離子層析法簡介

離子層析法是利用離子層析，亦即液相層析的一種，對溶液中的離子成分進行定性和定量的分析技術。接下來，我們將以簡單易懂的方式介紹離子層析法的原理與基礎知識，讓從未有機會接觸過離子層析法的人也可以輕鬆掌握。

離子層析法的優點

  • 可以一次同時分析多種離子成分。
  • 可以對濃度低至兆分之一（ppt）到百萬分之一（ppm）的離子成分進行分析。
  • 可以分別測定亞硝酸根（NO2–）、硝酸根（NO3–）等氧化狀態不同的離子成分。
  • 可以分別測定二價鐵離子（Fe2+）、三價鐵離子（Fe3+）等價數相異的離子成分。
  • 使用自動進樣器的話，可以將成分分析自動化。
  • 測試結果不會因人而異，再現性相當高。

適用於離子層析法測量的成分

離子層析法的原理可以用於測量無機陰、陽離子。它還可以測量一部分有機酸與胺類。

解離常數在7以下，價數為1或2的離子是主要的測量對象。圖1著色部分展示了可以用離子層析法測量的成分。除此之外，可測量成分還包括短鏈脂肪酸、有機磺酸、金屬錯合物、胺類、醇類、胺基酸、糖與糖醇等。

一般測量時會利用離子層析管柱以及電導度偵測器進行；亦可因應測量項目使用不同類型的層析管柱以及偵測器。

由於陰離子與陽離子的分析條件不同，所以不能用一台儀器同時分析陰離子與陽離子。但如果有相同電性的成分，很多時候都可以同時分析。

圖1：可在離子層析儀分析的離子種類

離子層析儀的構成

圖2為離子層析儀的構造。一般而言，層析儀由輸送流洗液的幫浦、注入閥、層析管柱、抑制器、電導度偵測器以及工作站所組成。

透過更換成不同種類的流洗液、層析管柱、抑制器，可以檢測各種不同的離子成分。亦可以因應不同目標分析物來更換偵測器。搭配自動進樣器於樣品注入，以實現自動分析。

圖2：離子層析儀的基本構成

利用離子層析法的定性、定量分析

離子層析法（Ion Chromatography, IC）的原理是透過測量標準物質與測試樣品，比較兩種物質的波峰，從而進行定性、定量分析。

在一定的分析條件下，無論標準物質還是測試樣品，特定成分的波峰會在同時出現。因此如果波峰出現的時間相同，則會被認為同一物質，從而進行定性分析。

圖3為陰離子標準液以及作為測試樣品的自來水的離子層析。隨著成分濃度的定量變化會反映在波峰的面積與高度上；因此透過比較標準物質以及測試樣品的波峰面積與高度，即可完成定量分析。

以離子層析法作定性、定量分析，前提是有具體明確希望檢測的成分，以及取得該成分的標準物質。雖然離子層析法並不適合鑒定未知成分，但將質量分析計當作離子層析的偵測器使用的話，亦可進行未知成分的鑒定。

圖3：標準物質與測試樣品的層析

離子層析法適用的濃度範圍

利用離子層析法（Ion Chromatography, IC）的原理，雖然可作從兆分之一（ppt）到百萬分之一（ppm）的定量分析，但一般濃度範圍為數ppm至數十ppm左右。如果濃度太高，測量前可以純水稀釋樣品。反之，如果濃度太低，則可以增加注入儀器中的樣品量。透過濃縮分析法，甚至可以進行濃度低至兆分之一率的檢測。

檢測目標以外的成分若果濃度太高，可能會干擾對該目標成分的定量測量。因此在測量前應該將樣品稀釋，或預先除去妨礙測量的成分。隨著成分種類、分析條件的不同，定量下限值亦會有所不同。

適用於離子層析法的測試樣品

基本上包括可於純水中溶解的物質。雖然一部分可溶於酸、鹼，或者酒精等有機溶劑的物質都可以測出，但如果在測試樣品中大量加入檢測目標以外的物質，分析的準確度會顯著下降，甚至無法測出目標成分。

