楊占強, 張芳芳, 韓春霞, 鄭洪國

(1. 賽默飛世爾科技(中國)有限公司, 上海 201203; 2. 賽默飛世爾科技(中國)有限公司, 四川 成都 610023)

自從Small等[1]首次提出現(xiàn)代離子色譜概念以來,離子色譜已被廣泛應用于陰、陽離子等離子型化合物的檢測[2-4]。目前抑制電導檢測模式已逐漸成為離子色譜領域的主要發(fā)展趨勢[5-7]。但抑制型離子色譜法并不適用于pKa>7的弱酸。因為在抑制模式中,常用的氫氧根淋洗液經(jīng)過抑制后的產(chǎn)物為水,會將待測物周圍環(huán)境從堿性變成中性,從而導致pKa>7的弱酸電離程度極大的減弱,不利于電導檢測器的測定。因此針對pKa>7的弱酸常用其他方式進行檢測,如非抑制電導法[8,9]和柱后衍生紫外檢測法[10]等。

硼在自然界中主要以硼酸和硼酸鹽的形式存在。最新的《生活飲用水衛(wèi)生標準》(GB 5749-2022)規(guī)定硼的含量需小于1.0 mg/L;許多國家和組織也制定了相應的標準,如歐盟規(guī)定飲用水中硼的限值為1.0 mg/L,新西蘭飲用水標準中硼的限值為1.4 mg/L。因此,隨著硼工業(yè)的發(fā)展及人們對水中硼污染重視的提高,水中硼含量的檢測越來越引起人們的廣泛關注?，F(xiàn)有已發(fā)表的文獻中關于礦泉水中硼酸含量測定的方法主要有甲亞胺-H或姜黃素分光光度法[11]、電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法[12,13]、離子色譜法[14]等。甲亞胺-H分光光度法和姜黃素分光光度法均需要對硼酸進行衍生化操作,操作步驟繁瑣,尤其是樣品量比較大時,這兩種方法耗時較多?，F(xiàn)行標準DB51/T 1698-2013中推薦使用離子排斥色譜法測定樣品中的硼酸,該方法能夠有效減小強電離離子化合物對硼酸測定的干擾,但選擇性相對較差,小分子有機酸與硼酸出峰相近甚至共洗脫,從而易對硼酸的定性定量造成干擾。

硅是人體所必需的微量元素,一般以偏硅酸的形式存在于水中,對人體有益。GB 8537-2018 《食品安全國家標準 飲用天然礦泉水》將偏硅酸列為礦泉水七項界限指標之一。傳統(tǒng)的硅酸鹽檢測方法主要有氫氟酸轉(zhuǎn)化分光光度法、重量法、氣體分割連續(xù)流動光度分析[15,16]等,而國標GB 8538-2022中的方法則是采用硅鉬黃分光光度法和硅鉬藍分光光度法檢測偏硅酸。由于這些方法存在操作繁瑣、消耗試劑量大、污染環(huán)境等缺點,新的分析方法不斷地被建立。

離子色譜是分離陰、陽離子的首選方案,不少學者嘗試考慮用離子色譜法來測定樣品中的硅酸鹽[8-10,17-21]。薛京昌等[18]分別采用抑制型-紫外柱后衍生法、非抑制型-紫外柱后衍生法測定礦泉水中的硅酸鹽含量,紫外柱后衍生法在不同程度上存在操作復雜、費時費力等問題。劉肖等[19]利用AS11-HC作為分析柱,淋洗液發(fā)生器在線產(chǎn)生KOH梯度淋洗測定礦泉水中的硅酸鹽,該報道僅針對單一硅酸鹽的檢測。Dasgupta等[20]采用雙電導檢測器串聯(lián)的方式實現(xiàn)對常規(guī)陰離子和弱有機酸的同時檢測,其第一個電導檢測器為標準的抑制型電導檢測系統(tǒng),在兩個電導檢測器之間增加一個自制的交換單元從而實現(xiàn)在進入第二個電導檢測器之前對流動相加堿的功能。在堿性條件下,有機弱酸的解離程度增加,信號增強。但由于第二個檢測器前死體積較大,易導致色譜峰擴散,有機酸轉(zhuǎn)換效率較低,信號增強程度有限,同時也缺少商品化的交換單元,因此該方法未得到普及。

