离子色谱法测定化肥中的无机阴离子和三聚氰胺

梁 晨，彭 浩，郑秀瑾，邵光印，张锦梅，张苗苗

（1.青岛盛瀚色谱技术有限公司，山东 青岛 266101；2.湖南省娄底市生态环境监测中心，湖南 娄底 417000）

近些年来，中国的化肥使用量逐渐增加，单位面积使用化肥量也在逐渐增加，高于世界的平均水平［1］。使用化肥能够增加土壤的肥力，为植物生长提供更好的营养环境，从而提高农产品的数量和质量。但是不当的施用肥料也带来了诸多的环境影响。肥料中存在的离子有F-、Cl-、Br-、NO2-、NO3-、I-、SCN-等无机阴离子，不仅会对农作物的生长有影响，还会对环境及人体健康有诸多的危害。常用的诸如硫酸法制磷肥，磷矿石中的部分氟会带入磷肥，从而在使用过程中转入土壤或被植物吸收，对环境或人体有伤害［2］；化肥中的氯离子超标会对植物生长有抑制作用，已有复混肥中氯离子超临界值引起农作物烧苗、土壤板结等报道［3，4］，另国家肥料标准规定氯离子的质量分数大于3.0%时需要标明慎用［5，6］；化肥中过量的溴离子会渗透到地下水中，而水体中溴离子含量过高会在消毒处理后生成致癌物［7-9］；亚硝酸盐是公认的致癌物质，硝酸根经过植物自身代谢及微生物降解后会转化为亚硝盐，它是致癌物亚硝胺的前身，同时亚硝酸进入人体有可能引起高铁血红蛋白症［10］；用煤气和炼焦厂的副产品生产的硫酸铵肥料中含有SCN-，施肥后，会污染土壤水源和植物，硫氰酸盐进入人体后，会出现神经系统抑制，代谢性酸中毒及心血管系统不稳定等［11，12］；I-作为一种人体必需元素，是机体合成甲状腺激素必不可少的原料，但是过量的碘离子会出现甲亢及甲亢有关的自身免疫性甲状腺疾病［13］；三聚氰胺俗称密胺、蛋白精，是一种三嗪类含氮杂环有机化合物，其含氮量高达66.6%，在20世纪80年代就已经有三聚氰胺作为肥料的报道［14］。但经过研究，植物对三聚氰胺中氮肥的利用率低，三聚氰胺作为有机氮源可以直接以三聚氰胺分子形式被植物叶片和根系吸收，并在植株中形成残留，危害植物性农产品安全，导致植物性农产品受到三聚氰胺的污染［15，16］。2017年10月27日，世界卫生组织国际癌症研究机构公布的致癌物清单，三聚氰胺在2B类致癌物清单中［17］。

为了能够准确定量化肥中的无机阴离子和三聚氰胺，减轻对水源、土壤等的环境危害，达到对生产过程的控制及环境的保护、保证农作物正常安全生长、维护消费者健康等目的，从而建立了检测化肥中阴离子和三聚氰胺的方法。目前测定化肥中阴离子已有硫氰酸铵滴定法［18］、分光光度法［19］、离子选择电极法［20］等，也有离子色谱与ICP-MS联用的报道［21］，这些方法大部分都操作繁琐，试验周期长，有干扰，并且难以测试多种离子。目前测定三聚氰胺的方法已有农业部标准NY/T 13722-2007中的高效液相法和气相-质谱法［22，23］，目前也有液相色谱-质谱法［24］的报道。这些方法，存在试验需要衍生、操作繁琐、过程冗长、试剂用量较大及灵敏度低等缺点。本研究中采用萃取柱净化，离子色谱-电导法和离子色谱-紫外法分别检测化肥中阴离子和三聚氰胺的含量，无需衍生，操作简单，一次进样即可测试多种离子，方法实用可靠，可满足化肥生产和使用安全检测的需要。

1 材料与方法

1.1 试剂

一次性水系针式滤膜；三氯乙酸（纯度≥99%）；试验用水为超纯水（电阻率为18.25 MΩ·cm）；F-、Cl-、Br-、NO2-、NO3-、I-、SCN-、三聚氰胺标准储备溶液，1 000 mg/L，中国计量科学研究院，按照试验需求稀释到所需浓度；样品为市售常见化肥样品。

固相萃取柱SPE IC-C18（1 mL）、SPE IC-Ba（1 mL）为青岛盛瀚色谱公司产品。固相萃取柱使用前需要进行活化，其活化过程为C18小柱使用前依次用注射器将5 mL的甲醇及10 mL的超纯水过柱，活化，然后放置10 min使之充分平衡；Ba柱用10 mL水过柱，静置活化10 min使之充分平衡。

