离子色谱在环境检测中的应用优势

韦杰

（上海市崇明区环境监测站，上海 崇明202150）

1 引言

根据现行环境保护标准，环境检测中对大气、水、土壤等涉及阴、阳离子分析的项目中有不少还在使用或者同时使用一些经典方法，比如分光光度法、电极法等。这些方法普遍涉及多种复杂化合物或强酸强碱，随着环境监测要求的日益提高，在保证监测数据科学有效的前提下，改进分析方法、减少实验室有毒有害试剂的消耗应逐渐成为实验室的一大目标。

离子色谱法（IC，Ion Chromatography）作为一种高效色谱方法，具有进样体积小、分析快速、灵敏度高、高选择性、可同时分析多种目标离子以及实验环境友好、试剂污染小、维护简便等特性，在众多水分析方法中具有巨大优势，因而广泛应用于饮用水、地表水、降水、工业废水甚至空气废气的分析检测。

2 离子色谱法的概述

2.1 离子色谱法的基本原理

离子色谱法的基本原理主要是离子交换。作为固定相的离子交换树脂中可离解的离子与流动相中带有同等电荷的溶质离子之间发生可逆交换，不同的离子与树脂有不同的结合能力，从而被分离并由检测器检测。

一般离子色谱的固定相可分为阳离子交换剂和阴离子交换剂两大类。在阳离子色谱中常用带有磺酸离子交换官能团的阳离子交换树脂；而在阴离子色谱中常用带有季铵盐离子官能团的阴离子交换树脂。分析样品时淋洗液携带组分离子通过离子交换柱时，组分离子与树脂中的可交换离子发生可逆交换并最终达到平衡：

阳离子交换：RNH3+Y-+X-=RNH3+X-Y-

阳离子交换：RSO3-Y++X+=RSO3-X+Y+

离子和固定相离子官能团的结合力越弱，分配系数就越小，保留时间越短；反之则分配系数大，保留时间也长，从而使不同目标离子分离开来。

2.2 离子色谱仪简介

环境样品检测中用到的离子色谱仪主要由淋洗液输送模块、自动进样器模块、色谱柱、抑制器、电导检测池、数据记录和处理模块等组成。

分析样品时，自动进样器会采集水样通过输液泵匀速送入带前置保护柱的色谱柱，各目标组分被色谱柱分离，依次随淋洗液进入抑制器降低背景电导，随后再依次送入电导池检测，由数据系统记录并处理形成最终报告。

3 离子色谱样品的预处理方法

合适的样品的前处理方法及其实施是保证待测试样被准确定性定量的关键，也是大大扩展离子色谱应用检测范围的关键。环境监测中常见的离子检测项目涉及水、气、土壤等。离子色谱虽然高效灵敏，但其进样体系需为均质水溶液、有较大的分离度且待测离子有较强响应。如果试样成分复杂、有较多干扰离子，比如工业废水、土壤提取液、废气吸收液等体系，或者标准采样采得的样品待测组分含量过低，如某些金属离子的检测，这就需要针对不同的样品作合适的前处理。

3.1 膜处理法

环境监测中对离子色谱样品的预处理中，滤膜过滤是最常用的方法。一般可用0.45μm 滤膜或滤头直接过滤水样消除不溶性颗粒物，仪器中如果有预处理模块的也可在线处理。

3.2 固相萃取发

在对待测水样中的有机污染物、干扰离子进行处理时，可使用固相萃取法浓缩污染物去除基体干扰，便捷快速，准确有效，并且萃取柱可重复使用。

3.3 浸出法

在处理土壤、气体吸收滤膜等固体样品时，可使用浸出法提取待测组分。操作中可以水、淋洗液等作为浸取溶剂，同时用磁力搅拌或超声等方式提升浸取效率和速度。

3.4 氧化消解法

离子色谱法在测定某些特定项目，比如总磷、总氮、硫化物、二氧化硫、氮氧化物时，需要对水样进行氧化消解，将待测组分转化成相应的稳定离子后再进行检测。实验室中可用过硫酸钾高温高压消解，也可用紫外光-过氧化氢体系消解，制得的样品体系简单且回收率高。

4 离子色谱在环境检测中的应用

20 世纪70 年代，Small 等人[1]开创了离子色谱法测定环境中痕量阴、阳离子之后，凭借其低检测限、高灵敏度、高选择性以及快速的特点，其重要性比肩高效液相色谱法、气相色谱法和毛细管电泳法。在环境检测中，离子色谱法还具有低污染、易维护的特点，堪称实验室检测方法的首选。

4.1 离子色谱在环境水质检测中的应用

环境水质特别是地表水常规监测项目中，离子色谱是应用最广泛的仪器之一，可对氟化物、氯化物、硫酸根、硝酸根等大部分无机阴离子、大部分碱金属、碱土金属以及铵根离子直接进行分析。此外，对水样以适当方式消解后（如紫外双氧水消解、过硫酸钾消解等），可测定总磷和总氮；对硫化物可经酸化氮吹吸收、过氧化氢氧化为硫酸根后测定；氰化物酸化蒸出后可直接测定氰根离子[2]。

4.2 离子色谱在环境土壤检测中的应用

土壤中的无机阴阳离子含量是环境监测中的一类重要指标，不仅关系水体质量、农业安全，还与癌症以及地方病有所关联[3]。由于土壤成分复杂，ICP 只能检测金属阳离子，AAS、AES、SP 等方法一次只能测定一个元素或一种离子，尤其是分光光度法，不仅效率低、步骤多、干扰大，还产生大量废液，给环境造成额外负担。只有离子色谱法，可在土壤样品以合适方法提取后，直接对提取水样进样检测，同时得到一系列阴离子或阳离子数据。

4.3 离子色谱在环境空气检测中的应用

随着社会发展以及人们对空气质量的日益重视，环境空气的各检测项目重要性也日益体现。在实际的监测工作中，大气中的氟化物、硫酸盐化速率、二氧化硫、氮氧化物、盐酸雾、硫酸雾、硫化氢、氨气等是常规的检测项目，选择合适的提取方法、相应的吸收试剂，就能直接或间接地进行测定，简便可靠，灵敏度高。

5 离子色谱法与其他常用检测方法的比较

在环境样品的监测分析过程中，现行国家标准和环境标准对阴、阳离子的监测方法有多种，常见的有滴定法、碘量法、电极法、分光光度法以及ICP、AAS 等。表1 是常见几种阴离子常规方法所涉及的主要试剂，从中可以发现，经典方法使用的试剂复杂多样，既有酸碱，也有有机试剂、重金属试剂等，且操作步骤繁多系统误差大，这也是离子色谱最大的优势所在。

表1 常见阴离子常规方法的主要试剂

6 结论

综上，通过离子色谱技术在环境监测中的广泛应用，可高效准确地对水环境、大气环境和土壤环境进行监测，提供详实可信的数据信息。离子色谱仪器结构简洁，维护简便，色谱柱选择丰富，而且相对于其他常见的实验方法，离子色谱无须烦琐的试样准备过程，无须配制各种成分复杂的试剂，产生的废液组分简单可控，对环境友好，二次污染小，这在实验室环境要求日益严格的今天尤为可贵。有条件的实验室还可增加梯度淋洗模块和淋洗液在线生成模块，以得到更稳定可靠的数据。因此，在国家对生态环境保护日趋重视的今天，以离子色谱技术统一实验室对环境中离子的检测是十分必要和迫切的。