通常測定硼酸采用離子排斥色譜法,測定硅酸根采用柱后衍生紫外法。因此傳統(tǒng)方法不能實現(xiàn)同時對水質(zhì)中硅酸根和硼酸含量的測定?？紤]到硼酸(pKa=9. 24)和偏硅酸(pKa=9. 77)均為極弱酸,在堿性條件下有一定解離,雖不能用抑制型離子色譜法測試,但在離子色譜柱上仍有保留。故本文采用非抑制型離子交換色譜法,通過優(yōu)化色譜柱和淋洗液條件,實現(xiàn)硼酸和偏硅酸的同時檢測分離。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

DionexTMInuvion Core離子色譜儀、DionexTMAS-DV自動進樣器、DionexTMIC PureTM水純化系統(tǒng)、Fisher ScientificTM11203超聲波清洗器、Thermo ScientificTMChromeleonTM色譜分析數(shù)據(jù)系統(tǒng)(CDS)軟件均為賽默飛世爾科技有限公司產(chǎn)品。

九水合硅酸鈉(Na2SiO3·9H2O,純度98%)、硼酸(H3BO3,純度99.5%,)、甘露醇(C6H14O6, 純度98%)均購自Merck公司;50%氫氧化鈉水溶液(賽默飛世爾科技有限公司);實驗所用其他試劑均為分析純;實驗用水均為去離子水(18.2 MΩ·cm)。

1.2 離子色譜條件

色譜柱:Dionex IonPacTMAG20保護柱(50 mm×4 mm)+Dionex IonPacTMAS20色譜柱(250 mm×4 mm);淋洗液:6 mmol/L氫氧化鈉溶液+60 mmol/L甘露醇;流速:1.0 mL/min;進樣體積:50 μL;柱溫:30 ℃。

1.3 標準溶液與淋洗液的配制

準確稱取0.375 g Na2SiO3·9H2O,溶于80 mL水中,并定容至100 mL,制得1 000 mg/L的SiO32-標準溶液。

準確稱取0.1 g H3BO3,溶于80 mL水中,并定容至100 mL,制得1 000 mg/L的H3BO3標準溶液。

稱取10.9 g甘露醇置于1 000 mL容量瓶中,加水溶解;加入0.31 mL 50%氫氧化鈉溶液,充分混勻溶解后加水稀釋至刻度線,制得淋洗液,備用。

1.4 實際樣品的前處理

樣品過0.22 μm水系濾膜后直接進樣分析。

2 結果與討論

2.1 色譜柱及流動相選擇

在離子色譜系統(tǒng)中淋洗液的組成及其濃度對目標化合物的保留影響重大。用于陰離子分析的流動相主要包括氫氧化物、碳酸鹽-碳酸氫鹽體系等,考慮到碳酸鹽-碳酸氫鹽的洗脫能力較強,硼酸和偏硅酸較難保留。另一方面,硼酸和偏硅酸的pKa值與碳酸-碳酸氫鹽體系的緩沖pH范圍較為接近,可能會對其電離產(chǎn)生影響。故綜合以上兩點,本研究采用氫氧根體系作為淋洗液。

首先考察了Dionex IonPacTMAS20、Dionex IonPacTMAS11-HC、Dionex IonPacTMAS19色譜柱的分離效果。Dionex IonPacTMAS20色譜柱親水性較好,柱容量較大,采用較低濃度淋洗液即可將偏硅酸和硼酸與常規(guī)離子實現(xiàn)分離,且分離度良好(見圖1)。在非抑制模式中,背景電導通常與淋洗液濃度成正比,低濃度淋洗液則具有較低的基線背景,對待測物來講可獲得更低的檢出限。Dionex IonPacTMAS11-HC柱容量雖然與Dionex IonPacTMAS20相差不大,但Dionex IonPacTMAS11-HC柱親水性相對較差,主要用于常規(guī)陰離子及有機酸分析。Dionex IonPacTMAS19柱容量適中,主要用于鹵氧化物、鹵代乙酸的分析,雖然硼酸和偏硅酸也可實現(xiàn)分離,但分離度相對較小。故綜合考慮,本研究采用Dionex IonPacTMAS20作為實驗分析柱。在該非抑制模式下,信號峰為倒峰。為方便對比和定量數(shù)據(jù)獲取,通過極性切換方式將倒峰轉(zhuǎn)化為正峰。

圖1 IonPacTM AS20色譜柱分離硼酸和偏硅酸的色譜圖Fig. 1 Chromatogram of the boric acid and silicic acid using IonPacTM AS20 column

