离子色谱法测定降水中有机酸阴离子实验教学探索及实践

郑国华，李 丽，陈华梅，王绍俊

（新疆大学a.化工学院；b.化学学院，乌鲁木齐 830046）

0 引言

目前国内关于大气颗粒物中水溶性有机酸阴离子的离子色谱法测定有大量的实验研究，如祁国伟等［1］利用离子色谱法测定研究了杭州市空气中阴离子；林燕春［2］对酸雨、大气、废气、地表水、地下水等环境样品中的甲酸、乙酸、草酸进行了测定研究，获得满意结果；牟世芬等［3］对50 种水溶性有机酸进行了测定研究，确定了36 种有机酸的定量分析条件；另外徐继明等利用离子色谱法的多种技术手段对各种有机酸进行了测定和深入的研究，并获得了满意结果［4-14］。可以说离子色谱法测定有机酸阴离子的研究方法和研究成果报道不少。2018 年生态环境部以电子版发布了环境空气降水中有机酸（乙酸、甲酸和草酸）的测定离子色谱法的国家环境保护标准（HJ 1004—2018）［15］。目前将离子色谱法测定有机酸阴离子的研究方法和研究成果以及相关标准结合本地区开展测定有机酸阴离子在教学实验环节中的实践未曾有报到；如何将色谱法测定有机酸阴离子的实验研究成果和方法充分地利用在仪器分析化学实验的教学环节中将是一项非常有意义的工作和尝试。此项教学实验工作的开展是仪器分析化学课程在教学实验方式和手段上的实践和创新。同时对提高和加强仪器分析化学课程的教学实验效果和质量是一个强有力的补充和加强。通过采集新疆乌鲁木齐市区降水开展了离子色谱法测定降水中有机酸阴离子HCOO-和CH3COO-含量的教学实验研究以及本次教学实验环节的实践，在很大程度上提高和加强了学生查阅和组织文献资料并且设计综合实验的能力，对进一步提高仪器分析化学实验的教学质量和水平产生了明显效果，同时也丰富了仪器分析化学实验课程的教学方式和手段。本教学实验是一次很好的产、学、研相结合的案例，并取得了良好的实验教学效果。

1 实验设计

1.1 测试方法原理

通过离子交换进行离子分离是离子色谱法的主要原理［3］，本实验测定HCOO-和CH3COO-是利用抑制器抑制淋洗液，扣除一定的背景电导，然后利用电导检测器进行测定。实验中首先根据混合标准溶液中HCOO-和CH3COO-出峰的保留时间以及输出电压（峰面积或峰高）绘制相应的标准曲线（或工作曲线），然后根据降水样品中的HCOO-和CH3COO-出峰的保留时间以及峰高（或峰面积）可定性和定量样品中的有机酸（甲酸、乙酸）离子。

1.2 样品采集与保存

根据降水样品采集的相关国际标准，本实验在郊区和城区各设1 个采样点进行采样，样品采集后于3～5 ℃条件下冷藏［3，7］。

1.3 材料和试剂配制

四硼酸纳（优级纯），甲酸钠（优级纯），无水乙酸钠（优级纯），高纯水（注：去离子水和淋洗液都要除去CO2）。准确称取5.720 6 g 四硼酸钠（优级纯），用高纯水溶解，移入500 mL容量瓶中，加高纯水定容，然后贮存在聚乙烯塑料瓶中即为30 mmol/L Na2B4O7淋洗贮备液，放入冰箱内4～6 ℃保存备用；在500 mL容量瓶中移入50 mL淋洗贮备液，用高纯水稀释至刻度即为淋洗使用液；优级纯甲酸钠在105 ℃条件下烘干2 h，然后准确称取0.755 5 g，用少量高纯水溶解移入500 mL容量瓶中用高纯水稀释至标线，然后贮存于聚乙烯塑料瓶中即为1.000 mg/mL 的甲酸钠标准贮备液，放入冰箱内4～6 ℃保存；准确称取经105 ℃烘干2 h的无水乙酸钠0.695 0 g，用少量高纯水溶解，移入500 mL容量瓶中，用高纯水稀释至标线，然后贮存于聚乙烯塑料瓶中即为1.000 mg/mL 的乙酸钠标准贮备液，并于冰箱内4～6 ℃保存［3，7］。分别移取2.5 mL甲酸钠标准贮备液和2.5 mL 乙酸钠标准贮备液于250 mL容量瓶中，用淋洗使用液定容至标线即为两种阴离子混合使用液。

