離子色譜法同時(shí)測定環(huán)境樣品中有機(jī)酸的研究

孫蕓蕓，于帥，欒玲玉，李劍，丁尚志，王麗娟，趙艷榮

(1.山東省分析測試中心，山東 濟(jì)南250014； 2.華南理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，廣東 廣州510641)

離子色譜法同時(shí)測定環(huán)境樣品中有機(jī)酸的研究

孫蕓蕓1，于帥2*，欒玲玉1，李劍1，丁尚志1，王麗娟1，趙艷榮1

(1.山東省分析測試中心，山東 濟(jì)南250014； 2.華南理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，廣東 廣州510641)

建立了一種離子色譜法同時(shí)測定水中的甲酸、乙酸、丙酸和丁酸相對含量的檢測方法。采用抑制型電導(dǎo)檢測器，檢測器溫度35 ℃；Ion Pac AS11-HC型分離柱(250 mm×4 mm)，Ion Pac AG11-HC型保護(hù)柱(50 mm×4 mm)，柱溫30 ℃；KOH淋洗液梯度洗脫，KOH濃度0～17.0 min時(shí)1.0 mmol/L，17.1～25.0 min時(shí)30.0 mmol/L，25.1～30.0 min時(shí)1.0 mmol/L；流速為1.2 mL/min時(shí)，甲酸、乙酸、丙酸和丁酸能夠達(dá)到分離要求，其檢出限分別為0.004、0.005、0.004、0.005 mg/L。4種有機(jī)酸在0.2～3.0 mg/L范圍具有較好的線性相關(guān)性，其相關(guān)系數(shù)在0.999 1～0.999 5范圍內(nèi)。將0.2 、1.0 mg/L的標(biāo)準(zhǔn)溶液重復(fù)進(jìn)樣11次，甲酸、乙酸、丙酸、丁酸的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于2%，精密度較好。對水樣進(jìn)行加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示甲酸、乙酸、丙酸、丁酸的回收率均在 95.3% ～ 98.7%之間。

離子色譜；有機(jī)酸； 精密度；回收率

甲酸、乙酸、丙酸、丁酸是簡單的有機(jī)酸，也是重要的化工原料，在橡膠、醫(yī)藥、燃料、皮革等工業(yè)生產(chǎn)中被廣泛使用。甲酸、乙酸、丙酸和丁酸有刺激性氣味，具腐蝕性，對呼吸道和皮膚都有損傷，嚴(yán)重者可引起病變。甲酸和乙酸是大氣降水中主要的有機(jī)酸[1]，近年來，有文獻(xiàn)報(bào)道低分子量有機(jī)酸是酸雨形成的重要原因[2-4]。另外，一些含甲酸、乙酸、丙酸、丁酸的工業(yè)廢水處理不達(dá)標(biāo)排放會對附近水體造成污染，影響人體健康。因此，開發(fā)一種簡單、準(zhǔn)確、快速的定量檢測低分子量有機(jī)酸的方法具有重要意義[5]。離子色譜法具有樣品前處理簡單、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，在環(huán)境領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[6-7]。

實(shí)驗(yàn)室有機(jī)酸的檢測通常采用氣相色譜或液相色譜法[8-10]。液相色譜常用有機(jī)溶劑作為流動相，有機(jī)溶劑的引入對環(huán)境和人體都會造成損害[11-12]。此外，采用氣相色譜法測有機(jī)酸還存在檢出限高[13]、低濃度不成線性等缺點(diǎn)。因此，開發(fā)一種綠色環(huán)保，靈敏度高的檢測方法很有必要。由于簡單有機(jī)酸能與水混溶，甲酸、乙酸、丙酸和丁酸這4種有機(jī)酸分子量接近，出峰時(shí)間接近，運(yùn)用離子色譜法一次進(jìn)樣同時(shí)測定的方法未見報(bào)道。本文使用ICS-5000+離子色譜儀，甲酸、乙酸、丙酸和丁酸可以達(dá)到分離要求，并能夠進(jìn)行定量分析。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器及試劑

