非抑制型離子色譜法同時(shí)測(cè)定礦泉水中硼酸和偏硅酸

楊占強(qiáng), 張芳芳, 韓春霞, 鄭洪國(guó)

(1. 賽默飛世爾科技(中國(guó))有限公司, 上海 201203; 2. 賽默飛世爾科技(中國(guó))有限公司, 四川 成都 610023)

自從Small等[1]首次提出現(xiàn)代離子色譜概念以來(lái),離子色譜已被廣泛應(yīng)用于陰、陽(yáng)離子等離子型化合物的檢測(cè)[2-4]。目前抑制電導(dǎo)檢測(cè)模式已逐漸成為離子色譜領(lǐng)域的主要發(fā)展趨勢(shì)[5-7]。但抑制型離子色譜法并不適用于pKa>7的弱酸。因?yàn)樵谝种颇Ｊ街?常用的氫氧根淋洗液經(jīng)過抑制后的產(chǎn)物為水,會(huì)將待測(cè)物周圍環(huán)境從堿性變成中性,從而導(dǎo)致pKa>7的弱酸電離程度極大的減弱,不利于電導(dǎo)檢測(cè)器的測(cè)定。因此針對(duì)pKa>7的弱酸常用其他方式進(jìn)行檢測(cè),如非抑制電導(dǎo)法[8,9]和柱后衍生紫外檢測(cè)法[10]等。

硼在自然界中主要以硼酸和硼酸鹽的形式存在。最新的《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749-2022)規(guī)定硼的含量需小于1.0 mg/L;許多國(guó)家和組織也制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn),如歐盟規(guī)定飲用水中硼的限值為1.0 mg/L,新西蘭飲用水標(biāo)準(zhǔn)中硼的限值為1.4 mg/L。因此,隨著硼工業(yè)的發(fā)展及人們對(duì)水中硼污染重視的提高,水中硼含量的檢測(cè)越來(lái)越引起人們的廣泛關(guān)注?，F(xiàn)有已發(fā)表的文獻(xiàn)中關(guān)于礦泉水中硼酸含量測(cè)定的方法主要有甲亞胺-H或姜黃素分光光度法[11]、電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法[12,13]、離子色譜法[14]等。甲亞胺-H分光光度法和姜黃素分光光度法均需要對(duì)硼酸進(jìn)行衍生化操作,操作步驟繁瑣,尤其是樣品量比較大時(shí),這兩種方法耗時(shí)較多?，F(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)DB51/T 1698-2013中推薦使用離子排斥色譜法測(cè)定樣品中的硼酸,該方法能夠有效減小強(qiáng)電離離子化合物對(duì)硼酸測(cè)定的干擾,但選擇性相對(duì)較差,小分子有機(jī)酸與硼酸出峰相近甚至共洗脫,從而易對(duì)硼酸的定性定量造成干擾。

硅是人體所必需的微量元素,一般以偏硅酸的形式存在于水中,對(duì)人體有益。GB 8537-2018 《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 飲用天然礦泉水》將偏硅酸列為礦泉水七項(xiàng)界限指標(biāo)之一。傳統(tǒng)的硅酸鹽檢測(cè)方法主要有氫氟酸轉(zhuǎn)化分光光度法、重量法、氣體分割連續(xù)流動(dòng)光度分析[15,16]等,而國(guó)標(biāo)GB 8538-2022中的方法則是采用硅鉬黃分光光度法和硅鉬藍(lán)分光光度法檢測(cè)偏硅酸。由于這些方法存在操作繁瑣、消耗試劑量大、污染環(huán)境等缺點(diǎn),新的分析方法不斷地被建立。