1.2 仪器

CIC-D160型离子色谱仪，配氢氧化钾淋洗液发生器、甲烷磺酸淋洗液发生器、SHD-6恒温电导池、UC-3292紫外检测器，青岛盛瀚色谱技术有限公司；UPT-Ⅱ-20L型超纯水机，四川优普超纯科技有限公司；Mettler Tole-do AL-104型电子天平，瑞士梅特勒托利多；TG18-WS型离心机，长沙维尔康湘鹰离心机有限公司；KQ 2200型超声波萃取仪，昆山市超声仪器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 色谱条件 离子色谱-电导检测器测阴离子条件：SH-AP-1阴离子色谱柱（250 mm×4.0 mm）为亲水性阴离子色谱柱；淋洗液为淋洗液发生器产生的高纯氢氧化钾溶液，梯度洗脱及浓度见表1，流量0.8 mL/min，进样量25μL，柱温和检测器池温均为35℃，SHY-6型抑制器，抑制电流120 mA，系统压力10.2 MPa。以保留时间定性，峰面积定量。

离子色谱-紫外检测器测三聚氰胺条件：SH-CC-4阳离子色谱柱（200 mm×4.0 mm），淋洗液采用甲烷磺酸淋洗液发生器产生的甲烷磺酸溶液，淋洗液浓度5 mmol/L甲烷磺酸溶液（MSA），流量1.0 mL/min，系统压力7.7 MPa，进样量25μL，柱温为35℃，紫外检测器波长214 nm。以保留时间定性，峰面积定量。

1.3.2 标准溶液配制 7 g/L三氯乙酸溶液：称取7 g三氯乙酸，用超纯水定容到1 L。

1.3.3 样品预处理 称取已干燥、粉碎的市售化肥样品0.5 g于100 mL容量瓶中，加入7 g/L三氯乙酸溶液定容，摇匀，超声30 min，取部分溶液8 000 r/min离心10 min，用注射器取离心后的上清液过0.22μm水系针式滤膜，再将试样溶液慢慢推入活化后的C18固相萃取柱和Ba固相萃取柱，进样速度小于3 mL/min，弃去前5 mL溶液后，按照仪器工作条件进行测定，同时做空白样品测试。

2 结果与分析

2.1 色谱柱及淋洗液条件优化

SH-AP-1和SH-AP-2分析柱基质均为交联苯乙烯-二乙烯苯，烷基季胺基质，其中SH-AP-1为氢氧根体系色谱柱，SH-AP-2为碳酸盐体系色谱柱，氢氧根体系色谱柱淋洗液可以采用自再生的淋洗液发生器，无需手配，只需要加水。氢氧根色谱柱可以采用等度或梯度淋洗等多种方式。化肥中的F-、Cl-、Br-、NO2-、NO3-、I-、SCN-等阴离子的保留时间差异较大，采用等度模式分析时间过长，因此采用梯度淋洗模式。经多种条件测试，得出最优的梯度条件见表1，标准品色谱如图1，此条件下7种待测阴离子分离度能够满足要求，测定结果满意。

表1 流动相梯度洗脱程序

图1 阴离子标准品色谱

SH-CC-3和SH-CC-4色谱柱均为弱酸型阳离子色谱柱，其中SH-CC-3基质为交联度55%的苯乙烯-二乙烯苯聚合物，表面接枝羧基；SH-CC-4色谱柱为7μm的交联度55%的苯乙烯-二乙烯苯，在其表面接枝弱酸功能基团成为聚合物阳离子色谱柱填料。经测试，2种色谱柱都可以测试三聚氰胺。测试同浓度三聚氰胺标准样品，发现SH-CC-4测得的三聚氰胺标准品响应值大于SH-CC-3，而在实际样品中三聚氰胺的含量很低，所以选择SH-CC-4色谱柱，标准品色谱如图2所示。

图2 阳离子标准品色谱

2.2 提取方法优化

化肥样品中待测阴离子污染物可以直接溶于水，而三聚氰胺为小分子极性化合物，易溶于碱性或酸性水溶液及甲醇、乙腈等有机溶剂，经查阅资料，三聚氰胺更易溶于三氯乙酸溶液，因此选择三氯乙酸作为提取剂。考察不同浓度三氯乙酸的加标回收率，测试结果见表2。由表2可知，三聚氰胺的回收率随着三氯乙酸的浓度增大而增大，但是当三氯乙酸浓度大于7 g/L时，回收率反而下降，因此试验选择7 g/L的三氯乙酸作为提取液。

