離子色譜技術在巖礦測試中的應用

胡關能

（云南省煤炭產品質量檢驗站，云南曲靖 655000）

礦產資源是埋藏于地下的重要資源，在資源開發過程中，需要應用有效的巖礦測試方法，相較于其他巖礦測試技術而言，離子色譜技術的應用最為廣泛。自離子色譜技術誕生以來，經過了快速的發展階段，促進了化學分析技術發展與優化。通過實踐分析發現，離子色譜技術具備檢測精度高、檢測速度快雙重優勢，目前已成為我國巖礦測試不可或缺的重要技術方法。我國應用離子色譜技術檢測巖礦的時間并不長，理論體系尚未構建完善，因此，需要通過進一步分析離子色譜技術，通過其優勢、原理的把握，明確其在無機陰離子、無機陽離子分析測定中的具體應用，進而確保地質巖礦檢測過程中離子色譜技術價值效能的最大化展現。

1.離子色譜技術的應用優勢

離子色譜技術是誕生于20世紀70年代的先進檢測技術，屬于液相色譜技術類型之一，主要是以色譜技術對無機陰離子、無機陽離子等離子型物質進行測定。離子色譜技術具備多重應用優勢：

1.1 分析時間短、分離速度快

利用離子色譜技術分析無機陰離子或陽離子時，測定時間較為快速。例如，在氯、鐵、溴、氮、硫、磷等常見的無機陰離子以及鋰、鈉、氫化鈉、鉀、鎂、鈣等常見無機陽離子分析測定的過程中，只需要10min便可完成。若是應用高效分離柱進行元素分離，分離過程只需3min便可完成。

1.2 靈敏度高、選擇性強

離子色譜技術的檢測靈敏度較高，直接進樣測定的過程中靈敏度能夠達到PPb級，而利用濃縮柱實施進樣測定時，則可取到高達PPt級的靈敏度[1]。同時，離子色譜技術的固定相目前已逐漸發展成熟，開出了多種類型的固定相，并且研發出了多種檢測設備，檢測過程中可根據檢測需求靈活選用不同的固定相或檢測設施，可選擇性較其他檢測方法更高。

1.3 可實現多種成分同時測定

相較于分光光度法及原子吸收法等其他測定方法而言，離子色譜技術的主要優勢在于可實現多個檢測樣品成分的同步測定，并且檢測過程只需極短的時間便可完成各成分的檢測，可為樣品成分濃度差異不大的樣品成分檢測效率的提高提供有力支持。

1.4 檢測成本低、測定范圍廣

離子色譜技術應用過程不必應用特殊檢測試劑，因而檢測費用較低。同時，離子色譜技術的柱填料應用范圍較廣，例如，常用的苯乙烯或二乙烯苯聚合物pH穩定性極高，可使檢測范圍進一步擴大。

2.離子色譜技術的應用原理

2.1 離子交換原理

離子交換樹脂上存在的部分離子具備可離解性，流動相之中電荷相等的離子可與之進行交換，且這一交換過程具有可逆性，只需極短的時間，樣品中的離子便可完成在固定相中的固定電荷上的附著。所應用的樣品類型不同，其對固定相的親和力也有所差異，因而離子色譜技術主要是通過分離多種組分實現親水性陽離子或陽離子的分離，高效離子交換色譜主要用于鐵離子、一元羧酸、一價無機陽離子以及弱離解組分等弱保留陰離子的分析。同時，S2O32-等易于極化的無機陰離子以及CrO42-等含氧金屬陰離子也可利用此方法進行分析與測定。除此之外，還可通過離子交換方式分析小分子有機酸類物質。

2.2 離子排阻色譜分離原理

離子排阻色譜分離涵蓋兩種分離模式，一是空間排斥與吸附，二是Dorman排斥，其中，Dorman排斥是指利用Dorman膜的負電荷層對離子型化合物進行排斥離解，只有未被離解的化合物方可被吸附，此種分離模式下，有機酸的烷基鍵長度大小決定著離子型化合物吸附的保留時間。在Dorman排斥作用下，強電解質完全離解之后會在排斥作用下而無法被固定相保留，而未被離解的化合物，則不受Dorman排斥作用影響，可向樹脂內微孔中滲入，且能在溶質及固定相的非離子性作用下實現分離。空間排斥則主要應用于二元羥酸及三元羥酸的分離過程，通常樣品分子大小是其分離保留的主要影響因素。

2.3 離子對色譜分離原理

將一種與待分離離子所附帶電荷不同的離子添加到流動相中，此離子會與待測離子組成形成疏水性化合物。此種疏水性化合物形成的過程中，固定相屬于中性填料，通常應用的是苯乙烯或二乙烯苯樹脂固定相，還可應用CN固定相、C8硅膠或十八烷基硅膠等[2]。對離子的非極性與極性端分別具有親脂性與親水性，并且對離子的-CH2-鍵的長短與固定相中離子對化合物的保留時間成正比關系。為提升離子對色譜的淋洗速度，可將有機溶劑添加到極性流動相中。離子對色譜主要用于陰離子、金屬絡合物的分離，同時在多種胺類、陰性或陽性離子表面活劑分離方面也有顯著應用效果。

