环境水质监测中离子色谱技术的应用研究

杨蕾

摘要：指出了离子色谱技术目前是水质监测中的一种主要技术手段，其快速、准确以及便捷的优点使其被广泛应用。详细介绍了离子色谱技术的原理、技术特点与优势，并探讨了其对离子、有机酸等样品的分析应用。

关键词：离子色谱；水质监测；原理；应用

中图分类号：X703

文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2017）6-0043-02

1 引言

离子色谱技术在我国的水环境监测中一直占有重要地位，对水环境进行全面的水质监测在水环境的维护与治理方面具有重要意义。因此，充分了解离子色谱技术的分离机理，理解技术关键环节，把握技术优势是在水质监测中广泛应用离子色谱技术的基础与前提。

2 离子色谱技术概述

2.1 离子色谱技术原理及特点

离子色谱法发展于20世纪70年代中期，并很快地成为分析水溶液中阴离子的最佳分析手段。液相色谱法是一种以液体作为流动相的色谱技术，在经典液相色谱法的基础上，通过气相色谱法理论的引入，在技术上采用高压输液泵、高效固定相与高灵敏度监测器，从而实现了分析速度快，分离效率高于操作，数据处理自动化。这类色谱技术成为高效液相色谱法，离子交换色谱是其重要的分支，即以离子交换剂为固定相，基于离子交换树脂上可电离的离子与流动相中具有相同电荷的溶质离子发生可逆交换，并利用这些离子对交换树脂的亲和力的差异来实现彼此分离。利用溶剂中电离产生的离子一般情况下都能利用离子色谱技术实现分离，被分析的物质在溶剂中电离后产生的离子通过与交换树脂上同电荷的离子进行交换而最终实现平衡。

离子色谱法的固定相为离子交换树脂，流动相是电解质溶液，通用的监测器为电导监测器。现代离子色谱技术是一种液相色谱，多用于分析各种阳离子、阴离子，是高效液相色谱的重要组成部分，也被定义为高效离子色谱。现代离子色谱技术与传统离子色谱技术相比，色谱柱广泛应用了具有特殊性质的一类树脂，这类树脂有两大特点：交换容量低、交联度高[1]，从而保证了有限的进样体积并通过与栓塞泵联用直接连接电导系统实现对淋洗液的在线监测。另外，树脂表面带有较多基团，可与液相环境中游离的阴、阳离子选择性地配对，从而分析出样品中的离子种类；待测样品与树脂发生离子交换后，选择适当的洗脱液对树脂进行清洗可发生离子的逆向交換吸附，最终实现吸附平衡。

离子色谱法具有快速、灵敏、选择性好等优点，对于离子型化合物中的阴、阳离子一直缺乏快速、灵敏的监测手段，离子色谱技术完美地填补了技术空白，能够快速准确的得到多组分分析结果[2]。后来发展的监测器种类不局限于普通的电导监测器，还包括电化学监测器、紫外光度监测器等，从而可分析的离子种类也越来越多，从无机阴离子、有机阴离子到金属阳离子，从有机阴离子到糖类、氨基酸等物质，均可用离子色谱法进行分析测试。

2.2 离子色谱技术的组成及分离方式

广义地说，高效液相色谱仪的基本单元至少应该包括贮液器、高压泵、进样器、色谱柱、监测器与记录仪组成，其中计算机系统可以实现仪器控制与数字处理一体化[3]。具体到离子色谱仪，其硬件组成分四大主要装置，包括色谱分离柱、监测器、传送装置与数据处理装置。作为离子色谱技术系统的最核心部件，色谱分离柱由柱管、压帽、卡套、筛板等组成，考虑到在水质监测中会有酸性或碱性的样品，所以色谱分离柱部分不含金属成分；监测器多用抑制型监测器，监测器中的核心部位是抑制柱，其主要作用是降低淋洗液的背景电导，再将样品离子转变成相应的酸或碱以增加其电导，从而大幅度地提高监测灵敏度；传送装置的主要作用是将液相物质输送到分离柱、监测器等，如贮液罐、定量环进样器等；数据处理装置以计算机系统为主。

离子色谱技术常用的离子交换剂有两类，即以交联聚苯乙烯为基体的离子交换树脂与以硅胶为基体的键合离子交换剂，前一种离子交换剂也有说法定义为薄膜型离子交换树脂，以薄壳玻珠为承担载体，并在其表面涂覆所占比例不到3%的离子交换树脂；后一种也被称为离子交换键合固定相，即利用化学反应通过键合力的作用使离子交换基团键合在惰性担体表面，键合担体又分两种形式，即键合薄壳型与键合微珠担体型离子交换树脂。微粒硅胶作为近年来新型离子交换树脂，不仅具有键合薄壳型离子交换树脂的优点，室温下可分离试样组分、柱效高并且试样容量比键合薄壳型交换树脂更高[4，5]。

离子交换树脂又分为阳离子交换树脂与阴离子交换树脂。按离子交换功能团酸碱性的抢夺，阳离子交换树脂又分为强酸性树脂与弱酸性树脂；类似地，阴离子交换树脂可分为强碱性树脂与弱碱性树脂。因为强酸性或强碱性的离子交换树脂非常稳定，且适用的pH值范围更宽，因此在离子色谱技术中应用更为广泛。

