離子色譜技術(shù)在水環(huán)境監(jiān)測中的性能分析

王 貴，袁麗艷

（甘肅省酒泉生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，甘肅 酒泉 735000）

1 離子色譜技術(shù)概述

離子色譜法也稱為層析法，最開始是將植物色素、碳酸鈣用石油醚沖洗，即可獲得多條平行的顏色帶，目前一些比較常見的色譜技術(shù)已經(jīng)不再有顏色產(chǎn)生。色譜技術(shù)是一種利用離子的物理和化學(xué)性質(zhì)差別進行分離的辦法，主要有氣體、液體、超臨界液體等檢測。色譜技術(shù)從20世紀(jì)初就開始研究，在發(fā)展過程中，離子色譜技術(shù)是一種在離子交換樹脂柱后面安裝電導(dǎo)檢測儀器，實現(xiàn)對色譜分離離子連續(xù)檢測的一種方法。該技術(shù)是將離子交換劑作為固定相，以強電解質(zhì)為流動相，利用抑制性電導(dǎo)離子進行檢測，從此離子色譜技術(shù)就從液相色譜法中獨立出來。離子色譜技術(shù)在當(dāng)下水環(huán)境檢測中應(yīng)用比較廣泛。該技術(shù)是用電導(dǎo)電測器作為通用檢測器，當(dāng)淋洗液帶動樣本到分離柱之后，通過電導(dǎo)檢測器，能將離子依次分離、洗脫。因為離子色譜技術(shù)的通用檢測器是電導(dǎo)檢測器，淋洗液是具有強電解質(zhì)性質(zhì)的酸堿溶液，該溶液的電解值非常高，而此時被檢測液體的濃度又遠遠小于流動相的電解質(zhì)濃度，這樣一來，因為樣品離子的存在，就產(chǎn)生了微小的電導(dǎo)變化，在抑制器的輔助下，提升了檢測敏感度[1]。從狹義上說，離子色譜技術(shù)是一種通過電荷相互作用實現(xiàn)離子化合物和固定相表面離子性功能基團分離，并分析這種物質(zhì)成分的方法，隨著色譜固定相技術(shù)的不斷發(fā)展，離子性物質(zhì)分離的分析工作也更加全面完善。從廣義上說，離子色譜技術(shù)是一種建立在被測物離子性分離之上的液相色譜技術(shù)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、生物、環(huán)境等諸多領(lǐng)域。離子色譜技術(shù)能用于多種樣品的有機離子和無機離子分離，比如，雨水和江水等簡單基質(zhì)的離子，只要將檢測水源充分過濾即可直接測定。在環(huán)境檢測中，離子色譜技術(shù)也已經(jīng)成為常見離子分析的標(biāo)準(zhǔn)方案。20世紀(jì)80年代，我國長江以南大面積的酸雨連續(xù)監(jiān)測就用了離子色譜技術(shù)。

2 水環(huán)境監(jiān)測的必要性

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，水污染問題越來越嚴(yán)重，尤其是大量的工業(yè)水源和飲用水源被破壞，地表水的污染系數(shù)也在升高，水質(zhì)惡化引起了人們對安全用水的深刻思考。而人們生活水平的提升勢必會對用水質(zhì)量更加關(guān)注，較為清潔的地下水源也成為使用重點。但是，地下水的大量開采和使用，已經(jīng)讓很多國家和城市面臨著地下水枯竭的問題，地面沉降、海水入侵等問題越來越嚴(yán)重。更嚴(yán)重的是，地表水的污染在一定程度上也會影響到地下水的質(zhì)量，淺層地下水也出現(xiàn)了污染問題。當(dāng)下，水污染問題已經(jīng)成為非常關(guān)鍵的環(huán)境問題，一些國家和地區(qū)的水源質(zhì)量長期不達標(biāo)，也對人類的生存產(chǎn)生了一定的影響[2]。