根據(jù)文獻[22]報道,硼酸可以與多羥基化合物進行絡合,從而形成比硼酸酸性更強的絡合酸,從而有利于硼酸的測定。因此本實驗在氫氧化鈉流動相的基礎上分別考察了不同濃度的甘露醇對實驗結果的影響,見圖2。實驗結果表明,當甘露醇濃度為0 mmol/L時,硼酸在偏硅酸后邊洗脫,峰擴散嚴重,半峰寬較大,不利于定性定量分析;當添加30 mmol/L甘露醇時,硼酸與流動相中甘露醇進行絡合配位,形成更加穩(wěn)定的陰離子,表現(xiàn)為硼酸在偏硅酸前面出峰,但其色譜峰形前伸,存在肩峰現(xiàn)象,其原因推測為硼酸與甘露醇形成配位比不同的混合物;而當進一步增大甘露醇濃度至60 mmol/L時,硼酸和偏硅酸保留時間基本變化不大,但硼酸的色譜峰峰形得到較好的改善;繼續(xù)增加甘露醇的濃度,硼酸色譜峰基本不變。故最終確定流動相中甘露醇的濃度為60 mmol/L。

2.2 方法學考察

2.2.1標準曲線及重復性

用超純水配制不同濃度的SiO32-和硼酸系列標準工作溶液,在選定的色譜條件下進樣分析,以目標物的峰面積(y, μS·min)為縱坐標,標準溶液質(zhì)量濃度(x, mg/L)為橫坐標,建立標準曲線。硼酸和SiO32-的線性范圍、線性方程和相關系數(shù)(R)見表1?？梢钥闯?SiO32-和硼酸在選定的濃度范圍內(nèi)均具有良好的線性,R為 0.999 9。

表1 硼酸和SiO32-的線性范圍、回歸方程、相關系數(shù)Table 1 Linear ranges, regression equations and correlation coefficients (R) of boric acid and silicate

重復性是判斷分析方法是否適用的重要指標之一。本文選取10 mg/L的硼酸和SiO32-連續(xù)進樣9次,硼酸和SiO32-保留時間的相對標準偏差(RSD)≤0.09%,峰面積RSD≤0.21%,進一步說明儀器方法具有良好的穩(wěn)定性,具體重復性結果見表2。

表2 硼酸和SiO32-定性、定量的重復性(n=9)Table 2 Repeatabilities of boric acid and silicate (n=9)

2.2.2檢出限和定量限

分別以信噪比(S/N)等于3和10所對應的目標物濃度作為儀器檢出限和儀器定量限[3]。當樣品水直接進樣分析,儀器檢出限和儀器定量限即為水中SiO32-和硼酸的方法檢出限和定量限(見表3)。

表3 硼酸和SiO32-的儀器檢出限、儀器定量限、方法檢出限和方法定量限Table 3 Instrument detection limits (IDLs), instrument quantitation limits (IQLs), method detection limits (MDLs), method quantitation limits (MQLs) of boric acid and silicate

2.2.3加標回收率和精密度

本方法選擇市售礦泉水作為本底樣品,分別對SiO32-和硼酸進行不同濃度等級的低中高三水平加標測試;考慮到樣品中硼酸未檢出,故對硼酸又進行了定量限水平的加標試驗。結果表明,SiO32-和硼酸的平均回收率均為97.3%～105.3%,證明該方法的準確度較高;檢測結果的RSD均在0.9%以內(nèi),證明該方法穩(wěn)定性好。詳細結果見表4所示。

表4 礦泉水樣品中硼酸和SiO32-在不同添加水平下的回收率和相對標準偏差(n=6)Table 4 Recoveries and relative standard deviations (RSDs) of boric acid and silicate in a mineral water sample at different spiked levels (n=6)

2.2.4實際樣品測定

在優(yōu)化的實驗條件下,選取9種市售飲用礦泉水作為分析樣品進行實驗,不同的飲用礦泉水中偏硅酸含量相差較大,但均未檢測到硼酸的存在,具體實驗結果見表5,檢出偏硅酸的飲用礦泉水中偏硅酸的含量均與其商標中標示值范圍一致。

表5 礦泉水樣品中偏硅酸和硼酸的測定結果Table 5 Determination results of silicic acid and boric acid in mineral water

3 結論

建立了一種利用非抑制型離子色譜同時測定水中硼酸和偏硅酸含量的方法。與傳統(tǒng)檢測方法相比,本方法通過一針進樣即可獲得水中硼酸和偏硅酸的含量。該方法前處理簡單,無需柱后衍生,減少了工作量,降低了成本。此外,目前較為通用的純水標準中也都明確規(guī)定了偏硅酸、硼酸的含量,尤其是電子級超純水中,對偏硅酸和硼酸的要求更為苛刻。鑒于其含量相對較低,故本方法應用在超純水中還需進一步優(yōu)化條件。