離子色譜，簡稱IC（Ion Chromatography），是分析陰離子和陽離子的一種液相色譜。

作為近20年來發(fā)展最快的技術之一，離子色譜的應用已滲透到眾多領域。應用范圍從分析水中常見陰、陽離子和有機酸，發(fā)展到分析極性化合物、氨基酸、糖、重金屬和過渡金屬及不同氧化態(tài)。^[1]作為一種有效的痕量分析手段，由于其具有簡便、高效、高靈敏度和重現(xiàn)好的特點，離子色譜已在許多領域代替了傳統(tǒng)的化學分析方法，如蒸氣鍋中痕量Fe³⁺、Fe²⁺、Na⁺、K⁺等離子分析，已經(jīng)廣泛采用離子色譜法。同時，還可以分析不同價態(tài)的鉻、二氧化硅、部分重金屬，有機酸類。對于水處理中常用的混凝劑Al和Fe的殘留濃度也能準確測定。

另外，離子色譜在環(huán)境、食品、衛(wèi)生、石油開發(fā)、石油化工、高純水和水文地層方面也已得到廣泛應用^[2]。經(jīng)過多年的應用發(fā)展，離子色譜已逐漸被國內(nèi)外分析領域所接受，并被一些國際上有影響的機構確定為標準分析方法或推薦方法，成為了一種很有發(fā)展前途的分析工具。

作為液相色譜中的一個重要分支，離子色譜具有以下特點：

（1）快速方便：對7種常見陰離子（F^-、Cl^-、Br^-、NO^2-、NO^3-、SO4^2-、PO₄^3-）和6種常見陽離子（Li⁺、Na⁺、NH⁴⁺、K⁺、Mg²⁺、Ca²⁺）的平均分析時間已分別小于8 min。用高效快速分離柱對上述7種最重要的常見陰離子的基線分離只需3 min。

（2）靈敏度高：離子色譜分析的濃度范圍為1 μg/L至數(shù)百mg/L。采用電導檢測，直接進樣量約為25 μL，且對常見陰離子的檢出限小于10 μg/L。

（3）選擇性好：IC法分析無機和有機陰、陽離子的選擇性可通過選擇恰當?shù)姆蛛x方式、分離柱和監(jiān)測方法來達到。與HPLC相比，IC中固定相對選擇性的影響較大。

（4）可同時分析多種離子化合物：與光度法、原子吸收法相比，IC的主要優(yōu)點是可同時檢測樣品中的多種成分，只需很短的時間就可得到陰、陽離子以及樣品組成的全部信息。

（5）分離柱的穩(wěn)定性好、容量高：與HPLC中所用的硅膠填料不同，IC柱填料的高pH值穩(wěn)定性允許用強酸或強堿作淋洗液，有利于擴大應用范圍。

提到離子色譜，就避不開“色譜”二字。作為一種分離的技術，色譜隨著現(xiàn)代化學技術的發(fā)展應運而生。20世紀初波蘭植物化學家茨維特（Twseet）首先將植物提取物放入裝有碳酸鈣的玻璃管中，植物提取液由于在碳酸鈣中的流速不同分布不同，因此在玻璃管中呈現(xiàn)出不同的顏色，這樣就可以對各種不同的植物提取液進行有效的成分分離。

到1907年，茨維特的論文用俄文公開發(fā)表，他把這種方法命名為chromatography，即中文的色譜，這就是現(xiàn)代色譜這一名詞的來源。

20世紀20年代，許多植物化學家開始采用色譜方法對植物提取物進行分離，色譜方法才被廣泛地應用。

到20世紀40年代，以Martin為首的化學家建立了一整套色譜的基礎理論，使色譜分析方法從傳統(tǒng)的經(jīng)驗方法總結歸納為一種理論方法，馬丁等人還建立了氣相色譜儀器，使色譜技術從分離方法轉化為分析方法。

20世紀50年代以后，由于戰(zhàn)后重建和經(jīng)濟發(fā)展的需要，化學工業(yè)特別是石油化工得到廣泛的發(fā)展，亟需建立快速方便有效的石化成分分析，而石化成分十分復雜，結構十分相似，且多數(shù)成分熔點又比較低，氣相色譜正好吻合石化成分分析的要求，效果十分明顯有效，同樣石化工業(yè)的發(fā)展也使色譜技術特別是氣相色譜得到廣泛的應用，氣相色譜的儀器也不斷得到改進和完善，氣相色譜逐漸成為一種工業(yè)分析不可少的手段和工具。