表2 三氯乙酸作为提取剂三聚氰胺加标回收率

2.3 提取方式及提取时间优化

化肥中的有效成分大多数以水溶性存在，同样待测污染物也可溶于水，因此化肥样品中污染物水溶性离子浸提效率与所用的提取方式有关。试验分别选择了振荡、超声2种方式，再分别超声提取10、20、30、40 min，考察其对提取效率的影响。结果表明，超声提取效率高于振荡提取效率，因此选择超声提取。在超声提取20 min时溶液中的样品离子达到最大值，继续增加超声时间，虽有增长，但是趋势较小。因此，为了加快前处理速度、节约时间，选择超声提取，设定超声时间为20 min。

2.4 有机物的去除

有机无机复合肥和高效复合肥等有机肥类成分较复杂，含有有机物、色素、蛋白质等疏水性物质，影响分离，污染色谱柱从而缩短色谱柱使用寿命。因此在上机测试前需选择合适的前处理方式净化样品。试验选择先过0.22μm水系针式滤膜，再将试样溶液慢慢推入活化后的C18固相萃取柱，样品通过上述处理过程后，溶液明显变澄清，说明C18固相萃取柱能够有效去除样品中的有机物。

2.5 样品中硫酸根和磷酸根去除

在实际应用过程中，有一些化肥样品是硫酸盐类或磷酸盐类化肥，如硫酸钾肥、过磷酸钙、钙镁磷肥、磷矿粉等，含有大量的硫酸盐和磷酸盐，溶于水会产生高浓度的硫酸根和磷酸根，对待测阴离子产生影响。目前去除高浓度的磷酸和硫酸比较通用的方法是使用Ba柱，可以在C18固相萃取柱后面连接Ba柱。经过试验，样品中大多数硫酸根和磷酸根被除去，虽有部分未被除去，但不会影响待测离子的分离。

2.6 检测器选择

三聚氰胺是三嗪类含氮杂环有机胺化合物，水溶液呈弱碱性，pH约为8，在中性或微碱性情况下，与甲醛缩合而成各种羟甲基三聚氰胺分子。如果试验采用抑制电导法检测，抑制后的溶液呈中性，无法在电导检测器中产生信号。但在微酸性溶液（pH 5.5～6.5）中以三聚氰酸的形式存在，因此需要采用酸性淋洗液。试验选择甲烷磺酸淋洗液，分别用非抑制电导法和紫外检测法对样品检测，发现非抑制电导法易受到样品中高浓度阳离子的影响，紫外检测法有更低的检出限，更少的干扰，因此选择紫外检测器。通过用紫外检测器对三聚氰胺标准溶液进行分析，发现在214 nm下三聚氰胺的灵敏度最高。因此，选择214 nm作为紫外检测器波长。

2.7 线性范围、相关系数和检出限

取F-、Cl-、Br-、NO2-、NO3-、I-、SCN-及三聚氰胺标准储备液，配成混合标准溶液，依次从低浓度到高浓度进样，按照最优的仪器工作条件进行测试，以标准溶液的峰面积和浓度绘制工作曲线，得到标准曲线，以3=S/N确定检出限（LOD）。线性范围、线性回归方程、相关系数（r）及检出限结果见表3。

表3 线性参数、定量限及检出限

2.8 方法的准确度和精密度

分别取市售有机无机复合肥、氮肥样品，按照试验方法对化肥样本进行处理，并进行加标回收试验，平行测定6次，计算回收率和测定值的相对标准偏差（RSD），结果见表4。由表4可知，回收率为93.4%～104.4%，RSD小于4%，说明方法具有良好的准确度和精密度。

表4 精密度和回收试验结果（n=6）

2.9 样品测定

用建立的方法对市售的多种化肥样品中的目标物进行测定，每种样品平行测定3次，结果见表5。从表5可看出，高效复合肥及有机-无机复混肥中含有较高的F-和Cl-，在使用过程中需要重点关注其对土壤及环境的影响。

表5 市售化肥样品中目标离子检出情况（n=3）

3 结论

建立了一种用离子色谱法快速检测化肥样品中的阴离子和三聚氰胺方法，确定了肥料样品中阴离子和三聚氰胺含量。该方法可以快速测定7种阴离子及三聚氰胺的浓度，并在一定范围内与其峰面积呈良好线性关系，准确度和精密度高。方法前处理简单、快速、灵敏度高、适用范围广、精密度高，可广泛适用于化肥中阴离子和三聚氰胺检测，对肥料生产和使用过程有指导意义，实现了肥料中部分离子的质量控制。