離子色譜于水質檢測的應用

毛習文

1 引言

色譜技術作為一種分離檢測技術，已有100年的歷史。離子色譜儀作為高效液相色譜的一種，其分離機制是離子交換。分離原理是將水樣注入碳酸鹽和碳酸氫鹽溶液為淋洗液的離子交換樹脂。基于待測陰離子對低容量強堿性陰離子樹脂(分析柱)的相對親和力不同，而彼此分開[1,2]。離子色譜儀的主要填料為，以苯乙烯二乙烯苯共聚體的骨架，在苯環上引入叔胺基而形成季胺型強堿性陰離子交換樹脂[3]。被分離的陰離子在流經強酸性陽離子交換樹脂柱(抑制柱)時，會將流動相中被測離子的反離子除去，使流動相背景電導值降低，從而獲得電導檢測器測量被轉換的陰離子，最后與標準進行比對定量[4]。離子色譜有三種形式，離子交換色譜（HPIC），離子排斥色譜（HPIEC）和離子對色譜（MPIC）用[3]。離子色譜儀的優點很突出，具有選擇性好，靈敏度高等特點，且只需要極少量的鹽（Na2CO3和NaHCO3）作為淋洗液，可避免苯酚、濃氨水、丙酮等多種有害物質的使用，實驗條件清潔，不會對環境造成污染，符合環保的要求[5,6]。離子交換樹脂耐酸堿，可在很廣的pH范圍內使用，易再生處理、使用壽命長，缺點是機械強度差、易受有機物的污染。離子色譜法已逐步成為陰離子檢測的首選方法。離子色譜儀廣泛地應用于工業，農業，醫藥衛生等各個行業領域，擔當著重要的角色，發揮著無可替代的作用[7]。

在供水行業中，傳統的離子檢測方法，測定水中F-,CL-,NO3-,SO42-，CLO2-，CLO3-的方法主要是化學法，多為手工分析，滴定分析，曲線比對等，例如用于氯離子分析的，使用絡酸鉀和硝酸銀的摩爾法；用于硫酸根分析的，使用甲基紅和氯化鋇的稱重法等等[8]。這些傳統的分析方法，多使用有毒的化學藥品，存在步驟繁多，操作復雜費時，不能批量檢測，靈敏度低等問題。而應用新型離子色譜儀，則實驗快速，準確，樣品用量少，實驗效果令人滿意。

我公司現有的ICS-90離子色譜儀是戴安離子色譜系列的基礎款，離子色譜這類精密分析儀器，因其應用廣泛發展迅速，更新換代的速度也非常快。現離子色譜已從基礎款的ICS-90升級至ICS-900，直至更高級別的ICS-5000。相較于如此迅猛的更新換代，基礎款的ICS-90離子色譜儀的確有許多需要改進的地方。本文針對兩方面加以論述。

2 試驗和分析

首先，基礎款的ICS-90所配置的分析柱是Ion?Pac AS14A，廠家研發時，對一些常見陰離子的分析，色譜柱的分離還是要依托進樣量的不同，來分別富集分離。實驗人員，對不同的離子測定時，需要不同的進樣，同一樣品的國標《GB/T5750-2006生活飲用水標準》要求的陰離子檢測，需多次實驗才能測定完結。針對這一問題，我們和廠家工程師不斷探討，ICS-90色譜儀在測定性能方面于水質檢測比升級款的沒有太多的弱勢，升級款的離子色譜儀只是普適范圍更廣，對水質監測方面來說意義不算大。如果整體更換為升級款的儀器，無疑是一項巨大的投資，對水質檢測工作來說性價比并不高。如何平衡這樣的利弊？只更新升級ICS-90的分析柱，其它流路不變，是不是更合適，性價比更高呢。經多次探索性的嘗試，這一方法是可行的。更新升級后，可同時測定，國標要求的F-,CL-,NO3-,SO42-，CLO2-，CLO3-的六項陰離子，極大程度地縮短了進樣分析的時間。

未升級前，這六項陰離子的測定，必須以兩種不同的進樣量20微升和100微升，來分別進樣測定。F-,CL-,NO3-,SO42-富集較快20微升進樣，分析時間14分鐘；CLO2-，CLO3-富集慢，100微升進樣，分析時間16分鐘。一個樣品總共的分析時間為30分鐘。升級至新型復合柱后，六項陰離子不必分兩批測定，可一次進樣同時測定，用時18分鐘。這樣算來，同一樣品，之前分析需要30分鐘，現在可以一次進樣分析，18分鐘測定完結，節省了2／5的時間，提升了實驗的效率。當所做樣品較多時，節省出來的時間之多尤為明顯。此外，在節省實驗耗材和藥品試劑上，也有很大的優勢。配制樣品不需分兩批，一次配制即可完成，節省約1／2的純水等試劑；實驗耗材，定量環也不需分兩批更換，一次測定，節省1／2的定量環。

第二，更新升級后的ICS-90離子色譜儀，淋洗液配比較之前有所不同。廠家提供的配比范圍，普適范圍較廣，除包含國標的F-,CL-,NO3-,SO42-，CLO2-，CLO3-這六項陰離子外，還包括了溴酸根等很多其它的離子。淋洗液Na2CO3比NaHCO3的配比范圍是3：1至5：1。淋洗液配比較低時，會延長實驗分析的時間，故不建議采用3:1的配比。

因我公司所采集的水樣較為清澈，淋洗富集相對較快，廠家工程師建議Na2CO3比NaHCO3的配比5:1，但經實驗測試得，Na2CO3比NaHCO3為5:1時，譜峰是有所疊加的，不可取，如圖1。

圖1配比為5:1時有疊加的譜峰

經多次實驗測試得，當Na2CO3比NaHCO3為3.5:1時，可以消除這一影響，3.5:1是最適合僅這六項陰離子水樣測定的配比。如圖2。

圖2 Na2CO3比NaHCO3配比為3.5:1的譜峰

表一 Na2CO3比NaHCO3配比為3.5:1的實驗分析數據

從反應動力學和分離原理的角度分析其原因，Na2CO3比NaHCO33.5:1時，稍高的淋洗液配比，提高了抑制柱的性能，可以更大程度地解離被分析物，各類離子在分析柱中也能較快洗脫[9]，且只要把檢測時間控制在各離子峰形不相互疊加的范圍內，就可以獲得很好的實驗效果。是不是這一比例越高越好呢？不是的。繼續提高Na2CO3與NaHCO3的比例時，譜峰會有所重疊，影響了實驗的精度。這一比例比3.5:1再低一些，譜峰雖不會疊加，卻又會延長實驗分析的時間。因此，控制這一比例為3.5:1左右，對水中六項陰離子F-,CL-,NO3-,SO42-，CLO2-，CLO3-的測定是最合適的。

3 結論

我們通過多次實驗得出ICS-90離子色譜儀從原有分析柱升級為新型復合柱，對于水質檢測工作是可行的，且能大幅度提高實驗檢測效率，縮短實驗分析時間；而淋洗液的配比Na2CO3比NaHCO3為3.5:1時，對于水中的六項陰離子F-,CL-,NO3-,SO42-，CLO2-，CLO3-的測定，實驗效果最佳。離子色譜服務于水質檢測工作，在不斷地探索和創新中，會取得更多新的跨越和進步，從而更好地服務于供水行業，為生產生活用水提供強有力的水質安全保障。未來，離子色譜在水質檢測領域的應用前景廣闊。