20世紀60年代，氣相色譜分析法逐漸趨于成熟，但20世紀60年代以來，生物技術飛速發(fā)展，生物成分復雜，相對分子質(zhì)量大而且熔點沸點高，在高溫條件下易分解，因此用氣相色譜作為分析方法已經(jīng)不能滿足對生物成分分析測試的要求，于是人們就重新考慮采用液相色譜，并進一步提高傳統(tǒng)的液相色譜的分離效率，因此液相色譜成為一種分析工具，即高效液相色譜（HPLC）。

與傳統(tǒng)液相色譜不同的是，高效液相色譜采用了高壓泵及很細的顆粒填料，高效色譜柱可以對許多成分進行高效分離和分析，由于高效液相色譜通常采用紫外可見光檢測，而大多數(shù)有機化合物均有紫外可見吸收，因此高效液相色譜可以對大量有機化合物進行分析。它在生物科學中得到了廣泛的應用，特別是對具有高沸點高熔點的生物材料的分析檢測。

20世紀70年代以后，國際上不論是氣相色譜還是高效液相色譜，均成為各行各業(yè)不可少的分析工具，廣泛應用于各個生產(chǎn)研究領域。

1975 年，Small^[3]成功地解決了用電導檢測器連續(xù)檢測柱流出物的難題，即采用低交換容量的陰離子或陽離子交換柱，以強電解質(zhì)作流動相分離無機離子，流出物通過一根稱為抑制柱的帶相反電荷的離子交換樹脂柱。這樣，將流動相中被測離子的反離子出去，使流動相背景電導降低，從而獲得高的檢測靈敏度。從此，有了真正意義上的離子色譜法，IC 也從此作為一門色譜分離技術從液相色譜法中獨立出來。

1979 年，Gjerde等開始采用弱電解質(zhì)作流動相。因流動相本身的電導率較低，不用抑制柱就可以用電導檢測器直接檢測。人們把使用抑制柱的離子色譜法稱作雙柱離子色譜法( double column IC) 或抑制型離子色譜法( suppressed IC) ，把不使用抑制柱的離子色譜法稱作單柱離子色譜法( single column IC) 或非抑制型離子色譜法( nonsuppressed IC)。

我國從20世紀80年代開始引進離子色譜儀器，在我國八五九五科技攻關項目中均列有離子色譜國產(chǎn)化的項目，對其進行了重點技術攻關，對離子色譜技術的高度重視使得市場上逐漸出現(xiàn)相關的中國產(chǎn)品。

離子色譜儀主要由淋洗液系統(tǒng)、色譜泵系統(tǒng)、進樣系統(tǒng)、流路系統(tǒng)、分離系統(tǒng)、化學抑制系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等組成，如圖1。

（1）淋洗液系統(tǒng)

離子色譜儀常用的分析模式為離子交換電導檢測模式，主要用于陰離子和陽離子的分析。常用陰離子分析淋洗液有OH根體系和碳酸鹽體系等，常用陽離子分析淋洗液有甲烷磺酸體系和草酸體系等。淋洗液的一致性是保證分析重現(xiàn)性的基本條件。為保證同一次分析過程中淋洗液的一致性，在淋洗液系統(tǒng)中加裝淋洗液保護裝置，可以將進入淋洗液瓶的空氣中的有害部分吸附和過濾，如CO₂和H₂O等。

（2）色譜泵系統(tǒng)：

離子色譜的淋洗液為酸、堿溶液，與金屬接觸會對其產(chǎn)生化學腐蝕。如果選擇不銹鋼泵頭，腐蝕會導致色譜泵漏液、流量穩(wěn)定性差和色譜柱壽命縮短等。離子色譜泵頭應選擇全PEEK材質(zhì)（色譜柱正常使用壓力一般小于20 MPa）。色譜泵類型包括單柱塞泵和雙柱塞泵，雙柱塞泵又包括串聯(lián)雙柱塞泵和并聯(lián)雙柱塞泵。

