双系统离子色谱法同时检测蓝藻培养液中阴、阳离子

2021-08-24门君郑凌凌王敏贾书召周芳肖媛左艳霞

化学分析计量 2021年8期

门君，郑凌凌，王敏，贾书召，周芳，肖媛，左艳霞

（中国科学院水生生物研究所，武汉 430072）

近年来，由于水体的富营养化，蓝藻时常爆发，产生的蓝藻毒素和异味等代谢产物严重影响了饮用水、景观等生态环境的安全，成为全球关注和研究的焦点［1］。研究结果表明，水体中氮、磷等营养物质的浓度过高是蓝藻水华的成因之一［2］，钙等阳离子在群体微囊藻和蓝藻浮渣形成过程中起重要作用［3–4］。蓝藻水华沉降期间会引起沉积物和上覆水中阴、阳离子的变化［5］，因此研究蓝藻水华不同生长阶段水体中阴、阳离子的浓度对蓝藻水华的成因分析和生长控制至关重要。

有报道使用配置光散射检测器的超临界流体色谱法同时检测几种阴、阳离子［11］，但该法无法分离硝酸盐和亚硝酸盐。离子色谱法使用离子交换柱和电导检测器，具有分离度好、选择性强、灵敏度高及抗干扰能力强等优点，能够快速、高效、准确定量分析多种阴、阳离子［12–13］，近年来广泛用于饮用水、污水、自然水体、酸雨、啤酒中多种阴、阳离子的同时检测［14–17］。

笔者基于双系统离子色谱仪，采用等度淋洗的方式，建立了蓝藻培养液中7种阴离子和6种阳离子同时定量检测的分析方法，方法简便、快速，降低了实验成本。

1 实验部分

1.1 主要仪器与试剂

多功能离子色谱系统：ICS–5000+型，配置双泵DP模块、双电导检测器模块、KOH EGC 500淋洗液罐、自动进样器AS模块和Chromeleon 6.8色谱软件，美国赛默飞世尔科技公司。

超纯水制备仪：Milli-Q型，电导率为18.2 MΩ·cm，美国密理博公司。

甲基磺酸：纯度不小于99.0%，美国Sigma公司。

甲醇：色谱纯，美国赛默飞世尔科技公司。

阳离子混合标准储备液：Ca2+质量浓度为500 mg／L，NH4+质量浓度为250 mg／L，Mg2+、K+、Na+质量浓度均为200 mg／L，Li+质量浓度为50 mg／L，美国赛默飞世尔科技公司。

蓝藻藻种样品：铜绿微囊藻（Microcystis Aeruginosa）905和鱼害微囊藻（M.ichthyoblabe）1410，中国科学院水生生物研究所淡水藻种库（FACHB）。

BG11培养基：具体配方见参考文献［18］。

蓝藻培养液：中国科学院水生生物研究所淡水藻种库（FACHB）。

水相滤膜：SCAA–02型，13 mm×0.22 μm，上海安谱实验科技股份有限公司。

IC–RP小柱：Dionex OnGuard ⅡRP型柱，容量为1 mL，美国赛默飞世尔科技公司。

1.2 色谱条件

蓝藻培养液中阴、阳离子的离子色谱分析条件见表1。

表1 蓝藻培养液中13种离子色谱分析条件

1.3 样品处理

取蓝藻藻种样品，加入适量的BG11培养基，培养条件为pH 7.1～7.2，温度25 ℃，光照强度25µmol／(m2·s)，光暗周期比12 h∶12 h，所有蓝藻培养至对数生长期［18］后用于实验。

取蓝藻培养液10 mL于离心管中，以15 000 r／min转速离心5 min。取上清液过0.22 μm水相滤膜，初步除去悬浮颗粒物。采用IC–RP小柱进行进一步净化，除去蓝藻培养液中的有机物等杂质，净化后的样品溶液稀释到合适浓度后取样5 mL，上机检测。

IC–RP小柱净化方法：依次加入10 mL甲醇、20 mL水对小柱进行充分活化，再加过滤后的蓝藻培养液到活化后的小柱内，弃去前3 mL初滤液，收集续滤液备用。

2 结果与讨论

2.1 阴离子分离条件的优化

常用的阴离子淋洗液体系主要有碳酸盐和氢氧化物两种。与碳酸盐体系相比，氢氧化物体系对强保留的阴离子具有更强的洗脱能力，氢氧化物体系中以KOH 溶液作为淋洗液，具有背景电导率低、噪声小、灵敏度高和无水负峰等特点，因此选择使用KOH溶液作为7种阴离子分离的淋洗液。分别选择淋洗液流量为0.8、1.0、1.2、1.4 mL／min进行试验，结果表明，淋洗液流量过大会使系统压力显著增大，各离子的保留时间明显提前，也会降低色谱柱的使用寿命；若淋洗液流量过小，如当流量为0.8 mL／min 时，多个阴离子峰出现严重的展宽现象，导致灵敏度下降。综合考虑各离子的分离度和响应灵敏度，最终选择阴离子淋洗液流量为1.2 mL／min。在进行色谱柱型号选择时，试验比较了美国赛默飞世尔科技公司的Dionex IonPac AS11–HC型和Dionex IonPac AS15型两种色谱柱的分离效果（两种色谱柱规格均为250 mm×4 mm）。这两种色谱柱均可以实现7种阴离子的完全分离，但使用AS15型色谱柱时，各离子的保留时间较长，分析时间过长；且检测同等浓度的标准溶液，使用AS15型色谱柱的响应值明显低于AS11–HC型色谱柱；另外，AS15型色谱柱的柱容量（225 μmol）明显低于AS11–HC型色谱柱的柱容量（290 μmol）。AS11–HC型色谱柱用于分离7种阴离子有明显优势，故本实验选择使用AS11–HC型色谱柱。

