蔣　倩，韓　勇，孫曉麗，龔　華，錢　薇，陸國(guó)興

（1 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所），南京　210008；2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京　100049）

?

離子色譜法和毛細(xì)管電泳法測(cè)定土壤中氯離子、硫酸根及其差異性①

蔣倩1，2，韓勇1，孫曉麗1，龔華1，錢薇1，陸國(guó)興1

（1 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所），南京210008；2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049）

摘要：分別采用離子色譜法（IC）、毛細(xì)管電泳法（CE）兩種儀器方法對(duì)不同pH土壤中Cl-、?含量進(jìn)行測(cè)定，并對(duì)其結(jié)果進(jìn)行差異性分析。結(jié)果顯示：參照標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的參考值（滴定法），IC與CE測(cè)定值的準(zhǔn)確度、回收率均滿足實(shí)驗(yàn)分析要求，但精密度差異較大，IC（RSD， 3.61%）的穩(wěn)定性優(yōu)于CE （RSD， 8.97%）。據(jù)差異性（F與t檢驗(yàn)）分析，兩種儀器方法測(cè)定酸性土壤中 Cl-、?含量存在顯著性差異，而堿性、中性土壤的測(cè)定結(jié)果保持一致。對(duì)比4個(gè)被測(cè)樣品基本性質(zhì)發(fā)現(xiàn)，酸性土壤的pH與離子強(qiáng)度均低于其他樣品，從而影響了石英毛細(xì)管的電滲流，最終改變了CE分離過程，這可能是Cl-結(jié)果偏離的主要因素。同時(shí)，對(duì)于IC，酸性土壤較中性、堿性土壤更易由于離子交換效應(yīng)產(chǎn)生次級(jí)保留（拖尾）。此外，采用堿性分離體系分離酸性樣品易形成結(jié)晶，從而導(dǎo)致?含量的偏離?？梢?，兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。但是，IC較經(jīng)典，而CE是一種新興的儀器方法。測(cè)定像土壤這樣基體較復(fù)雜的樣品（特別是酸性土壤）中陰離子的儀器條件還需要進(jìn)行更多摸索與優(yōu)化，以促進(jìn)這兩種方法在土壤領(lǐng)域的推廣與應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：離子色譜；毛細(xì)管電泳；土壤；氯離子；硫酸根

氯離子（Cl-）、硫酸根）是土壤可溶鹽的主要組成部分，也是陰離子含量監(jiān)測(cè)的必需指標(biāo)。它們的測(cè)定方法主要有化學(xué)滴定法（分別常用硝酸銀滴定法、EDTA間接滴定法等）［1-2］和儀器測(cè)定法（離子色譜法，以下簡(jiǎn)稱 IC；毛細(xì)管電泳法，以下簡(jiǎn)稱CE）［3-5］。前者的不足主要表現(xiàn)為：工作量大、操作繁瑣、滴定終點(diǎn)難控制（易受指示劑顏色與自然光線變化的影響）以及試劑引起的環(huán)境問題等。相比之下，后者克服了以上不足，并且具有分析速度快、準(zhǔn)確度高、精密度高的特點(diǎn)。目前，IC是測(cè)定Cl-、SO42-含量的常用方法［6］，也較廣泛應(yīng)用于土壤領(lǐng)域［7］，但是 CE的報(bào)道卻相對(duì)較少［8-9］，更鮮有兩種方法的對(duì)比研究。本文分別采用 IC與 CE測(cè)定了不同pH土壤樣品中的Cl-、含量，系統(tǒng)地對(duì)比了這兩種色譜方法儀器運(yùn)行參數(shù)、準(zhǔn)確度、精密度、回收率并對(duì)測(cè)定結(jié)果進(jìn)行差異性分析。同時(shí)，與滴定法的參考值進(jìn)行對(duì)比，以期提供不同分析方法在土壤領(lǐng)域應(yīng)用上的選擇依據(jù)，最終促進(jìn)各種方法的應(yīng)用推廣。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1儀器、試劑和材料