（3）分離系統(tǒng)：

分離系統(tǒng)是離子色譜的重要部件，也是主要耗材。分離系統(tǒng)包括預柱、保護柱和分析柱。預柱又稱在線過濾器，PEEK材質(zhì)，主要作用是保證去除顆粒雜質(zhì)；保護柱與分析柱填料相同，消除樣品中可能損壞分析住填料的雜質(zhì)。如果不一致，會導致死體積增大、峰擴散和分離度差等；分析柱主要功能是有效分離樣品組分。

（4）化學抑制系統(tǒng)：

抑制系統(tǒng)是離子色譜的核心部件之一，主要作用是降低背景電導和提高檢測靈敏度。抑制器的好壞關系到離子色譜的基線穩(wěn)定性、重現(xiàn)性和靈敏度等關鍵指標，包括柱-膠抑制、離子交換膜抑制和電解自再生膜抑制等。

柱-膠抑制采用固定短柱或現(xiàn)場填充抑制膠進行抑制，不同的抑制柱交替使用，屬于間歇式抑制；離子交換膜抑制采用離子交換膜，利用離子濃度滲透的原理進行抑制。但需要配制硫酸再生液，系統(tǒng)需要配置氮氣或動力裝置；電解自再生膜抑制則是利用電解水產(chǎn)生的媒介離子配合離子交換膜進行抑制，一般情況下是佳選擇。

（5）檢測系統(tǒng)

離子色譜最基本和常用的檢測器是電導檢測器，其次是安培檢測器。電導檢測器包括四極電導檢測器和五極電導檢測器等，是基于極限摩爾電導率應用的檢測器，主要用于檢測無機陰陽離子、有機酸和有機胺等。

四極電導檢測器指在流路上設置四個電極，在電路設計中維持兩測量電極間電壓恒定，不受負載電阻、電極間電阻和雙電層電容變化的影響，具有電子抑制功能（陽離子檢測支持直接電導檢測模式）。五極電導檢測器則是在四極電導檢測模式中加一個接地屏蔽電極，極大提高了測量穩(wěn)定性，在高背景電導下仍能獲得極低的噪聲，具有電子抑制功能（陽離子檢測支持直接電導檢測模式）。

安培檢測器分為直流安培檢測模式、脈沖安培檢測模式等，是基于測量電解電流大小為基礎的檢測器，主要用于檢測具有氧化還原特性的物質(zhì)。

其中，直流安培檢測模式主要用于抗壞血酸、溴、碘、氰、酚、硫化物、亞硫酸鹽、兒茶酚胺、芳香族硝基化合物、芳香胺、尿酸和對二苯酚等物質(zhì)的檢測。脈沖安培檢測模式則主要用于醇類、醛類、糖類、胺類（一、二、三元胺，包括氨基酸）、有機硫、硫醇、硫醚和硫脲等物質(zhì)的檢測。

離子色譜儀的工作過程是：輸液泵將流動相以穩(wěn)定的流速(或壓力)輸送至分析體系，在色譜柱之前通過進樣器將樣品導入，流動相將樣品帶入色譜柱，在色譜柱中各組分被分離，并依次隨流動相流至檢測器，抑制型離子色譜則在電導檢測器之前增加一個抑制系統(tǒng)，即用另一個高壓輸液泵將再生液輸送到抑制器，在抑制器中，流動相的背景電導被降低，然后將流出物導入電導檢測池，檢測到的信號送至數(shù)據(jù)系統(tǒng)記錄、處理或保存，如圖2所示。

分離的原理是基于離子交換樹脂上可離解的離子與流動相中具有相同電荷的溶質(zhì)離子之間進行的可逆交換和分析物溶質(zhì)對交換劑親和力的差別而被分離。離子色譜主要適用于親水性陰、陽離子的分離。分離機理主要是離子交換，細分起來有3種分離方式：高效離子交換色譜（HPIC）、離子排斥色譜（HPIEC）和離子對色譜（MPIC）。

三種分離方式的柱填料的樹脂骨架基本都是苯乙烯-二乙烯基苯的共聚物，但樹脂的離子交換功能基和容量各不相同。HPIC用低容量的離子交換樹脂，HPIEC用高容量的樹脂，MPIC用不含離子交換基團的多孔樹脂。3種分離方式各基于不同分離機理。HPIC的分離機理主要是離子交換，HPIEC主要為離子排斥，而MPIC則是主要基于吸附和離子對的形成。

