2025.11.11
離子層析儀 (Ion Chromatography) 淺談：原理、組成元件及產業應用
摘要
層析(Chromatography)為目前分離並檢測物種中最精密且被廣泛使用的方法；然而離子層析(Ion Chromatography, 一般簡稱IC)方法是層析中較為獨特又不可或缺的檢測方式，它特別應用於不同離子物種(Ion)的分離並搭配最靈敏的檢測器，呈現出絕佳的辨別能力與最高的感度，是分析離子物種的最佳選擇。然而大部份從事分析的人員，甚至於已經在使用該儀器的使用者，對於此層析方法仍然相對的陌生與一知半解；本篇文章將針對離子層析儀進行深入淺出的介紹與探討，內容包含儀器原理、關鍵部件[幫浦、抑制器(Suppressor)…等]、主要分析應用及產業；筆者以超過20年在離子層析儀的經驗(操作，市場，應用等不同層面)以期幫助有興趣者與使用者能更全面的了解並使用離子層析儀。
一、簡介與工作原理
層析的概念就是選擇與欲檢測的物質(Target)具有相互吸引力的物種，將其設計成所謂的固定相(或者稱為靜相，Stationary phase)，再選擇合適的液體或者氣體設計成移動相(Mobile phase，沖提液或載流氣體)，利用移動相帶動欲檢測的物質(Target)進入已達動態平衡的固定相/移動相的系統中，可使欲檢測的物質(Target)與其它種類物質進行完全分離，然後再聯接至特定的偵測器進行檢測，達到完整定性及定量分析的一種方法。
離子層析法原是屬於液相層析法(Liquid Chromatography)中一種獨特的分離及檢測的方法，它是以離子交換層析(ion exchange chromatography)為基礎，設計出僅能針對離子物種(ion)進行分離的管柱(固定相)，發展出一系列針對離子物種分離的方式，特別對於無機陰離子(Anion，如：氟、氯、溴、硝酸根、磷酸根、硫酸根…等)、陽離子(Cation，如：鈉、銨、鉀、鈣、鎂…等)具有特別良好的分離能力，後續也衍生出小分子有機酸[如：甲酸、乙酸…等]、金屬離子(如：六價鉻、銅、鐵…等)物種的分離。
離子層析的移動相(沖提液; Mobile phase)通常也被稱為流洗液(Eluent)，它的選擇一般會是以具有能解離成離子的物質為設計概念，對於陰離子(Anion)分析，一般會使用碳酸鈉/碳酸氫鈉當成試劑，因為這些鹽類在水相中容易解離成碳酸根(一價)及碳酸氫根(二價)的離子，對於分析物質具有良好的沖提效果，方便取得且價格便宜的優點；氫氧化鈉/氫氧化鉀也可當成試劑，因其在離子層析的設計中可以得到更低的背景值，相對的也可以得到更高的分析感度，所以需要進行微量(ppb~ppt level)分析的需求時，使用這類試劑是較佳的選擇，另外優點是這類型的分析更適合使用於梯度(gradient)分離條件。陽離子(Cation)部份會使用酸性類當成試劑，因為酸性類物質在水相中會解離成氫離子，利用其物性進行陽離子物種類的分離，無機類的硝酸、硫酸都可以當成移動相，另外甲基磺酸(Methanesulfonic acid, MSA)，因其相對弱酸且純度更佳的特性，反而是更常被拿來當成沖提試劑使用。
抑制器(Suppressor)為離子層析方法中特別獨有的設計，其概念是因為沖提液常使用的酸、鹼、鹽類試劑在水相中會解離成陰、陽離子，所以在背景環境中除了要當沖提使用的離子外，還會伴隨著它的相對等離子(Counterion)，如果不將它去除，將會一併的進入導電度(Conductivity detector)中偵測，這種偵測器會將所有的離子訊號進行加總，而造成整體的背景訊號值會非常的高，如果背景值過高，無法偵到到低濃度的分析物質；為了解決此問題，所以設計出能將相對等離子(Counterion)去除的元件，就是抑制器(Suppressor)。其原理就是在抑制器內設計能抓住相對等離子(Counterion)的物質，如分析陰離子時使用碳酸鈉時，碳酸鈉在水相中會解離成碳酸根與鈉離子，鈉離子就是所謂的相對等離子(Counterion)，在抑制器內設計具有大量氫根型態(H+ form)的物質，氫根就會與鈉離子進行交換，將鈉離子吸附住或者移除掉，如此就能將沖提液轉變成碳酸(Carbonic acid)型態，在偵測器中就能得到相對很低的背景值，也就能進行微量的檢測，所以無論在進行陰離子還是陽離子分析，抑制器都是不可或缺的重要部件之一。