DX-500 離子色譜，美國(guó)戴安公司；P/ACE-MDQ毛細(xì)管電泳，美國(guó)貝克曼庫(kù)爾特公司；HZ-9310K全溫恒溫振蕩器，江蘇太倉(cāng)市華利達(dá)實(shí)驗(yàn)設(shè)備公司；KQ-600E超聲波，昆山市超聲儀器有限公司；HH-8數(shù)顯恒溫水浴鍋，國(guó)華電器有限公司；RJ-TDL-5A低速大容量臺(tái)式離心機(jī)，常州諾基儀器有限公司；CP100W X超高速離心機(jī)，日本日立公司；彈性石英毛細(xì)管，永年銳灃色譜器材有限公司。

Cl-、標(biāo)準(zhǔn)溶液：1 000 mg/L，購(gòu)自國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)研究中心；淋洗液：4.5 mmol/L Na2CO3（AR，南京化學(xué)試劑有限公司）與1.0 mmol/L NaHCO3（AR，南京化學(xué)試劑有限公司）混合溶液；陰離子分析緩沖溶液包（A53537）購(gòu)自美國(guó)貝克曼公司。

供試驗(yàn)的土壤標(biāo)準(zhǔn)樣品均購(gòu)自中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所。其基本性質(zhì)數(shù)據(jù)由標(biāo)準(zhǔn)樣品附帶證書提供（表1）。

表1　供試土壤標(biāo)準(zhǔn)樣品基本性質(zhì)Table 1　Basic characteristics of standard soils used in this study

1.2色譜條件

IC：電流，50 mA；淋洗流速，1.2 ml/min；進(jìn)樣定量環(huán)，25 μl；時(shí)間，15 min；色譜柱，Dionex IonPac AS14型分析柱（4 × 250 mm），IonPac AG14型保護(hù)柱（4 × 50 mm）；抑制器，ASRS-ULTRA II 4-mm；電導(dǎo)檢測(cè)器。

CE：分離電壓，25 kV；分離壓力，20 psi；時(shí)間，5 min；正電源；熔融石英毛細(xì)管，75 μm I．D．× 62 cm；254 nm固定波長(zhǎng)；紫外檢測(cè)器。

1.3樣品預(yù)處理

1.3.1待測(cè)液的浸提稱取 50.00 g風(fēng)干土壤樣品（10目）于500 ml塑料提取瓶中，加入無CO2純水250 ml，蓋好瓶蓋，放入振蕩器振蕩210 r/min，3 min。浸提液經(jīng)離心（4 900 r/min，10 min）、過濾紙，然后經(jīng)高速離心（15 000 r/min，20 min）、過0.22 μm濾膜，盛裝于塑料瓶中［10-11］，待測(cè)［6］。

1.3.2配制Cl-、SO42-混合標(biāo)準(zhǔn)曲線首先，用純水稀釋Cl-、SO42-標(biāo)準(zhǔn)溶液至100 mg/L。其次，從100 mg/L Cl-標(biāo)準(zhǔn)溶液中分別移取 0.50、1.50、2.50、5.00、7.50 ml至5個(gè)50 ml容量瓶中，同時(shí)，從100 mg/L SO42-標(biāo)準(zhǔn)溶液中分別移取 2.50、5.00、7.50、10.0、15.0 ml至上述5個(gè)容量瓶中。最后，用純水定容，即得含Cl-1.00、3.00、5.00、10.0、15.0 mg/L系列及含SO42-5.00、10.0、15.0、20.0、30.0 mg/L系列混合標(biāo)準(zhǔn)溶液。