高效離子交換色譜：應用離子交換的原理，采用低交換容量的離子交換樹脂來分離離子，這在離子色譜中應用廣泛，其主要填料類型為有機離子交換樹脂，以苯乙烯二乙烯苯共聚體為骨架，在苯環(huán)上引入磺酸基，形成強酸型陽離子交換樹脂，引入叔胺基而成季胺型強堿性陰離子交換樹脂，此交換樹脂具有大孔或薄殼型或多孔表面層型的物理結構，以便于快速達到交換平衡。離子交換樹脂耐酸堿可在任何pH范圍內(nèi)使用，易再生處理、使用壽命長，缺點是機械強度差、易溶易脹、受有機物污染。離子交換色譜是常用的離子色譜。

離子排斥色譜：主要根據(jù)Donnon膜排斥效應，電離組分受排斥不被保留，而弱酸則有一定保留的原理，制成離子排斥色譜主要用于分離有機酸以及無機含氧酸根，如硼酸根碳酸根和硫酸根有機酸等。它主要采用高交換容量的磺化H型陽離子交換樹脂為填料，以稀鹽酸為淋洗液。

離子對色譜：固定相為疏水型的中性填料，可用苯乙烯二乙烯苯樹脂或十八烷基硅膠(ODS)，也有用C8硅膠或CN，而流動相則由含有所謂對離子試劑和含適量有機溶劑的水溶液組成。對離子是指其電荷與待測離子相反，并能與之生成疏水性離子。對于化合物的表面活性劑離子，用于陰離子分離的對離子是烷基胺類，如十六烷基三甲烷等，用于陽離子分離的對離子是烷基磺酸類，

如己烷磺酸鈉、庚烷磺酸鈉等。對離子的非極性端親脂，極性端親水，其CH₂鍵越長則離子對化合物在固定相的保留越強。在極性流動相中，往往加入一些有機溶劑，以加快淋洗速度，此法主要用于疏水性陰離子以及金屬絡合物的分離。

離子色譜儀雖然種類較多，但其工作流程基本大同小異。其流程主要為：

（1）對淋洗液系統(tǒng)進行必要檢查，打開氬氣氣瓶開關，調(diào)節(jié)減壓閥指示為0.2~0.3 Mpa；打開淋洗液系統(tǒng)氣源裝置，調(diào)節(jié)減壓閥，使指示表顯示為3~6 psi。

（2）分別按順序打開主機-電腦-打印機等設備電源開關，對設備進行上電操作。

（3）系統(tǒng)處理及控制系統(tǒng)上電接通后，進入操作界面，并進入系統(tǒng)操作面板，準備操作前的準備及管理工作。

（4）打開泵。如色譜分析儀長時間不使用或更換淋洗液后，要先打開平衡泵頭上的PRIME閥排氣后再開泵，待泵壓力穩(wěn)定后再打開抑制器電源。

（5）在進入色譜柱之前通過進樣器將樣品導入, 流動相將樣品帶入色譜柱, 在色譜柱中各組分被分離, 并依次隨流動相流至檢測器。

（6）檢測器檢測到的信號送至數(shù)據(jù)系統(tǒng)，利用操作界面做完樣后，選擇檢測標準進入數(shù)據(jù)處理，對采集數(shù)據(jù)進行記錄、處理、打印或者保存等操作。

（7）關機，系統(tǒng)關機需要根據(jù)檢測樣品不同選擇不同關機步驟。對于陰陽離子，需要先將抑制器電流關掉，然后再關泵關機。

隨著科學技術的發(fā)展和人民生活水平的提高，離子色譜逐漸進入人們的視野。目前，離子色譜法已被應用于食品分析、藥物分析、環(huán)境監(jiān)測等方面，且在化工、材料、農(nóng)業(yè)等領域也有著較為廣泛的應用。

