離子色譜法測定降水中有機酸陰離子實驗教學探索及實踐

鄭國華，李 麗，陳華梅，王紹俊

（新疆大學a.化工學院；b.化學學院，烏魯木齊 830046）

0 引言

目前國內關于大氣顆粒物中水溶性有機酸陰離子的離子色譜法測定有大量的實驗研究，如祁國偉等［1］利用離子色譜法測定研究了杭州市空氣中陰離子；林燕春［2］對酸雨、大氣、廢氣、地表水、地下水等環境樣品中的甲酸、乙酸、草酸進行了測定研究，獲得滿意結果；牟世芬等［3］對50 種水溶性有機酸進行了測定研究，確定了36 種有機酸的定量分析條件；另外徐繼明等利用離子色譜法的多種技術手段對各種有機酸進行了測定和深入的研究，并獲得了滿意結果［4-14］。可以說離子色譜法測定有機酸陰離子的研究方法和研究成果報道不少。2018 年生態環境部以電子版發布了環境空氣降水中有機酸（乙酸、甲酸和草酸）的測定離子色譜法的國家環境保護標準（HJ 1004—2018）［15］。目前將離子色譜法測定有機酸陰離子的研究方法和研究成果以及相關標準結合本地區開展測定有機酸陰離子在教學實驗環節中的實踐未曾有報到；如何將色譜法測定有機酸陰離子的實驗研究成果和方法充分地利用在儀器分析化學實驗的教學環節中將是一項非常有意義的工作和嘗試。此項教學實驗工作的開展是儀器分析化學課程在教學實驗方式和手段上的實踐和創新。同時對提高和加強儀器分析化學課程的教學實驗效果和質量是一個強有力的補充和加強。通過采集新疆烏魯木齊市區降水開展了離子色譜法測定降水中有機酸陰離子HCOO-和CH3COO-含量的教學實驗研究以及本次教學實驗環節的實踐，在很大程度上提高和加強了學生查閱和組織文獻資料并且設計綜合實驗的能力，對進一步提高儀器分析化學實驗的教學質量和水平產生了明顯效果，同時也豐富了儀器分析化學實驗課程的教學方式和手段。本教學實驗是一次很好的產、學、研相結合的案例，并取得了良好的實驗教學效果。

1 實驗設計

1.1 測試方法原理

通過離子交換進行離子分離是離子色譜法的主要原理［3］，本實驗測定HCOO-和CH3COO-是利用抑制器抑制淋洗液，扣除一定的背景電導，然后利用電導檢測器進行測定。實驗中首先根據混合標準溶液中HCOO-和CH3COO-出峰的保留時間以及輸出電壓（峰面積或峰高）繪制相應的標準曲線（或工作曲線），然后根據降水樣品中的HCOO-和CH3COO-出峰的保留時間以及峰高（或峰面積）可定性和定量樣品中的有機酸（甲酸、乙酸）離子。

1.2 樣品采集與保存

根據降水樣品采集的相關國際標準，本實驗在郊區和城區各設1 個采樣點進行采樣，樣品采集后于3～5 ℃條件下冷藏［3，7］。

1.3 材料和試劑配制

四硼酸納（優級純），甲酸鈉（優級純），無水乙酸鈉（優級純），高純水（注：去離子水和淋洗液都要除去CO2）。準確稱取5.720 6 g 四硼酸鈉（優級純），用高純水溶解，移入500 mL容量瓶中，加高純水定容，然后貯存在聚乙烯塑料瓶中即為30 mmol/L Na2B4O7淋洗貯備液，放入冰箱內4～6 ℃保存備用；在500 mL容量瓶中移入50 mL淋洗貯備液，用高純水稀釋至刻度即為淋洗使用液；優級純甲酸鈉在105 ℃條件下烘干2 h，然后準確稱取0.755 5 g，用少量高純水溶解移入500 mL容量瓶中用高純水稀釋至標線，然后貯存于聚乙烯塑料瓶中即為1.000 mg/mL 的甲酸鈉標準貯備液，放入冰箱內4～6 ℃保存；準確稱取經105 ℃烘干2 h的無水乙酸鈉0.695 0 g，用少量高純水溶解，移入500 mL容量瓶中，用高純水稀釋至標線，然后貯存于聚乙烯塑料瓶中即為1.000 mg/mL 的乙酸鈉標準貯備液，并于冰箱內4～6 ℃保存［3，7］。分別移取2.5 mL甲酸鈉標準貯備液和2.5 mL 乙酸鈉標準貯備液于250 mL容量瓶中，用淋洗使用液定容至標線即為兩種陰離子混合使用液。

