柱效可达246 000~680 000塔板，分离了碱金属和碱土金属。之后，他们[9]使用46 μm i.d. 开管柱，流速为10~26 nL/min，进样量为10 pL，25 s内分离碱金属和碱土金属，35 s内分离常见阴离子。从式（1）可见，为了减小流动相传质阻力，在使用开管柱时应加大扩散系数，即采用较高的柱操作温度和使用低粘度的流动相。Pyo等[10]通过提高温度，以提高样品的扩散系数和分离效率，开管柱内径50 μm，柱温120~150℃，对阴离子的分析表明，柱温从室温增加到150℃，柱理论塔板数增加6倍。

　　开管离子色谱柱渗透性好，柱压低，可以制备很长的色谱柱。但是，开管离子色谱柱具有很小的内体积，由于柱容量小，进样量受到限制，pL级的进样量以及nL/min的流速都对仪器的硬件系统有太高的要求。因此，这方面的研究不多;开管柱尽管起步较早，但一直发展不快，而填充毛细管离子色谱柱容量大，技术上的限制较小。

　　2.2 填充毛细管离子色谱柱

　　Takeuchi等[11]对填充毛细管离子色谱柱进行了深入细致的研究。由于采用毛细管柱可以大大节省流动相的消耗，在动态改性固定相方法研究中，研究费用可以大大降低。Takeuchi等[11]采用032 mm i.d.柱，以表面涂覆溴化十六烷基三甲铵的3 μm ODS为固定相，流动相含有5%的1 mmol/L水杨酸钠，间接紫外检测分析无机阴离子。Hu等[12] 提出静电离子色谱，将两性胶束胆汁酸盐（NaTDC）涂覆在反相色谱填料上，使用纯水为流动相，用于毛细管离子色谱分析。之后，他们采用该方法，在035 mm i.d.×50 mm毛细管内填充NaTDC胶束涂覆ODS固定相。以CuSO4为流动相，紫外光度检测同时测定了S2O2-3、NO-3、I-、SCN-、Na+和K+等阴、阳离子[13]。Takeuchi等[14]将牛血清白蛋白(BSA)固化到5 μm的ODS填料上，填充到035 mm i.d.毛细管柱中，流动相为NaCl和酒石酸。当流动相pH值降低时，更多的 BSA质子化，阴离子的保留增加，间接紫外检测分析了Cl-、NO-2和Br-,并应用于自来水的分析。他们在035 mm i.d.×50 mm硅胶柱上采用氯化苄基三甲铵(BTMAC)做流动相，采用含2 mmol/L BTMAC的30％乙腈水溶液，分离了碱金属阳离子，应用于威士忌酒和番茄酱中阳离子的测定[15]。采用吸附能力更强的1,1′二甲基4,4′联吡啶盐为流动相，间接紫外测定Mg2+和Ca2+，用于饮料和红酒分析[16]。

　　Takeuchi等在032 mm i.d.×100 mm柱内分别填充硅胶表面涂覆含有离子基团的糖类软骨素硫酸盐（含有—COOH，—CH2OSO3H，—NHCOCH3基团）[17]、涂覆肝磷脂（含有氨基磺酸、羧酸、磺酸基团）[18]，考察了阴、阳离子的保留行为[19];在柱内填充右旋糖苷涂覆的固定相，以CuSO4和三吡啶钌ruthenium tris(bipyridyl)3+为流动相，分析血清样品中的碱金属和碱土金属[20];采用032 mm i.d.，填充ODS的毛细管柱，流动相中加入8羟基喹啉，8羟基喹啉可以与Mg和Al络合，络合产物用荧光检测[21]。文献[22]使用032 mm i.d.毛细管，填充阴离子交换填料，5 mmol/L Na2SO4为流动相，206 nm直接紫外检测NO-2和NO-3。

　　2.3 整体毛细管离子色谱柱

　　整体柱是近些年发展起来的一种新型分离介质，被誉为第四代色谱填料。整体色谱柱是在色谱柱内通过原位聚合而制成的连续床固定相。这种色谱柱不需用细粒径的填料填装，具有制备简单、渗透性好、传质速度快、避免烧塞子及易于改性等优点。整体柱一经推出即受到色谱领域的高度重视，近些年发展很快，已应用于蛋白质、氨基酸、低聚核苷酸、类固醇、芳烃以及聚合物等物质的分离分析。到目前为止，国内外已有多篇综述介绍整体柱的研究[23~26]。