ICS-5000+離子色譜儀(美國賽默飛世爾科技有限公司)，包括Chromeleon 6.8色譜工作站、KOH淋洗液自動發(fā)生器、ASRS-4 mm陰離子抑制器、電導(dǎo)檢測器、單泵系統(tǒng)、AS-AP自動進(jìn)樣器；Ion Pac AS11-HC型分離柱(250 mm×4 mm)、Ion Pac AG11-HC型保護(hù)柱(50 mm×4 mm)(美國戴安公司)；Synergy超純水機(jī)系統(tǒng)(美國默克密理博公司)；水相針式濾器13 mm×0.45 μm(天津市津騰實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司)。

甲酸(色譜純)麥克林試劑、乙酸(色譜純)、丙酸(分析純)、正丁酸(分析純)(天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司)。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)溶液配制

配制濃度為1 000 mg/L的甲酸、乙酸、丙酸、丁酸標(biāo)準(zhǔn)儲備液：分別準(zhǔn)確量取甲酸、乙酸、丙酸和丁酸試劑83.2、95.2、101.5、105 μL于 100 mL容量瓶，定容，搖勻，于4 ℃冰箱中保存?zhèn)溆谩７謩e取4種有機(jī)酸的儲備液10 mL定容至100 mL，配成濃度為100 mg/L的4種有機(jī)酸混合標(biāo)準(zhǔn)溶液，然后配成濃度為0.2、1.0、1.5、2.0、3.0 mg/L的系列混合標(biāo)準(zhǔn)溶液。儲備液以及標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制均使用新制的電阻率為18.2 MΩ·cm的超純水。

1.3 實(shí)驗(yàn)條件

淋洗液KOH，由淋洗液發(fā)生器產(chǎn)生梯度濃度的KOH，抑制電流75 mA，柱溫箱溫度30 ℃，檢測器溫度35 ℃，進(jìn)樣量25 μL。

2 結(jié)果與討論

2.1 色譜條件的選擇

在色譜柱已選定的條件下，為使甲酸、乙酸、丙酸和丁酸達(dá)到理想的分離效果，流動相的種類、濃度和流速是關(guān)鍵因素。甲酸、乙酸、丙酸和丁酸是弱保留離子，可選用KOH、Na2B4O7等弱的淋洗液。單泵條件下，使用KOH發(fā)生罐，通過調(diào)節(jié)電流可產(chǎn)生梯度濃度的KOH淋洗液，特別是對于樣品中含有濃度較甲酸、乙酸、丙酸和丁酸高很多的氯離子、硫酸根、硝酸根等強(qiáng)保留離子時(shí)，通過調(diào)高淋洗液濃度可洗脫強(qiáng)保留離子，避免影響后面樣品的分離。因此，淋洗液選用KOH。

淋洗液濃度增加和流速增大都會使離子的保留時(shí)間縮短，離子間分離度減小；減小淋洗液濃度和減小流速都會使離子的保留時(shí)間延長，離子間的分離度增大[14]。實(shí)驗(yàn)中每一個(gè)洗脫程序均為梯度濃度，分別包括第一階段低濃度分離甲酸、乙酸、丙酸和丁酸，第二階段高濃度洗脫強(qiáng)保留離子如Cl-、SO42-、NO3-等，第三階段低濃度平衡，第三階段與第一階段KOH濃度相同，低于第二階段KOH濃度。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)應(yīng)選擇合適的淋洗液濃度和流速，第二階段目標(biāo)是洗脫強(qiáng)保留離子Cl-、SO42-、NO3-等，根據(jù)文獻(xiàn)中水中陰離子的檢測方法[15-16]將KOH濃度設(shè)為30 mmol/L，此條件下強(qiáng)保留離子能夠被洗脫完全，因此只需討論第一、三階段淋洗液濃度。實(shí)驗(yàn)中考察第一、三階段KOH濃度依次為0.5、0.8、1.0、2.0 mmol/L，流速分別為0.5、1.0、1.2 mL/min時(shí)對保留時(shí)間和分離度的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1～3所示。

