仪器分析化学实验拓展与应用——离子色谱法测定生活饮用水中的阴离子

周瑶瑶，龙江爱，王颖，王茜，王瑞，王豪婧，马睿彤，檀林玉，马思齐 ，李琰 ,3,＊，柳凌艳 ,2,＊

1南开大学化学学院，天津 300071

2南开大学元素有机化学国家重点实验室，元素有机化学研究所，天津 300071

3化学国家级实验教学示范中心(南开大学)，天津 300071

作为化学学科一门重要的分支，分析化学[1]的主要任务是对物质的组成、结构、含量等化学信息进行分析和研究。随着科学技术的不断进步，化学分析的方法越来越多样化，同时精密的分析仪器与计算机的结合也使得人们对物质的认识更为全面，仪器分析实验课程在培养学生使用现代化精密仪器进行物质分析鉴定方面具有重要的基础作用。

《南开大学一流本科教育质量提升行动计划(2019-2021年)》(即南开40条)要求把促进学生健康成长作为本科教育的出发点和落脚点，坚持教学优先，突出学生主体地位，引导学生理论联系实际、学以致用、自主成长、全面发展。为加强学生对课本知识学习的运用，在教师支持下，由学生进行课题选取，将所学仪器分析知识用于解决生活中遇到的问题。充分发挥学生主观能动性，促进学生深度思考，加深学生对所学仪器的认识和了解。

1 背景介绍

水是生命之源，地球充足的液态水为人类提供了赖以生存的环境。随着经济的发展和生活水平的不断提高，饮用水的安全性问题也日益受到人们的关注。相较于普通的自来水，人们更倾向于饮用经过消毒和杀菌的直饮水，市面上天然饮用矿泉水也已成为人们主要的饮水源之一。除此之外，号称能提供盐分和矿物质的各种矿物质水和功能饮料不断涌现。但是，这些饮品的包装上大多只标明饮品中阳离子的含量，对于其中阴离子的含量一般未予以说明和标记，而阴离子的种类和含量对人体健康也具有重要的影响，因此对饮用水中各种阴离子种类和含量的掌握与控制是值得研究与探索的，同时也能让人们更清楚地了解和掌握究竟应该选择什么样的水作为日常生活饮用水才是安全的。

据文献调研，不同种类的阴离子对人身体的作用也各不相同，阴离子浓度过高或过低都不利于健康[2]。例如当饮用水中氟离子含量低于0.5 mg·L-1时，人就容易得龋齿；而如果长期饮用含氟量高的水，牙齿容易长黄斑，甚至中毒[3]。当硫酸盐浓度过高时，水会释放不良气味，并且在烧水时容易结水垢；而且当硫酸盐浓度超过250 mg·L-1，并同时存在一定浓度的Mg2+和Na+时，可能会使人产生腹泻[4]。硝酸盐对人体健康也有较大的影响，在体内微生物作用下，硝酸盐会变成与红细胞中的血红蛋白结合的亚硝酸盐，进而阻碍红细胞运输氧气[5]，同时亚硝酸盐还会形成N-亚硝基化合物，可能会致癌[5]。目前，市场上各种品牌的矿泉水和纯净水质量参差不齐，国家也因此对这些饮用水中可能存在的阴离子含量作了限量要求，通过检测水中阴离子的种类及含量，在一定程度上能够监测水质的好坏，从而为人们选择安全的、高质量的生活饮用水提供了理论依据和指导意见。

随着现代仪器分离与分析的发展，用于检测水中阴离子的方法也多种多样，如分光光度法[6]、电化学法、容量法、比色法和离子选择电极法[6]等，然而这些方法往往存在操作繁琐、准确度不高等问题[7]。相比之下，离子色谱法具有明显的优势，如灵敏度高、操作方便、成本低、检测快速、分离效果好等。对于阴离子的测定，一般采用表面附聚了大量氢氧化铵类填料的附聚型离子交换树脂作为固定相，在静电场作用下样品溶液中的阴离子与固定相表面季铵盐的OH-交换，暂时而选择性保留在固定相上，随后通过碱性流动相如NaCO3/NaHCO3淋洗液的淋洗再进入流动相中，基于不同阴离子与OH-交换基团的亲和力作用大小不同，经过不断的吸附与解析过程，进而使得各阴离子在固定相中保留时间不同，从而实现各阴离子的分离目的。将离子色谱法运用于测定水中阴离子，既可以对水中离子定性检测，同时也可以对检测到的离子进行定量测定。另外，还可以同时测定多种组分，因此已经发展成为目前比较流行的分离分析检测手段[8]。