　　整体柱主要分为有机聚合物整体柱和无机硅胶整体柱。聚合物整体柱由于制备过程简单，选材范围广，适用的pH 范围宽，在近几年得到了迅速发展。但聚合物整体柱也存在溶胀、受热变形以及机械性能差等不足，并且孔径及孔径分布难以控制。制备有机聚合物整体柱，往往是柱的渗透性与柱效不能兼顾，即柱孔径小时渗透性差，但柱效高;而孔径大时虽然渗透性好，柱效却降低了。硅胶整体柱在孔径控制、机械性能、耐溶剂等方面显示出一定的优越性，但存在适用pH范围窄，制备复杂等局限性。

　　目前离子色谱整体柱大多是在常规尺寸（46 mm i.d.）的商品无机硅胶整体柱上进行修饰，用于无机阴、阳离子的分离分析。硅胶整体柱具有很大的通孔，柱渗透性好，可以使用高流速而柱效并没有显著的降低，因此在快速分离中具有很大的优势。Hatsis等[27]在Merck公司的Chromolith Speed ROD RP18e硅胶基质整体柱(50 mm×46 mm i.d.)表面涂覆溴化十二烷基二甲铵(DDAB)，流速10 mL/min，30 s内分离7种阴离子。Xu等[28~30]近几年对整体柱在离子色谱领域的应用进行了一些研究。Paull等[31]综述了整体柱在离子色谱领域的应用。但是，在毛细管内制备硅胶整体柱用于离子色谱分析的报道很少。Motokawa等[32]在50~200 μm i.d.毛细管内制备了多孔硅胶整体柱，高速离子色谱测定酸度。

　　相对于硅胶整体柱，有机聚合整体柱制备简单。Yuji等[33]报道在250 μm 内径毛细管内原位聚合有机整体柱，分离了一价和二价阳离子。Zakaria等[34]在250 μm石英毛细管柱内制备了有机聚合整体柱，单体为BMA、EDMA和2丙烯酰胺2甲基1丙磺酸混合物，之后表面涂敷季铵功能化乳胶颗粒，30 s即可分离无机离子和有机酸，30 cm长的柱，柱效为18,000 N/m。

　　３毛细管离子色谱系统

　　毛细管离子色谱中影响柱效的一个重要因素是柱外效应。柱外效应是指由色谱柱填充床层或分离介质以外的因素引起的色谱峰形展宽而影响柱效的效应,主要是由进样器、检测器以及连接管路体积所引起的。由于毛细管离子色谱对柱外效应有十分严格的要求，常规离子色谱系统的各仪器部件都要做出相应的改造或重新设计才能使系统稳定、高效地运行。必须解决的几个技术难题是：极低流速、准确的梯度控制；准确的小体积进样；高信噪比、高灵敏检测技术。

　　3.1 毛细管离子色谱系统的泵

　　高压输液系统性能直接影响整个仪器的重复精度、稳定性和分析定量准确度。目前多采用螺旋注射泵及往复柱塞泵作为输液源。当流量在50~150 μL/min时，柱塞泵与注射泵均有商品仪可用于二元、三元及四元梯度淋洗模式。柱径在50~300 μm毛细管柱，流量范围通常在50 nL/min~4 μL/min。因为梯度淋洗要求泵系统有至少1%工作流量的控制精度和重复性，可以采用分流技术，使泵工作在最低稳定流量。LCPacking/Dionex的UltiMateTM微量泵即采用分流设计，低压四元梯度淋洗，可在60 s内完成0~100%的梯度变化，流量范围50 nL/min~200 μL/min。

　　3.2 毛细管离子色谱系统的进样

　　对进样装置要求密封性好，死体积小。使用液相色谱系统进行样品分析时，被分析物由进样阀送至分析柱头。样品在阀内的扩散将会引起峰展宽，这使得进样阀内定量管的体积不能太大。对于进样量大于20 nL的样品，可通过使用不同体积定量管的进样阀；进样量在20 nL以下的样品，通常采用在进样器与色谱柱之间装一个分流三通的

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