表1 流速為0.5 mL/min時(shí)不同淋洗液濃度下各物質(zhì)的保留時(shí)間和分離度

表2 流速為1.0 mL/min時(shí)不同淋洗液濃度下各物質(zhì)的保留時(shí)間和分離度

表3 流速為1.2 mL/min時(shí)不同淋洗液濃度下各物質(zhì)的保留時(shí)間和分離度

由表1～3 結(jié)果可知，當(dāng)淋洗液濃度分別為0.5和0.8 mmol/L時(shí)，流速為0.5、1.0、1.2 mL/min條件下4種有機(jī)酸之間的分離度相對較高，但此時(shí)保留時(shí)間較長，完成一個(gè)樣品的檢測需要的時(shí)間太長。而當(dāng)淋洗液濃度升高為2.0 mmol/L時(shí)，雖然保留時(shí)間大大縮短，但分離度也有大幅度降低。綜合考慮保留時(shí)間和分離度兩個(gè)因素，洗脫條件可選淋洗液流速為1.2 mL/ min，濃度為1.0 mmol/L，洗脫程序見表4。在此色譜條件下，能夠?qū)崿F(xiàn)甲酸、乙酸、丙酸和丁酸的快速分離與準(zhǔn)確檢測。

表4 梯度洗脫程序

2.2 方法的線性、檢出限和精密度

表5 方法的線性和檢出限

(1)

M=t(VA+VB)×SP,

(2)

式中：M為檢出限；VA為方差較大批次的自由度，nA-1；VB為方差較小批次的自由度，nB-1；nA、nB為樣品測定次數(shù)；SP為組合標(biāo)準(zhǔn)偏差；t為自由度為VA+VB，置信度為99%時(shí)的t分布。

分別以0.2、1.0 mg/L 4種有機(jī)酸的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液連續(xù)進(jìn)樣11次，以11次濃度值的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差表示方法的精密度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表6。可以看出，兩個(gè)濃度下4種有機(jī)酸的精密度均低于2%，精密度較好，濃度為1.0 mg/L的4種有機(jī)酸標(biāo)準(zhǔn)溶液的精密度優(yōu)于0.2 mg/L的。

表6 精密度結(jié)果

2.3 方法的抗干擾實(shí)驗(yàn)

在環(huán)境樣品分析中，尤其是當(dāng)?shù)叵滤⒌乇硭蛷U水中含有濃度較高的Cl-、SO42-、NO3-和一定濃度的F-時(shí)，這些陰離子的存在會對含量較低的甲酸、乙酸、丙酸和丁酸的檢測造成干擾。因此，在甲酸、乙酸、丙酸和丁酸的標(biāo)準(zhǔn)溶液中加入一定量的F-、Cl-、SO42-、NO3-，可以檢驗(yàn)該有機(jī)酸檢測方法的可行性與準(zhǔn)確度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，F(xiàn)-、Cl-、SO42-、NO3-的保留時(shí)間分別為9.193、20.473、22.137、23.470 min，如圖1所示。表明樣品中高濃度的Cl-、SO42-、NO3-不會對甲酸、乙酸、丙酸和丁酸的檢測造成干擾。F-的保留時(shí)間在乙酸比乙酸短，與乙酸的保留時(shí)間10.743 min比較接近，但通常水樣中F-含量較低，不會對乙酸的檢測造成干擾，當(dāng)F-含量較高時(shí)可對酸進(jìn)行加標(biāo)回收檢測，以確保檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖1 甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、氟離子、氯離子、硫酸鹽、硝酸鹽譜圖Fig.1 The spectrums offormic acid, acetic acid, propionic acid, n-butyric acid, fluoride chloride, sulfate and nitrate

2.4 樣品分析

在2.1確定的色譜條件下，分別對某企業(yè)的地下水、地表水、廢水和實(shí)驗(yàn)室自來水進(jìn)行了檢測，水樣的采集、運(yùn)輸及保存按照《水和廢水監(jiān)測分析方法》[18]中的要求進(jìn)行。將測試樣品和加標(biāo)后的水樣過0.45 μm的針式水相濾器后上機(jī)檢測，將可能含有有機(jī)物和重金屬的水樣及加標(biāo)后水樣分別過RP預(yù)處理柱和H預(yù)處理柱，防止有機(jī)物和重金屬污染分離體系，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表7。結(jié)果顯示，地下水、地表水、廢水、實(shí)驗(yàn)室自來水中均未檢出甲酸、乙酸、丙酸和丁酸。加標(biāo)量為1.0、2.0 mg/L時(shí)，樣品中甲酸、乙酸、丙酸、丁酸的回收率都在95%以上，回收率較好。