1.4質(zhì)量控制

本實(shí)驗(yàn)質(zhì)量控制通過測(cè)定F-、Cl-、SO42-與NO3-混合標(biāo)樣（GSB 07-1381-2001，204715）來實(shí)現(xiàn)，其中Cl-、SO42-的參考值分別為（8.48 ± 0.66） mg/L、（19.9 ± 0.9） mg/L，購(gòu)自國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局標(biāo)準(zhǔn)樣品研究所。此標(biāo)樣用于監(jiān)測(cè)在分析測(cè)試過程中儀器的穩(wěn)定性，以確保測(cè)定數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

1.5數(shù)據(jù)處理

采用 Excel 2013 和 SPSS 16.0 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和方差分析（Duncan），差異顯著性水平P＜0.05。

2　結(jié)果與討論

2.1兩種儀器方法的基本原理與運(yùn)行基本參數(shù)對(duì)比

IC基本原理是離子交換平衡，即以低容量的離子交換樹脂為固定相，淋洗液為流動(dòng)相，待測(cè)樣品溶液的各離子與樹脂上能游動(dòng)的離子之間進(jìn)行可逆交換，依據(jù)各離子對(duì)交換劑的親和力不同而被分離。這種差異通過電導(dǎo)檢測(cè)器在線連續(xù)檢測(cè)各流出物的保留時(shí)間而記錄下來，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、色譜圖的采集［4］。CE亦叫高效毛細(xì)管電泳（HPCE）。CE分離過程是典型的差速運(yùn)動(dòng)，是離子或帶電粒子以石英毛細(xì)管為分離通道，以高壓電場(chǎng)為驅(qū)動(dòng)力，基于樣品中各組分之間的淌度和分配行為上的差異而實(shí)現(xiàn)分離［5］。CE是近年發(fā)展速度最快的分離技術(shù)之一。IC與CE均可以對(duì)土壤中Cl-、SO24-進(jìn)行定量分析。

從表 2數(shù)據(jù)可知，在本實(shí)驗(yàn)條件下，IC與 CE測(cè)定Cl-（1.00 ～ 15.0 mg/L）、SO42-（5.00 ～ 30.0 mg/L）具有較好的線性關(guān)系，R2均達(dá)到0.999，能夠滿足對(duì)樣品準(zhǔn)確的定量分析。根據(jù)公式（3×噪音×濃度/峰高）計(jì)算檢出限，結(jié)果顯示：IC較CE具有更靈敏的檢出限，這與Stahl［12］報(bào)道一致，并且本研究的IC靈敏度較該文報(bào)道值更加優(yōu)異。

表2　兩種方法測(cè)定Cl-、SO24-基本參數(shù)對(duì)比Table 2　Comparison of basic parameters of chloride and sulfate determined respectively by IC and CE

2.2兩種儀器方法的精密度對(duì)比

分別采用IC、CE對(duì)同一標(biāo)準(zhǔn)樣品新疆灰鈣土進(jìn)行9次測(cè)量，其結(jié)果見表3。IC測(cè)定土壤中Cl-含量的RSD為3.61%，優(yōu)于CE的8.97%。同時(shí)，也分別對(duì)同一待測(cè)液 SO42-進(jìn)行了測(cè)定，其 RSD分別為2.98%、4.80%。這些結(jié)果與李立平等［8］報(bào)道相同。據(jù)此，兩種方法均具有較高的精密度。

2.3兩種儀器方法的加標(biāo)回收率對(duì)比

本研究對(duì)兩種方法測(cè)定Cl-、SO42-進(jìn)行了回收實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見表4。IC測(cè)定Cl-、SO42-的回收率分別為105% ～ 110%、104% ～ 108%；CE則分別為83.0% ～91.8%、109% ～ 115%。據(jù)此，IC回收率的RSD值同樣優(yōu)于CE。從回收率數(shù)據(jù)看，兩種方法均滿足分析要求。

表3　兩種方法測(cè)定標(biāo)樣（ASA-8）Cl-、SO24-精密度對(duì)比Table 3　Comparison of the precision of chloride and sulfate in standard soil （ASA-8） determined respectively by IC and CE

