离子色谱技术在岩矿测试中的应用

胡关能

（云南省煤炭产品质量检验站，云南曲靖 655000）

矿产资源是埋藏于地下的重要资源，在资源开发过程中，需要应用有效的岩矿测试方法，相较于其他岩矿测试技术而言，离子色谱技术的应用最为广泛。自离子色谱技术诞生以来，经过了快速的发展阶段，促进了化学分析技术发展与优化。通过实践分析发现，离子色谱技术具备检测精度高、检测速度快双重优势，目前已成为我国岩矿测试不可或缺的重要技术方法。我国应用离子色谱技术检测岩矿的时间并不长，理论体系尚未构建完善，因此，需要通过进一步分析离子色谱技术，通过其优势、原理的把握，明确其在无机阴离子、无机阳离子分析测定中的具体应用，进而确保地质岩矿检测过程中离子色谱技术价值效能的最大化展现。

1.离子色谱技术的应用优势

离子色谱技术是诞生于20世纪70年代的先进检测技术，属于液相色谱技术类型之一，主要是以色谱技术对无机阴离子、无机阳离子等离子型物质进行测定。离子色谱技术具备多重应用优势：

1.1 分析时间短、分离速度快

利用离子色谱技术分析无机阴离子或阳离子时，测定时间较为快速。例如，在氯、铁、溴、氮、硫、磷等常见的无机阴离子以及锂、钠、氢化钠、钾、镁、钙等常见无机阳离子分析测定的过程中，只需要10min便可完成。若是应用高效分离柱进行元素分离，分离过程只需3min便可完成。

1.2 灵敏度高、选择性强

离子色谱技术的检测灵敏度较高，直接进样测定的过程中灵敏度能够达到PPb级，而利用浓缩柱实施进样测定时，则可取到高达PPt级的灵敏度[1]。同时，离子色谱技术的固定相目前已逐渐发展成熟，开出了多种类型的固定相，并且研发出了多种检测设备，检测过程中可根据检测需求灵活选用不同的固定相或检测设施，可选择性较其他检测方法更高。

1.3 可实现多种成分同时测定

相较于分光光度法及原子吸收法等其他测定方法而言，离子色谱技术的主要优势在于可实现多个检测样品成分的同步测定，并且检测过程只需极短的时间便可完成各成分的检测，可为样品成分浓度差异不大的样品成分检测效率的提高提供有力支持。

1.4 检测成本低、测定范围广

离子色谱技术应用过程不必应用特殊检测试剂，因而检测费用较低。同时，离子色谱技术的柱填料应用范围较广，例如，常用的苯乙烯或二乙烯苯聚合物pH稳定性极高，可使检测范围进一步扩大。

2.离子色谱技术的应用原理

2.1 离子交换原理

离子交换树脂上存在的部分离子具备可离解性，流动相之中电荷相等的离子可与之进行交换，且这一交换过程具有可逆性，只需极短的时间，样品中的离子便可完成在固定相中的固定电荷上的附着。所应用的样品类型不同，其对固定相的亲和力也有所差异，因而离子色谱技术主要是通过分离多种组分实现亲水性阳离子或阳离子的分离，高效离子交换色谱主要用于铁离子、一元羧酸、一价无机阳离子以及弱离解组分等弱保留阴离子的分析。同时，S2O32-等易于极化的无机阴离子以及CrO42-等含氧金属阴离子也可利用此方法进行分析与测定。除此之外，还可通过离子交换方式分析小分子有机酸类物质。

2.2 离子排阻色谱分离原理

离子排阻色谱分离涵盖两种分离模式，一是空间排斥与吸附，二是Dorman排斥，其中，Dorman排斥是指利用Dorman膜的负电荷层对离子型化合物进行排斥离解，只有未被离解的化合物方可被吸附，此种分离模式下，有机酸的烷基键长度大小决定着离子型化合物吸附的保留时间。在Dorman排斥作用下，强电解质完全离解之后会在排斥作用下而无法被固定相保留，而未被离解的化合物，则不受Dorman排斥作用影响，可向树脂内微孔中渗入，且能在溶质及固定相的非离子性作用下实现分离。空间排斥则主要应用于二元羟酸及三元羟酸的分离过程，通常样品分子大小是其分离保留的主要影响因素。

2.3 离子对色谱分离原理

将一种与待分离离子所附带电荷不同的离子添加到流动相中，此离子会与待测离子组成形成疏水性化合物。此种疏水性化合物形成的过程中，固定相属于中性填料，通常应用的是苯乙烯或二乙烯苯树脂固定相，还可应用CN固定相、C8硅胶或十八烷基硅胶等[2]。对离子的非极性与极性端分别具有亲脂性与亲水性，并且对离子的-CH2-键的长短与固定相中离子对化合物的保留时间成正比关系。为提升离子对色谱的淋洗速度，可将有机溶剂添加到极性流动相中。离子对色谱主要用于阴离子、金属络合物的分离，同时在多种胺类、阴性或阳性离子表面活剂分离方面也有显著应用效果。