1.4 杂质的干扰及消除

通常杂质的干扰主要来源于水负峰的干扰，可以用淋洗液配制标准溶液及样品消除水负峰的影响。常见无机阴离子F-和CH3COO-的淋出时间很近产生一定干扰，本实验通过选择合适浓度的淋洗液，其他条件不变，则可以很好地分离F-和CH3COO-从而消除干扰［9］。

1.5 仪器及色谱条件

离子色谱仪（青岛普仁PIC-8），色谱柱：阴离子分离柱和阴离子保护柱（NJ-SA-4A850 型），电导检测器：HW-2000 色谱工作站，泵：青岛普仁P3000 型，泵流速：1.50 mL/min，进样量：1 mL 注射器，抑制电流：100 mA。

1.6 淋洗液的选择

离子色谱分离法中NaHCO3和Na2CO3混合淋洗液是测定阴离子常用淋洗液。本实验设计首先考虑使用NaHCO3和Na2CO3混合淋洗液（2.4 mmol/L Na2CO3+3.0 mmol/L NaHCO3）分离测定浓度为10 mg/L甲酸钠和20 mg/L的乙酸钠混合标准液，实验结果发现分离效果不理想，仪器记录实验结果如表1 及图1 所示。由表1 和图1 明显可见，使用HCO3-和CO32-混合淋洗液洗脱甲酸和乙酸混合液时分离效果不理想，无法正常分离测定，测量误差大。考虑到上述实验存在的问题，学生通过查阅相关文献资料以及国内色谱法测定阴离子的有关标准。通过总结认为HCOO-和CH3COO-为弱保留离子，用弱的B4O7-淋洗离子就可以很好地分离HCOO-和CH3COO-［9，14］，为此本实验的淋洗液采用了B4O7-作为分离HCOO-和CH3COO-淋洗液进行色谱分析。

表1 0.002 4 mol/L Na2CO3 +0.003 0 mol/L NaHCO3 混合淋洗液分离效果

图1 10 mg/L甲酸钠和20 mg/L乙酸钠的混液色谱图

1.7 Na2B4O7 淋洗液最佳浓度的选择

淋洗液浓度对组分的分离效果影响很大，所以通过实验选择合适的淋洗液的浓度非常重要。现用淋洗储备液分别配制成2.0、2.5、3.0、4.0、5.0 μg/L 等系列淋洗使用液来找到最佳浓度淋洗液。进样为10 mg/L甲酸钠和20 mg/L的乙酸钠的混液（由于F-的保留时间与CH3COO-的保留时间非常接近，因此将淋洗液浓度为3.0、4.0、5.0 μg/L 时的进样样品改为10 mg/L甲酸钠、20 mg/L的乙酸钠以及5 mg/L的F-的混合液，目的是为得到F-对CH3COO-干扰情况提供数据），通过实验发现利用B4O7-淋洗液可以很好洗脱HCOO-和CH3COO-，使它们到达良好的分离效果，并能最终通过电导检测器测定HCOO-和CH3COO-的含量。实验发现随着淋洗液浓度的线性递增，HCOO-与CH3COO-的保留时间都变短了，分离效果有减弱趋势，结合以上两点选择出最佳淋洗液浓度为3.0 μg/L。由表2 和图2 明显可见：使用B4O7-作为淋洗液可以很好洗脱HCOO-和CH3COO-，可达到良好的分离效果，完全满足利用离子色谱法测定HCOO-和CH3COO-含量的要求。

