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关于离子色谱仪的结构和应用原理分析

来源：测试GO 时间：2022-10-26 16:58:06 浏览：2865次

1 引言

离子色谱，简称IC（Ion Chromatography），是分析阴离子和阳离子的一种液相色谱。

作为近20年来发展最快的技术之一，离子色谱的应用已渗透到众多领域。应用范围从分析水中常见阴、阳离子和有机酸，发展到分析极性化合物、氨基酸、糖、重金属和过渡金属及不同氧化态。^[1]作为一种有效的痕量分析手段，由于其具有简便、高效、高灵敏度和重现好的特点，离子色谱已在许多领域代替了传统的化学分析方法，如蒸气锅中痕量Fe³⁺、Fe²⁺、Na⁺、K⁺等离子分析，已经广泛采用离子色谱法。同时，还可以分析氰化物、不同价态的铬、二氧化硅、部分重金属，有机酸类。对于水处理中常用的混凝剂Al和Fe的残留浓度也能准确测定。

另外，离子色谱在环境、食品、卫生、石油开发、石油化工、高纯水和水文地层方面也已得到广泛应用^[2]。经过多年的应用发展，离子色谱已逐渐被国内外分析领域所接受，并被一些国际上有影响的机构确定为标准分析方法或推荐方法，成为了一种很有发展前途的分析工具。

作为液相色谱中的一个重要分支，离子色谱具有以下特点：

（1）快速方便：对7种常见阴离子（F^-、Cl^-、Br^-、NO^2-、NO^3-、SO4^2-、PO₄^3-）和6种常见阳离子（Li⁺、Na⁺、NH⁴⁺、K⁺、Mg²⁺、Ca²⁺）的平均分析时间已分别小于8 min。用高效快速分离柱对上述7种最重要的常见阴离子的基线分离只需3 min。

（2）灵敏度高：离子色谱分析的浓度范围为1 μg/L至数百mg/L。采用电导检测，直接进样量约为25 μL，且对常见阴离子的检出限小于10 μg/L。

（3）选择性好：IC法分析无机和有机阴、阳离子的选择性可通过选择恰当的分离方式、分离柱和监测方法来达到。与HPLC相比，IC中固定相对选择性的影响较大。

（4）可同时分析多种离子化合物：与光度法、原子吸收法相比，IC的主要优点是可同时检测样品中的多种成分，只需很短的时间就可得到阴、阳离子以及样品组成的全部信息。

（5）分离柱的稳定性好、容量高：与HPLC中所用的硅胶填料不同，IC柱填料的高pH值稳定性允许用强酸或强碱作淋洗液，有利于扩大应用范围。

2 离子色谱仪发展历史

提到离子色谱，就避不开“色谱”二字。作为一种分离的技术，色谱随着现代化学技术的发展应运而生。20世纪初在俄国的波兰植物化学家茨维特（Twseet）首先将植物提取物放入装有碳酸钙的玻璃管中，植物提取液由于在碳酸钙中的流速不同分布不同，因此在玻璃管中呈现出不同的颜色，这样就可以对各种不同的植物提取液进行有效的成分分离。

到1907年，茨维特的论文用俄文公开发表，他把这种方法命名为chromatography，即中文的色谱，这就是现代色谱这一名词的来源。

20世纪20年代，许多植物化学家开始采用色谱方法对植物提取物进行分离，色谱方法才被广泛地应用。

到20世纪40年代，以Martin为首的化学家建立了一整套色谱的基础理论，使色谱分析方法从传统的经验方法总结归纳为一种理论方法，马丁等人还建立了气相色谱仪器，使色谱技术从分离方法转化为分析方法。

20世纪50年代以后，由于战后重建和经济发展的需要，化学工业特别是石油化工得到广泛的发展，亟需建立快速方便有效的石化成分分析，而石化成分十分复杂，结构十分相似，且多数成分熔点又比较低，气相色谱正好吻合石化成分分析的要求，效果十分明显有效，同样石化工业的发展也使色谱技术特别是气相色谱得到广泛的应用，气相色谱的仪器也不断得到改进和完善，气相色谱逐渐成为一种工业分析必不可少的手段和工具。

