CN110412195B

CN110412195B - 在线渗析-双抑制离子色谱法测定水样中七种离子的方法

Info

Publication number: CN110412195B
Application number: CN201910614167.XA
Authority: CN
Inventors: 沈梅; 周美娟; 王颖
Original assignee: Southern Medical University
Current assignee: Southern Medical University
Priority date: 2019-07-09
Filing date: 2019-07-09
Publication date: 2020-10-30
Anticipated expiration: 2039-07-09
Also published as: CN110412195A

Abstract

本发明公开了在线渗析‑双抑制离子色谱法测定水样中七种离子的方法，所述水样上机进行检测的工作条件为：选用Metrosep A Supp 7色谱柱进行检测，选用碳酸钠和异丙醇混合溶液作为淋洗液；采用0.6‑1.0mL/min的流速进行分离。采用本发明所述方法能够对水样中七种阴离子同时进行检测，操作简单，检测所需时间短约半小时即可完成；各离子分离度分离度＞1.5；F^‑、SO₄ ^2‑的线性范围在0.20‑40.0mg/L之间，ClO₂ ^‑、NO₂ ^‑、Br^‑、ClO₃ ^‑、NO₃ ^‑的线性范围在0.20‑10.0mg/L之间，7种离子的检出限和方法检测限分别在1.50‑12.0mg/和3.00‑24.0mg/L之间；所有的样品加标回收率均在83％‑116％之间，回收率的相对标准偏差小于5％。

Description

在线渗析-双抑制离子色谱法测定水样中七种离子的方法

技术领域

本发明涉及分析化学领域，特别是一种离子色谱法测定水样中七种离子的方法。

背景技术

水是人类赖以生存的环境介质之一，占地球表面约70％的面积，在一切人类生产和生活中占有举足轻重的地位。地球的天然水资源主要分为三大类，即降水、地表水、地下水。根据目前研究，天然水中含有物质包括溶解性物质(钙、镁、钠等盐类及化合物)、胶体物质(腐殖质、硅酸胶)、悬浮物质(黏土、细菌及藻类)。

地表水是降水在地表径流和汇集后形成的水体，包括江河水、湖泊水、池塘、水库水等。其中主要成分容易受到地质环境与人为活动的影响。我国于2002年出台了《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)，并在2006年继而出台了《生活饮用水卫生标准》(G B 5749-2006)，同时规定了地表水的五类不同功能，一类主要指源头水、国家自然保护区等对水质要求严格的功能；二类水是用于珍稀水生动植物的栖息地；三类水是用于水产养殖，鱼虾越冬及游泳池等；四类水是指工业用水和人类非直接接触的娱乐用水；五类水是指农业用水和景观用水。目前已有关于市场上饮用水的多项研究，并建立了最低检测浓度为0.01mg/L的离子色谱方法。

地下水是降水和地表水经过土壤渗透到地面以下的部分，包括泉水、井水等，是饮用水的主要来源之一。地下水中含有相对大量的可溶性盐，再加上肥料的大量使用，人类的灌溉活动可能会对地下水质量产生深远的影响。目前对于地下水的大量研究集中于土壤水分和溶质的动力学机制以及地下水资源的管理。本发明对其成分暂不做讨论。

氟元素是人体不可缺少的微量元素之一，是组成牙齿和骨骼的成分之一，过量摄入则引起以氟斑牙和氟骨症为主要临床表现的中毒病变。二氧化氯作为消毒剂的主要种类之一，由于直接与水中的腐殖质等发生反应，免于产生消毒副产物，现被广泛应用于我国的自来水、泳池水等多种水体的消毒，有相关研究表明在相同的乳品废水中，相同量的二氧化氯消毒效果明显优于传统氯消毒，且二氧化氯的剩余活性强于传统氯消毒法。而亚氯酸盐、氯酸盐是二氧化氯消毒中产生的主要、稳定的副产物，有相关研究表明约10 -30％的二氧化氯转化为氯酸盐。生活中氯酸盐对动物的毒性主要是动物饲料中意外含有氯酸盐或除草剂处理不当而导致动物对氯酸盐的摄入，从而引起胃肠刺激症状、溶血、高铁血红蛋白血症以及肾毒性症状。我国水质标准规定，亚氯酸盐的含量不得超过0.2m g/L。溴元素在自然界中没有单质状态存在，其化合物在海水、矿泉水和盐湖海中存在。目前我国国内应用离子色谱法(IC)测定Br^-的检出限低至10ug/L。硝酸盐和亚硝酸盐属于水中常见阴离子，硝酸盐会在人体内转化为亚硝酸盐，进而影响人的血液系统造成毒害作用，另一方面与胺类形成致癌物。硫酸盐属于水中常见阴离子。

