本申请案要求由Christopher A.POHL、Kannan SRINIVASAN和Brittany OMPHROY在2014年8月8日提交并且名称为“用于减少抑制器噪声的方法”的美国专利申请案第14/455,710号[代理人案号19227US1/NAT]的优先权，所述美国专利申请案的内容以引用的方式并入本文中。
背景技术：
在离子分析中使用连续再生的电解膜抑制器是沿用已久的。抑制器的主要功能是通过将色谱洗脱液转化成弱解离形式，同时使完全解离的样品分析物离子转化成导电形式来降低背景。历史上，已相当努力致力于降低抑制器装置的色谱噪声。噪声的主要促成因素是a)抑制器背景，b)浸出液含量，c)操作参数，如电流、温度等。这些开发工作尤其使用如氢氧化钾、氢氧化钠、甲磺酸等的洗脱液辅助改善噪声性能。在洗脱液以碳酸盐和/或碳酸氢盐为主的情况下，所抑制的洗脱液是碳酸并且相对于当所抑制的洗脱液是去离子水时，产生更高的噪声。高噪声问题的一种解决方案已使得所抑制的洗脱液通过抑制器后碳酸盐去除装置以从碳酸流出物去除溶解的二氧化碳，由此降低背景并且获得低噪声。
电流高效的电解抑制器描述于美国专利6,077,434(“'434专利”)中。这类抑制器的结构可为样品流体流动通道与离子接收流动通道由阴离子交换屏障分隔开的双通道装置，所述阴离子交换屏障在抑制期间使分析物离子的洗脱液抗衡离子通过。另外，公开一种三通道夹心式抑制器，其中样品流体流动通道与侧面离子接收通道由两个离子交换屏障分隔开。样品流体流动通道的上游部分的电阻比下游部分更低。'434专利公开(在第17栏第10行至第18栏第7行)多种实现这个的方式，包括将第一对电极用于上游部分并且另一电极对用于下游部分。独立电源用于电极对或在电极的下游部分使用电阻器被公开作为降低下游部分电阻的方式。所述专利在第13栏第55行至第14栏第11行教示如果样品流体流动通道装有离子交换介质，那么其将具有低容量。
技术实现要素：
根据本发明，提供一种用于抑制含有先前分离的样品分析物阴离子、所述样品分析物离子的抗衡离子和非样品阴离子的可抑制弱酸的液体洗脱液的电解方法。所述方法在电解装置中进行，所述电解装置包含(a)界定至少一个样品流体流动通道和离子接收流通通道的外壳，所述样品流体流动通道邻近于所述离子接收流动通道；(b)安置于所述样品流体流动通道与所述离子接收流动通道之间的第一离子交换屏障，其允许离子运输并且阻断散装液体流动，所述样品流体流动通道包括上游通道部分和下游通道部分；和(c)安置于所述下游通道部分中的高容量离子交换介质。所述方法包含(a)在上游通道部分两端施加第一电流以通过跨越第一离子交换屏障运输抗衡离子而在上游通道部分基本上完全抑制抗衡离子并将非样品阴离子转化成弱酸；和(b)在下游通道部分两端施加第二电流以在后续检测期间基本上减少弱酸的噪声，所述第二电流的幅度比所述第一电流的幅度小10％。
附图说明
图1是背景技术电解抑制器的示意图。
图2和图3是用于进行本发明方法的电解抑制器的不同实施例。
图4说明图3的电解抑制器的电阻器图示。
图5A说明使用背景技术方法的实验结果。
图5B说明使用本发明方法的实验结果。
图6A说明使用背景技术方法的实验结果。
图6B说明使用本发明方法的实验结果。
图7说明使用本发明方法的实验结果。
图8说明使用本发明方法的实验结果。
具体实施方式
本发明的系统适用于测定大多数阴离子。合适的样品包括地表水和其它液体，如工业化学废水、体液、饮品(如水果、酒和饮用水)。
本发明涉及一种用于处理包括分析物阴离子和具有相反电荷的抗衡离子(阳离子)的水性样品流体的方法。处理是在离子色谱的抑制器中并且抗衡离子是洗脱液中具有分析物离子相反电荷的电解质阳离子。
本发明涉及在与样品分析物(称为“非样品阴离子”)混合之前减少洗脱液中存在的所抑制的可抑制弱酸阴离子的噪声。因此，在与样品阴离子混合之前，洗脱液可包括弱酸非样品阴离子(例如碳酸根、碳酸氢根或硼酸根)的阳离子(例如钾或钠)盐。正如将要阐述的，阳离子作为阴离子分析物的抗衡离子，在抑制期间通过跨越离子交换屏障运输而去除，留下呈酸形式的可抑制非样品弱阴离子，从而在检测期间产生噪声，所述噪声通过本发明的方法减少。噪声减少和随之而来的噪声改善的信号可高达10倍范围。