為了反映水資源的污染問題，保障人體健康、生活質(zhì)量，保護水資源已經(jīng)得到了社會各界的廣泛認(rèn)同，而水環(huán)境檢測就是通過常態(tài)化的水環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，精準(zhǔn)反映水環(huán)境質(zhì)量，控制水污染情況，并實現(xiàn)水環(huán)境管理的科學(xué)化。水環(huán)境檢測就是為了讓人類認(rèn)識自然、保護自然，當(dāng)發(fā)現(xiàn)存在各種水體污染問題時，能盡量減輕污染的影響。水環(huán)境檢測還能反映當(dāng)?shù)厮h(huán)境受到什么因素的影響最嚴(yán)重，進而幫助群眾改善整體的水環(huán)境。對水環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量進行管控，也方便工作人員發(fā)現(xiàn)水環(huán)境污染的因素，并制定解決方案?，F(xiàn)階段，水環(huán)境監(jiān)測是以實驗室檢測為主要方式，通過了解城市內(nèi)部水環(huán)境情況，保障水資源質(zhì)量、優(yōu)化環(huán)境保護措施，使水環(huán)境檢測部門能夠及時向有關(guān)部門提供準(zhǔn)確、真實的水環(huán)境檢測數(shù)據(jù)，從而為相關(guān)部門制定水環(huán)境保護措施提供數(shù)據(jù)支撐。提升水環(huán)境檢測質(zhì)量能控制水環(huán)境污染，也能降低監(jiān)測誤差，并發(fā)揮出水環(huán)境檢測的實際效果。

3 水環(huán)境監(jiān)測中需要測定的物質(zhì)及含量

能夠在水溶液中電離，并形成離子狀態(tài)的物質(zhì)都可以用色譜技術(shù)測定，離子色譜技術(shù)的監(jiān)測物質(zhì)需要能水溶、能電離，比較有代表性的包括以下幾種[3]。

3.1 檢測水中的陰離子和陽離子

在工業(yè)化和城鎮(zhèn)化速度加快的背景下，水環(huán)境污染的形勢越來越嚴(yán)峻，陰陽離子檢測可以通過淋洗處理，提升檢驗的準(zhǔn)確性。此外還有一些有機酸和有機堿的檢驗，因為有機酸和有機堿不能通過反應(yīng)產(chǎn)生揮發(fā)性物質(zhì)，通過離子色譜技術(shù)能有效檢驗其中的成分含量。

3.1.1 檢測水中的陰離子

檢測水環(huán)境是否達標(biāo)，需要滿足以下標(biāo)準(zhǔn)：（1）氟離子是保證人體健康不可缺少的物質(zhì)，而人體攝入的氟離子中，有65%是通過飲水?dāng)z入。F-含量過多會導(dǎo)致土壤酸性增加，影響農(nóng)作物生長，而F-也會在植物中富集，可能會引起動植物的死亡。在管網(wǎng)水中，F(xiàn)-的含量為0.3 mg/L，管網(wǎng)末端F-濃度為0.05 mg/L，如果小于該值，則說明自來水被污染，如果大于該值，則說明水不能直接飲用，需要放置一段時間。（2）大量的氯化物進入環(huán)境會對動植物產(chǎn)生較大的危害，工業(yè)廢水中氯離子的含量較多，尤其是泡菜的腌漬廢水中Cl-濃度能達到1 153 000 mg/L，嚴(yán)重危害了水環(huán)境，影響水質(zhì)，水中Cl-濃度過高，會妨礙植物生長，也會腐蝕管道，甚至引起人類中毒。一般在檢測中，水中余氯含量需要≥0.3 mg/L，檢測中，Cl-含量不應(yīng)超過0.5 mg/L。（3）水環(huán)境中大量硝酸根離子的存在會造成水環(huán)境體系的富營養(yǎng)化，如果一些工業(yè)廢水和生活廢水處理方法不當(dāng)，就會導(dǎo)致水中NO3-的濃度升高。如果NO3-濃度過高，進入人體后會通過氧化還原反應(yīng)生成硝酸根離子，具有強致癌性。為了提升飲用水的安全系數(shù)，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，NO3-的含量不能超過20 mg/L。（4）SO42-濃度過高會影響混凝土的耐久性，SO42-還會促進植物吸收重金屬，對自然生態(tài)環(huán)境保護、人類生存都會產(chǎn)生不利影響。如果飲用水中硫酸根離子的總量較高，飲用之后極有可能引起腹瀉。

3.1.2 檢測水中的陽離子

檢測水環(huán)境是否達標(biāo)，需要滿足以下標(biāo)準(zhǔn)：（1）如果水中鈉離子含量較高，會導(dǎo)致水質(zhì)偏咸，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，生活用水中鈉離子含量應(yīng)小于等于200 mg/L。（2）鉀是農(nóng)作物生長重要的微量元素，但是K+過高，會導(dǎo)致植物降低對鈣離子等吸收，引起植物“腐心”，也可能出現(xiàn)植物倒伏、抗病性下降等問題，影響農(nóng)作物產(chǎn)量。（3）Ca2+、Mg2+等都會導(dǎo)致水質(zhì)硬化，Ca2+、Mg2+含量越高，水的硬度越高。根據(jù)世界衛(wèi)生組織的調(diào)查結(jié)果，在優(yōu)質(zhì)的飲用水中，K+、Ca2+、Mg2+的含量應(yīng)在100 mg/L左右[1]。