3.巖礦測試中離子色譜技術的應用分析

3.1 在巖礦無機陰離子分析方面的應用

在化學領域當中，離子色譜技術在陰離子分析較為常見，據統計，可利用離子色譜技術分離的無機陰離子超過60種。在無機陰離子樣品分離的過程中，樣品的預處理是離子色譜技術應用的首要環節，在預處理完成之后，需選擇適合的分離及檢測方式，而后還要進行色譜條件的進一步確定。

3.1.1 合理開展巖礦樣品預處理

（1）添加溶劑離子、減少干擾因素。在水樣測定過程中應用離子色譜法時，可便捷完成樣品的前處理工作，需要利用過濾器將水樣中存在的顆粒物濾除，而后再稀釋至一定比例即可。然而，在巖礦或地質樣品測定過程中，樣品前處理過程要相對煩瑣。首先需要分解處理巖礦樣品的酸堿成分，而后需將大量溶劑離子添加到試樣溶解器具中，由于試樣之中離子成分相對復雜，若是使之同步進入到離子色譜儀之中，會增加巖礦分析與測定的難度。為此，需要在離子色譜儀技術測定之前，通過溶劑離子的添加，盡可能減少樣品基體中影響待測離子測定的干擾性因素。

（2）選用適合的預處理方法。巖礦測定時的預處理方法較多，常見的有熱接法、擴散法，除此之外，還可應用堿熔或半溶方法進行巖礦樣品的前處理。在巖石或礦物質陰離子測定中，半溶法預處理方式最為適用，但此種預處理方法操作過程相對復雜，并且對基體數量要求較高。目前，許多專家針對巖礦樣品預處理方法做出了優化與完善。可以氟氯標準檢測方法為基礎，利用硫酸分解處理鎳礦試樣，而后將之放置于溫度為160℃～190℃的水蒸氣中進行蒸餾處理，將復雜基體有效分離，進而降低基體對試樣測定時所產生的影響，檢測精度可達到0.01%，此種檢測方式操作更為便捷且效率更高。

3.1.2 合理選用檢測方法

在利用離子色譜法進行巖礦樣品無機陰離子檢測時，一般采用電導檢測器實施檢測，此種方法的檢測過程相對簡單，以往因受到技術限制，應用此檢測技術時，需要利用高溫熱水進行樣品提取。在科技逐步發展后，可利用超聲波法提取樣本，有效減少溶液浸潤問題、提高檢測精準、加快檢測效率，并能節約檢測時間。與此同時，還可利用非抑制離子色譜法實施巖礦樣品的陰離子檢測，此方法可間接進行紫外線的吸收，進而測定出試樣中的氯離子及硝酸根離子。其中，氯離子的檢測限可達到3nmol/L，而硝酸根的檢測限更高，每升最高可達到出4nmol。此外，巖礦樣品無機陰離子檢測時，還可應用離子色譜法中的安培檢測法，但此種檢測方法的檢測限相對較低。例如，在檢測巖石樣品中的鹵族離子時，每克樣品中檢測出的鹵族離子量僅為10ng。為此，在巖礦測定過程中，應盡可能選用電導檢測法或排抑制離子色譜法。

3.1.3 科學篩選檢測方案

利用離子色譜技術檢測無機陰離子時，需要結合化學檢測目標展開檢測結果分析。在科技高速發展過程中，誕生了多種不同類型的無機陰離子色譜測試方案。因此，在巖礦無機陰離子測定過程中，需要在樣本有效提取的基礎上，結合現有檢測條件合理選擇最佳的離子色譜檢測方案，以便于以檢測得到的離子實現分離試驗的有效開展，以標準化的檢測條件為依據科學分析與確定最終的檢測數據。相較于其他礦物檢測方法而言，離子色譜法與之有較大區別。由于不同礦物質存在區域的土壤差異性較大，因而需要重復性進行多次礦物質提取與檢測，以便提高檢測精準性，進而得出準確、可靠的無機陰離子檢測結果。

3.2 在巖礦無機陽離子分析方面的應用

3.2.1 檢測過渡金屬陽離子及不同價態金屬離子

以往離子色譜技術主要應用于堿土金屬或堿金屬的檢測，在色譜柱、分離柱誕生應用后，檢測設備逐步優化與檢測方法進一步完善的背景下，還可在過渡金屬陽離子測定中得到廣泛應用。特別是在試樣濃縮技術被研發出來之后，離子色譜技術可實現更高靈敏度的無機陽離子檢測，與石墨爐原子吸收光譜法的檢測靈敏度已經逐步接近[3]。與此同時，在金屬離子不同價態檢測過程中也可應用離子色譜技術。在離子色譜技術應用下，結合柱后反應可同步完成水樣之中二價鐵及三價鐵的測定與分離，在三價鐵洗滌4min之后，可利用抗壞血酸將三價鐵還原成為二價鐵，在顯色完成之后再次實施測定，便可檢測出試樣中所含有的鐵離子的具體含量值，并可通過檢測結果與檢測限值對比分析出檢測偏差。