一般来说，除非另外规定，否则本发明抑制方法的原理和详情以及适用于进行所述方法的设备如以引用的方式并入的'434专利中所述。'434专利和本发明都是关于一种电解抑制方法，其中样品流动通道的上游部分所施加的电流比下游部分更大。
如所述，根据本发明，抗衡离子在样品流体流动至下游部分之前在上游部分完全或基本上完全抑制。“基本上完全”抑制定义为意指施加于上游部分的电流足以实现完全抑制，完全抑制定义为阴离子分析情况中样品和洗脱液抗衡离子阳离子的去除大于99％，优选地大于99.5％并且更优选地大于99.9％。无需额外处理以实现抑制。
相比于'434专利，将高容量离子交换介质安置于样品流体流动通道的下游部分中。对于1ml/min的操作性流动速率，“高容量”定义为最小0.01meqv，优选地大于0.02meqv并且更优选地大于0.03meqv。在下游部分使用高容量介质的优势包括高静态容量允许在不施加任何功率的情况下操作抑制器。另外，高容量允许分析含有高基质浓度的样品。高容量总体上提供静态容量的储存器，使得装置用户满意并且使得装置连续操作而无停机时间。因此，高容量相当容易使用。
下游部分中的高容量介质可具有与离子交换屏障相对侧的离子接收流动通道中的离子交换介质类似的高容量。离子交换介质的合适形式描述于'434专利中，如筛、离子交换粒子的填充床和流通离子交换单块。
根据本发明的合适电解抑制器描述于'434专利中，包括(a)样品流体流动通道与离子接收流动通道由离子交换屏障分隔开的双通道装置，或(b)侧面具有两个离子接收通道并且与样品流体流动通道由两个障壁分隔开的夹心抑制器。
可控制在样品流动通道的上游和下游部分中所施加电流幅度的差异，如在'434专利的第17栏第10行至第18栏第7行所述的装置中。
如本文中所定义，样品流动通道的“上游部分”是在入口侧的样品流动通道部分，安置于在样品流动通道两端供应第一较高电流以便基本上完全抑制的第一隔开电极或电极部分之间。
样品流体流动通道的“下游部分”是在出口侧的样品流动通道，安置于在样品流动通道两端供应与上游部分相比的第二较低电流的第二隔开电极或电极部分之间。
施加这类电流的合适装置包括'434专利第17和18栏中所述的装置，其包括以下：(a)使用邻近上游部分的第一电极隔开对和邻近下游部分的第二隔开电极对；其中每个电极对连接至单独的电源；或(b)所有电极使用单个电源，其中第二电极对串联连接至电阻(电阻器)，但第一对并未连接至电阻(电阻器)。另外，下游部分中连接至电阻器的第二电极组装件中的一个电极可与上游部分中的电极隔开，而相对侧样品流体流动通道上的电极组装件是连续的并且可或可不连接至电阻器。将更详细地描述这些合适电极配置实施例中的一些。
通过背景技术，已知抑制器电流影响抑制器的噪声性能。施加的电流高于抑制所需的电流导致较高噪声，因此接近于最佳方案操作是最佳的。使用100％电流高效装置抑制给定洗脱液所需的电流可基于法拉第方程式(Faraday's equation)计算。
其中
-í100是具有100％电流效率的装置的电流(mA)
-f是法拉第常数
-c是浓度(M)
-ν是流动速率(mL/min)
举例来说，为了抑制包含20mM氢氧化钾的洗脱液，以上方程式计算所需电流将近似32mA。另外已知如果所施加的电流高于抑制给定抑制器所需的电流，那么噪声增加并且瓦数增加。维持高电流效率是重要的，因为这确保了抑制器汲取抑制所需的电流。
根据本发明已发现，尽管使用在电流高效方案下的电流操作，但在抑制之后仍存在残余背景，其受抑制器上所施加的电流高度影响。这个残余背景波动产生高噪声，尤其当所抑制的流出物弱解离并且导电时，如在碳酸背景下。在洗脱液产生器产生氢氧化钾洗脱液的情况下，背景是去离子水并且不受影响，因为其基本上不导电并且任何波动都不转变成高噪声。这是背景技术的抑制器能够通过使洗脱液形成去离子水作为抑制产物获得低噪声的原因。