基于南开大学仪器分析实验课程学习和《生活饮用水卫生标准》(GB 5749-2006)[9]，学生为了能更好地掌握和灵活运用所学基础理论知识，将离子色谱法测定水样中的无机阴离子实验理论联系实际，拓展到对不同市售功能饮料和矿泉水以及日常生活用水中的离子进行检测与鉴定，进而判断不同生活用水的差异性及是否符合国家相关标准要求，对日常饮用水安全性选择给出参考性意见和理论指导。

2 实验目的

为了更好地掌握课堂教学中的基础理论知识，理论联系实际，拓展到实际应用中，进而更好地反馈指导理论，即从理论中来，再回到理论中去。为此，本实验设计利用所学的离子色谱方法对日常生活饮用水中的阴离子进行分析与检测，进而指导人们选择安全、高质量的饮用水。通过本实验的实施，可以使学生更加深入认识和掌握离子色谱法作为一种分析测试手段和方法在日常生活中的重要应用和意义。

3 实验部分

3.1 实验仪器与试剂

仪器：Eco-IC型离子色谱仪。

4种阴离子标准液：F-，Cl-，(所有都采用无机钠盐)。

7个待测样品：① 某品牌运动功能饮料；② 某品牌矿泉水；③ 二主楼饮水机饮用水(直饮水)；④ 十五宿饮水机饮用水(直饮水)；⑤ 十五宿水房直取开水(开水房生活用水)；⑥ 自来水；⑦ 综合楼饮水机饮用水(直饮水)。(其中样品3-6水源均来自南开大学校内供水。)

3.2 Eco-IC测定条件

仪器条件：温度25 ± 3 °C；湿度 ≤60%；电源电压220 ± 22 V；电源频率50 ± 1 Hz。

淋洗液组成：3.2 mmol·L-1Na2CO3+ 1.0 mmol·L-1NaHCO3；碳酸钠(优级纯)，碳酸氢钠(优级纯)。

流速：0.7 mL·min-1。

3.3 实验预处理

用移液管分别移取指定体积的100 mg·L-1NaF标液、1000 mg·L-1NaCl、NaNO3、Na2SO4标液，于一个100 mL容量瓶中，用超纯水稀释至刻度，摇匀。通过改变标准溶液体积配制5种不同浓度的混合标准溶液(如表1所示)，利用定量外标法对4种阴离子分别作标准曲线。由于某品牌运动功能饮料中阴离子浓度较大，因此将其用去离子超纯水稀释10倍后进行样品中阴离子检测。

表1 离子色谱标准溶液配制(100 mL)

3.4 实验内容

主要对选取的7种水样中含有的可能的阴离子种类(定性)及其含量(定量)进行分离分析与检测，大部分样品直接采用注射器吸取10 μL的量注入离子色谱仪，部分样品由于浓度过高需要进行一定的稀释前处理随后进行测定，进而得到7种样品的离子色谱图。

4 实验结果与讨论分析

4.1 阴离子标准曲线的绘制

为了对可能检测到的阴离子进行定量测定，我们首先选取了普通水样中可能存在的几种阴离子进行不同浓度离子色谱梯度测定，进而根据测定的保留时间和峰面积分别对每种阴离子制定标准曲线。详细地，分别配制了5组不同浓度的4种阴离子混合标准样品，随后利用离子色谱法对此5组混合标样进行了分离与分析鉴定，每组混合标样中的4种阴离子的保留时间、峰面积及浓度记录如表2所示。需要提及的是，这里分离鉴定水样中常规的几种阴离子的方法直接借鉴仪器分析实验课程中优化好的分离条件，没有做更多的筛选与优化。