3.2.2 利用無機陽離子交換分離鑭系金屬

在巖礦無機陽離子檢測過程中，還可利用離子色譜法完成鑭系金屬的分離測定。此種金屬具備遇水溶解的特性，水解反應較為強烈，一般情況下，利用普通的離子交換方法無法實現鑭系金屬的有效分離。在實際應用過程中，可將水化物中的部分水替換為有機螯合物，此物質與鑭系金屬元素會發生反應進而產生絡合物，如此便可有效分離出鑭系元素。在巖礦總痕量元素含量測定以及稀有元素礦藏尋找中，利用離子色譜技術分離鑭系元素具有較高的應用價值。利用螯合離子色譜法測定巖礦中的鑭元素時，需先對樣品做消解處理，而后將之混入乙酸鈉緩沖溶液之中，再利用MetPacCC-1螯合柱富集鑭系元素，或是采用TMC-1陽離子交換柱完成這一富集過程，將基體之中的陽離子、堿金屬或堿土金屬全部消除，之后再將消除基體后的樣品放入CS5A離子交換柱中實施分離操作，利用草酸、二甘醇酸淋洗試樣，并運用PAR柱進行衍生處理，而后再用波長為520nm的紫外線進行檢測，不足一小時的時間便可檢測出十幾種鑭系金屬元素。此種檢測方法在含有復雜基體的巖石樣品檢測中較為適用。

4.巖礦測試中離子色譜技術的未來發展方向

4.1 拓展檢測功能、提升檢測精度

離子色譜技術在巖礦分析測試中具備十分廣闊的應用前景，目前可利用此方法測定的離子數量越來越多，并在此基礎上研發出了多元化的檢測方式，開發出了多種類型的分析柱。離子色譜技術的分離方式具有良好的開發應用潛力，且可與其他儀器聯合應用，目前此技術已得到了廣泛關注。未來，離子色譜技術相關儀器的功能還將不斷拓展，聯合運用方向也會進一步增加，如離子色譜技術可與離頻電感耦合等離子體共同應用而進行光譜發射，可在離子色譜自身的預分離功能以及富集功能展現下，進一步提高巖礦檢測分析的精準度。

4.2 降低檢測難度、提高檢測靈敏度

復雜性巖礦樣品分析時，離子色譜技術需要在其他分析技術輔助下方可實現精準測定，如可通過離子色譜及流動注射分析技術的聯合應用，在有效消除基體干擾后進一步降低試樣的分析難度。除此之外，離子色譜技術還可與濃縮技術結合應用，實現更加有效的巖礦樣品檢測過程，在此技術支持下可將檢測靈敏度提升2～3個數量級，與此同時，也可使巖礦樣品預處理過程得到進一步簡化，并能減少所添加試劑的總量，實現FIA通道成本的有效降低。

4.3 升級檢測設備及技術、拓展應用范圍

在陰離子檢測過程中，離子色譜法是當前最為有效的方法，并可實現多種陰離子的測定。未來，離子色譜技術應用過程中，還需要進一步優化與各級檢測所用設備，并逐步開發新的分離柱，創新研究新型檢測方法，進而通過檢測技術完善提高離子色譜技術的檢測成效[4]。如分離柱創新改進過程中研發出了多維色譜柱，此種新的分離柱具有良好的離子交換功能，同時還兼具反相保留功能，可進一步拓展離子色譜技術的應用范圍，且可延長分離柱的應用壽命，提升其對污染的抵抗能力。因此，在離子色譜技術逐步改進優化下，巖礦分析測定中此技術的應用前景必將更加廣闊。

5.結語

作為礦產儲藏較為豐富的國家，我國的巖礦產業呈現出高速化與穩定化發展趨勢，在其發展過程中，逐步應用了多種現代化技術手段。離子色譜技術是巖礦測試過程中應用率較高的技術之一，其可測定土質型或水體型巖礦樣本，能夠取得精準可靠的測定結果。面對資源利用率的不斷提升，巖礦的探測與開采需求將會進一步擴大，而離子色譜技術的應用，則可為巖礦開發提供有力支持。在巖礦測定方面，離子色譜技術應用要求進一步提升，巖礦檢測人員應加強對離子色譜技術的了解與掌握，通過可行性檢測方案的合理制訂，結合巖礦測試標準，科學測定巖礦的無機陰離子與陽離子，進而為巖礦產業可持續發展提供有力支持。