無法於純水中溶解的油脂、有機溶劑及蛋白質等會使層析儀故障。若測試樣品中有這些物質，在檢測前必須事先除去這些物質。此外，在可溶於純水的物質當中，界面活性劑、具有強氧化力或還原能力的成分也可能導致離子層析儀故障。

若測試樣品是氣體，則需要先讓液體吸收該樣品，再測量該溶液中的離子。

若測試樣品是如樹脂此類等不溶於水的固體，可以先將其燃燒，並收集燃燒所釋出的氣體；再以氣體的處理方法，讓液體吸收釋出的氣體，再測量該溶液中的離子。

離子層析法的測量時間

離子層析法通常在一次進樣中，同時測量多種成分，一個樣品大約需要10-30分鐘的測量時間。根據測量內容的不同，所花費時間由數分鐘至一小時以上不等。圖4顯示出各種不同層析管柱所花費的測定時間。

圖4：不同層析管柱的檢測時間

離子層析法（IC）的測定原理

離子層析法的原理是利用裝有離子交換樹脂的層析管柱，將離子成分分離出來。從注入閥注入的樣品，由流洗液運送到層析管柱。

樣品中的離子會暫時保存在層析管柱裡的離子交換樹脂之中，隨著流洗液流過，離子會在層析管柱中移動。

因應離子的價數、半徑以及疏水性等性質的不同，他們在層析管柱中移動的速度也有分別。利用這個特性，離子通過層析管柱時會被分離出來。圖5是層析管柱中的離子分離示意圖。

圖5：層析管柱內的分離狀態

從層析管柱沖提出來的離子成分以及流洗液會注入抑制器中。抑制器可提高對目標離子測量的靈敏度，並降低流洗液的背景值，從而提高整體測試靈敏度。離子成分通過抑制器後，會被送到偵測器。

離子層析法最常用的偵測器是電導度偵測器。電導度偵測器只檢測通過偵測器容器內電極之間的液體中被離子化的成分。電導率是電阻的倒數，以S/m為單位。電導率訊號的強弱取決於成分的種類及其解離狀態。

針對離子檢測的電導度偵測器，雖然非常適合用作離子分析，但由於測量目標成分與流洗液兩者都在解離狀態，流洗液的測試結果會呈現很高的電導率。背景電導度高的流洗液會成為測試中的雜訊，使高感度分析難以進行。因此在進入電導度偵測器前，流洗液可先流過抑制器減低其解離程度，以減低流洗液背景電導度。

偵測器所檢出的電導度，是通過偵測容器的溶液中的陰、陽離子電導度之和。因此若測量陰離子時，成對的陽離子電導度越高，對陰離子測量靈敏度就越高。表1展示了離子成分的摩爾電導度。

分析陰離子時，抑制器內會發生「陽離子與氫離子」的交換。如表1所示，由於氫離子有較高電導度，透過將成對的陽離子換成氫離子，可提高陰離子測量靈敏度。

陽離子

λ+

陰離子

λ–

H+

350

OH-

198

NH4+

39

F-

55

Na+

50

Cl-

76

K+

74

Br-

78

1/2 Mg2+

53

NO3-

71

λ: 摩爾電導度，單位為Sm2mol-1；總電導度：Σ(λ+)+Σ(λ–)

表1 離子成分的摩爾電導度

離子層析法的實際應用

離子層析法在環境測定、品質管理以及研究開發等領域都廣為應用。日本產業規格（JIS）等法定規格中也被採用。

以下列出部分採用離子層析法的法定規格，以及實際應用。

法定規格

日本工業規格(JIS)、衛生試驗法、食品添加物分析法、土壤標準分析及測定、鹽分試驗方法，以及大氣污染物質測定法指標等。

實際應用

  • 自來水中的陰、陽離子
  • 排出廢氣中的氮氧化物（NOx）、硫氧化物（SOx）
  • 雨水中的陰離子・超純水中的微量離子
  • 工場廢水中的氟化物離子
  • 無電電鍍鎳液中的陰離子、有機酸
  • 化學藥品中的不純物離子
  • 生物燃料中的陰離子、有機酸
  • 食品中的多聚磷酸
  • 發電廠排水中的胺

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