本方法最常搭配導電度檢測器(Conductivity detector)來做為分析，因為對比其它偵測器來說，它對於離子的鑑別能力具有最高的靈敏度，所以是不二之選。另外，也可以依 檢測物質的特性，選擇特定的偵測器，如：UV/Vis偵測器、電化學(Electrochemical Detector)、質譜儀(MS)…等。
典型的分析流程：經由高穩定性的幫浦(Pump)將沖提液送入離子層析儀系統中，沖提液流經注射閥件(Injector)→進樣環(Loop)→保護管柱(Guard column)→分析管柱(Separation column)→抑制器(Suppressor)→導電度偵測器(Detector)，最終到廢液筒，此時系統整體進行動態的平衡階段；當進行樣品分析時，樣品可經由手動注射(Manual injection)或者自動進樣器(Autosampler)打入進樣環中(Loop)，經由注射閥件(Injector)的切換，沖提液會將進樣環中的樣品切入平衡中的系統，樣品就會被帶入管柱(Column)中進行分離，經過一段時間後，依個別的物質在管柱中的滯留時間(Retention Time)不同，會陸續的被沖提出管柱而進入抑制器(Suppressor)中，經由抑制器的移除相對等離子後，保留下來的分析物質再流到偵測器中進行檢測，而檢測得到的訊號值再傳輸到電腦中的分析軟體，軟體會自動進行解析、判別與計算，最終就可得到分析數據結果。
二、關鍵部件 - [幫浦、抑制器(Suppressor)]
A. 幫浦(Pump)
幫浦為推動沖提液時最主要的元件，往往也是決定是否能穩定的分離出物質時重要的參數之一。
1. 為何 幫浦(Pump) 是關鍵？
幫浦 (Pump) 決定沖提液的穩定性(流量穩定、壓力穩定)、脈衝(pulse)大小，以及系統能承受的最大壓力。離子層析儀通常以強鹼性或酸性試劑(如碳酸鈉/碳酸氫鈉、氫氧化物、甲基磺酸等)做為沖提液，這些沖提液對幫浦系統的材質與密封件(Piston/Piston seal)有高度要求，若選材或設計不良將會導致腐蝕、污染、溶劑滲漏或壓力產生跳動(noise)等現象，進而影響到分析物質滯留時間(retention time)的不穩定，也造成了定量上的數據結果。
2. 幫浦(Pump) 的主要技術指標
a. 工作壓力：離子層析儀分析時因為有管柱的存在，往往系統都會處在高壓力的 狀態中，因應此情況選擇可承受最高壓力 35-42 MPa(5000–6000 psi)的幫浦將較為適合。
b. 材質選擇：上述提及離子層析儀分析時常使用強鹼性或酸性試劑，因此幫浦材質的選擇也至關重要，需要選擇能耐pH 0~14的幫浦組件，一般會以耐腐蝕高壓的聚醚醚酮(PEEK)塑料材質為主，如標榜生物相容性材質的也可當成選項。
c. 流速準確度(Flow Rate accuracy,%)：流量變動會直接影響滯留時間與峰高，精密分析常要求流量準確度小於 0.1–0.3% (視等級而定)為參考指標。
d.脈衝(Pulsation)：所謂脈衝為活塞幫浦作動時造成的微小壓力變化，這些微小的變化也會導致基線噪訊(noise)或峰形扭曲；低脈衝設計(如雙柱幫浦 tandem pump 或線性驅動設計)將能減少脈衝對檢測時造成的影響。