通过对阴离子分离的淋洗液、流量及色谱柱型号的优化，最终选择的分离条件：以23 mmol／L KOH溶液为淋洗液，淋洗液流量为1.2 mL／min，色谱柱为Dionex IonPac AS11–HC型柱（250 mm×4 mm，美国赛默飞世尔科技公司）。在优化的色谱条件下，7种阴离子（0.2 mg／L F–，1.0 mg／L Cl–，1.0 mg／L NO2–，1.0 mg／L SO42–，1.0 mg／L Br–，1.0 mg／L NO3–，2.0 mg／L PO43–）的混合标准溶液色谱图如图1所示。由图1可知，各阴离子分离良好。

图1 阴离子混合标准溶液色谱图

2.2 阳离子分离条件的优化

常用的阳离子淋洗液主要有硫酸溶液和甲基磺酸溶液。由于硫酸具有较强的腐蚀毒性，故选择较为安全的甲基磺酸溶液作为阳离子分离的淋洗液。分别选择淋洗液流量为0.6、0.8、1.0、1.2 mL／min进行试验，结果表明，若淋洗液流量过大则分析时间会缩短，但Na+与NH4+的分离度大幅降低；若淋洗液流量过小，如当流量为0.6 mL／min 时，Mg2+、Ca2+峰出现展宽现象，导致分析灵敏度下降。最终选择阳离子淋洗液流量为0.8 mL／min。试验比较了美国赛默飞世尔科技公司的Dionex IonPac CS12A型和CS15型（规格均为250 mm×4 mm）两种色谱柱，结果表明前者比后者分离度好，响应值高。因此选择CS12A型色谱柱作为阳离子分离柱。

通过对阳离子分离的淋洗液、流量及色谱柱型号的优化，最终选择的分离条件：以20 mmol／L甲基磺酸溶液为淋洗液，淋洗液流量为0.8 mL／min，色谱柱为DionexIonPac CS12A型柱。在优化后的色谱条件下，6种阳离子（0.5 mg／L Li+、2.0 mg／L Na+、2.5 mg／L NH4+、5.0 mg／L K+、2.5 mg／L Mg2+、5.0 mg／L Ca2+）的混合标准溶液色谱图如图2所示。由图2可知，各阳离子分离良好。

图2 阳离子混合标准溶液色谱图

2.3 线性关系及检出限

按照样品中各离子的浓度范围，将阴、阳离子混合标准储备液用超纯水逐级稀释，分别配制5种不同浓度的阳离子和阴离子系列混合标准工作溶液。在1.2色谱条件下，对系列混合标准工作溶液逐一进样分析，以各离子质量浓度（X，mg／L）为横坐标、对应的色谱峰面积（Y）为纵坐标，进行线性回归，计算线性方程和相关系数。以3倍信噪比计算方法的检出限。各离子的保留时间、线性范围、线性方程、相关系数、检出限列于表2。

表2 13种离子的标准曲线方程及相关系数

2.4 精密度试验

取适量的铜绿微囊藻（M.aeruginosa）905培养液6份，分别按照1.3步骤处理，在培养液中加入一定浓度的阴离子和阳离子标准混合溶液，进行精密度试验。根据各离子的测定值计算相对标准偏差，表示该方法的精密度，测定结果列于表3。

表3 精密度试验结果

由表3可知，在本方法检测条件下，各离子测定结果的相对标准偏差均小于1.5%（n=6），表明本方法重复性好，精密度高。特别是本法测定Na+、K+、Mg2+和Ca2+的精密度均优于标准HJ 700—2014中电感耦合等离子体质谱法的测量精密度。

2.5 样品加标回收试验

利用本法同时测定鱼害微囊藻1410培养液中13种离子，色谱图如图3所示。由图3可知，该方法可以有效分离蓝藻培养液中的阴、阳离子。

图3 鱼害微囊藻（M .ichthyoblabe）1410培养液中阴、阳离子色谱图

取适量的铜绿微囊藻（M. aeruginosa）905培养液，按照1.3步骤进行处理后进样分析，然后对不同的离子进行3个不同浓度水平的加标回收试验，检测结果和加标回收率列于表4。由表4可知，13种离子的平均加标回收率为80.70%～113.62%，满足分析要求（国家环保标准HJ 812—2016，HJ 84—2016规定加标回收率应为80%～120%），表明本方法可用于蓝藻培养液中阴、阳离子的同时测定。