離子色譜是分離陰、陽(yáng)離子的首選方案,不少學(xué)者嘗試考慮用離子色譜法來(lái)測(cè)定樣品中的硅酸鹽[8-10,17-21]。薛京昌等[18]分別采用抑制型-紫外柱后衍生法、非抑制型-紫外柱后衍生法測(cè)定礦泉水中的硅酸鹽含量,紫外柱后衍生法在不同程度上存在操作復(fù)雜、費(fèi)時(shí)費(fèi)力等問題。劉肖等[19]利用AS11-HC作為分析柱,淋洗液發(fā)生器在線產(chǎn)生KOH梯度淋洗測(cè)定礦泉水中的硅酸鹽,該報(bào)道僅針對(duì)單一硅酸鹽的檢測(cè)。Dasgupta等[20]采用雙電導(dǎo)檢測(cè)器串聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)常規(guī)陰離子和弱有機(jī)酸的同時(shí)檢測(cè),其第一個(gè)電導(dǎo)檢測(cè)器為標(biāo)準(zhǔn)的抑制型電導(dǎo)檢測(cè)系統(tǒng),在兩個(gè)電導(dǎo)檢測(cè)器之間增加一個(gè)自制的交換單元從而實(shí)現(xiàn)在進(jìn)入第二個(gè)電導(dǎo)檢測(cè)器之前對(duì)流動(dòng)相加堿的功能。在堿性條件下,有機(jī)弱酸的解離程度增加,信號(hào)增強(qiáng)。但由于第二個(gè)檢測(cè)器前死體積較大,易導(dǎo)致色譜峰擴(kuò)散,有機(jī)酸轉(zhuǎn)換效率較低,信號(hào)增強(qiáng)程度有限,同時(shí)也缺少商品化的交換單元,因此該方法未得到普及。

通常測(cè)定硼酸采用離子排斥色譜法,測(cè)定硅酸根采用柱后衍生紫外法。因此傳統(tǒng)方法不能實(shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)水質(zhì)中硅酸根和硼酸含量的測(cè)定?？紤]到硼酸(pKa=9. 24)和偏硅酸(pKa=9. 77)均為極弱酸,在堿性條件下有一定解離,雖不能用抑制型離子色譜法測(cè)試,但在離子色譜柱上仍有保留。故本文采用非抑制型離子交換色譜法,通過優(yōu)化色譜柱和淋洗液條件,實(shí)現(xiàn)硼酸和偏硅酸的同時(shí)檢測(cè)分離。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

DionexTMInuvion Core離子色譜儀、DionexTMAS-DV自動(dòng)進(jìn)樣器、DionexTMIC PureTM水純化系統(tǒng)、Fisher ScientificTM11203超聲波清洗器、Thermo ScientificTMChromeleonTM色譜分析數(shù)據(jù)系統(tǒng)(CDS)軟件均為賽默飛世爾科技有限公司產(chǎn)品。

九水合硅酸鈉(Na2SiO3·9H2O,純度98%)、硼酸(H3BO3,純度99.5%,)、甘露醇(C6H14O6, 純度98%)均購(gòu)自Merck公司;50%氫氧化鈉水溶液(賽默飛世爾科技有限公司);實(shí)驗(yàn)所用其他試劑均為分析純;實(shí)驗(yàn)用水均為去離子水(18.2 MΩ·cm)。

1.2 離子色譜條件

色譜柱:Dionex IonPacTMAG20保護(hù)柱(50 mm×4 mm)+Dionex IonPacTMAS20色譜柱(250 mm×4 mm);淋洗液:6 mmol/L氫氧化鈉溶液+60 mmol/L甘露醇;流速:1.0 mL/min;進(jìn)樣體積:50 μL;柱溫:30 ℃。

1.3 標(biāo)準(zhǔn)溶液與淋洗液的配制

準(zhǔn)確稱取0.375 g Na2SiO3·9H2O,溶于80 mL水中,并定容至100 mL,制得1 000 mg/L的SiO32-標(biāo)準(zhǔn)溶液。

準(zhǔn)確稱取0.1 g H3BO3,溶于80 mL水中,并定容至100 mL,制得1 000 mg/L的H3BO3標(biāo)準(zhǔn)溶液。

稱取10.9 g甘露醇置于1 000 mL容量瓶中,加水溶解;加入0.31 mL 50%氫氧化鈉溶液,充分混勻溶解后加水稀釋至刻度線,制得淋洗液,備用。

1.4 實(shí)際樣品的前處理

樣品過0.22 μm水系濾膜后直接進(jìn)樣分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 色譜柱及流動(dòng)相選擇