表4　兩種方法測(cè)定Cl-、SO42-加標(biāo)回收率對(duì)比Table 4　Comparison of recovery of chloride and sulfate in soils determined respectively by IC and CE

2.4兩種儀器方法測(cè)定結(jié)果對(duì)比

2.4.1兩種儀器方法與標(biāo)準(zhǔn)參考值（以 STD表示）對(duì)比圖1 ～ 2中，不同pH土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中Cl-含量即參考值源自證書提供（表1），分別采用常規(guī)的硝酸銀滴定法、EDTA滴定法測(cè)定［13］。其標(biāo)準(zhǔn)偏差（SD）均比較大，是由于組織定值方統(tǒng)計(jì)多家單位檢測(cè)結(jié)果所致。參照此值，本文IC與CE兩種儀器法測(cè)定結(jié)果均在所給定參考值的1 ～ 2倍標(biāo)準(zhǔn)偏差的正負(fù)誤差范圍內(nèi)，但是測(cè)定結(jié)果及誤差都存在較大差異。顯然，IC較CE的儀器穩(wěn)定性更具有優(yōu)勢(shì)。但是兩者測(cè)定結(jié)果是否存在差異則需要進(jìn)行顯著性分析。

2.4.2兩種儀器方法的顯著性檢驗(yàn)采用 F檢驗(yàn)法和 t 檢驗(yàn)法分別對(duì)本研究 IC、CE測(cè)定中性土壤（ASA-1a）、堿性土壤（ASA-2a，ASA-3a）以及酸性土壤（ASA-5a） Cl-及SO42-含量進(jìn)行差異性檢驗(yàn)，結(jié)果見表5。由表5可知，當(dāng)兩法測(cè)定結(jié)果的方差齊性Levene檢驗(yàn) P＞0.05，可認(rèn)為兩方差齊性，應(yīng)選用“假設(shè)方差相等”（即“Y”）行的t檢驗(yàn)結(jié)果，按α＝0.05顯著水平，當(dāng)P＞0.05（雙側(cè)），兩法測(cè)定結(jié)果一致，當(dāng)P＜0.05（雙側(cè)），兩法測(cè)定結(jié)果不一致；當(dāng)兩法測(cè)定結(jié)果的方差齊性Levene檢驗(yàn)P＜0.05，可以認(rèn)為兩方差不齊，應(yīng)選用“假設(shè)方差不相等”（即“N”）行的t檢驗(yàn)結(jié)果，按α＝0.05顯著水平，當(dāng)P＞0.05（雙側(cè)），兩法測(cè)定結(jié)果一致，當(dāng)P＜0.05（雙側(cè)），兩法測(cè)定結(jié)果不一致。

圖1　兩種方法測(cè)定Cl-含量與STD值對(duì)比（n = 3）Fig. 1　Comparison of soil chloride contents determined by IC，CE and STD

圖2　兩種方法測(cè)定SO24-含量與STD值對(duì)比（n=3）Fig. 2　Comparison of soil sulfate content determined by IC，CE and STD

由SPSS輸出結(jié)果可以看出，兩種方法測(cè)定中性及堿性土壤Cl-及SO42-含量無顯著性差異。但是，對(duì)于酸性土壤，其t統(tǒng)計(jì)量（在方差相等時(shí)）的相伴概率0.003、0.019均小于顯著性水平0.05，接受t檢驗(yàn)的零假設(shè)?？梢?，兩種方法的測(cè)定含量存在顯著性差異。另外，兩個(gè)樣本均值差的95%置信區(qū)間未跨0，這也表明顯著性差異的存在。結(jié)合圖1，CE測(cè)定Cl-偏離于IC與參考值。結(jié)合圖2，IC測(cè)定SO42-偏離于CE與參考值。這種差異與李立平等［8］報(bào)道的類似。