1.4 雜質的干擾及消除

通常雜質的干擾主要來源于水負峰的干擾，可以用淋洗液配制標準溶液及樣品消除水負峰的影響。常見無機陰離子F-和CH3COO-的淋出時間很近產生一定干擾，本實驗通過選擇合適濃度的淋洗液，其他條件不變，則可以很好地分離F-和CH3COO-從而消除干擾［9］。

1.5 儀器及色譜條件

離子色譜儀（青島普仁PIC-8），色譜柱：陰離子分離柱和陰離子保護柱（NJ-SA-4A850 型），電導檢測器：HW-2000 色譜工作站，泵：青島普仁P3000 型，泵流速：1.50 mL/min，進樣量：1 mL 注射器，抑制電流：100 mA。

1.6 淋洗液的選擇

離子色譜分離法中NaHCO3和Na2CO3混合淋洗液是測定陰離子常用淋洗液。本實驗設計首先考慮使用NaHCO3和Na2CO3混合淋洗液（2.4 mmol/L Na2CO3+3.0 mmol/L NaHCO3）分離測定濃度為10 mg/L甲酸鈉和20 mg/L的乙酸鈉混合標準液，實驗結果發現分離效果不理想，儀器記錄實驗結果如表1 及圖1 所示。由表1 和圖1 明顯可見，使用HCO3-和CO32-混合淋洗液洗脫甲酸和乙酸混合液時分離效果不理想，無法正常分離測定，測量誤差大。考慮到上述實驗存在的問題，學生通過查閱相關文獻資料以及國內色譜法測定陰離子的有關標準。通過總結認為HCOO-和CH3COO-為弱保留離子，用弱的B4O7-淋洗離子就可以很好地分離HCOO-和CH3COO-［9，14］，為此本實驗的淋洗液采用了B4O7-作為分離HCOO-和CH3COO-淋洗液進行色譜分析。

表1 0.002 4 mol/L Na2CO3 +0.003 0 mol/L NaHCO3 混合淋洗液分離效果

圖1 10 mg/L甲酸鈉和20 mg/L乙酸鈉的混液色譜圖

1.7 Na2B4O7 淋洗液最佳濃度的選擇

淋洗液濃度對組分的分離效果影響很大，所以通過實驗選擇合適的淋洗液的濃度非常重要。現用淋洗儲備液分別配制成2.0、2.5、3.0、4.0、5.0 μg/L 等系列淋洗使用液來找到最佳濃度淋洗液。進樣為10 mg/L甲酸鈉和20 mg/L的乙酸鈉的混液（由于F-的保留時間與CH3COO-的保留時間非常接近，因此將淋洗液濃度為3.0、4.0、5.0 μg/L 時的進樣樣品改為10 mg/L甲酸鈉、20 mg/L的乙酸鈉以及5 mg/L的F-的混合液，目的是為得到F-對CH3COO-干擾情況提供數據），通過實驗發現利用B4O7-淋洗液可以很好洗脫HCOO-和CH3COO-，使它們到達良好的分離效果，并能最終通過電導檢測器測定HCOO-和CH3COO-的含量。實驗發現隨著淋洗液濃度的線性遞增，HCOO-與CH3COO-的保留時間都變短了，分離效果有減弱趨勢，結合以上兩點選擇出最佳淋洗液濃度為3.0 μg/L。由表2 和圖2 明顯可見：使用B4O7-作為淋洗液可以很好洗脫HCOO-和CH3COO-，可達到良好的分離效果，完全滿足利用離子色譜法測定HCOO-和CH3COO-含量的要求。