表2 不同淋洗液浓度电导检测数据

图2 淋洗液浓度为0.003 0 mg/L色谱分离图

1.8 标准曲线的绘制

通过离子色谱柱对被测阴离子的分离，并最终测定被测离子的含量。由于离子色谱图中的离子输出电压和相应的离子浓度存在线性正相关性，可以通过绘制标准工作曲线最终确定被测离子的含量。分别配制浓度为0.5、1.0、2.0、3.0、5.0 mg/L 的HCOO-和CH3COO-的系列混合标准液，以输出电压为纵坐标，以相应的离子浓度为横坐标，绘制标准曲线。由表3及图3、4 可知，输出电压（峰面积或峰高）与质量浓度之间有很好的线性关系，相关系数都达到0.999 0，完全满足离子色谱法定量分析的需求。

表3 甲酸和乙酸的标准曲线

图3 甲酸的标准曲线

1.9 空白对照

考虑到淋洗液可能对被测离子含量测定的影响，为此以淋洗液为空白试剂进行空白实验，实验结果表明空白实验满足数据基线噪声8 μV的要求。

图4 乙酸的标准曲线

1.10 试样分析

样品经0.45 μm的微孔滤膜过滤后，直接注入色谱柱，此时可依次分离出HCOO-和CH3COO-并得出峰面积，然后在标准工作曲线上查得相应样品浓度。从图5 所示可见，乌鲁木齐市降水中HCOO-和CH3COO-色谱峰比较明显，色谱分离效果良好。表4所示可见，通过色谱仪检测到的CH3COO-和HCOO-的相应的峰面积结合对应的工作曲线换成浓度最终得到CH3COO-和HCOO-的含量分别为0.965 3 mg/L和0.362 7 mg/L。说明乌鲁木齐市降水中有微量的有机酸阴离子CH3COO-和HCOO-存在。

表4 乌鲁木齐市降水样品测定结果

图5 乌鲁木齐市降水中有机酸阴离子的色谱图

2 结果与讨论

2.1 方法的检出限与测定限

根据中华人民共和国计量检定规程JJG823-93中，离子色谱仪的最小检出浓度检定计算公式为：Cmin=Cs（2Hn/H）。式中：Cmin—最小检出浓度，Cs—检测离子浓度，Hn—基线噪声（不少于30 min 的基线），H—检测离子峰高［16］。本实验对于20 个空白试验的基线噪声求出平均值为15 μV，并代入相关数据到该式可求出甲酸的检出限为16.2 ×10-6，乙酸的检出限为26.2 ×10-6。

2.2 方法的精密度与准确度

通过对市区降水连续7 次平行测定，计算其相对标准偏差用以衡量测定数据值偏离的程度，考察实验方法的精密度。另外取其平均值作为样品浓度，并根据加标回收公式计算HCOO-和CH3COO-的回收率（其中加标量为实际样品含量的100%），考察实验方法的准确度。由表5 可见，采用本实验方法用于乌鲁木齐市降水样品的分析，加标回收率分别为95.80%和96.86%，完全符合对微量组分回收率90%～110%的系统误差的分析要求，保证了实验方法的准确度；相对标准偏差分别为3.43%和5.79%，相对标准偏差均小于6%，保证了实验方法精密度的要求。

表5 方法的精密度与准确度数据

本实验表明，利用现用设备用较强的淋洗液（2.4 mmol/L Na2CO3+3.0 mmol/L NaHCO3）淋洗HCOO-和CH3COO-时，很难洗脱分离HCOO-与CH3COO-，由于两者保留时间相近相互产生干扰，分析误差大；因此通过改进使用弱的淋洗液3.0 mmol/L Na2B4O7洗脱分离HCOO-和CH3COO-，并最终得到理想的分析结果。分析结果表明，测定HCOO-和CH3COO-的相对标准偏差和加标回收率完全符合降水监测的要求。本实验是以弱电解质溶液Na2B4O7为淋洗液，通过电导检测器和离子分离柱，对降水中的HCOO-与CH3COO-进行了定量分析。该方法操作简便、快速、灵敏度高、准确度高等优点。

3 结语

学生通过查阅大量文献资料，结合现有设备和具体的实际问题，分析和整理相关的文献资料，提炼出了和本实验相关的重要知识点，完成了离子色谱法测定大气降水中甲酸和乙酸的实验方案设计，通过对实验结果的合理分析和总结，加强和提高了学生对实验结果的分析能力。本次教学实验是一次将生产实践、教学、科学研究成功相结合的有益尝试，取得了良好的教学实验效果。