离子色谱仪深度解析:原理、结构及应用案例

1.原理

离子色谱是高效液相色谱的一种，故又称高效离子色谱( HPIC)或现代离子色谱。离子色谱法利用混合物中组分离子在流动相和固定相间分配系数的差别，当离子在两相间做相对移动时，各离子在两相间进行多次分配从而使各组分离子得到分离，其过程的本质是待分离混合离子在固定相和流动相之间分配平衡的过程。然后用电导或紫外检测器对分离出来的离子进行定性检测，再结合色谱进行定量分析。

离子色谱系统由进样系统、分离系统、检测系统和数据处理系统四部分组组成，分别完成进样、离子分离、检测鉴别以及量化分析的功能。

色谱分离原理

离子色谱的分析结果通常用色谱图来直观地表示。色谱图就是样品流经色柱和检测器，所得到的信号一时间曲线，又称色谱流出曲线(elution profile)。色谱图是指被分离组分的检测信号随时间分布的图像，典型的离子色谱图代表见图。横坐标代表各离子成分在色谱柱中停留的时间，由于各离子的极性和大小等属性不同，它们流经色谱柱的时间各异;而图的纵坐标则一般由电导率来表示，这与设备所使用的检测器有关，代表不同离孑在检测器中的信号强弱，而每个离子峰的面积或高度的大小则反映了该离子的浓度高低，它的绝对值是通过与标准样品的峰进行比较获得的。

离子色谱系统组成方框图

离子色谱分析技术已经非常成熟并且已经标准化，下面依据IPC标准TM-650 2.3.28B，简单介绍离子色谱用于分析PCBA残留离子的一般方法，而其他材料的样品分析也可以参照此方法流程。方法将分析过程分为萃取、测试和计算三个步骤。

(1)萃取。将线路板置一洁净的萃取袋中，向其中加人已知的萃取液(根据样品的大小按照一定比例配置)，密封后，置于80C水浴锅中加热萃取出，1h后取出。萃取液一般是没有背景干扰的高纯水或高纯水与优级纯的异丙醇的混合熔液，目的是尽可能将样品表面的离子性物质全部通过萃取转移到溶液中，定容待测。

(2)测试。使用离一色厝仪，对冷却后的萃取液进行阴、阳离一及弱有机酸分析，得出定容后的萃取液中各单个离子的浓度。

(3)计算。由线路板表面积、萃取液体体积及单个离子浓度，计算出线路板表面单个离子含量。结果通常以单位面积中的例子的质量来表示。

3.部分适用标准一览

3.1 JY/T 020—1996离子色谱分析方法通则

3.2 GB/T 24800.12-2009 化妆品中亚硝酸盐的测定

3.3 GB/T 8538-2008 饮用矿泉水中溴酸盐的检测

3.4 GBZ/T 160.36-2004工业场所空气中氯化物

3.5 GB/T 5750.10-2006 生活饮用水中的溴酸盐

3.6 BSEN 14582:2016 废弃物特性描述-卤素和硫含量- 密闭系统内氧气燃烧法和测定方法

4.检测下限

不同测试方法或标准有不同检测下限，如采用BSEN 14582:2016的话，其检测下限为50mg/kg，即50ppm。

5.适用样品

固态样品如电镀支架、线路板、芯片等，液态样品如助焊剂、电镀液等。

6.送样须知

仪器灵敏度高，测试下限低，因此须减少样品受污染的可能性。送检样品可以溶于水，或稀酸、稀碱。

对于样品中含有待测元素，但在水、酸、碱溶液中以非离子状态存在的化合物，需要进行相应的样品前处理。

7.应用实例

随着电子行业的迅速发展，电子产品的集成度越来越高，电路板上的元器件密度越来越大，使线路布线变得更加密集，线与线之间的间距也越来越小，因而对线路板表面的清洁度要求也就相应提高了。

线路板表面离子主要来源于 PCB制程酸洗、 PCBA焊接后的助焊剂残留物、大气中的污染及人为原因引人的污染残留物。这些污染物的超标存在极易引起腐蚀、漏电、短路、电迁移和电故障等失效现象。因此，需要及时监测分析 PCBA表面以及各自工艺材料的离子污染水平和状况，为工艺改进以及物料选型提供依据;同时还可以用于分析导致 PCBA产品失效的根本原因。离子色谱分析方法可以很精确地分析出线路板面残留物的种类和数量，是线路板失效分析定位及离子来源排查的重要分析段之一，对于产品品质管控及质量提升起着重要的作用。

实例一：测试标准液态样品中的氟离子(1)、醋酸根离子(2)、氯离子(3)、亚硝酸根离子(4)、溴离子(5)、硝酸根离子(6)、磷酸根离子(7)、硫酸根离子(8)

实例二：测试硅胶中亚硝酸根离子及硝酸根离子的含量

使用离子色谱仪的注意事项

在操作过程中，需确保流动相瓶中滤头始终处于液面以下，以防止溶液吸干。启动泵前，检查并排除管路中的气泡。使用去离子水或流动相清洗流路时，需调整流量至色谱柱使用条件。此外，进样时需注意阀的扳动速度，以免损伤阀体或造成样品流失。

离子色谱仪常见问题及解决方案

电导检测器的污染、分析泵的气泡和漏液、抑制器的漏液和背景电导升高等问题是离子色谱仪常见的故障。针对这些问题，应采取相应的清洗和维护措施，如超声波清洗、更换抑制器等。

离子色谱仪的优势与应用领域

离子色谱法在分析阴、阳离子及离子型化合物时展现出诸多特性。其灵敏度高，能精准捕捉微量离子的存在;快速高效，可在较短时间内完成分析测定;准确度高，为实验数据的可靠性提供坚实保障;且选择多样，能够依据不同需求灵活调整分析条件。这些优点使其备受研究人员与技术人员的青睐，在众多行业中得到广泛应用。