离子色谱法基于其操作简单、分析速度快等优点，在能够实现多成分同时分离定量，成为环境监测的中坚力量。离子色谱从上世纪八十年代占主流的抑制型离子色谱法，而当时的非抑制型离子色谱法仍处于探索阶段，其后20年间非抑制型离子色谱仪发展迅速，迄今为止，发现了两种新的固定相(Takeuchi et al发现了氧化铝；Tani and Suzuki 发现了二氧化钛)和两种新的检测方法(Dreux et al将反相柱与紫外检测器结合；Ed Yeung在洗脱液中使用荧光探针)。时至今日，离子色谱法已经发展出许多较为成熟的技术和方法,其主要研究领域为水质检测、体液分析(尿液、血液和脑脊液等)、药物分析和食品检测等。另一方面，离子色谱法也用于对痕量阴离子的富集处理。

但是，关于离子色谱同时检测水样中的氟离子、亚氯酸盐、亚硝酸盐、溴化物、氯酸盐、硝酸盐和硫酸盐7种离子的方法还不多。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的是提供一种在线渗析-双抑制离子色谱法测定水样中七种离子的方法，可同时测定水样中7种无机阴离子，为医学诊断、临床试验提供辅助检测，以及无机盐投毒案件的侦破提供有力证据。

本发明的目的是这样实现的：一种在线渗析-双抑制离子色谱法测定水样中七种离子的方法，其特征在于：水样上机进行检测，工作条件为：选用Metrosep A Supp 7色谱柱进行检测，选用碳酸钠和异丙醇混合溶液作为淋洗液；采用0.6-1.0mL/min的流速进行分离。

所述水样使用无机相的0.22μm孔径针式过滤器过滤后，再上机进行检测。

淋洗液采用3.2-4mmol/L碳酸钠和体积比为12-15％异丙醇的混合溶液。

淋洗液采用3.6mmol/L碳酸钠和体积比为12％异丙醇的混合溶液。

采用0.8mL/min的流速进行分离。

所述步骤(2)中，采用Metrosep A Supp 7色谱柱和MetrosepRP 2/3.5保护柱，柱箱温度为45℃。

所述的水样为地表水。

采用本发明所述方法能够对水样中七种阴离子同时进行检测，操作简单，检测所需时间短约半小时即可完成；各离子分离度＞1.5；F^-、SO₄ ^2-的线性范围在0.20-40.0mg/L之间，ClO₂ ^-、NO₂ ^-、Br^-、ClO₃ ^-、NO₃ ^-的线性范围在0.20-10.0mg/L之间，7种离子的检出限和方法检测限分别在1.50-12.0mg/和3.00-24.0mg/L之间；所有的样品加标回收率均在 83％-116％之间，回收率的相对标准偏差小于5％。

附图说明

图1是采用不同淋洗液考察的色谱图，(纵坐标导电值，单位为μs/cm；横坐标为时间，单位为分钟)；

图2是选择不同流速的色谱图(纵坐标导电值，单位为μs/cm；横坐标为时间，单位为分钟)；

图3是本发明实施例1的四种水样中7种无机阴离子含量柱状图，其中自来水对应Tap Water、湖水对应Lake Water、鱼塘水对应Fishpond Water、雨水对应Rain Water，横坐标为无机盐离子，纵坐标为浓度mg/L。

