離子色譜技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

孫小平 張士光

（山東省聊城生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，山東 聊城 252000）

在水污染、空氣污染等較為嚴(yán)重的當(dāng)下，如何對(duì)環(huán)境進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)，自然成為社會(huì)各界所關(guān)注的焦點(diǎn)。要想使環(huán)境監(jiān)測(cè)發(fā)揮出應(yīng)有功能，不僅要對(duì)有機(jī)物進(jìn)行分離并監(jiān)測(cè)，還要將無(wú)機(jī)物納入測(cè)定范疇。而對(duì)離子色譜加以應(yīng)用，可使上述難題迎刃而解，通過(guò)高效分離并準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)陰陽(yáng)離子含量的方式，為環(huán)保決策的制定提供支持，圍繞該技術(shù)展開討論很有必要。

1 離子色譜監(jiān)測(cè)原理及特征

1.1 監(jiān)測(cè)原理

作為一種高效液相色譜，離子色譜和交換色譜的區(qū)別如下：離子色譜所用樹脂的交聯(lián)度較高且交換容量偏低，其進(jìn)樣體積往往可因此而得到有效壓縮[1]。若以分離機(jī)理為依據(jù)，可將離子色譜劃分成對(duì)色譜、交換色譜還有排斥色譜，經(jīng)過(guò)交換樹脂的離子，在樹脂所具有親和力的影響下，通常會(huì)在不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)被洗脫，進(jìn)而達(dá)到分離的目的。對(duì)色譜所依托多孔樹脂的特點(diǎn)是無(wú)離子交換基團(tuán)存在，通過(guò)吸附的方式，保證所形成離子對(duì)數(shù)量可達(dá)到預(yù)期。對(duì)色譜的應(yīng)用方向，主要是對(duì)過(guò)渡金屬和活性離子進(jìn)行分離。交換色譜所采用交換樹脂的容量相對(duì)較小，強(qiáng)調(diào)以離子所存在作用力為依托，保證分離效果達(dá)到預(yù)期，通常被用來(lái)分離陰陽(yáng)離子。排斥色譜所采用樹脂的容量較大，基于排擠效應(yīng)對(duì)電力組分進(jìn)行排斥，同時(shí)保留少量弱酸，這也決定其更適合被用來(lái)分離糖類、有機(jī)弱酸以及氨基酸。

1.2 技術(shù)特征

在環(huán)境監(jiān)測(cè)環(huán)節(jié)對(duì)離子色譜加以應(yīng)用，可做到準(zhǔn)確測(cè)定各類金屬離子所含有化學(xué)成分，另外，該技術(shù)還可被用來(lái)對(duì)稀土陽(yáng)離子、有機(jī)陽(yáng)離子等元素進(jìn)行高效檢測(cè)，真正做到以分析微量和常量為前提，結(jié)合富集技術(shù)對(duì)痕量還有超痕量進(jìn)行分析。測(cè)定流程如圖1 所示[2]。

圖1 離子色譜儀運(yùn)行流程

在圖1 中，1 指代洗脫液。2 和6 指代低壓泵。3 指代注射閥。4 指代分離柱。5 指代混合器。7 指代反應(yīng)試劑。8 指代反應(yīng)盤管。9 指代流通池。10 指代檢測(cè)器。11 指代計(jì)算器。該方法所具有技術(shù)特征可被概括如下：一是具有較為廣泛的應(yīng)用范圍，既能夠被用來(lái)監(jiān)測(cè)環(huán)境，在醫(yī)藥和食品檢測(cè)過(guò)程中，同樣發(fā)揮著重要作用。二是為離子提供自由配對(duì)以及交換的平臺(tái)。由于離子色譜的前身為高效液相色譜，這決定其樹脂普遍帶有電荷，可被用來(lái)為離子配對(duì)與交換提供支持，在分離無(wú)機(jī)離子的前提下，通過(guò)吸附還有解吸的方式，使離子呈現(xiàn)出相對(duì)平衡的狀態(tài)。

2 基于離子色譜的環(huán)境監(jiān)測(cè)分析

2.1 水質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用

2.1.1 無(wú)機(jī)陽(yáng)離子

該技術(shù)可被用來(lái)對(duì)水體所含K+、Mg2+等無(wú)機(jī)陽(yáng)離子進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定結(jié)果如表1 所示。事實(shí)證明，離子色譜的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在便于操作方面，通常只需要進(jìn)行簡(jiǎn)單的預(yù)處理，便可對(duì)不同組分進(jìn)行同步測(cè)定。我國(guó)的林紅梅等學(xué)者提出了基于離子色譜對(duì)海水陽(yáng)離子進(jìn)行高精度分析的方法，強(qiáng)調(diào)將甲烷磺酸作為淋洗液，在將流速控制在每分鐘1mL 左右的前提下，對(duì)海水常見陽(yáng)離子進(jìn)行分析，該方法的檢出限相對(duì)較低，在精密度還有線性方面均具有突出表現(xiàn)。

表1 水體無(wú)機(jī)陽(yáng)離子測(cè)定結(jié)果

實(shí)驗(yàn)證明，利用不同濃度淋洗液對(duì)水溶性離子進(jìn)行分離，其分離效果往往有所不同，具體情況如圖2 所示。

圖2 不同濃度萃取劑對(duì)各離子進(jìn)行分離的情況

隨著技術(shù)的發(fā)展，對(duì)水體進(jìn)行測(cè)定時(shí)，可供技術(shù)人員選用的萃取劑類型也有所增加，既有常規(guī)的水，還有甲醇和乙醇，不同萃取劑對(duì)應(yīng)不同萃取效率，相關(guān)數(shù)值見表2。