3 离子色谱技术在水质监测中的应用

在各种海、湖、江、河、大气降水或者工业废水中，重点关注的指标有样品中含有的阳离子、阴离子、有机质等，其中常见的阴、阳离子往往是反映水质的最关键指标。在20世纪70年代以前，针对无机阴阳离子的化学分析手段存在分析周期过久，分析种类单一等局限。离子色谱技术被研发推广后，大幅度地提高了离子分析的精度与效率。而在传统城市污水成分的监测中，离子色谱技术可将液相中的有机质与少量的重金属离子去除，并有效减少色谱柱的柱效影响；在对有机酸与有机碱的分析中，离子色谱技术也被广泛应用，例如乳酸、丁二酸等无法利用化学反应生成挥发性物质，所以不能用传统的气相色谱法去监测分析，但是离子色谱技术却能从不同的液相中精准地分析出有机酸与有机碱。在水样物理性质的分析中，离子色谱技术也能发挥其特殊的分析作用，当选用电导监测器时，通过交流电可以有效地测出溶液中离子的电导率；当选用安培监测器时，可监测出氧化还原物质的氧化还原定位；在使用紫外及可见光监测器时，可测量出水样的紫外吸光度。

在离子色谱技术出现以前，对无机阴、阳离子的分析仍沿用过往的化学分析手段，不仅监测周期冗长，且每次只能分析一种离子，监测效率极为低下。离子色谱技术每次的监测试验耗时极短，每次监测时间都在5 min以内，且能满足对36种离子同时监测的要求；在含有复杂成分水样的分析监测中，仅利用单柱阴离子色谱法，也能成功同时定性定量地测定出水样中的氯离子、钙离子及草酸的含量，如果利用乙二胺四乙酸作为洗脱液，还能与水样中的钙离子发生络合反应，这样便能在同一根Shim-Pack柱子上同时测定出阴、阳离子与有机酸的含量。

4 离子色谱操作的注意事项

（1）离子色谱在进样前，应该注意对水样进行包括过滤、稀释的两步处理：必须经过0.45 μm的滤膜抽滤后，才能进入离子色谱进行后续操作，如果试样未经过滤，会有杂质进入到管路中造成堵塞，易引发仪器故障；同时，部分水样中成分组成过于复杂，会导致所测离子与交换树脂的亲和力具有较大差距，此时的操作规范应是分批进样，并利用匹配的强度或浓度的淋洗液；另外，在分析水样中的阴离子成分时，要注意对进样量的严格控制，整个进样量体积应该不超过柱容量的1/3，若样品相关离子浓度过大，必须进行稀释后才能进样，否则会导致色谱峰值过宽、拖尾。

（2）在进样前，温度因素对监测可能造成的影响也必须考虑在内，如果温度不能保证恒定，会导致监测过程中发生基线不平、数据重复性差等，因此，在测试过程中应该严格保证室温在一个稳定的数值。除此之外，离子色谱仪器绝对不能安装在窗口处或空调口处，且柱子还要配套设置柱温箱，进一步地保证柱温恒定，同时，在完成进样后要稳定一段时间后再继续操作，以保证柱温与样品温度严格一致。

（3）在测定过程中，为了使基线在一段时间内保持稳定及避免有气泡产生进入到输液系统中，在更换淋洗液与再生液之前，必须将淋洗液中的气泡排空。同时，为了避免在水中產生气泡，纯水在被排入输液系统之前，必须经真空泵脱气预处理，否则会损坏仪器。如果有气泡进入到输液系统中，可先打开废液阀降低整个系统压力，在排出过程持续4 min左右时，关闭废液阀，并注意不要将废液阀拧得过紧。

（4）在离子色谱运行时，还可能出现系统压力高于正常值的情况，这是因为有杂质堵塞了单向阀、色谱柱或是保护柱。堵塞发生后，需按照以下步骤分析找到堵塞的位置：首先，关闭整个保护柱的进口段，同时打开真空泵，此时如果系统压力依然过高则可确定杂质在单向阀中，下一步操作应该是拆卸下单向阀，利用超声波清洗仪进行时长1～2 h的清洗，清洗完成后再装回到泵体中；如果在关闭保护柱的进口段后，系统压力在正常范围内，则应关闭保护柱与色谱柱之间的通道管路，并使保护柱的进口段保持连接状态，如果此时系统压力过高，则可确定故障处为保护柱的塞板，将其拆卸后利用超声波清洗仪清洗或更换新的柱塞板，此处操作需要注意的是在拆卸柱塞板时，要注意柱内的填料，防止其洒出。

5 结语

离子色谱技术是一种灵敏度高、监测速度快、操作相对便捷且同时监测样品多的现代分析测试技术，其测定的指标不仅包括无机的阴、阳离子，还能对有机酸、有机碱以及多成分复杂的样品进行高效的定性定量分析，若在离子交换的监测系统中引入乙二胺四乙酸作为洗脱液，还能测定碱金属元素与碱土金属元素。在水体分析中，离子色谱法在离子分析方面的应用效果好、使用范围广泛，对于水质的实时监测具有重大的帮助使用。

参考文献：

[1]程 诚，夏 俊. 离子色谱技术及其在水环境监测中的应用[J]. 资源节约与环保，2016（11）：59.

[2]许 靖，孟时贤. 离子色谱技术在环境监测中的具体应用[J]. 中小企业管理与科技（下旬刊），2016（4）：142～143.

[3]龙梅芬. 离子色谱技术及其在水环境监测中的应用[J]. 绿色科技，2015（8）：225～226.

[4]马兴华. 环境水中二甲胺和二乙胺分析方法的研究[D].郑州：郑州大学，2010.

[5]黄群腾. 水环境中36种农药残留的同时分析方法及其应用[D].厦门：厦门大学，2008.