3.岩矿测试中离子色谱技术的应用分析

3.1 在岩矿无机阴离子分析方面的应用

在化学领域当中，离子色谱技术在阴离子分析较为常见，据统计，可利用离子色谱技术分离的无机阴离子超过60种。在无机阴离子样品分离的过程中，样品的预处理是离子色谱技术应用的首要环节，在预处理完成之后，需选择适合的分离及检测方式，而后还要进行色谱条件的进一步确定。

3.1.1 合理开展岩矿样品预处理

（1）添加溶剂离子、减少干扰因素。在水样测定过程中应用离子色谱法时，可便捷完成样品的前处理工作，需要利用过滤器将水样中存在的颗粒物滤除，而后再稀释至一定比例即可。然而，在岩矿或地质样品测定过程中，样品前处理过程要相对烦琐。首先需要分解处理岩矿样品的酸碱成分，而后需将大量溶剂离子添加到试样溶解器具中，由于试样之中离子成分相对复杂，若是使之同步进入到离子色谱仪之中，会增加岩矿分析与测定的难度。为此，需要在离子色谱仪技术测定之前，通过溶剂离子的添加，尽可能减少样品基体中影响待测离子测定的干扰性因素。

（2）选用适合的预处理方法。岩矿测定时的预处理方法较多，常见的有热接法、扩散法，除此之外，还可应用碱熔或半溶方法进行岩矿样品的前处理。在岩石或矿物质阴离子测定中，半溶法预处理方式最为适用，但此种预处理方法操作过程相对复杂，并且对基体数量要求较高。目前，许多专家针对岩矿样品预处理方法做出了优化与完善。可以氟氯标准检测方法为基础，利用硫酸分解处理镍矿试样，而后将之放置于温度为160℃～190℃的水蒸气中进行蒸馏处理，将复杂基体有效分离，进而降低基体对试样测定时所产生的影响，检测精度可达到0.01%，此种检测方式操作更为便捷且效率更高。

3.1.2 合理选用检测方法

在利用离子色谱法进行岩矿样品无机阴离子检测时，一般采用电导检测器实施检测，此种方法的检测过程相对简单，以往因受到技术限制，应用此检测技术时，需要利用高温热水进行样品提取。在科技逐步发展后，可利用超声波法提取样本，有效减少溶液浸润问题、提高检测精准、加快检测效率，并能节约检测时间。与此同时，还可利用非抑制离子色谱法实施岩矿样品的阴离子检测，此方法可间接进行紫外线的吸收，进而测定出试样中的氯离子及硝酸根离子。其中，氯离子的检测限可达到3nmol/L，而硝酸根的检测限更高，每升最高可达到出4nmol。此外，岩矿样品无机阴离子检测时，还可应用离子色谱法中的安培检测法，但此种检测方法的检测限相对较低。例如，在检测岩石样品中的卤族离子时，每克样品中检测出的卤族离子量仅为10ng。为此，在岩矿测定过程中，应尽可能选用电导检测法或排抑制离子色谱法。

3.1.3 科学筛选检测方案

利用离子色谱技术检测无机阴离子时，需要结合化学检测目标展开检测结果分析。在科技高速发展过程中，诞生了多种不同类型的无机阴离子色谱测试方案。因此，在岩矿无机阴离子测定过程中，需要在样本有效提取的基础上，结合现有检测条件合理选择最佳的离子色谱检测方案，以便于以检测得到的离子实现分离试验的有效开展，以标准化的检测条件为依据科学分析与确定最终的检测数据。相较于其他矿物检测方法而言，离子色谱法与之有较大区别。由于不同矿物质存在区域的土壤差异性较大，因而需要重复性进行多次矿物质提取与检测，以便提高检测精准性，进而得出准确、可靠的无机阴离子检测结果。

3.2 在岩矿无机阳离子分析方面的应用

3.2.1 检测过渡金属阳离子及不同价态金属离子

以往离子色谱技术主要应用于碱土金属或碱金属的检测，在色谱柱、分离柱诞生应用后，检测设备逐步优化与检测方法进一步完善的背景下，还可在过渡金属阳离子测定中得到广泛应用。特别是在试样浓缩技术被研发出来之后，离子色谱技术可实现更高灵敏度的无机阳离子检测，与石墨炉原子吸收光谱法的检测灵敏度已经逐步接近[3]。与此同时，在金属离子不同价态检测过程中也可应用离子色谱技术。在离子色谱技术应用下，结合柱后反应可同步完成水样之中二价铁及三价铁的测定与分离，在三价铁洗涤4min之后，可利用抗坏血酸将三价铁还原成为二价铁，在显色完成之后再次实施测定，便可检测出试样中所含有的铁离子的具体含量值，并可通过检测结果与检测限值对比分析出检测偏差。