具体实施方式

本发明的在线渗析-双抑制离子色谱法测定水样中七种离子的方法，水样上机进行检测，工作条件为：选用Metrosep A Supp 7色谱柱进行检测，选用碳酸钠和异丙醇混合溶液作为淋洗液；采用0.6-1.0mL/min的流速进行分离。

优选的，淋洗液采用3.2-4mmol/L碳酸钠和体积比为12-15％异丙醇的混合溶液。最优选的，淋洗液采用3.6mmol/L碳酸钠和体积比为12％异丙醇的混合溶液。优选的，采用0.8mL/min的流速进行分离。

在与测试水样相同的工作条件下，进行氟离子、亚氯酸根离子、亚硝酸根离子、溴离子、氯酸根离子、硝酸根离子和硫酸根离子混合标准曲线的绘制。优选的，所述混合标准曲线的绘制步骤为：分别移取氟离子、亚氯酸根离子、亚硝酸根离子、溴离子、氯酸根离子、硝酸根离子和硫酸根离子标准溶液于50mL容量瓶内，定容，配制混合标准工作溶液，配置后浓度分别为F^-、SO₄ ^2-为0.2，0.5，1，5，10，20，40mg/L，ClO₂ ^-、NO₂ ^-、 Br^-、ClO₃ ^-、NO₃ ^-为0.2，0.4，1，2，5，10，20mg/L。在设定的仪器工作条件下从低浓度到高浓度依次进样，以离子浓度mg/L为横坐标，以对应的色谱峰面积μS/min为纵坐标，绘制标准工作曲线；

所述的计算被测目标物的含量方法为：以质量分数表示

W_i＝(c_i-c_o)V (1)

式中：

W_i—被测目标物质量分数，单位为微克每毫升mg/L；

c_i—从工作曲线查得的试样溶液中被测目标物的浓度，单位为微克每毫升mg/L；

c_o—从工作曲线查得的空白溶液中被测目标物的浓度，单位为微克每毫升mg/L；

V—试样溶液的稀释倍数；

结果取两次测定结果的算术平均值。当结果大于等于1.0mg/L时，保留三位有效数字；

当结果小于1.0mg/L时，保留两位有效数字。

以下通过具体例子对本发明做进一步的阐述，但本发明并不限于此特定例子。

1.仪器

861连续双抑制型离子色谱仪(瑞士万通公司)，配备电导检测器，IC Net 2.3色谱工作站，853CO2抑制器，MSM II化学抑制器，813自动样品处理系统，Metrosep A Su pp 4阴离子分析柱(250mm×4.0mm)，Metrosep A Supp 7分离柱(250×4.0mm)，Me trosepRP 2/3.5保护柱；色谱柱恒温箱AT-330，FB-10T溶剂过滤瓶(天津奥特赛恩斯仪器有限公司)；SHZ-IIIA全不锈钢双表双抽循环水真空泵(巩义市予华仪器有限责任公司)；KQ-500DB型数控超声波清洗器(昆山市超声仪器有限公司)；DHG-9145A型电热恒温鼓风干燥箱(上海一恒科技有限公司)，CT15RT台式高速冷冻离心机(天美)、sar torius CP2250天平(德国，十万分之一)，SCAA-102水相针式滤器(0.22μm)。

2.化学试剂

标准品溶液：F^-、ClO₂ ^-、NO₂ ^-、Br^-、ClO₃ ^-、NO₃ ^-、SO₄ ^2-(各为1000mg/L，NSI，美国)，乙腈、异丙醇(均为色谱纯，Merck，德国)；甲醇、硫酸(均为分析纯，广州化学试剂厂)；无水碳酸钠(分析纯，广东省化学试剂工程技术研究开发中心)，Milli-Q Eleme nt超纯水处理系统(美国密理博)。

3.溶液的配制

3.1混合标准溶液的配制

用各离子标准溶液配置系列混合标准溶液，配置后浓度分别为F^-、SO₄ ^2-为0.20、0.5 0、1.00、5.00、10.0、20.0、40.0mg/L，ClO₂ ^-、NO₂ ^-、Br^-、ClO₃ ^-、NO₃ ^-为0.20、0.40、1. 00、2.00、4.00、10.0mg/L。