20世纪60年代，气相色谱分析法逐渐趋于成熟，但20世纪60年代以来，生物技术飞速发展，生物成分复杂，相对分子质量大而且熔点沸点高，在高温条件下易分解，因此用气相色谱作为分析方法已经不能满足对生物成分分析测试的要求，于是人们就重新考虑采用液相色谱，并进一步提高传统的液相色谱的分离效率，因此液相色谱成为一种分析工具，即高效液相色谱（HPLC）。

与传统液相色谱不同的是，高效液相色谱采用了高压泵及很细的颗粒填料，高效色谱柱可以对许多成分进行高效分离和分析，由于高效液相色谱通常采用紫外可见光检测，而大多数有机化合物均有紫外可见吸收，因此高效液相色谱可以对大量有机化合物进行分析。它在生物科学中得到了广泛的应用，特别是对具有高沸点高熔点的生物材料的分析检测。

20世纪70年代以后，国际上不论是气相色谱还是高效液相色谱，均成为各行各业必不可少的分析工具，广泛应用于各个生产研究领域。

1975 年，Small^[3]成功地解决了用电导检测器连续检测柱流出物的难题，即采用低交换容量的阴离子或阳离子交换柱，以强电解质作流动相分离无机离子，流出物通过一根称为抑制柱的带相反电荷的离子交换树脂柱。这样，将流动相中被测离子的反离子出去，使流动相背景电导降低，从而获得高的检测灵敏度。从此，有了真正意义上的离子色谱法，IC 也从此作为一门色谱分离技术从液相色谱法中独立出来。

1979 年，Gjerde等开始采用弱电解质作流动相。因流动相本身的电导率较低，不必用抑制柱就可以用电导检测器直接检测。人们把使用抑制柱的离子色谱法称作双柱离子色谱法( double column IC) 或抑制型离子色谱法( suppressed IC) ，把不使用抑制柱的离子色谱法称作单柱离子色谱法( single column IC) 或非抑制型离子色谱法( nonsuppressed IC)。

我国从20世纪80年代开始引进离子色谱仪器，在我国八五九五科技攻关项目中均列有离子色谱国产化的项目，对其进行了重点技术攻关，对离子色谱技术的高度重视使得市场上逐渐出现相关的中国产品。

3 离子色谱仪基本结构

离子色谱仪主要由淋洗液系统、色谱泵系统、进样系统、流路系统、分离系统、化学抑制系统、检测系统和数据处理系统等组成，如图1。

图1 离子色谱仪的组成

（1）淋洗液系统

离子色谱仪常用的分析模式为离子交换电导检测模式，主要用于阴离子和阳离子的分析。常用阴离子分析淋洗液有OH根体系和碳酸盐体系等，常用阳离子分析淋洗液有甲烷磺酸体系和草酸体系等。淋洗液的一致性是保证分析重现性的基本条件。为保证同一次分析过程中淋洗液的一致性，在淋洗液系统中加装淋洗液保护装置，可以将进入淋洗液瓶的空气中的有害部分吸附和过滤，如CO₂和H₂O等。

（2）色谱泵系统：

离子色谱的淋洗液为酸、碱溶液，与金属接触会对其产生化学腐蚀。如果选择不锈钢泵头，腐蚀会导致色谱泵漏液、流量稳定性差和色谱柱寿命缩短等。离子色谱泵头应选择全PEEK材质（色谱柱正常使用压力一般小于20 MPa）。色谱泵类型包括单柱塞泵和双柱塞泵，双柱塞泵又包括串联双柱塞泵和并联双柱塞泵。

（3）分离系统：

分离系统是离子色谱的重要部件，也是主要耗材。分离系统包括预柱、保护柱和分析柱。预柱又称在线过滤器，PEEK材质，主要作用是保证去除颗粒杂质；保护柱与分析柱填料相同，消除样品中可能损坏分析住填料的杂质。如果不一致，会导致死体积增大、峰扩散和分离度差等；分析柱主要功能是有效分离样品组分。