基于以上测得的数据，分别以4种阴离子的峰面积为纵坐标，以标准配样浓度为横坐标绘制标准曲线，离子浓度为mg·L-1，如图1所示。最终获得5组标准混合样品中各离子的保留时间、线性方程、线性范围和相关系数如表3所示。

图1 4种阴离子的标准曲线

表3 4种阴离子的保留时间、线性方程、线性范围及相关系数

由表2可知，本次所测定的水样中可能存在的4种常见阴离子在一定宽度的检出范围内，峰面积和浓度有较好的线性关系，同时线性方程的拟合相关系数均大于0.98，由此可知拟合的标准曲线的绘制较接近真实值，可用于实际标定。另外，基于仪器分析实验课上所学的不同的阴离子其保留时间各不相同，主要是因为阴离子与固定相中的氢氧根离子交换亲和力作用不一样，亲和力越大的离子与交换基团作用力越大，故其在固定相上保留时间越长，越晚流出色谱柱。而这种亲和力作用源于离子本身的性质即离子电荷和离子半径，一般情况下，离子的电荷越高、半径越大、极化度越高，保留时间越长，综合各因素可知硫酸根离子保留时间最长，其次为硝酸根、再到氯离子，氟离子保留时间最短。故由已知离子的保留时间、标准曲线方程和离子色谱峰面积可推测7种水样中各种离子的种类和浓度。

4.2 方法精密度与检出限测定

将标样3按照离子色谱操作方法，平行测定7次。将各测定的结果中峰面积换算成样品中的浓度，计算平行测定的标准偏差(S)、检出限(MDL)以及相对标准偏差(RSD)，实验结果见表4。

表4 方法检出限、精密度和准确度测试

将标样3进行7次平行实验，根据t界值表可知，当n = 7时，t(6,0.99)= 3.143[10]，由此得F-、Cl-、的方法检出限分别为0.29 mg·L-1、4.6 mg·L-1、0.82 mg·L-1、0.46 mg·L-1。7次重复实验中4种阴离子的相对误差、相对标准偏差均在5%内，这表明本实验的准确度较好，精密度较高，重复性较好，这为7种待测水样数据测量提供了高的可信度。

4.3 实验样品测定及结果分析

基于上述5组混合标样中4种阴离子的测定结果，进而对7种待测水样，即3种直饮水、经普通锅炉煮沸的自来水、未经处理的自来水、矿泉水以及运动功能饮料进行检测，样品中各种阴离子的出峰位置、保留时间等如图2所示。

图2 7种样品中的离子色谱图

将7种水样的检测数据与混合标准样品中阴离子的保留时间对照，判断出各出峰位置的离子种类，通过已知离子峰面积-浓度标准曲线进一步计算出7种水样中所含各离子的浓度，检测数据如表5所示。

表5 7种水样中离子色谱出峰位置及峰面积

从表5数据可以看出，6种饮用水中4种阴离子含量均符合生活饮用水卫生标准(表6)，且各饮水机的饮用水中阴离子含量相差不大。相比较之下，未经任何处理的自来水中浓度含量相对高，而十五宿开水房生活用水样中F-、Cl-以及的离子浓度均高于未经处理的自来水。两种经过饮水机煮沸加热的饮用水中4种阴离子含量均低于开水房热水中的相应离子含量。值得注意的是，其中综合楼饮水机的饮用水中各阴离子含量是7种样品中含量最低的，尤其是F-离子含量甚微几乎无法检出。功能饮料中不含硝酸根离子，但是F-和Cl-这两种阴离子含量高达饮用水中相应离子含量的几十或上百倍，含量也远高于6种饮用水中相应离子的含量。这些数据表明，尽管都是直饮水，但是经过不同净水器装置处理的水质还是存在一定的差异性。而功能饮料作为一种特殊的饮品在特殊情况下使用更合适。

