离子色谱法测定茶叶中的游离氟
2021-10-21尹秀贞牛淑妍
尹秀贞， 牛淑妍， 张 涛， 李 莎， 崔 鹤*
(1.青岛科技大学 化学与分子工程学院，山东 青岛 266042;2.青岛海关技术中心，山东 青岛 266002;3.中国海洋大学 化学化工学院，山东 青岛 266100)
氟是人体所必须的微量元素，人类主要通过食物和饮水将其摄入体内，使其参与人体的生理代谢[1-2]。进入人体中的氟主要分布在牙齿、骨骼、毛发及指甲上，其中骨骼和牙齿的含量占总量的90%以上[3]。研究表明，氟具有矿化牙齿，促进新生骨骼的生长，防止龋齿等功能[4-6]。茶叶是世界三大饮料之一，饮茶也是摄入氟的来源之一。而茶树是一种富氟植物，含量高达每千克几百至上千毫克[7]。在1985年白学信通过调查发现茶水中的氟是导致壤塘县地方性氟中毒的重要原因[8]。随后的研究发现，大量饮用浓茶会导致氟骨症、氟斑牙甚至是氟中毒[9-12]，因此检测茶叶中的氟含量是非常有必要的。
目前测定茶叶中氟离子的方法有高效液相色谱法[13]、氟离子选择电极法[14]、离子色谱法[15]等。离子色谱法具有灵敏度高、选择性好、简便快速等优点，是检测茶叶中氟离子的优选方法。研究表明，茶叶浸出的氟以水溶性为主，含量达到了53%～80%[16]。样品前处理时，常用的方法有超声萃取[14]、氧弹燃烧[17]、扩散吸收提取[18]、灰化[19]、微波消解[20]等，其中氧弹燃烧、灰化法和微波消解等适合测定茶叶中总氟含量，且这些方法操作步骤较为复杂，耗时较长。为了测定茶叶中的游离氟，本研究选择了快速简便的超声萃取法，并对色谱柱和淋洗液浓度进行了优化选择，使小分子有机酸和氟离子得到了较好的分离。同时，本工作还研究了不同产地和不同加工方式的茶叶中游离氟含量分布情况，可为茶叶生产加工过程中氟含量控制提供支持。
1 实验部分
1.1 试剂与仪器
氟离子标准溶液(质量浓度为1 000 mg·L-1)，北京坛墨质检科技股份有限公司；实验用水为去离子水(18.25 MΩ·cm)。
DIONEX ICS 5000+离子色谱仪，配有AS-AP自动进样器、在线淋洗液发生器、抑制器ASRS 4 mm、电导检测器及Chromeleon 6.80数据处理系统，美国赛默飞世尔科技公司；IonPac AS15分离柱、IonPac AG15保护柱，美国赛默飞世尔科技公司；SH-AP-4色谱柱，青岛盛瀚色谱技术有限公司；Milli-Q去离子水制备装置，德国默克密理博；KQ500DE数控超声波清洗器，昆山市超声仪器有限公司；碳十八(C18)SPE固相萃取柱，青岛盛瀚色谱技术有限公司；0.22 μm滤膜，杉羽科技发展有限公司。
1.2 实验方法
1.2.1 标准溶液的制备
分别准确移取2.00，10.00 mL 1 000 mg·L-1氟离子标准溶液到100 mL容量瓶中，用去离子水定容至刻度，配制成20.00和100.00 mg·L-1氟离子储备液，摇匀待用，放置于4 ℃冰箱中保存。使用时根据需要配制成适宜质量浓度的标准工作液。
1.2.2 色谱条件
色谱柱：选用IonPac AS15型阴离子分离柱(4 mm×250 mm)；柱温35 ℃；流速1.0 mL·min-1；流动相为KOH溶液，梯度洗脱程序如表1所示；进样体积25 μL；抑制器为ASRS 4 mm阴离子抑制器，抑制电流100 mA；检测器为电导检测器。
表1 梯度洗脱程序Table 1 Gradient elution procedure
1.2.3 样品检测
称取1.0 g茶叶样品，精确至0.000 1 g，缓慢加入沸水(去离子水)约90 mL，最后冷却至室温后定容至100 mL，混匀后超声萃取20 min。然后将C18固相萃取柱用10 mL去离子水活化，静置10 min，取上清液缓慢通过C18固相萃取柱，弃去前3 mL滤出液，收集后续2 mL滤出液过0.22 μm水系滤膜，直接进样，上机测试。
2 结果与讨论
2.1 色谱柱的选择
分别采用AS15和SH-AP-4两种色谱柱分离茶叶中的游离氟。结果表明，AS15和SH-AP-4均能很好的将小分子有机酸与氟离子分离开。在同样的淋洗液浓度下，使用AS15柱时氟离子出峰时间为17 min，使用SH-AP-4柱时氟离子出峰时间为21 min。故选用AS15色谱柱。