（4）化学抑制系统：

抑制系统是离子色谱的核心部件之一，主要作用是降低背景电导和提高检测灵敏度。抑制器的好坏关系到离子色谱的基线稳定性、重现性和灵敏度等关键指标，包括柱-胶抑制、离子交换膜抑制和电解自再生膜抑制等。

柱-胶抑制采用固定短柱或现场填充抑制胶进行抑制，不同的抑制柱交替使用，属于间歇式抑制；离子交换膜抑制采用离子交换膜，利用离子浓度渗透的原理进行抑制。但需要配制硫酸再生液，系统需要配置氮气或动力装置；电解自再生膜抑制则是利用电解水产生的媒介离子配合离子交换膜进行抑制，一般情况下是最佳选择。

（5）检测系统

离子色谱最基本和常用的检测器是电导检测器，其次是安培检测器。电导检测器包括四极电导检测器和五极电导检测器等，是基于极限摩尔电导率应用的检测器，主要用于检测无机阴阳离子、有机酸和有机胺等。

四极电导检测器指在流路上设置四个电极，在电路设计中维持两测量电极间电压恒定，不受负载电阻、电极间电阻和双电层电容变化的影响，具有电子抑制功能（阳离子检测支持直接电导检测模式）。五极电导检测器则是在四极电导检测模式中加一个接地屏蔽电极，极大提高了测量稳定性，在高背景电导下仍能获得极低的噪声，具有电子抑制功能（阳离子检测支持直接电导检测模式）。

安培检测器分为直流安培检测模式、脉冲安培检测模式等，是基于测量电解电流大小为基础的检测器，主要用于检测具有氧化还原特性的物质。

其中，直流安培检测模式主要用于抗坏血酸、溴、碘、氰、酚、硫化物、亚硫酸盐、儿茶酚胺、芳香族硝基化合物、芳香胺、尿酸和对二苯酚等物质的检测。脉冲安培检测模式则主要用于醇类、醛类、糖类、胺类（一、二、三元胺，包括氨基酸）、有机硫、硫醇、硫醚和硫脲等物质的检测。

4 离子色谱仪的工作原理

离子色谱仪的工作过程是：输液泵将流动相以稳定的流速(或压力)输送至分析体系，在色谱柱之前通过进样器将样品导入，流动相将样品带入色谱柱，在色谱柱中各组分被分离，并依次随流动相流至检测器，抑制型离子色谱则在电导检测器之前增加一个抑制系统，即用另一个高压输液泵将再生液输送到抑制器，在抑制器中，流动相的背景电导被降低，然后将流出物导入电导检测池，检测到的信号送至数据系统记录、处理或保存，如图2所示。

图2 典型离子色谱仪的工作流程图

分离的原理是基于离子交换树脂上可离解的离子与流动相中具有相同电荷的溶质离子之间进行的可逆交换和分析物溶质对交换剂亲和力的差别而被分离。离子色谱主要适用于亲水性阴、阳离子的分离。分离机理主要是离子交换，细分起来有3种分离方式：高效离子交换色谱（HPIC）、离子排斥色谱（HPIEC）和离子对色谱（MPIC）。

三种分离方式的柱填料的树脂骨架基本都是苯乙烯-二乙烯基苯的共聚物，但树脂的离子交换功能基和容量各不相同。HPIC用低容量的离子交换树脂，HPIEC用高容量的树脂，MPIC用不含离子交换基团的多孔树脂。3种分离方式各基于不同分离机理。HPIC的分离机理主要是离子交换，HPIEC主要为离子排斥，而MPIC则是主要基于吸附和离子对的形成。

