離子色譜技術在水質分析中的應用

朱志遠 李明勝 伍夢詩

摘 要：文章首先對離子色譜技術的原理進行了介紹，其次綜述了離子色譜技術在水質分析中的應用現狀，重點講述了對水中無機陰離子和無機陽離子的分析，最后根據離子色譜的特點對其在常規水質分析中可能遇到的一些問題進行了簡要的分析。

關鍵詞：離子色譜；水質分析；應用

中圖分類號：X832 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）22-0155-02

Abstract： In this paper， the principle of ion chromatography is introduced firstly， then the application status of ion chromatography in water quality analysis is summarized， and the analysis of inorganic anions and inorganic cations in water is emphasized. Finally， according to the characteristics of ion chromatography， some problems that may be encountered in conventional water quality analysis are briefly analyzed.

Keywords： ion chromatography； water quality analysis； application

1 概述

隨著水資源污染問題的日益嚴重，水質分析的日益頻繁，水質監測斷面的不斷增加、監測項目的日益增多，傳統的化學分析方法由于其操作繁瑣、試劑消耗量大，技術要求高等缺點已不能滿足我們監測任務的要求。因此，自動化的儀器分析方法將發展為未來水質監測的主要分析手段。目前，在我們常用的分析儀器中，離子色譜由于其效率高、靈敏度高、環境友好、易于操作、自動化程度高、能同時測定水樣中多種陰離子或者陽離子等優勢而倍受青睞。本文就離子色譜技術的原理、在水質分析中的應用及其遇到的一些問題對離子色譜技術在水質分析的應用進行簡要的分析。

2 離子色譜技術原理

離子色譜是高效液相色譜的一種，根據其分離機理可以分為離子交換色譜、離子排斥色譜和離子對色譜，其中離子交換色譜被廣泛應用于地表水中無機陰離子和陽離子含量的檢測分析。離子交換色譜是利用離子交換原理和液相色譜技術的結合來測定溶液中陽離子和陰離子的一種分離分析方法，它主要由進樣器、色譜柱、高壓輸液泵、 檢測器和數據處理系統等部件構成。

離子交換色譜是利用不同待測離子對固定相親和力的差別來實現分離的，其固定相采用離子交換樹脂，樹脂上分布有固定的帶電荷基團和游離的平衡離子。在陰離子交換色譜中，當帶有陰離子的流動相流過色譜柱時，與色譜柱固定相中可游離陰離子進行可逆交換。在陽離子交換色譜中，流動相中的陽離子與色譜柱固定相中可游離陽離子進行可逆交換。根據樣品中各待測離子與固定相帶電荷基團之間的相互作用力不同，其在色譜中的保留時間不同，被淋洗液洗脫出來的時間不同，從而將樣品中的待測離子依次分離。分析時在分離柱后串聯一根抑制柱，用來抑制流動相中的電解質的背景電導率。在強陽離子交換色譜中，分離柱填充樹脂的離子交換功能基為-SO3H，常用的陽離子淋洗液為pH一定的酸溶液如HNO3；在強陰離子交換色譜中，其離子交換功能基為季胺基-N+R3，常用的陰離子淋洗液為Na2CO3和NaHCO3組成的緩沖溶液。樣品中陰離子、陽離子與樹脂間的離子交換平衡過程分別為：

陽離子：M++R-SO3-H+？圳R-SO3-M++H+

陰離子：A-+R-NR3+HCO3-？圳R-NR3+A-+HCO3-

上式中H+和HCO3-分別為陽離子、陰離子分析時的淋洗離子；M+-和A-分別為樣品中的陽離子、陰離子。

3 離子色譜在地表水水質分析中的應用

在水質監測中，水中F-、Cl-、NO3-、SO42-、BrO3-等陰離子和K+、Na+、Mg2+、Ca2+等陽離子含量的檢測是我們水質分析的重要指標。這些無機陰離子和陽離子有多種檢測方法，常見的有重量法、滴定法、分光光度法、電極法等，且不同的離子有不同的檢測方法。如果以常規方法分別進行分析，其工作量較大、操作繁瑣、對人體自身和周圍環境有一定的危害，不能及時、有效的得到分析報告。通過離子色譜技術則可以同時分析多種陰離子或多種陽離子，有效的縮短了測試時間，并且具有穩定性好，靈敏度高，環境友好等特點。

3.1 水中無機陰離子分析

目前，運用離子色譜檢測水中無機陰離子含量的技術已十分成熟。紀峰等[1]利用離子色譜法對水中的F-、Cl-、NO3-、SO42-進行分析，并與常規理化檢測方法從檢出時間、檢出限、經濟性和環境保護等方面進行對比，結果表明運用離子色譜所需的檢測時間遠少于常規理化檢測方法，其檢出限也遠低于常規理化檢測方法的檢出限，其中SO42-的檢出限更是比常規方法低50倍。從經濟性和環保方面考慮，離子色譜法避免了苯酚、濃氨水、丙酮等多種有害物質的使用和水浴鍋的長時間加熱，只需極少量鹽作為淋洗液，工作條件清潔，操作費用低，不會對環境造成污染，符合環保要求。韓照祥[2]等通過測定不同濃度無機陰離子（F-、Cl-、NO3-、SO42-、Br-、NO2-、HPO42-）的色譜峰和保留時間，探討了最佳淋洗液濃度、流量等實驗條件。研究發現離子色譜的測量條件（淋洗液濃度、泵流率）等因素對離子色譜各參數（保留時間、峰高和峰面積）有較大影響；NaHCO3-Na2CO3淋洗液配比濃度增大時，各離子的保留時間、峰高、峰面積和淋洗周期呈遞減規律；當泵流量增大時，各離子的保留時間、峰高、峰面積呈遞減規律。此外，作者研究了不同無機陰離子同時測試時，其相互之間的影響。結果表明各無機陰離子之間的比例變化時，其單個陰離子的保留時間也會受到一定程度的影響。