3.2淋洗液的配制

称取0.3816g无水碳酸钠，倒入1000mL容量瓶中，加入适量去离子水溶解，再加入异丙醇120mL，最后用去离子水定容至1000mL，摇匀。接着用真空泵抽滤脱气，使淋洗液滤过0.45μm孔径过滤膜。

3.3硫酸再生液的配制

取1000mL容量瓶，先加入500mL去离子水，再加入3mL硫酸，用去离子水定容至1000mL，摇匀。

3.4样品的前处理

样本：南方医科大学生活区自来水(多处管网末梢出水，后均匀混合)

样品处理方法：取水样置于50mL样品管中，使用无机相的0.22μm孔径针式过滤器过滤，处理好的样品待测。

4.检测实验

4.1色谱柱的选择：

采用标准混合溶液上机进行测试，分别采用Metrosep A Supp 4和Metrosep ASup p 7进行预实验，发现Metrosep A Supp 4不能实现7个离子的完全分离，而Metrosep ASupp 7可以实现7个离子的完全分离。因此，本发明实施例采用Metrosep A Supp 7 色谱柱和MetrosepRP 2/3.5保护柱，柱箱温度为45℃进行实验。

4.2淋洗液的选择：

抑制型离子色谱仪最常用的淋洗液成分为Na₂CO₃-NaHCO₃体系与KOH，其可以借助抑制反应产生低电导。淋洗液解离出的H⁺即为可测出的背景电导值，适当的调整淋洗液的组成和构成比例(同时改变了溶液的PH值)，可以在一定范围内改善离子间的分离度，结合各离子的保留时间和浓度，选出对分离组分最有利的淋洗液组成和比例。已知对固定相亲和力强的洗脱液成分(碳酸根)，会加速强保留离子的洗脱，但同时加剧了弱保留离子的损失；对固定相亲和力弱的洗脱液成分(碳酸氢根)可以适当的对弱保留离子的保留时间和浓度进行调节。

采用标准混合溶液上机进行测试。如图1所示，采用Metrosep A Supp 7色谱柱，以0.8mL/min的流速对淋洗液的选择进行色谱优化，探究了3.60mmol/L Na₂CO₃、2.70mmol /LNa₂CO₃+1.70mmol/L NaHCO₃及0.80mmol/L Na₂CO₃+10.0mmol/L NaHCO₃三个不同浓度比例的淋洗液，由图1可见，0.80mmol/L Na₂CO₃+10.0mmol/L NaHCO₃需要较长的时间才能分析完成，并且Br^-和ClO₃ ^-两个离子不能完全分离，7个离子分离效果不好。2.70mmol/L Na₂ CO₃+1.70mmol/L NaHCO₃在较短时间内，除Br^-和ClO₃ ^-两个离子外，其余5个离子可以完全分离。3.60mmol/L Na₂CO₃在更短的时间内，除Br^-和ClO₃ ^-两个离子外，其余5个离子可以完全分离，并且分析时间最短。因此本发明实施例采用3.60mmol/L Na₂CO₃完成7个离子的分离。

进一步考虑分离度的情况。分离度(R)是色谱法中的一个重要参数，用于评价色谱柱的分离效能。R≥1.5时，认为两色谱峰达到基线分离。在3.6mmol/L碳酸钠淋洗液条件下，Br^-和ClO₃ ^-虽然可以分离，但分离度达不到1.5，没有实现完全分离。因此，尝试在淋洗液中加入有机溶剂，以改善分离度。分别选择甲醇、乙腈、异丙醇三种有机溶剂，结果发现，只有当异丙醇浓度达到12％时，分离度＞1.5,能够实验七种离子的完全分离 ,因此本发明实施例最终选择3.6mmol/L碳酸钠和体积比为12％异丙醇混合溶液作为淋洗液。