高效离子交换色谱：应用离子交换的原理，采用低交换容量的离子交换树脂来分离离子，这在离子色谱中应用最广泛，其主要填料类型为有机离子交换树脂，以苯乙烯二乙烯苯共聚体为骨架，在苯环上引入磺酸基，形成强酸型阳离子交换树脂，引入叔胺基而成季胺型强碱性阴离子交换树脂，此交换树脂具有大孔或薄壳型或多孔表面层型的物理结构，以便于快速达到交换平衡。离子交换树脂耐酸碱可在任何pH范围内使用，易再生处理、使用寿命长，缺点是机械强度差、易溶易胀、受有机物污染。离子交换色谱是最常用的离子色谱。

离子排斥色谱：主要根据Donnon膜排斥效应，电离组分受排斥不被保留，而弱酸则有一定保留的原理，制成离子排斥色谱主要用于分离有机酸以及无机含氧酸根，如硼酸根碳酸根和硫酸根有机酸等。它主要采用高交换容量的磺化H型阳离子交换树脂为填料，以稀盐酸为淋洗液。

离子对色谱：固定相为疏水型的中性填料，可用苯乙烯二乙烯苯树脂或十八烷基硅胶(ODS)，也有用C8硅胶或CN，而流动相则由含有所谓对离子试剂和含适量有机溶剂的水溶液组成。对离子是指其电荷与待测离子相反，并能与之生成疏水性离子。对于化合物的表面活性剂离子，用于阴离子分离的对离子是烷基胺类，如十六烷基三甲烷等，用于阳离子分离的对离子是烷基磺酸类，

如己烷磺酸钠、庚烷磺酸钠等。对离子的非极性端亲脂，极性端亲水，其CH₂键越长则离子对化合物在固定相的保留越强。在极性流动相中，往往加入一些有机溶剂，以加快淋洗速度，此法主要用于疏水性阴离子以及金属络合物的分离。

5 操作流程

离子色谱仪虽然种类较多，但其工作流程基本大同小异。其流程主要为：

（1）对淋洗液系统进行必要检查，打开氩气气瓶开关，调节减压阀指示为0.2~0.3 Mpa；打开淋洗液系统气源装置，调节减压阀，使指示表显示为3~6 psi。

（2）分别按顺序打开主机-电脑-打印机等设备电源开关，对设备进行上电操作。

（3）系统处理及控制系统上电接通后，进入操作界面，并进入系统操作面板，准备操作前的准备及管理工作。

（4）打开泵。如色谱分析仪长时间不使用或更换淋洗液后，要先打开平衡泵头上的PRIME阀排气后再开泵，待泵压力稳定后再打开抑制器电源。

（5）在进入色谱柱之前通过进样器将样品导入, 流动相将样品带入色谱柱, 在色谱柱中各组分被分离, 并依次随流动相流至检测器。

（6）检测器检测到的信号送至数据系统，利用操作界面做完样后，选择检测标准进入数据处理，对采集数据进行记录、处理、打印或者保存等操作。

（7）关机，系统关机需要根据检测样品不同选择不同关机步骤。对于阴阳离子，需要先将抑制器电流关掉，然后再关泵关机。

6 应用实例

随着科学技术的发展和人民生活水平的提高，离子色谱逐渐进入人们的视野。目前，离子色谱法已被应用于食品分析、药物分析、环境监测等方面，且在化工、材料、农业等领域也有着较为广泛的应用。

实例1：以硝酸盐，亚硝酸盐和磷酸盐的形式存在的杂质污染，是全球最普遍的水质问题。传统的检测方法具有许多缺点，检测效果也是不尽如意。多年来，相关科研工作者已经开发了各种方法和分析系统来对水生环境进行实时的原位成分分析。然而，这些系统的使用和应用受到功率需求，尺寸，试剂使用或成本的限制。此外，电化学传感器被广泛用于快速分析水中的硝酸盐和亚硝酸盐。这些传感器具有成本效益，但考虑其长期工作时，经常会因电极结垢和分析物随时间的漂移而使其功能受到阻碍。迄今为止，基于离子色谱法的分析仪以及直接的紫外线吸收系统已被证明是实现原位硝酸盐和亚硝酸盐分析的主要途径。