表6 生活饮用水卫生阴离子标准含量[8]

4.4 结果与讨论

通过利用仪器分析实验课程中学到的离子色谱法对南开大学校内5种饮用水和1种功能性饮料以及矿泉水中的阴离子种类及含量进行分离分析与检测发现，6种饮用水的阴离子含量均在生活饮用水卫生标准中，但这6种饮用水之间存在一定的差异性。尤其是未经过加热烧开的自来水中硝酸根离子和氟离子含量都较高，如果长期大量饮用，将会对人体造成一定的伤害，因此不推荐直接饮用自来水。

经过净水器处理和加热后的自来水中硝酸根离子和氟离子含量降低，但是经锅炉加热的开水中的氟离子浓度却反而增加，这可能与加热仪器的洁净程度有关。因此，建议家用烧水壶在煮沸处理自来水时，注意加热器洁净程度，及时处理水垢等杂质，进而保证水中阴离子含量在饮用标准范围内且尽量保持相对低值。

相比较之下，矿泉水和经过复杂净水装置处理过的综合楼直饮水中4种阴离子含量都较低，是较为理想的饮用水，可以安全放心的长期饮用。更有意思的是，相比于综合楼饮水机的直饮水，矿泉水中各离子浓度相对较高，其硫酸根含量甚至达到直饮水的两倍。除此之外，矿泉水中还含有许多人体需要的矿物质，饮用对人体获取微量元素有较大的帮助[11]。虽然如此，但我们也不能忽视长期饮用矿泉水可能带来的问题，例如矿泉水生产厂家良莠不齐导致质量不能保证的问题、矿泉水瓶带来的环境污染问题以及矿泉水的费用问题等。随着现代科技的发展，直饮水系统已在千家万户普及，将普通生活饮用水经过净化设备的过滤、吸附、消毒等过程除去杂质、细菌病毒等[12]，为人们提供了安全的直接饮用水。本次实验中综合楼直饮水中可能的阴离子的定性和定量测定结果就是一个很好的例子，它采用的直饮水过滤模式为：自来水通过多层滤膜多级过滤除去杂质、异色、异味等，再通过紫外线等对直饮水进行杀菌消毒等(图3a)。整个净水过程相对复杂，进而处理出来的水质明显高于其他经过相对简单处理的水质。由直饮水检测报告也可知，直饮水的色度、浑浊度、臭味以及菌落等均符合标准(图3b)，且水质口感较好，进一步表明直饮水饮用健康安全有保障。

图3 直饮水净水器工作图

总体来讲，综合楼直饮水水质最佳，其次是矿泉水；相比之下，未经处理的自来水的安全性相对弱；功能饮料确实能在短时间内满足运动后人体电解质平衡的及时需求。

水能够起解渴、载体、参与生物物质代谢、能量代谢及遗传信息传递等作用，对人体十分重要，因此对于饮水健康更不容忽视。水乃生命之本，本次离子色谱实验结果为人们今后选择正确的饮用水源提供了理论依据和指导建议。

5 结语

本实验旨在拓展大学生仪器分析实验理论学习的实际应用价值，将生活问题——饮用水的选择与仪器分析实验相关课程相结合，在授课教师的指导下，由学生自主发现问题、查阅文献、形成方案、样品选取、实验操作，以及对实验结果进行分析与讨论，进而得出一些具有重要参考价值的结论。此项实验的数据及结果将会在日后通过推送形式进一步向学生普及，帮助更多学生了解饮用水水质标准和日常饮用水的安全性问题，打消学生对校内直饮水质量的顾虑，同时为学生选择正确的饮用水提供可参考依据。另外，在净水方式和净水器的选择上，本实验也进行了一系列探究与思考，得到了具有实际意义的结论。更重要的是，通过此次实验，学生进一步将所学到的扎实理论知识灵活地运用于复杂问题的处理上，不仅训练了学生的实验能力，同时也锻炼了学生对知识的应用能力，让学生意识到了生活中处处有化学，化学用于指导生活。