實例1：以硝酸鹽，亞硝酸鹽和磷酸鹽的形式存在的雜質(zhì)污染，是普遍的水質(zhì)問題。傳統(tǒng)的檢測方法具有許多缺點，檢測效果也是不盡如意。多年來，相關科研工作者已經(jīng)開發(fā)了各種方法和分析系統(tǒng)來對水生環(huán)境進行實時的原位成分分析。然而，這些系統(tǒng)的使用和應用受到功率需求，尺寸，試劑使用或成本的限制。此外，電化學傳感器被廣泛用于快速分析水中的硝酸鹽和亞硝酸鹽。這些傳感器具有成本效益，但考慮其長期工作時，經(jīng)常會因電極結垢和分析物隨時間的漂移而使其功能受到阻礙。迄今為止，基于離子色譜法的分析儀以及直接的紫外線吸收系統(tǒng)已被證明是實現(xiàn)原位硝酸鹽和亞硝酸鹽分析的主要途徑。

Murray等人^[4] 采用離子色譜儀對水中雜質(zhì)進行了成分分析，基于簡單的陰離子交換方法，使用KOH洗脫液結合AG15保護柱來實現(xiàn)快速的陰離子分離。通過使用基于235 nm LED的吸光度檢測器，可以選擇性，直接地檢測亞硝酸鹽和硝酸鹽。作者選擇位于淡水和高污染廢水之間的50μL樣品定量環(huán)體積，連續(xù)分析包含15 mg L^-1 NO^3-和10 mg L^-1 NO^2-的陰離子標準液。依次進樣的色譜圖重疊時，儀器獲得的色譜圖重復性如圖3所示。在82次運行中，亞硝酸鹽和硝酸鹽的峰面積RSD值分別為3.87％和3.91％。發(fā)現(xiàn)亞硝酸鹽和硝酸鹽的保留時間RSD值分別為3.59％和3.23％，這表明了離子色譜在水質(zhì)檢測中的突出應用價值。

                         圖3 82次連續(xù)運行后疊加的所選色譜圖

實例2：目前，農(nóng)用硫酸銨的來源非常廣泛，包括己內(nèi)酰胺副產(chǎn)硫酸銨、氨法脫硫副產(chǎn)硫酸銨、磷石膏轉制硫酸銨等不同行業(yè)的副產(chǎn)硫酸銨，這些副產(chǎn)硫酸銨中可能存在氟、氯、溴、硫氰酸鹽等雜質(zhì)。有研究表明，氟離子含量過高會抑制玉米、大麥、小麥、豌豆、三葉草、菠菜的生長，造成作物減產(chǎn)；長期處在高濃度氯離子環(huán)境中，對氯敏感植物會導致死亡，對氯不敏感的植物也會造成一定的抑制作用；植物中溴離子含量一般在1~535 mg/kg，若土壤環(huán)境中溴離子含量過高，有可能對農(nóng)作物造成危害；當硫氰酸根離子濃度大于5 mg/L時，對植物尤其是農(nóng)作物就會產(chǎn)生危害。因此，農(nóng)用硫酸銨作為一類氮肥，直接施用硫酸銨易使土壤板結，對土壤環(huán)境不友好，多用作復合肥料、摻混肥料等其他肥料產(chǎn)品的原料。為保障肥料產(chǎn)品質(zhì)量，保障農(nóng)作物安全，建立農(nóng)用硫酸銨中雜質(zhì)陰離子的檢測方法非常必要。

劉爽等人^[5]采用離子色譜法測定了農(nóng)用硫酸銨中４種雜質(zhì)陰離子。在樣品前處理時，需通過Ba離子柱過濾除去試液中的硫酸根離子。研究中Ba離子柱的容量為2.0~2.2 meq/ml，實驗過程中分別對未使用Ba離子柱凈化及使用該柱凈化的樣品進行測試，結果表明，未使用Ba離子柱凈化的樣品，SO₄^2-離子拖尾，嚴重干擾SCN-的測定，色譜圖如圖4左圖所示，無法計算加標回收率；使用Ba離子柱凈化的樣品，在保留時間20 min左右基線平穩(wěn)，對SCN-的測定無影響，色譜圖如圖4右圖所示。經(jīng)Ba離子柱凈化后樣品回收率在80.23%~111.5%，可滿足實驗室分析要求。利用本方法可以同時檢測農(nóng)用硫酸銨中4種常見雜質(zhì)陰離子含量，方法簡單、快捷、準確，因而值得推廣應用。

                                                              圖4 凈化前后樣品的離子色譜圖