離子色譜在環(huán)境檢測中的應(yīng)用優(yōu)勢

韋杰

（上海市崇明區(qū)環(huán)境監(jiān)測站，上海 崇明202150）

1 引言

根據(jù)現(xiàn)行環(huán)境保護標(biāo)準(zhǔn)，環(huán)境檢測中對大氣、水、土壤等涉及陰、陽離子分析的項目中有不少還在使用或者同時使用一些經(jīng)典方法，比如分光光度法、電極法等。這些方法普遍涉及多種復(fù)雜化合物或強酸強堿，隨著環(huán)境監(jiān)測要求的日益提高，在保證監(jiān)測數(shù)據(jù)科學(xué)有效的前提下，改進分析方法、減少實驗室有毒有害試劑的消耗應(yīng)逐漸成為實驗室的一大目標(biāo)。

離子色譜法（IC，Ion Chromatography）作為一種高效色譜方法，具有進樣體積小、分析快速、靈敏度高、高選擇性、可同時分析多種目標(biāo)離子以及實驗環(huán)境友好、試劑污染小、維護簡便等特性，在眾多水分析方法中具有巨大優(yōu)勢，因而廣泛應(yīng)用于飲用水、地表水、降水、工業(yè)廢水甚至空氣廢氣的分析檢測。

2 離子色譜法的概述

2.1 離子色譜法的基本原理

離子色譜法的基本原理主要是離子交換。作為固定相的離子交換樹脂中可離解的離子與流動相中帶有同等電荷的溶質(zhì)離子之間發(fā)生可逆交換，不同的離子與樹脂有不同的結(jié)合能力，從而被分離并由檢測器檢測。

一般離子色譜的固定相可分為陽離子交換劑和陰離子交換劑兩大類。在陽離子色譜中常用帶有磺酸離子交換官能團的陽離子交換樹脂；而在陰離子色譜中常用帶有季銨鹽離子官能團的陰離子交換樹脂。分析樣品時淋洗液攜帶組分離子通過離子交換柱時，組分離子與樹脂中的可交換離子發(fā)生可逆交換并最終達到平衡：

陽離子交換：RNH3+Y-+X-=RNH3+X-Y-

陽離子交換：RSO3-Y++X+=RSO3-X+Y+

離子和固定相離子官能團的結(jié)合力越弱，分配系數(shù)就越小，保留時間越短；反之則分配系數(shù)大，保留時間也長，從而使不同目標(biāo)離子分離開來。

2.2 離子色譜儀簡介

環(huán)境樣品檢測中用到的離子色譜儀主要由淋洗液輸送模塊、自動進樣器模塊、色譜柱、抑制器、電導(dǎo)檢測池、數(shù)據(jù)記錄和處理模塊等組成。

分析樣品時，自動進樣器會采集水樣通過輸液泵勻速送入帶前置保護柱的色譜柱，各目標(biāo)組分被色譜柱分離，依次隨淋洗液進入抑制器降低背景電導(dǎo)，隨后再依次送入電導(dǎo)池檢測，由數(shù)據(jù)系統(tǒng)記錄并處理形成最終報告。

3 離子色譜樣品的預(yù)處理方法

合適的樣品的前處理方法及其實施是保證待測試樣被準(zhǔn)確定性定量的關(guān)鍵，也是大大擴展離子色譜應(yīng)用檢測范圍的關(guān)鍵。環(huán)境監(jiān)測中常見的離子檢測項目涉及水、氣、土壤等。離子色譜雖然高效靈敏，但其進樣體系需為均質(zhì)水溶液、有較大的分離度且待測離子有較強響應(yīng)。如果試樣成分復(fù)雜、有較多干擾離子，比如工業(yè)廢水、土壤提取液、廢氣吸收液等體系，或者標(biāo)準(zhǔn)采樣采得的樣品待測組分含量過低，如某些金屬離子的檢測，這就需要針對不同的樣品作合適的前處理。

3.1 膜處理法

環(huán)境監(jiān)測中對離子色譜樣品的預(yù)處理中，濾膜過濾是最常用的方法。一般可用0.45μm 濾膜或濾頭直接過濾水樣消除不溶性顆粒物，儀器中如果有預(yù)處理模塊的也可在線處理。

3.2 固相萃取發(fā)

在對待測水樣中的有機污染物、干擾離子進行處理時，可使用固相萃取法濃縮污染物去除基體干擾，便捷快速，準(zhǔn)確有效，并且萃取柱可重復(fù)使用。

3.3 浸出法

在處理土壤、氣體吸收濾膜等固體樣品時，可使用浸出法提取待測組分。操作中可以水、淋洗液等作為浸取溶劑，同時用磁力攪拌或超聲等方式提升浸取效率和速度。

3.4 氧化消解法

離子色譜法在測定某些特定項目，比如總磷、總氮、硫化物、二氧化硫、氮氧化物時，需要對水樣進行氧化消解，將待測組分轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的穩(wěn)定離子后再進行檢測。實驗室中可用過硫酸鉀高溫高壓消解，也可用紫外光-過氧化氫體系消解，制得的樣品體系簡單且回收率高。