在环境监测领域，可用于检测大气、水体、土壤中的各类离子成分，为环境保护提供关键数据支持;石油化工行业里，对化工原料及产品中的离子杂质进行分析，助力产品质量把控;农业方面，检测农药中的离子残留，保障农产品安全;食品生产中，监控食品添加剂、矿物质等成分，确保食品符合安全与质量标准。

离子色谱仪的规范操作流程

操作人员在每次实验前都会严格遵循这些规范，确保设备的最佳运行状态，为客户提供高质量的测试服务。

1.开机前准备

对淋洗液系统进行细致检查，开启氩气气瓶开关并精准调节减压阀至 0.2 - 0.3Mpa，打开淋洗液系统气源装置并将减压阀调至 3 - 6PSi。随后依次开启主机、电脑、打印机等设备电源开关，完成设备上电操作。待系统处理及控制系统上电接通后，进入操作界面并打开系统操作面板，着手进行操作前的准备与管理工作。

2.运行操作

先打开泵，若色谱分析仪长时间未使用或淋洗液更换后，需先打开平衡泵头上的 PRIME 阀排气，之后再启动泵，待泵压力稳定后开启抑制器电源。接着通过进样器在样品进入色谱柱之前导入样品，流动相带动样品在色谱柱中进行分离，各组分依次随流动相到达检测器。检测器将检测到的信号传输至数据系统，在操作界面完成进样后，依据检测标准进入数据处理环节，对采集的数据进行记录、处理、打印或保存等操作。

3.关机步骤

关机时需依据检测样品的不同选择相应步骤。针对阴阳离子检测，应先关闭抑制器电流，接着关闭泵，最后关闭主机。

离子色谱仪使用注意要点

在进行相关试验时，严格遵循国际国内相关标准，确保每一个测试环节都精准无误地符合标准要求。

1.流动相相关

流动相瓶中的滤头务必始终处于液面以下，防止溶液被吸干。启动泵前要仔细检查从流动相瓶到泵之间的管路中是否存在气泡，若有气泡则需及时排除。排除方法为：先拧下与泵相连的塑料流路接头，用洗耳球吸满去离子水，从与泵相连的流路管注入以排除管内气泡，然后抬高流动相瓶(通常为去离子水瓶)，重新连接流路接头与泵。启动泵后打开泵内排气阀选钮，直至流出液均匀后再拧紧排气阀。在此操作过程中，需确保整个流路与色谱柱断开。

2.进样操作

进样时阀的扳动速度要适中，过快易损伤阀体，过慢则可能导致样品流失。进样过程中必须严格遵循清洗程序操作，以降低前次样品残留对本次检测的影响。

3.色谱柱与电流

使用阴离子色谱柱检测时，通流动相要打开电流旋钮并调至 70 ± 5mA，实验结束且在关闭高压泵前关闭电流。

离子色谱仪的维护保养策略

1.泵的维护

每次使用仪器前，通水 20min 以清洗泵和整个流路;实验完毕后同样通水 20min，将泵内残留的流动相清洗干净，此步骤对泵的正常使用至关重要;若仪器长时间不使用，每周需通一次去离子水，替换泵中可能滋生微生物的去离子水，因为长期放置的去离子水易促使微生物繁殖，进而粘附在泵内单向阀上影响其正常工作。

2.色谱柱的维护

进入色谱柱的样品都需提前进行前处理，因为固体悬浮物、有机物和重金属是影响色谱柱柱效的三大关键因素。对于固体悬浮物，可采用 0.45 或 0.22 微米孔径的微孔滤膜过滤样品予以消除;有机物处理方面，固态样品若各检测组份对高温稳定，可采用高温灰化 - 淋洗液或去离子水浸取法处理后直接进行 IC 检测，液态样品则可用 22%双氧水微波消解 1.5h 除有机物并调 pH 至中性后直接进样检测;重金属可通过让样品流经阳离子交换树脂除去后直接进样。此外，高含量组份样品也会影响色谱柱柱效，如高 Cl - 样品可通过 Ag 处理柱除 Cl - 后进样或稀释后进样分析，高 SO42 - 样品可经 Ba 处理柱除 SO42 - 后进样或稀释后进样分析。实验操作完成后，需用淋洗液密封保存色谱柱。

3.抑制器的维护

通阴离子淋洗液时打开电流旋钮，阴离子检测结束且关闭泵前关闭电流旋钮。

离子色谱仪常见问题

1.电导检测器故障

电导检测器常见故障为检测池被污染，污染源主要是未经适当前处理的样品，如浓度过高、基体复杂的样品等。

2.分析泵故障

分析泵故障常表现为基线噪声增大、色谱峰形变差(出现乱峰)，主要原因是泵内产生气泡和漏液。

3.抑制器故障

抑制器在离子色谱仪中地位重要，其工作性能对分析结果影响显著。常见故障包括漏液，会导致峰面积减小(灵敏度下降)和背景电导升高。峰面积减小可能由微膜脱水、抑制器漏液、溶液流路不畅和微膜被污染等引起。长时间未使用的抑制器若发生微膜脱水，可用注射器向阴离子抑制器内以淋洗液流路相反方向注入少量 0.2mol/L 硫酸溶液，同时向再生液进口注入少许纯净水，并放置半小时以上。抑制器内被污染的金属离子可用草酸钠清洗。背景电导值高多因操作不当，如淋洗液或再生液流路堵塞、系统无溶液流动或电抑制器电流设置过小等，膜被污染后交换容量下降也会使背景电导升高，失效的抑制器会出现背景电导持续升高现象，此时需更换新抑制器。