表5　兩種方法測(cè)定土壤Cl-、SO42-含量的顯著性檢驗(yàn)（α=0.05）Table 5　Significance analysis of chloride and sulfate contents in soils determined respectively by IC and CE

ASA-5a為取自江西的紅壤，其pH、CEC及主要水溶性陰、陽離子均低于其他3個(gè)標(biāo)樣（表1）。一方面，對(duì)于CE，pH越高，電滲流越大。離子強(qiáng)度越高，電滲流越小，而這兩者對(duì)電滲流的交互影響是難以定量的［14］。本研究采用儀器公司提供陰離子分析包，表面活性劑CTAB（十六烷基三甲溴化銨）更易溶解于堿性環(huán)境。而電滲流的大小及極性不僅依賴于CTAB的濃度，還依賴于分離電解的背景的組成成分，它們之間的相互作用存在競(jìng)爭(zhēng)性、復(fù)雜性及整體性［15］。只有通過具體實(shí)驗(yàn)的摸索才能找出最佳條件。這些可能是CE測(cè)定酸性土壤Cl-偏離于IC與參考值的主要原因。另一方面，對(duì)于IC，引起SO24-定量偏差的因素常有金屬離子、離子交換效應(yīng)以及結(jié)晶作用［16］。本研究通過測(cè)定振蕩提取水溶性金屬離子含量（表 1），排除其是引起偏差的主要原因。相反，在本實(shí)驗(yàn)中，質(zhì)子化的樣品分子更易與色譜柱中離子化的硅酸發(fā)生離子交換產(chǎn)生次級(jí)保留（拖尾）。此外，IC采用的堿性分離體系（淋洗液為碳酸鈉與碳酸氫鈉混合溶液）在分離酸性樣品時(shí)更易形成結(jié)晶。這兩者可能是引起 SO42-偏離的主要原因。因此，這兩種儀器對(duì)酸性土壤Cl-、SO42-的測(cè)定結(jié)果存在差異是各自不同分離原理所引起，具有必然性。但是，可以通過摸索實(shí)驗(yàn)條件來降低這些不利的干擾，這是本研究下一步的工作。

3　結(jié)論

參照標(biāo)準(zhǔn)參考值，本研究?jī)煞N儀器方法的準(zhǔn)確度、精密度以及回收率都能夠滿足實(shí)驗(yàn)分析的要求，可廣泛應(yīng)用于中性、堿性土壤中Cl-、SO42-含量的分析，其測(cè)定結(jié)果保持一致。但是，受酸性土壤基體的影響，其測(cè)定結(jié)果存在顯著性差異。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 魯如坤主編. 土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法［M］. 北京： 中國(guó)農(nóng)業(yè)科技出版社， 2000

［2］ 戚冰潔， 汪吉東， 張永春， 等. 甘薯不同氯離子測(cè)定方法的比較研究［J］. 土壤學(xué)報(bào)， 2013， 50 （3）： 154-160

［3］王戰(zhàn)， 李向全， 王振興， 等. 青海省魚卡-大柴旦盆地土壤鹽分特征［J］. 土壤， 2015， 47（4）： 819-822

［4］ 牟世芬， 劉克納. 離子色譜方法及應(yīng)用［M］. 北京： 化學(xué)工業(yè)出版社， 2000

［5］ 陳義. 毛細(xì)管電泳技術(shù)及應(yīng)用［M］. 北京： 化學(xué)工業(yè)出版社， 2000： 48-52

［6］ 國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局. 水質(zhì)－無機(jī)陰離子的測(cè)定－離子色譜法（HJ/T 84-2001）［S］. 2001

［7］ 高超， 王瑩， 杜濤， 康萬利， 等. 離子色譜測(cè)定土壤中Cl-和SO24-［J］. 光譜實(shí)驗(yàn)室， 2010， 27（5）： 1 840-1 843