对于产生弱解离物质的导电洗脱液(如碳酸)，观察到基本上较高的噪声。举例来说，碳酸盐和或碳酸氢盐洗脱液的典型噪声处于3至10nS/cm范围内。
根据本发明，降低抑制器出口处的电流产生最低程度的背景波动并且因此在碳酸盐和/或碳酸氢盐洗脱液下产生低噪声。在样品流体通道下游部分中施加较低电流并未显著影响上游部分的基本上完全抑制。据信，施加低电流使得弱解离物质的中性组分跨越抑制器的样品流体流动通道的运输降到最低。样品流体流动通道中的离子物质由于带电膜的排斥力而无法跨膜运输。离子交换膜称为唐南屏障(donnan barrier)并且相同电荷由于唐南电位而排斥，唐南电位是基于膜上的净电荷产生的电位。举例来说，在阴离子分析期间，膜携载来自膜上磺化部分的阴离子电荷。碳酸背景由膜上磺化阴离子电荷所排斥的碳酸氢根阴离子构成。然而，膜无法排斥中性碳酸物质，其可跨膜自由移动。因此，导电碳酸可跨膜运输，造成所观察到的背景信号变化。
根据本发明，中性物质的运输在较高电流下较高，导致所观察到的背景较大变化，产生大量噪声。降低电流确保使弱解离中性物质的运输降到最低，因此产生较低噪声。根据本发明，通过使抑制功能与噪声功能分离，提供一种碳酸盐和/碳酸氢盐洗脱液的噪声问题的实际解决方案。
图1说明背景技术并且如'434专利中关于图1-4所详细描述的膜抑制器设计。两个离子交换膜(屏障)10a和10b界定三个通道。中央通道16是样品流体流动通道并且位于两个障壁侧面的侧通道18和20分别是再生剂(离子来源和接收)通道。电极12和14安置于再生剂通道中并且与其共同广泛延伸以分别充当阳极和阴极。电源30与电极12和14电连通，用于在电极两端供应电流和电位。对于阴离子分析，膜10a和10b是阳离子交换膜。电极12和14分别是阳极和阴极。通道16、18和20可用阳离子交换介质填充，如离子交换筛或离子交换粒子的填充床。在操作中，当洗脱液抽吸至样品流体流动通道中，含水流供应至流动通道18和20并且在电极12和14两端施加超过大致1.5V的电位时，发生电解水分解反应，从而在阳极12处形成水合氢离子，而在阴极14处形成氢氧根离子。阳离子(阴离子分析物离子的抗衡离子)在整个完整装置中跨越阴离子交换障壁从阳极运输至阴极。此过程驱使在电极12处产生的水合氢离子朝向阴极电极14。这个迁移过程也促使来自洗脱液的钠离子与水合氢离子交换并且将导电碳酸钠洗脱液转化成弱解离的碳酸形式。分析物完全解离。举例来说，氯化钠转化成导电盐酸形式。将来自通道16的流出物引导至合适的检测器(未示出)，如电导检测器，用于检测和定量。基于方程式(1)施加合适的电流，使得洗脱液可被完全抑制。在操作中，所施加的全部电流分布在整个电极表面12和14两端。具有碳酸盐洗脱液的背景技术装置将产生大于3nS/cm的峰间噪声。应注意，噪声在较高洗脱液浓度下将较高。
本发明的一种装置展示于图2。所述装置由如先前图1所述界定三个通道16、18和20的两个离子交换膜屏障10a和10b构成。在本发明中，除了电极22和26比电极12和14短之外，所有组件与图1的组件类似。两个额外电极24和28配置在洗脱液筛的下游部分上并且以使得电极24和28与电极22和26之间不存在物理连通的方式放置。这可通过在电极之间隔开小间隙来实现，如由22与24之间的间隙所示。电极22和26由第一电源供电。电极24和28由第二电源32供电。
根据本发明，施加于第二电源的电流始终低于施加于第一电源的电流。在电极24和28两端的电流较低的净效果是噪声较低，并且碳酸钠洗脱液的峰间噪声处于<1nS/cm的范围内，与背景技术抑制器的3至5nS/cm形成对照。在操作中，在一优选实施例中，在电极22和26两端施加的电流用于完全抑制洗脱液。电极对每单位面积的电流高于背景技术装置，因为电极面积较小。在电极24和28两端施加的电流用于使所抑制的洗脱液(如洗脱液通道中的碳酸流出物)中的变化降到最低，由此实现较低噪声。在电极24和28两端施加电流确保装置再生并保持抑制功能。另外，系统在关闭之后启动期间，给电极供电确保装置的出口部分不含洗脱液抗衡离子。如果抑制器的出口呈洗脱液抗衡离子形式，那么抑制器功能未得以维持并且分析物可能转化成洗脱液或样品抗衡离子形式而非所抑制的酸或碱形式。