2.2 淋洗液浓度
氟离子在离子交换柱上是弱保留离子，测定茶叶中的氟离子时，茶叶中的某些小分子有机酸在色谱柱上的保留时间与之相近，干扰氟离子的测定。因此通过选择合适的淋洗液浓度来降低小分子有机酸对氟离子产生的影响。当淋洗液浓度过高时，目标组分与杂质离子分离度会降低，从而影响目标组分的定量；当淋洗液浓度较低时，分析时间太长，因此优化淋洗液浓度很有必要。本研究中，分别采用了2、3、4、5、10 mmol·L-1等不同浓度的KOH淋洗液淋洗，结果发现使用3 mmol·L-1淋洗液，小分子有机酸和氟离子接近基线分离，分离度能够满足分析要求，最终选择了3 mmol·L-1的KOH淋洗液作为分析流动相。另外，还采用了梯度洗脱的方式将其他杂质离子洗脱出来，缩短了分析时间。在优化好的离子色谱条件下，测定未加标及加标后的崂山绿茶样品，所得离子色谱见图1。
图1 崂山绿茶样品中氟离子色谱图Fig.1 Chromatogram of fluoride ion in Laoshan green tea
2.3 方法的线性范围和检出限
分别移取20.00和100.00 mg·L-1氟离子储备液配制成质量浓度分别为0.02、0.05、0.10、0.50、1.00、2.00、5.00、10.00 mg·L-1的标准溶液。在本方法所确定的实验条件下从低到高浓度依次进样，以氟离子的质量浓度为横坐标，峰面积为纵坐标绘制标准曲线。将阳性样品不断稀释并进样分析，按照信噪比S/N=3所对应的浓度为该方法的检出限，以信噪比S/N=10所对应的浓度为该方法的定量限。结果表明：氟离子的质量浓度在0.020～10.00 mg·L-1范围内线性关系良好，线性回归方程为Y=0.447 5X-0.006 6，相关系数R2为0.999 9，检出限为2.0 mg·kg-1，定量限为5.0 mg·kg-1。氟离子的标准曲线如图2所示。
图2 氟离子标准曲线Fig.2 Standard curve of fluoride ion
2.4 方法的回收率和精密度
为了测试该方法的准确性，分别进行1、2、5倍3个添加水平的加标回收实验，得到方法的回收率和相对标准偏差，结果见表2。由表2可见，该方法的回收率为90.94%～97.73%，精密度为0.82%～3.06%。数据表明，该方法的回收率和精密度良好，可以满足茶叶中游离氟含量的常规检测。
表2 方法的加标回收率和精密度Table 2 Recovery and precision of the method
2.5 实际样品测定
按照选定的实验条件，分别对市售的崂山红茶、崂山绿茶、泰安绿茶等8种不同的茶叶样品进行了测定，平行取7份样品，测定结果见表3。由表3可知，在所测定的茶叶样品中，游离氟的含量在18.88～157.37 mg·kg-1，RSD在1.11%～4.01%。由测定样品数据推测，茶叶中游离氟含量可能与产地和生长期有关。
表3 不同茶叶中游离氟含量Table 3 Content of free fluorine in different tea
为了研究不同加工方式对茶叶游离氟含量的影响，本实验测定了同一品种、同一块土地产出的红茶和绿茶中游离氟的含量，结果见表4。数据表明，在同一品种、同一块土地的条件下，红茶中氟离子含量高于绿茶中氟离子含量。
表4 同一块土地种植的茶叶中氟离子含量Table 4 Content of free fluorine in tea on the same land
3 结 论
建立了一种离子色谱法快速测定茶叶中的游离氟含量的方法。该方法样品前处理简便、准确度高、重复性好。对比了AS15、SH-AP-4两种阴离子色谱柱，结果表明，使用AS15色谱柱能够将小分子有机酸和氟离子有效分离，且分析时间更短。同时还选定了3 mmol·L-1KOH作为初始淋洗液浓度，能很好地改善氟离子与杂质离子的分离度。通过对不同产地和同一产地不同加工方式得到的茶叶的分析可知：北方茶叶的游离氟含量明显高于南方茶叶的游离氟含量；红茶中氟离子含量高于绿茶中氟离子含量。由此，说明茶叶中游离氟含量与产地和加工方式有一定关系。