4.3淋洗液流速的选择：

流速影响组分的分离保留时间，同时影响阴离子分离柱的柱压。采用标准混合溶液上机进行测试。选择3.6mmol/L碳酸钠和12％异丙醇混合溶液作为淋洗液，分别以0.40mL/ min、0.60mL/min和0.80mL/min三种流速的考察，并对各组分的保留时间以及峰高进行比较，见图2。结果发现，在流速越慢的情况下，各组分的保留时间越来越长，峰的尾部不断拖长，峰面积相对增加。因此，本发明实施例最终选择0.80mL/min的流速进行分离。

4.4七种离子的标准曲线、检出限、方法检出限的考察：

4.4.1七种离子的线性范围在0.20-40.0mg/L之间，所有检测离子在线性范围内均显示良好的线性关系(r²＝0.99908-0.99994)(表1)。用空白试剂上机进行检测，不少于 30分钟的基线波动最大幅度为基线噪声(H_N)，基线起始点引出的水平线与基线的最高点(或最低点)的垂直距离为基线漂移。根据JJG823-93《离子色谱仪》国家计量检定规程，配置0.005μg/mL的七种离子混合标准液，测定其峰高，再根据公式计算各离子的最小检出浓度，即检出限；检出限乘以稀释倍数，即得方法检出限。7种离子的检出限和方法检测限分别在1.50-12.0μg/L和3.00-24.0μg/L之间。

C_min＝C_S(2H_N/H)

式中：C_min：最小检出浓度，mg/L；C_S：检测离子浓度，mg/L；

H_N：基线噪声，mm；H：检测离子峰高，mm。

表1 7种阴离子的线性范围、线性方程、相关系数、检出限(Supp 7)

4.4.2方法的加标回收率及精密度

加标回收率是用来检验方法的准确性的方法，通过向样品中加入已知含量的标准品，以未加标准品的样品作为本底值，通过离子色谱仪检测，计算二者之间的差值，进而计算加标回收率，来判断结果是否准确。

本实验采用自来水样本做方法精密度考察，如表2所示，向自来水样品中分别加入低标(F^-、SO₄ ^2-1.00mg/L，ClO₂ ^-、NO₂ ^-、Br^-、ClO₃ ^-、NO₃ ^-0.20mg/L)，中标(F^-、SO₄ ^2-5.00mg /L，其余离子1.00mg/L)，高标(F^-、SO₄ ^2-20.0mg/L，其余离子离子4.00mg/L)，每份加标分别有5个平行样品。各离子的低、中和高标的回收率都在83％-116％，相对标准偏差小于5％，说明本实验结果的准确性良好。因此，此发明的方法具有良好的准确度并有实际应用性。

表2 7种阴离子的加标回收率(n＝5)

5.实施例1

步骤1：混合标准曲线的绘制

分别移取氟离子、亚氯酸根离子、亚硝酸根离子、溴离子、氯酸根离子、硝酸根离子和硫酸根离子标准溶液于50mL容量瓶内，定容，配制混合标准工作溶液，配置后浓度分别为F^-、SO₄ ^2-为0.2，0.5，1，5，10，20，40mg/L，ClO₂ ^-、NO₂ ^-、Br^-、ClO₃ ^-、NO₃ ^-为0. 2，0.4，1，2，5，10，20mg/L。在设定的仪器工作条件下从低浓度到高浓度依次进样，以离子浓度mg/L为横坐标，以对应的色谱峰面积μS/min为纵坐标，绘制标准工作曲线。

步骤2：测定

将自来水、湖水、鱼塘水和雨水四种样品各配置三份平行样，用无机相的0.22μm孔径针式过滤器过滤，移取试样溶液在设定仪器工作条件下注入，对其中七种无机阴离子进行离子色谱仪测定，根据保留时间定性，根据色谱峰面积用外标法进行定量。

步骤1、2中的仪器工作条件如下：

B.1色谱柱：Metrosep A Supp 7分离柱(250×4.0mm)，MetrosepRP 2/3.5保护柱；替换Metrosep A Supp 4分离柱(250×4.0mm)重复测试；

B.2柱温箱温度：45℃；

B.3抑制器：阴离子抑制器或相当者；

B.4淋洗液：3.6mmol/L碳酸钠+12％异丙醇溶液，等度淋洗，或相当条件；

B.5淋洗液流速：0.8mL/min；

B.6进样量：20μL。

步骤3：计算被测目标物的含量，以质量分数表示

W_i＝(c_i-c_o)V (1)