e. 相關流路：流路接觸溶劑的材質(wetted parts)常見為聚醚醚酮(PEEK)或特殊合金(如 Hastelloy、鈦)。不鏽鋼耐高壓且機械強度高，但對強鹼/氯離子或某些腐蝕性溶劑可能存在腐蝕風險故較常使用於HPLC上；PEEK 材質化學相容性好、較不易產生系統污染。選材需考慮流動相組成、系統運行壓力與長期穩定性。
3. 實務建議
a. 關注幫浦的脈動規格與是否具備主動脈動補償(pulse dampener)或雙柱塞交替設計，以降低基線噪訊。
b. 長期運行時需建立維護保養計畫(密封件、逆止閥件、流洗液過濾器定期更換)以維持流量穩定與延長壽命。
B. 抑制器(Suppressor)的角色與類型
1. 抑制器的基本功能與重要性
抑制器的核心功能是在流出分析管柱後移除沖提液以及分析物質的相對等離子(Counterion)，將其轉化為水或者弱電解離形態的物質，並且提升被分離的離子(分析物質)在導電度偵測器上的訊號。有效的抑制可提升訊噪比(S/N ratio)數十倍，降低背景電導，改善定量極限，是測定微量陰/陽離子的關鍵分析耗材。缺乏或抑制效果不佳會導致背景高、基線不穩、靈敏度下降。
2. 抑制器的主要類型
a. 樹脂式化學再生型(Chemical regenerant)抑制器：使用酸或鹼作為再生劑，透過交換反應維持抑制器的活性；此類抑制器需定期加入再生液，且存在再生液消耗與廢液處理的需求。
b. 電化學再生型(Electrically regenerated suppressor, ERS)：透過電解方式再生抑制劑，不需要更換化學試劑，常見於現在離子層析儀上，具備長時間連續運作與更穩定的背景控制優點。Thermo Fisher(Dionex) 等主流廠商均有相關產品與手冊說明其運作原理與維護方式。
3. 實務建議
a. 根據應用(例如：無機陰離子 vs 有機酸)選擇適合的抑制器類型與容量能力。
b. 注意抑制器的最大耐壓(backpressure tolerance)與對溫度、流速的適應範圍； 某些設計在高壓下效率下降或壽命縮短。
c. 若追求低檢出極限與高穩定性，優先採用電解再生型或高效能薄膜式抑制器，並定期按照原廠手冊執行清洗/再生程序。
三、典型應用產業
離子層析法以其高靈敏度、選擇與獨特性，可直接分析離子濃度從ppm、ppb至ppt 等程度的檢測，廣泛使用於下列相關產業並列舉相關應用：
A. 環境監測：
水質、空氣等環境中微量陰、陽離子檢測
1. 飲用水、廢水、地表水中 陰、陽離子分析(例如：氟、氯、硝酸根、硫酸根、氨…等)檢測，法規監控與排放檢驗。
2. 空氣品質中陰離子分析
3. 飲用水、空氣中六價鉻[Cr(VI)] 檢測
4. 空氣中胺類物質檢測(例如：一甲胺、二甲胺…等)
B. 製藥與生技：
藥典中已逐漸的淘汰傳統比色、滴定等較不精確的檢測方法，改成離子層析做為主要的分析方法。
1. 藥品原料藥(API)主成份檢測
2. 藥品中殘留雜質檢測
3. 製劑中鹽類含量濃度檢測
4. 生物製劑中緩衝鹽濃度檢測
5. 新藥/抗體中的醣類(Monosaccharide and Carbohydrates...etc)
C. 食品與飲料：
1. 食品中有機酸(例如：檸檬酸、乳酸…等)檢測
2. 食品中醣類檢測
3. 無機離子與防腐劑殘留等分析
4. 食品安全與品質監測
D. 化工、石化與材料：
1. 工廠內製程用水、冷卻水、
2. 電鍍銅/金液中離子含量監控
3. 工業產品檢驗。
E. 半導體與精密製造：
1. 半導體製程對超純水（UPW, ultra-pure water）中的離子含量要求極高，用於生產與製程控制中追蹤微量離子以確保良率
2. 半導體無塵室內空氣環境檢測
3. 排放廢水中顯影劑 - 四甲基氫氧化銨(TMAH)檢測
F. 能源與電池：
1. 電解液中各種鋰鹽成份檢測
2. 電池材料中電解液、隔離膜中雜質離子檢測
實務建議: 這些產業的共同點是對微量離子有高靈敏度，重現性與可靠性的需求，因此 IC 儀器的穩定性與維護成本是採購決策的重要考量因素。