图3显示本发明的另一个实施例，其中除了电阻器34串联连接在电极22和24两端之外，所有零件与图2类似。在此设置中不需要第二电源，并且电源30足以实现本发明的低噪声性能。此设计的益处是成本较低并且允许抑制器与现有仪器一起使用。选择电阻器以使得所施加的电流在上游电极22和26与下游电极24和28之间得以划分。由于电阻器34，所以施加于下游电极的电流始终低于上游电极。施加于下游电极的电流可通过调节电阻器34来调节。总电流可通过调谐由电源30施加的电流来调节。由于在此设计中产生的电流低，所以在电阻器两端的瓦数极低。
电阻器34的电阻大于100欧，但优选地小于2000欧，更优选小于1000欧并且最优选地小于600欧。选择电阻器以使得施加于下游电极的电流大致小于在上游电极两端施加的电流的25％，更优选地小于在上游电极两端施加的电流的10％，并且最优选地小于在上游电极两端施加的电流的5％，但至少是所施加电流的1％。在电阻器34两端的瓦数优选地低于1瓦，更优选低于0.1瓦，并且最优选地低于0.01瓦，但至少是0.0001瓦。较低瓦数确保本发明装置中的产热最低。
在1ml/min下操作的4mm抑制器上游部分的电流幅度宜为0.1至300mA，优选地1至200mA并且最优选地5至150mA。下游部分的电流幅度宜为0.01至30mA，优选地0.5至5并且最优选地1至3mA。对于其它型式抑制器(如2mm抑制器)，操作性流动速率低四倍处于0.25ml/min并且所施加的电流也将低四倍。注意，给定柱内径的操作性流动速率可基于柱内径平方的比率来计算。4mm型式的最佳流动速率是1ml/min并且因此2mm型式的最佳流动速率或操作性流动速率经计算为0.25mL/min。
上游与下游电极之间的间隙优选地低于0.4英寸，更优选地低于0.2英寸并且最优选地低于0.1英寸，但优选地至少0.05英寸。间隙确保上游与下游电极之间不存在直接电连通。可选择上游对比下游电极长度以使得抑制优选地在抑制器的上游部分接近于完全。下游电极长度与上游电极长度的典型比率优选地小于0.5并且更优选地小于0.3。类似地，下游电极面积与上游电极面积的典型比率优选地小于0.5并且更优选地小于0.3。分别对于阳极和阴极来说，典型总电极面积大致为6平方厘米。
图4显示图3中布置的电阻器图示。电阻器36是上游电极两端的电阻，而电阻器38是下游电极两端的电阻。电阻器34是此实例中的固定电阻器。在一替代实施例中，电阻器34可为可变电阻器，其可用于改变在电阻器38两端施加的电流。由电源30施加的电流可在上游和下游电极两端得以划分。应注意，虽然恒定电流是优选的，但可以使用恒定电压或功率实现本发明的条件。下游电流与上游电流的优选电流比优选地小于0.5，更优选地小于0.3并且最优选地小于0.1。因此，下游电流按照本发明始终低于上游电流。这种配置减少下游部分再生剂通道中气体的量并且产生低噪声。
在另一实施例(未示出)中，电极26和28可组合形成单个电极，同时保持电极22与24之间的间隙。还应注意，如果相对于上游电极在下游电极两端需要实现相同的低电流结果，那么电阻器的位置可以变成在26和28两端。类似地，可在电极26和28两端使用额外电阻器。因此，在下游电极获得较低电流的不同方式按照本发明都是可能的。
虽然在上述实施例中连续操作是优选的，但施加于下游电极的电流可呈间歇方式，因此在色谱运行期间无电流或低电流，但是以间歇方式接通电流至较高值。
应注意，虽然以上论述是关于三通道装置，但本发明适用于基于单个离子交换屏障的双通道抑制器装置，如关于'434专利的图5和图6所述。类似地，多通道装置将通过在检测器上游通道两端电连通的一对下游电极上施加减小的电流而受益于本发明。