式中：

W_i—被测目标物质量分数，单位为微克每毫升mg/L；

V—试样溶液的稀释倍数；

结果取两次测定结果的算术平均值。当结果大于等于1.0mg/L时，保留三位有效数字；当结果小于1.0mg/L时，保留两位有效数字。

结果如图3所示，采用Metrosep A Supp 7分离柱的结果如表3所示。四种样品的RSD均小于10％，自来水和湖水中主要含有F^-、NO₃ ^-和SO₄ ^2-三种无机阴离子，鱼塘水中主要成分为F^-和SO₄ ^2-。其中鱼塘水中的F^-明显高于其他三种水样，检测结果为13.6mg/L，根据我国的《地表水环境质量标准》中F^-含量在Ⅴ类水中≤1.5mg/L，检测结果超出该标准，故鱼塘水水质不合格。雨水中主要含有F^-、NO₂ ^-、NO₃ ^-、SO₄ ^2-四种阴离子，其中NO₂ ^-含量明显高于其他三种水样，检测结果为0.210mg/L，硝酸盐和亚硝酸盐之和分别达1.81mg/L和1. 85mg/L。在相关水质标准中，总硝酸盐(以N计)不得超过10.0mg/L，故四个样本水样中硝酸盐和亚硝酸盐合格。硫酸盐(以SO₄ ^2-计)要求不得超过250.0mg/L，故四种水样皆在安全范围内。样品中均未检出ClO₂ ^-、Br^-和ClO₃ ^-三种离子。

表3 SUPP 7水质样品的检测结果(N＝3)

-：未检出。

Claims

1.一种在线渗析-双抑制离子色谱法测定水样中七种离子的方法，其特征在于：采用瑞士万通公司的861连续双抑制型离子色谱仪，水样上机进行检测，工作条件为：选用Metrosep A Supp 7色谱柱进行检测，淋洗液采用3.2-4mmol/L碳酸钠和体积比为12-15％异丙醇的混合溶液；采用0.6-1.0mL/min的流速进行分离；

在与检测所述水样相同的工作条件下，进行氟离子、亚氯酸根离子、亚硝酸根离子、溴离子、氯酸根离子、硝酸根离子和硫酸根离子混合标准曲线的绘制；最后对检测所述水样所得工作曲线根据保留时间定性，根据色谱峰面积用外标法计算被测目标物的含量。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述水样使用无机相的0.22μm孔径针式过滤器过滤后，再上机进行检测。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：淋洗液采用3.6mmol/L碳酸钠和体积比为12％异丙醇的混合溶液。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：采用0.8mL/min的流速进行分离。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：检测采用Metrosep A Supp 7色谱柱和MetrosepRP 2/3.5保护柱，柱箱温度为45℃。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的水样为地表水。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述混合标准曲线的绘制步骤为：

分别移取氟离子、亚氯酸根离子、亚硝酸根离子、溴离子、氯酸根离子、硝酸根离子和硫酸根离子标准溶液于50mL容量瓶内，定容，配制混合标准工作溶液，配置后浓度分别为F^-、SO₄ ^2-为0.2，0.5，1，5，10，20，40mg/L，ClO₂ ^-、NO₂ ^-、Br^-、ClO₃ ^-、NO₃ ^-为0.2，0.4，1，2，5，10，20mg/L，在设定的仪器工作条件下从低浓度到高浓度依次进样，以离子浓度mg/L为横坐标，以对应的色谱峰面积μS/min为纵坐标，绘制标准工作曲线；

所述的计算被测目标物的含量方法为：以质量分数表示

W_i＝(c_i-c_o)V (1)

式中：

W_i—被测目标物质量分数，单位为微克每毫升mg/L；

V—试样溶液的稀释倍数；

结果取两次测定结果的算术平均值，当结果大于等于1.0mg/L时，保留三位有效数字；

当结果小于1.0mg/L时，保留两位有效数字。