3.2 檢測水中的有機化合物

檢測水環(huán)境是否達標(biāo)，需要滿足以下標(biāo)準(zhǔn)：有機酸、有機堿都是環(huán)?；ぶ械闹匾牧?，有機酸在水產(chǎn)養(yǎng)殖中應(yīng)用比較廣泛，能抑菌、能做飼料的酸化劑，如果在水中的含量過高，可能會抑制水產(chǎn)動物的生長。水中堿含量升高，也會影響人體皮膚的健康。

3.3 檢測水中的其他離子

離子色譜技術(shù)能應(yīng)用于水樣物理性質(zhì)的檢測，根據(jù)不同的檢測需求確定不同的檢驗方法，能檢測出其中的成分含量。如糖類、脂肪胺、醇類、醛類等。

檢測水環(huán)境是否達標(biāo)，需要滿足以下標(biāo)準(zhǔn)：這些物質(zhì)可以溶解在地表水中，引起水體污染、危害人體安全，如果醛類過多，會對人體皮膚和呼吸道產(chǎn)生一定的刺激作用。在廢水監(jiān)測過程中，只有對甲醛含量的分析標(biāo)準(zhǔn)，甲醛在飲水中的限值為0.9 mg/L。

4 離子色譜技術(shù)在水環(huán)境監(jiān)測中的具體操作流程

4.1 離子色譜技術(shù)的具體操作流程

4.1.1 分析水樣

在使用離子色譜儀進行檢驗之前，最好先分析水樣的化學(xué)性質(zhì)。要提升檢測效果，需要先進行樣品處理，先利用流動相對樣品進行溶解，并在使用之前，使用0.45 μm的過濾膜去除其中的微粒雜質(zhì)，避免因雜質(zhì)吸附影響分析效果。在該步驟中，需要簡單根據(jù)被測水源的來源，分析其中的無機陰離子與無機陽離子、有機酸堿的基礎(chǔ)含量。應(yīng)用離子色譜技術(shù)可以將檢測時間控制在5 min左右，且具有較高的檢測精度。在分析有機堿和有機酸時，由于有機堿與有機酸中會涉及多種形式的控酸與多基酸，很難通過相應(yīng)的反應(yīng)產(chǎn)生氣體，因此應(yīng)用離子色譜技術(shù)可以取得良好的分析效果[4]。

4.1.2 選擇合適的檢測器

在分析水樣的物理性質(zhì)時，應(yīng)用離子色譜技術(shù)可以根據(jù)不同檢測項目的要求，選擇相應(yīng)的檢測器，通過操作檢測器完成對水樣物理性質(zhì)的檢測。

4.1.3 配置流動相

流動相能在樣品組分中實現(xiàn)質(zhì)量交換而分離，因此，流動相首先需要具有樣品溶解能力，并保證樣品組分不會沉淀、長期留存于柱中。流動相還需要具有一定的惰性和潤滑度，如果使用的是UV檢測器，也需要保證其紫外線吸收率較低。在制備好流動相之后，要進行脫氣處理，然后才能用于檢測。

4.1.4 分析復(fù)雜樣品

在實際檢測中往往會面對部分成分復(fù)雜的水樣，例如水樣中同時含有有機酸與陰陽離子，這些復(fù)雜水樣的檢測難度較大，如果采取的檢測手段不科學(xué)，將影響結(jié)果的精準(zhǔn)性。采用單柱陰離子色譜法，可以測量出水樣中Ca2+、Cl-等物質(zhì)的含量。如果把EDTA當(dāng)成洗脫液，Ca2+就可以和其反應(yīng)物發(fā)生反應(yīng)，生成絡(luò)合物，這樣就可以在同一ShinPack柱上滿足同時測定有機酸和陰陽離子的需求，了解不同成份的具體含量。在采用離子色譜技術(shù)時，系統(tǒng)中會產(chǎn)生許多氣泡，為避免氣泡的產(chǎn)生對基線穩(wěn)定性可能造成的影響，在實際檢測時還可以淋洗干凈淋洗牌，確保其中不存在氣泡后再更換淋洗液。