［8］ 李立平， 張佳寶， 朱安寧， 等. 土壤無機(jī)陰離子的毛細(xì)管電泳分析［J］. 土壤學(xué)報(bào)， 2004， 41（6）： 881-888

［9］ 李立平， 張佳寶， 邢維芹， 等. 無機(jī)離子的毛細(xì)管電泳分析及其在土壤上的應(yīng)用［J］. 土壤， 2004， 36（5）： 468-475

［10］ 國(guó)家農(nóng)業(yè)部. 土壤檢測(cè) 第 17部分： 土壤氯離子含量的測(cè)定（NY/T 1121.17-2006） ［S］. 北京： 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006

［11］ 國(guó)家農(nóng)業(yè)部. 土壤檢測(cè) 第 18部分： 土壤硫酸根離子含量的測(cè)定（NY/T 1121.18-2006） ［S］. 北京： 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社， 2006

［12］ Stahl R. Routine determination of anions by capillary electrophoresis and ion chromatography［J］. Journal of Chromatography A， 1994， 686： 143-148

［13］ 全國(guó)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)中心編. 土壤分析技術(shù)規(guī)范［M］. 2版. 北京： 中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社， 2006

［14］ Pacáková V， ?tulík K. Capillary electrophoresis of inorganic anions and its comparison with ion chromatography［J］. Journal of Chromatography A， 1997， 789： 169-180

［15］ Beckers J L， Bocek P. Multiple effect of surfactants used as additives in background electrolytes in capillary zone electrophoresis： Cetyltrimethylammonium bromide as example of model surfactant［J］. Electrophoresis， 2002， 23：1 947-1 952

［16］ 吳方迪. 色譜儀器維護(hù)與故障排除［M］. 北京： 化學(xué)工業(yè)出版社， 2001： 174-177

Study on the Determination and Its Difference Analysis of Chloride and Sulfate in Different Soils by Ion Chromatography and Capillary Electrophoresis

JIANG Qian1，2， HAN Yong1， SUN Xiaoli1， GONG Hua1， QIAN Wei1， LU Guoxing1
（1 State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture （Institute of Soil Science， Chinese Academy of Sciences）， Nanjing 210008， China； 2 University of Chinese Academy of Sciences， Beijing100049， China）

Abstract：Chloride and sulfate in different soil samples with various pH were determined with Ion Chromatography （IC）and Capillary Electrophoresis （CE）， respectively. The results showed that these two methods both worked well as the measured values of chloride and sulfate were consistent with these obtained with the standard titration method， but the relative standard deviation in measurements of CE （8.97%） was greater than that of IC （3.61%）. The statistical F-test and t-test showed that there was no significant difference on the measurements between the two methods for alkaline and neutral soils， but the significant difference was observed for the acid soil of ASA-5a. The lower pH and ionic strength of ASA-5a affected the electroosmotic flow （EOF） of fused silica capillary and changed the separation process of anions in CE， thus caused bigger deviation of measured chloride than other methods， i.e. IC and titration method. Meanwhile， acid soil samples could bring secondary retention of ions in IC measurements compared with other soils. Moreover， alkali eluent caused the formation of crystallization in separation process of acid soil samples with IC， which led to a bigger deviation of measured Sulfate than other methods， i.e. CE and titration methods. Therefore， CE and IC methods have their own merits and demerits. CE is a new method for measurements of soil chloride and sulfate， and more studies should be conducted to improve experimental conditions in the future， especially for acid soils.

Key words：Ion Chromatography； Capillary Electrophoresis； Soil； Chloride； Sulfate

中圖分類號(hào)：S151.9

DOI：10.13758/j.cnki.tr.2016.02.020

基金項(xiàng)目：①中國(guó)科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新工程領(lǐng)域前沿項(xiàng)目（12201415143200000）資助。

作者簡(jiǎn)介：蔣倩（1980—），女，貴州思南人，博士研究生，工程師，主要從事土壤儀器分析及方法研究。E-mail： qjiang@issas.ac.cn.