3.2.2 利用无机阳离子交换分离镧系金属

在岩矿无机阳离子检测过程中，还可利用离子色谱法完成镧系金属的分离测定。此种金属具备遇水溶解的特性，水解反应较为强烈，一般情况下，利用普通的离子交换方法无法实现镧系金属的有效分离。在实际应用过程中，可将水化物中的部分水替换为有机螯合物，此物质与镧系金属元素会发生反应进而产生络合物，如此便可有效分离出镧系元素。在岩矿总痕量元素含量测定以及稀有元素矿藏寻找中，利用离子色谱技术分离镧系元素具有较高的应用价值。利用螯合离子色谱法测定岩矿中的镧元素时，需先对样品做消解处理，而后将之混入乙酸钠缓冲溶液之中，再利用MetPacCC-1螯合柱富集镧系元素，或是采用TMC-1阳离子交换柱完成这一富集过程，将基体之中的阳离子、碱金属或碱土金属全部消除，之后再将消除基体后的样品放入CS5A离子交换柱中实施分离操作，利用草酸、二甘醇酸淋洗试样，并运用PAR柱进行衍生处理，而后再用波长为520nm的紫外线进行检测，不足一小时的时间便可检测出十几种镧系金属元素。此种检测方法在含有复杂基体的岩石样品检测中较为适用。

4.岩矿测试中离子色谱技术的未来发展方向

4.1 拓展检测功能、提升检测精度

离子色谱技术在岩矿分析测试中具备十分广阔的应用前景，目前可利用此方法测定的离子数量越来越多，并在此基础上研发出了多元化的检测方式，开发出了多种类型的分析柱。离子色谱技术的分离方式具有良好的开发应用潜力，且可与其他仪器联合应用，目前此技术已得到了广泛关注。未来，离子色谱技术相关仪器的功能还将不断拓展，联合运用方向也会进一步增加，如离子色谱技术可与离频电感耦合等离子体共同应用而进行光谱发射，可在离子色谱自身的预分离功能以及富集功能展现下，进一步提高岩矿检测分析的精准度。

4.2 降低检测难度、提高检测灵敏度

复杂性岩矿样品分析时，离子色谱技术需要在其他分析技术辅助下方可实现精准测定，如可通过离子色谱及流动注射分析技术的联合应用，在有效消除基体干扰后进一步降低试样的分析难度。除此之外，离子色谱技术还可与浓缩技术结合应用，实现更加有效的岩矿样品检测过程，在此技术支持下可将检测灵敏度提升2～3个数量级，与此同时，也可使岩矿样品预处理过程得到进一步简化，并能减少所添加试剂的总量，实现FIA通道成本的有效降低。

4.3 升级检测设备及技术、拓展应用范围

在阴离子检测过程中，离子色谱法是当前最为有效的方法，并可实现多种阴离子的测定。未来，离子色谱技术应用过程中，还需要进一步优化与各级检测所用设备，并逐步开发新的分离柱，创新研究新型检测方法，进而通过检测技术完善提高离子色谱技术的检测成效[4]。如分离柱创新改进过程中研发出了多维色谱柱，此种新的分离柱具有良好的离子交换功能，同时还兼具反相保留功能，可进一步拓展离子色谱技术的应用范围，且可延长分离柱的应用寿命，提升其对污染的抵抗能力。因此，在离子色谱技术逐步改进优化下，岩矿分析测定中此技术的应用前景必将更加广阔。

5.结语

作为矿产储藏较为丰富的国家，我国的岩矿产业呈现出高速化与稳定化发展趋势，在其发展过程中，逐步应用了多种现代化技术手段。离子色谱技术是岩矿测试过程中应用率较高的技术之一，其可测定土质型或水体型岩矿样本，能够取得精准可靠的测定结果。面对资源利用率的不断提升，岩矿的探测与开采需求将会进一步扩大，而离子色谱技术的应用，则可为岩矿开发提供有力支持。在岩矿测定方面，离子色谱技术应用要求进一步提升，岩矿检测人员应加强对离子色谱技术的了解与掌握，通过可行性检测方案的合理制订，结合岩矿测试标准，科学测定岩矿的无机阴离子与阳离子，进而为岩矿产业可持续发展提供有力支持。