表2 不同萃取劑對(duì)應(yīng)萃取效率

2.1.2 無(wú)機(jī)陰離子

現(xiàn)階段，離子色譜主要被用來(lái)對(duì)水體所含F(xiàn)-和Cl-等無(wú)機(jī)陰離子進(jìn)行測(cè)定。傳統(tǒng)測(cè)定法以離子選擇電極、分光光度為主，上述方法均有較為明顯的不足存在，例如，無(wú)法保證靈敏度、測(cè)定流程相對(duì)繁瑣等，用對(duì)測(cè)定流程進(jìn)行了簡(jiǎn)化的離子色譜替代傳統(tǒng)方法是大勢(shì)所趨。我國(guó)學(xué)者先后利用該方法對(duì)地下水、飲用水進(jìn)行了測(cè)定，最終結(jié)果表明，該技術(shù)可在降低檢出限的基礎(chǔ)上，對(duì)準(zhǔn)確度還有精密度進(jìn)行提高。另外，對(duì)飲用水進(jìn)行測(cè)定的樣品回收率較傳統(tǒng)方法有明顯改善，這表明對(duì)其進(jìn)行推廣很有必要。

2.2 土壤監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用

對(duì)土壤環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)的流程如下：第一步，隨機(jī)對(duì)監(jiān)測(cè)土壤進(jìn)行取樣；第二步，根據(jù)條件選擇溶液浸取或超聲波，對(duì)樣本離子進(jìn)行準(zhǔn)確提??；第三步，通過(guò)分析提取所得樣本離子的方式，得出最終結(jié)論[3]。實(shí)驗(yàn)流程如圖3 所示。在此過(guò)程中，離子色譜的作用，主要是對(duì)土壤消解液、提取液所含離子的相關(guān)信息進(jìn)行有效測(cè)定，完成HPLC 及GC 技術(shù)所無(wú)法完成的高難度分析。

圖3 離子色譜測(cè)定土壤環(huán)境的流程

對(duì)土壤硫濃度進(jìn)行計(jì)算的公式為：

在該公式中，C 指代硫濃度，單位是mg/kg。V 指代硫酸根濃度，單位是mg//L。ρ 指代樣品溶液體積，單位是ml。D 指代稀釋倍數(shù)。m 指代樣品質(zhì)量，單位是g。另外，在離子色譜持續(xù)發(fā)展的當(dāng)下，可被用來(lái)監(jiān)測(cè)土壤環(huán)境的技術(shù)也逐漸趨于完善，監(jiān)測(cè)范圍較之前具有明顯擴(kuò)展?，F(xiàn)階段，基于離子色譜對(duì)土壤進(jìn)行監(jiān)測(cè)已成為大勢(shì)所趨，相關(guān)技術(shù)的測(cè)定對(duì)象，逐漸由早期的單一電解質(zhì)向糖類和維生素進(jìn)行延伸，不僅監(jiān)測(cè)工作更加全面，測(cè)定所得結(jié)果的可靠性、科學(xué)性也因此而得到了有力保證。以陰離子的測(cè)定為例，對(duì)離子色譜加以應(yīng)用的步驟如下：先對(duì)分離柱內(nèi)淋洗液、土壤含量及其變化幅度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，再以離子為載體，對(duì)分離柱所含交換樹脂、土壤所含陰離子進(jìn)行交換。待分離完畢，陰離子將被盡數(shù)送往抑制柱。這一環(huán)節(jié)所發(fā)生反應(yīng)可用以下化學(xué)式進(jìn)行描述：

在上述化學(xué)式中，X 指代樣品所含陰離子。陰離子和鹽發(fā)生反應(yīng)，通常有酸性物質(zhì)生成，由于酸性物質(zhì)的電導(dǎo)率相對(duì)較高，只需憑借電導(dǎo)檢測(cè)儀，便可對(duì)電導(dǎo)變化進(jìn)行精準(zhǔn)檢測(cè)，通過(guò)將檢測(cè)值向峰值進(jìn)行轉(zhuǎn)化的方式，參照標(biāo)準(zhǔn)曲線完成定量操作。

2.3 大氣監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用

事實(shí)證明，利用該技術(shù)對(duì)原有技術(shù)進(jìn)行替代，一方面可突破環(huán)境制約，使操作流程得到簡(jiǎn)化，另一方面能夠減少測(cè)定工作所需藥品的種類與數(shù)量，使測(cè)定成本得到有效控制，此外，測(cè)定靈敏度也可最大程度接近理想水平，分析濃度往往能夠達(dá)到mg/L，如果條件理想，還有可能達(dá)到 μg/L。

3 結(jié)論

現(xiàn)階段，離子色譜已被廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)相關(guān)領(lǐng)域，作為液相色譜分支之一，該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)有目共睹。要想基于離子色譜使環(huán)境得到全方位保護(hù)，關(guān)鍵是要對(duì)日常維護(hù)引起重視，通過(guò)認(rèn)真分析監(jiān)測(cè)所得各項(xiàng)數(shù)據(jù)的方式，保證環(huán)保決策的制定有據(jù)可循。未來(lái)該技術(shù)的主要發(fā)展方向是和大型設(shè)備聯(lián)用，相關(guān)人員應(yīng)對(duì)此引起重視。