为了说明本发明，提供其实践的以下非限制性实例。
实例1：
按照图2的示意图组装阴离子抑制器。抑制器组装有两个阳离子交换膜10a和10b。再生剂通道18和20具有置于其中的离子交换筛。洗脱液通道16具有阳离子交换树脂，所述阳离子交换树脂基于聚苯乙烯DVB并且16％交联和磺化。抑制器装置组装有四个电极22-28，并且使用DC电源供电。此抑制器的性能与背景技术市售抑制器的性能进行比较。在此研究中使用Thermo Scientific Dionex ICS-3000和Thermo Scientific Dionex ICS-2000离子色谱系统。使用4×250-mm IonPac AS22柱，使用由4.5mM碳酸钠和1.4mM碳酸氢钠构成的洗脱液在1.2mL/min的流动速率下进行分析。背景技术市售抑制器是在分别提供31mA和45mA恒定电流的电源下运行，并且四电极抑制器是在第一组电极提供42mA恒定电流的电源和在第二组下游电极提供3mA恒定电流的另一电源下运行。四电极抑制器显示0.75nS/cm的噪声，对比背景技术市售抑制器在31mA下的4.7nS/cm和在45mA下的6.02nS/cm(数据未示出)。图5A和5B比较两种抑制器的噪声性能。背景技术市售抑制器在31mA恒定电流下的噪声性能显示于图5A中并且四电极抑制器装置噪声性能显示于图5B中。结果指出使用本发明的四电极抑制器显著降低基线噪声。
实例2：
使用四电极抑制器分析由五种阴离子构成的测试混合物。图6A和6B显示在4×250-mm IonPac AS22柱上用4.5mM碳酸钠和1.4mM碳酸氢钠的洗脱液浓度在1.2mL/min的流动速率下获得的色谱图。样品由2.0mg/L氟化物(峰1)、3.0mg/L氯化物(峰2)、10.0mg/L硝酸盐(峰3)、15.0mg/L磷酸盐(峰4)和15.0mg/L硫酸盐(峰5)构成。背景技术市售抑制器在31mA恒定电流下运行(图6A)并且四电极抑制器在42mA恒定电流下运行，同时在阴极侧的第二电极之前内联500Ω电阻器(图6B)。结果指出四电极抑制器装置极好的性能。结果还指出背景技术市售抑制器在效率、峰形状和峰反应方面的可比性能。使用四电极抑制器装置持续保持低峰间噪声。
实例3：
此实例显示使用4×250-mm IonPac AS15柱使用包含38mM氢氧化钾的洗脱液在1.2mL/min的流动速率下对五种无机阴离子的分析。第一组电极是用提供113mA恒定电流的一个电源供电，并且第二组电极是由提供3mA恒定电流的另一电源供电。在此研究中使用Thermo Scientific Dionex ICS-3000系统。图7显示在此设置下获得的层析图，其中样品由2.0mg/L氟化物(峰1)、3.0mg/L氯化物(峰2)、碳酸盐(未定量)(峰3)、15.0mg/L硫酸盐(峰4)、10.0mg/L硝酸盐(峰5)和15.0mg/L磷酸盐(峰6)构成。可由此研究推断出极好的峰形状。峰间噪声为0.71nS/cm，其较低。
实例4：
此实例显示使用4×250-mm AS22柱使用4.5mM碳酸钠和1.4mM碳酸氢钠的洗脱液浓度在1.2mL/min的流动速率下，结合使用200mM氢氧化钠作为再生剂溶液的Thermo Fisher Dionex CRD 300碳酸盐去除装置对五种无机阴离子的分析。在此研究中使用Thermo Scientific Dionex ICS-3000系统。图8显示在此设置下使用由2.0mg/L氟化物(峰1)、3.0mg/L氯化物(峰2)、10.0mg/L硝酸盐(峰3)、15.0mg/L磷酸盐(峰4)和15.0mg/L硫酸盐(峰5)构成的样品获得的层析图，其中抑制器处于分流再循环模式。抑制器是在向第一组电极提供42mA恒定电流的电源和向第二组电极提供3mA恒定电流的另一电源下运行。峰间噪声为0.27nS/cm，其极低；使用标准抑制器，噪声大致高3倍。因此，本发明的装置提供极好的噪声性能。