4.2 操作中需要注意的流程步驟

使用離子色譜儀時需要注意一些基本的操作流程，為了防止將檢測溶液吸干，要將流動相瓶中的濾嘴始終保持在液面以下，以保證實驗順利進行。在啟動泵體之間，也需要提前處理好管路中的氣泡，如果存在氣泡，需要提前將其排除，再進行下一步操作。可以擰下泵體的連接塑料流路接頭，然后吸入去離子水，啟動泵體，待流出液體的流速均勻之后，再將排氣閥擰緊，然后，將接頭連接在色譜柱前端2～5 s，待下端流出溶液后，擰上接頭，再打開流動相電流旋鈕，開始進行色譜柱檢測[5]。實驗完畢后，需要先關(guān)閉電流，再關(guān)閉高壓泵。離子色譜技術(shù)應(yīng)用于水環(huán)境監(jiān)測時，對溫度的高低具有較高的敏感性，在實際應(yīng)用時需要合理控制好溫度，保證溫度始終處于正常范圍，以提高基線的穩(wěn)定性。技術(shù)人員在監(jiān)測時要注重選擇恒溫環(huán)境開展工作，針對監(jiān)測時采用的設(shè)備、裝置，也需要保證其處于恒溫狀態(tài)，以減少外部環(huán)境給檢測結(jié)果造成的影響，進一步提升檢測的精度。同時，還要選擇正確的水樣過濾方法，在過濾待測水樣時，需要采用標(biāo)準(zhǔn)化的過濾技術(shù)，只有在對水樣過濾并去除雜質(zhì)后，才可以進行檢測，避免過多雜質(zhì)進入設(shè)備，引起設(shè)備堵塞，保障設(shè)備的正常使用壽命[6]。

5 離子色譜技術(shù)在水環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用性能分析

離子色譜技術(shù)的檢測裝置構(gòu)成比較簡單，除了分離柱外其他裝置都屬于數(shù)據(jù)運輸、檢測和分析等裝置，在不同裝置中分離柱始終發(fā)揮著重要作用。分離柱主要是由非金屬材料制成，可以避免對檢測環(huán)境造成的影響。當(dāng)前，為降低應(yīng)用離子色譜技術(shù)時的干擾因素，技術(shù)人員在實際工作中通常會在裝置中設(shè)置抑制柱，在抑制柱的作用下可以提高檢測裝置的靈敏度，最終達到提高檢測精度的目標(biāo)。運送設(shè)備主要在檢測前期發(fā)揮效果，通過運輸樣本為后期檢測提供支撐，也可以對樣品進行處理，并在檢測后利用相應(yīng)設(shè)備對檢測結(jié)果進一步加工，這樣就能更好保障檢測的精度[7]。

在現(xiàn)階段的水環(huán)境監(jiān)測中，可以采取的檢測手段多種多樣，如離子色譜技術(shù)、氣相色譜技術(shù)、電化學(xué)法等，不同檢測方法有不同的優(yōu)缺點，而離子色譜技術(shù)在其中的價值最為顯著。采用離子色譜技術(shù)檢測不需要花費太多時間，并且檢測的精度較高，檢測流程并不復(fù)雜。在應(yīng)用離子色譜技術(shù)時，技術(shù)人員可以以分離系統(tǒng)的類型為依據(jù)，實現(xiàn)設(shè)備的匹配，并利用人工選擇的手段提高檢測設(shè)備的適應(yīng)性?，F(xiàn)階段，離子色譜技術(shù)在水環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用范圍在不斷拓寬，不僅支持單一樣本的檢測，還可以同時對多樣本化合物展開檢測，大幅提高了檢測效率，降低了監(jiān)測成本。另外，離子色譜技術(shù)應(yīng)用于水環(huán)境的監(jiān)測和治理工作中，能提升污水分析的準(zhǔn)確性。目前，離子色譜控技術(shù)最高能達到每米3萬理論塔板數(shù)，且使用的流動相比較單一、受到二氧化碳的影響比較大，因此需要不斷優(yōu)化該技術(shù)，提升其檢測的準(zhǔn)確度[8]。

6 結(jié)語

總之，在水環(huán)境監(jiān)測中，離子色譜技術(shù)具有強大的應(yīng)用價值，在長期的發(fā)展過程中，該技術(shù)的應(yīng)用越來越成熟。在離子色譜技術(shù)應(yīng)用范圍不斷拓寬的背景下，其在水環(huán)境監(jiān)測中發(fā)揮的作用也越來越顯著。離子色譜技術(shù)可以精準(zhǔn)測定水樣中的多種陰離子，具有明顯的便捷、高效等特征，有利于推動我國水環(huán)境監(jiān)測工作的創(chuàng)新突破，從而為推進生態(tài)文明建設(shè)做出巨大貢獻。但是目前該技術(shù)在有機物檢測中還存在短板，因此還需要進一步優(yōu)化作業(yè)，提升該技術(shù)的利用價值，從而進一步提高其實際的應(yīng)用效能。