4 離子色譜在環(huán)境檢測中的應(yīng)用

20 世紀70 年代，Small 等人[1]開創(chuàng)了離子色譜法測定環(huán)境中痕量陰、陽離子之后，憑借其低檢測限、高靈敏度、高選擇性以及快速的特點，其重要性比肩高效液相色譜法、氣相色譜法和毛細管電泳法。在環(huán)境檢測中，離子色譜法還具有低污染、易維護的特點，堪稱實驗室檢測方法的首選。

4.1 離子色譜在環(huán)境水質(zhì)檢測中的應(yīng)用

環(huán)境水質(zhì)特別是地表水常規(guī)監(jiān)測項目中，離子色譜是應(yīng)用最廣泛的儀器之一，可對氟化物、氯化物、硫酸根、硝酸根等大部分無機陰離子、大部分堿金屬、堿土金屬以及銨根離子直接進行分析。此外，對水樣以適當(dāng)方式消解后（如紫外雙氧水消解、過硫酸鉀消解等），可測定總磷和總氮；對硫化物可經(jīng)酸化氮吹吸收、過氧化氫氧化為硫酸根后測定；氰化物酸化蒸出后可直接測定氰根離子[2]。

4.2 離子色譜在環(huán)境土壤檢測中的應(yīng)用

土壤中的無機陰陽離子含量是環(huán)境監(jiān)測中的一類重要指標(biāo)，不僅關(guān)系水體質(zhì)量、農(nóng)業(yè)安全，還與癌癥以及地方病有所關(guān)聯(lián)[3]。由于土壤成分復(fù)雜，ICP 只能檢測金屬陽離子，AAS、AES、SP 等方法一次只能測定一個元素或一種離子，尤其是分光光度法，不僅效率低、步驟多、干擾大，還產(chǎn)生大量廢液，給環(huán)境造成額外負擔(dān)。只有離子色譜法，可在土壤樣品以合適方法提取后，直接對提取水樣進樣檢測，同時得到一系列陰離子或陽離子數(shù)據(jù)。

4.3 離子色譜在環(huán)境空氣檢測中的應(yīng)用

隨著社會發(fā)展以及人們對空氣質(zhì)量的日益重視，環(huán)境空氣的各檢測項目重要性也日益體現(xiàn)。在實際的監(jiān)測工作中，大氣中的氟化物、硫酸鹽化速率、二氧化硫、氮氧化物、鹽酸霧、硫酸霧、硫化氫、氨氣等是常規(guī)的檢測項目，選擇合適的提取方法、相應(yīng)的吸收試劑，就能直接或間接地進行測定，簡便可靠，靈敏度高。

5 離子色譜法與其他常用檢測方法的比較

在環(huán)境樣品的監(jiān)測分析過程中，現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)和環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)對陰、陽離子的監(jiān)測方法有多種，常見的有滴定法、碘量法、電極法、分光光度法以及ICP、AAS 等。表1 是常見幾種陰離子常規(guī)方法所涉及的主要試劑，從中可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)典方法使用的試劑復(fù)雜多樣，既有酸堿，也有有機試劑、重金屬試劑等，且操作步驟繁多系統(tǒng)誤差大，這也是離子色譜最大的優(yōu)勢所在。

表1 常見陰離子常規(guī)方法的主要試劑

6 結(jié)論

綜上，通過離子色譜技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測中的廣泛應(yīng)用，可高效準(zhǔn)確地對水環(huán)境、大氣環(huán)境和土壤環(huán)境進行監(jiān)測，提供詳實可信的數(shù)據(jù)信息。離子色譜儀器結(jié)構(gòu)簡潔，維護簡便，色譜柱選擇豐富，而且相對于其他常見的實驗方法，離子色譜無須煩瑣的試樣準(zhǔn)備過程，無須配制各種成分復(fù)雜的試劑，產(chǎn)生的廢液組分簡單可控，對環(huán)境友好，二次污染小，這在實驗室環(huán)境要求日益嚴格的今天尤為可貴。有條件的實驗室還可增加梯度淋洗模塊和淋洗液在線生成模塊，以得到更穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)。因此，在國家對生態(tài)環(huán)境保護日趨重視的今天，以離子色譜技術(shù)統(tǒng)一實驗室對環(huán)境中離子的檢測是十分必要和迫切的。