3.2 水中無機陽離子分析

離子色譜分析水中陽離子時，不但可以同時對多種陽離子進行分析，而且可以檢測元素的不同氧化態。因此，離子色譜技術也廣泛應用于水中金屬陽離子的分析。朱靜等[3]通過優化離子色譜分析條件，建立了化學抑制電導-離子色譜測定水樣中Li+、Na+、NH4+、K+、Mg2+、Ca2+的方法，并應用于實際樣品的檢測。該研究采用CSl6陽離子交換柱，檢出限（LOD）為0.011～0.027mg/L，加標回收率為91.00%～105.49%。與傳統的分光光度法、滴定法相比，該方法操作簡單、耗用試劑少、靈敏度高、不易受干擾，可以有效的監控飲用水中更低含量的Li+、Na+、NH4+、K+、Mg2+、Ca2+，適用于大批水樣的快速測定。張顯安等[4]采用單柱非抑制型離子色譜法，以酒石酸+吡啶二羧酸為淋洗液，同時測定礦泉水中 Li+、Sr2+、Na+、K+、Mg2+、Ca2+，且分離效果較好，比ICP-MS檢測成本低，應用范圍廣。

4 離子色譜在水質分析中常見問題及注意事項

離子色譜是一種靈敏度高、精密度高的分析技術，在平時水質分析的過程中或多或少會遇到一些問題，在此以萬通833型離子色譜儀為例對離子色譜使用的注意事項和常見的問題進行簡要的分析。

4.1 離子色譜使用的注意事項

4.1.1 樣品的預處理

水樣在進入離子色譜儀之前都必須進行預處理。以地表水中陰離子的測試為例，水樣在進行測試前需通過含有相關物質的濾頭進行過濾，除去水中的顆粒物和Ca2+、Mg2+等陽離子，防止引起管道堵塞。

4.1.2 樣品的稀釋處理

對組成復雜的樣品，若待測離子與樹脂中帶電荷基團相互作用力相差較大，要重復多次進樣，并改變淋洗液的濃度、流速。對陰離子分析推薦的最大進樣量一般為柱容量的30%。濃度過高的樣品需稀釋，避免色譜峰過寬和拖尾。

4.2 離子色譜使用的常見問題及處理方式

4.2.1 系統壓力過高

壓力過高一般是由于儀器內部發生堵塞引起的。因此，當發現系統壓力過高時，對儀器的在線過濾器、進樣閥、分離柱、保護柱、電導檢測器等部件一一進行檢測排除，然后對相應的部件進行清洗或者更換。此外，在儀器啟動達到平衡的過程中，環境溫度過低也會引起壓力過高，此時提高環境溫度即可。

4.2.2 輸液系統混入氣泡

在更換淋洗液或者再生液時，或者操作不當（進液管未放入溶液中就啟動儀器）導致系統中混入氣泡時，少量的氣泡會造成基線不穩，大量的氣泡導致儀器不能正常使用。此時，可以打開廢液閥，將氣泡從管道中排出，后擰緊廢液閥即可。

4.2.3 色譜圖中無色譜峰出現

離子色譜在測試的過程中有時會突然出現無色譜峰的現象，這可能是檢測器沒有連接好，進樣器堵塞或者進樣器后面的蠕動泵過松等原因引起的。可以通過查看樣品量的變化、卡緊蠕動泵，檢查檢測器的連接線路來解決。

5 結束語

離子色譜在水質分析中具有及時、高效等優點，其操作步驟簡單，靈敏度高、儀器運行穩定，適用范圍較強，是一種較為理想的監測方法。但隨著今后水質分析范圍的擴寬，分析成分的復雜化，應急檢測的需求日益增強，研制和開發一種能夠自動對水樣進行預處理，便于攜帶的微型離子色譜也將成其發展的趨勢。

參考文獻：

[1]紀峰，邢艷，馬強，等.DX-120型離子色譜儀在水質檢測中的應用[J].化學工程師，2001，6（3）：40-41.

[2]韓照祥，王超，馬紅超.飲用水中多種無機陰離子的離子色譜測定法[J].環境與健康雜志，2008，25（9）：813-816.

[3]朱靜，李小蘭，陳志燕，等.抑制電導—離子色譜法同時測定水中6種陽離子[J].安徽農業科學，2016，44（7）：135-137.

[4]張顯安，曾石峭，李冠新，等.非抑制型離子色譜法同時測定礦泉水中6種陽離子[J].食品工業，2013，34（12）：220-222.

[5]廖楠.離子色譜在水環境監測中的應用[J].科技創新與應用，2016（09）：46.