表2 不同淋洗液濃度電導檢測數據

圖2 淋洗液濃度為0.003 0 mg/L色譜分離圖

1.8 標準曲線的繪制

通過離子色譜柱對被測陰離子的分離，并最終測定被測離子的含量。由于離子色譜圖中的離子輸出電壓和相應的離子濃度存在線性正相關性，可以通過繪制標準工作曲線最終確定被測離子的含量。分別配制濃度為0.5、1.0、2.0、3.0、5.0 mg/L 的HCOO-和CH3COO-的系列混合標準液，以輸出電壓為縱坐標，以相應的離子濃度為橫坐標，繪制標準曲線。由表3及圖3、4 可知，輸出電壓（峰面積或峰高）與質量濃度之間有很好的線性關系，相關系數都達到0.999 0，完全滿足離子色譜法定量分析的需求。

表3 甲酸和乙酸的標準曲線

圖3 甲酸的標準曲線

1.9 空白對照

考慮到淋洗液可能對被測離子含量測定的影響，為此以淋洗液為空白試劑進行空白實驗，實驗結果表明空白實驗滿足數據基線噪聲8 μV的要求。

圖4 乙酸的標準曲線

1.10 試樣分析

樣品經0.45 μm的微孔濾膜過濾后，直接注入色譜柱，此時可依次分離出HCOO-和CH3COO-并得出峰面積，然后在標準工作曲線上查得相應樣品濃度。從圖5 所示可見，烏魯木齊市降水中HCOO-和CH3COO-色譜峰比較明顯，色譜分離效果良好。表4所示可見，通過色譜儀檢測到的CH3COO-和HCOO-的相應的峰面積結合對應的工作曲線換成濃度最終得到CH3COO-和HCOO-的含量分別為0.965 3 mg/L和0.362 7 mg/L。說明烏魯木齊市降水中有微量的有機酸陰離子CH3COO-和HCOO-存在。

表4 烏魯木齊市降水樣品測定結果

圖5 烏魯木齊市降水中有機酸陰離子的色譜圖

2 結果與討論

2.1 方法的檢出限與測定限

根據中華人民共和國計量檢定規程JJG823-93中，離子色譜儀的最小檢出濃度檢定計算公式為：Cmin=Cs（2Hn/H）。式中：Cmin—最小檢出濃度，Cs—檢測離子濃度，Hn—基線噪聲（不少于30 min 的基線），H—檢測離子峰高［16］。本實驗對于20 個空白試驗的基線噪聲求出平均值為15 μV，并代入相關數據到該式可求出甲酸的檢出限為16.2 ×10-6，乙酸的檢出限為26.2 ×10-6。

2.2 方法的精密度與準確度

通過對市區降水連續7 次平行測定，計算其相對標準偏差用以衡量測定數據值偏離的程度，考察實驗方法的精密度。另外取其平均值作為樣品濃度，并根據加標回收公式計算HCOO-和CH3COO-的回收率（其中加標量為實際樣品含量的100%），考察實驗方法的準確度。由表5 可見，采用本實驗方法用于烏魯木齊市降水樣品的分析，加標回收率分別為95.80%和96.86%，完全符合對微量組分回收率90%～110%的系統誤差的分析要求，保證了實驗方法的準確度；相對標準偏差分別為3.43%和5.79%，相對標準偏差均小于6%，保證了實驗方法精密度的要求。

表5 方法的精密度與準確度數據

本實驗表明，利用現用設備用較強的淋洗液（2.4 mmol/L Na2CO3+3.0 mmol/L NaHCO3）淋洗HCOO-和CH3COO-時，很難洗脫分離HCOO-與CH3COO-，由于兩者保留時間相近相互產生干擾，分析誤差大；因此通過改進使用弱的淋洗液3.0 mmol/L Na2B4O7洗脫分離HCOO-和CH3COO-，并最終得到理想的分析結果。分析結果表明，測定HCOO-和CH3COO-的相對標準偏差和加標回收率完全符合降水監測的要求。本實驗是以弱電解質溶液Na2B4O7為淋洗液，通過電導檢測器和離子分離柱，對降水中的HCOO-與CH3COO-進行了定量分析。該方法操作簡便、快速、靈敏度高、準確度高等優點。

3 結語

學生通過查閱大量文獻資料，結合現有設備和具體的實際問題，分析和整理相關的文獻資料，提煉出了和本實驗相關的重要知識點，完成了離子色譜法測定大氣降水中甲酸和乙酸的實驗方案設計，通過對實驗結果的合理分析和總結，加強和提高了學生對實驗結果的分析能力。本次教學實驗是一次將生產實踐、教學、科學研究成功相結合的有益嘗試，取得了良好的教學實驗效果。