Murray等人^[4]采用离子色谱仪对水中杂质进行了成分分析，基于简单的阴离子交换方法，使用KOH洗脱液结合AG15保护柱来实现快速的阴离子分离。通过使用基于235 nm LED的吸光度检测器，可以选择性，直接地检测亚硝酸盐和硝酸盐。作者选择位于淡水和高污染废水之间的50μL样品定量环体积，连续分析包含15 mg L^-1 NO^3-和10 mg L^-1 NO^2-的阴离子标准液。依次进样的色谱图重叠时，仪器获得的色谱图重复性如图3所示。在82次运行中，亚硝酸盐和硝酸盐的峰面积RSD值分别为3.87％和3.91％。发现亚硝酸盐和硝酸盐的保留时间RSD值分别为3.59％和3.23％，这表明了离子色谱在水质检测中的突出应用价值。

图3 82次连续运行后叠加的所选色谱图

实例2：目前，农用硫酸铵的来源非常广泛，包括己内酰胺副产硫酸铵、氨法脱硫副产硫酸铵、磷石膏转制硫酸铵等不同行业的副产硫酸铵，这些副产硫酸铵中可能存在氟、氯、溴、硫氰酸盐等杂质。有研究表明，氟离子含量过高会抑制玉米、大麦、小麦、豌豆、三叶草、菠菜的生长，造成作物减产；长期处在高浓度氯离子环境中，对氯敏感植物会导致死亡，对氯不敏感的植物也会造成一定的抑制作用；植物中溴离子含量一般在1~535 mg/kg，若土壤环境中溴离子含量过高，有可能对农作物造成危害；当硫氰酸根离子浓度大于5 mg/L时，对植物尤其是农作物就会产生危害。因此，农用硫酸铵作为一类氮肥，直接施用硫酸铵易使土壤板结，对土壤环境不友好，多用作复合肥料、掺混肥料等其他肥料产品的原料。为保障肥料产品质量，保障农作物安全，建立农用硫酸铵中杂质阴离子的检测方法非常必要。

刘爽等人^[5]采用离子色谱法测定了农用硫酸铵中４种杂质阴离子。在样品前处理时，需通过Ba离子柱过滤除去试液中的硫酸根离子。研究中Ba离子柱的容量为2.0~2.2 meq/ml，实验过程中分别对未使用Ba离子柱净化及使用该柱净化的样品进行测试，结果表明，未使用Ba离子柱净化的样品，SO₄^2-离子拖尾，严重干扰SCN-的测定，色谱图如图4左图所示，无法计算加标回收率；使用Ba离子柱净化的样品，在保留时间20 min左右基线平稳，对SCN-的测定无影响，色谱图如图4右图所示。经Ba离子柱净化后样品回收率在80.23%~111.5%，可满足实验室分析要求。利用本方法可以同时检测农用硫酸铵中4种常见杂质阴离子含量，方法简单、快捷、准确，因而值得推广应用。

图4 净化前后样品的离子色谱图

参考文献：

[1] Cohen, Kilpatrl, Carroll. PLASMA CHROMATOGRAPH TM FOR TRACE GAS ANALYSIS IN AIR, TRANSACTIONS-AMERICAN GEOPHYSICAL UNION. 1970, ‏51 (11), 760-768. [2] Dhillon, Heckenberg, Heckenberg. Development of a new, dedicated ion chromatograph, AMERICAN LABORATORY. 1997, 29 (4), 33-38.

[3] 段钢, 姬泓巍, 辛惠蓁. 离子色谱仪的发展现状, 分析仪器. 2004, 3 (48), 49-53.

[4] Eoin Murray, Patrick Roche, Matthieu Briet et al. Fully automated, low-cost ion chromatography system for in-situ analysis of nitrite and nitrate in natural waters, Talanta. 2020, 216, 120955.

[5] 刘爽, 张娟, 徐楠等. 离子色谱法测定农用硫酸铵中4种杂质阴离子, 中国无机化学分析. 2020, 10, 36-40.

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