表7 樣品中甲酸、乙酸、丙酸、丁酸的分析結(jié)果

續(xù)表7

樣品名稱檢測項(xiàng)目測定值/(mg·L-1)加標(biāo)值/(mg·L-1)回收率/%廢水甲酸乙酸丙酸丁酸ND1．096．5ND2．095．9ND1．095．3ND2．095．6ND1．096．7ND2．096．2ND1．097．1ND2．096．4自來水甲酸乙酸丙酸丁酸ND1．098．7ND2．097．9ND1．097．6ND2．098．3ND1．097．2ND2．097．8ND1．098．7ND2．098．2

注：ND表示未檢出。

3 結(jié)論

本文建立了一種用離子色譜法檢測水樣中甲酸、乙酸、丙酸、丁酸的方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，甲酸、乙酸、丙酸、丁酸的檢出限分別達(dá)到0.004、0.005、0.004、0.005 mg/L，且當(dāng)有機(jī)酸濃度介于0.2～3.0 mg/L之間時(shí)具有較好的線性關(guān)系，11次重復(fù)進(jìn)樣的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于2.0%。對樣品進(jìn)行加標(biāo)回收，回收率均高于95.0%。此方法能夠滿足地下水、地表水和廢水中的中甲酸、乙酸、丙酸、丁酸的快速分離與檢測，不受Cl-、SO42-、NO3-等陰離子的干擾，是一種綠色環(huán)保，快速有效的有機(jī)酸定性分析與定量檢測方法。

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Simultaneous determination of formic acid, acetic acid，propionic acid and n-butyric acid in environmental samples by ion chromatography

SUN Yun-yun1, YU Shuai2*, LUAN Ling-yu1，LI Jian1, DING Shang-zhi1, WANG Li-juan1, ZHAO Yan-rong1

(1.Shandong Analysis and Test Center, Jinan 250014,China; 2. School of Chemistry and Chemical Engineering, South China University of Science and Technology, Guangzhou 510641, China)

∶A method for simultaneous determination of formic acid, acetic acid, propionic acid and n-butyric acid in water sample by ion chromatography was established. The chromatographic instrument used was a Thermo Fisher ICS-5000+ion chromatograph．An inhibitory conductance detector, Ion Pac AS11-HC (250 mm×4 mm I.D.) separation column and Ion Pac AG11-HC (50 mm×4 mm I.D.) guard column were used. The temperature of detector and columns were 35 ℃ and 30 ℃, respectively. Gradient elution was conducted with KOH as eluent and the gradient elution conditions were as followings: the concentration of KOH was 1.0 m mol/L at 0 ～17.0 min, 30.0 m mol/L at 17.1～25.0 min, and 1.0 m mol/L at 25.1～30.0 min. When the flow rate was 1.2 ml/min, formic acid, acetic acid，propionic acid and n-butyric acid could meet the requirements of separation, and the detection limit was 0.004, 0.005, 0.004 and 0.005 mg/L, respectively. The four organic acid showed good linear correlation in the range of 0.2 mg/L～3.0 mg/L, and its correlation coefficients was within 0.999 1～0.999 5. Two mixed standard solutions of 0.2 and 1.0 mg /L were detected 11 times and the results showed that the relative standard deviation of formic acid, acetic acid, propionic acid and butyric acid were all less than 2%, and the precision was better. The spike recovery of formic acid, acetic acid, propionic acid and butyric acid ranging from 95.3% to 98.7% was obtained when applying this method to analyze the four organic acids in water samples.

∶ion chromatography; organic acid; precision; rate of recovery

10.3976/j.issn.1002-4026.2017.04.015

2017-01-15

孫蕓蕓(1988—)，女，助理工程師，研究方向?yàn)榄h(huán)境檢測。E-mail:syysdyt@163.com

*通信作者，于帥(1989—)，男，博士研究生，研究方向?yàn)榛は到y(tǒng)工程。E-mail:ceyushuai@mail.scut.edu.cn

X830.2

A

1002-4026(2017)04-0092-07