在離子色譜系統(tǒng)中淋洗液的組成及其濃度對(duì)目標(biāo)化合物的保留影響重大。用于陰離子分析的流動(dòng)相主要包括氫氧化物、碳酸鹽-碳酸氫鹽體系等,考慮到碳酸鹽-碳酸氫鹽的洗脫能力較強(qiáng),硼酸和偏硅酸較難保留。另一方面,硼酸和偏硅酸的pKa值與碳酸-碳酸氫鹽體系的緩沖pH范圍較為接近,可能會(huì)對(duì)其電離產(chǎn)生影響。故綜合以上兩點(diǎn),本研究采用氫氧根體系作為淋洗液。

首先考察了Dionex IonPacTMAS20、Dionex IonPacTMAS11-HC、Dionex IonPacTMAS19色譜柱的分離效果。Dionex IonPacTMAS20色譜柱親水性較好,柱容量較大,采用較低濃度淋洗液即可將偏硅酸和硼酸與常規(guī)離子實(shí)現(xiàn)分離,且分離度良好(見圖1)。在非抑制模式中,背景電導(dǎo)通常與淋洗液濃度成正比,低濃度淋洗液則具有較低的基線背景,對(duì)待測(cè)物來(lái)講可獲得更低的檢出限。Dionex IonPacTMAS11-HC柱容量雖然與Dionex IonPacTMAS20相差不大,但Dionex IonPacTMAS11-HC柱親水性相對(duì)較差,主要用于常規(guī)陰離子及有機(jī)酸分析。Dionex IonPacTMAS19柱容量適中,主要用于鹵氧化物、鹵代乙酸的分析,雖然硼酸和偏硅酸也可實(shí)現(xiàn)分離,但分離度相對(duì)較小。故綜合考慮,本研究采用Dionex IonPacTMAS20作為實(shí)驗(yàn)分析柱。在該非抑制模式下,信號(hào)峰為倒峰。為方便對(duì)比和定量數(shù)據(jù)獲取,通過極性切換方式將倒峰轉(zhuǎn)化為正峰。

圖1 IonPacTM AS20色譜柱分離硼酸和偏硅酸的色譜圖Fig. 1 Chromatogram of the boric acid and silicic acid using IonPacTM AS20 column

根據(jù)文獻(xiàn)[22]報(bào)道,硼酸可以與多羥基化合物進(jìn)行絡(luò)合,從而形成比硼酸酸性更強(qiáng)的絡(luò)合酸,從而有利于硼酸的測(cè)定。因此本實(shí)驗(yàn)在氫氧化鈉流動(dòng)相的基礎(chǔ)上分別考察了不同濃度的甘露醇對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響,見圖2。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)甘露醇濃度為0 mmol/L時(shí),硼酸在偏硅酸后邊洗脫,峰擴(kuò)散嚴(yán)重,半峰寬較大,不利于定性定量分析;當(dāng)添加30 mmol/L甘露醇時(shí),硼酸與流動(dòng)相中甘露醇進(jìn)行絡(luò)合配位,形成更加穩(wěn)定的陰離子,表現(xiàn)為硼酸在偏硅酸前面出峰,但其色譜峰形前伸,存在肩峰現(xiàn)象,其原因推測(cè)為硼酸與甘露醇形成配位比不同的混合物;而當(dāng)進(jìn)一步增大甘露醇濃度至60 mmol/L時(shí),硼酸和偏硅酸保留時(shí)間基本變化不大,但硼酸的色譜峰峰形得到較好的改善;繼續(xù)增加甘露醇的濃度,硼酸色譜峰基本不變。故最終確定流動(dòng)相中甘露醇的濃度為60 mmol/L。

2.2 方法學(xué)考察

2.2.1標(biāo)準(zhǔn)曲線及重復(fù)性

用超純水配制不同濃度的SiO32-和硼酸系列標(biāo)準(zhǔn)工作溶液,在選定的色譜條件下進(jìn)樣分析,以目標(biāo)物的峰面積(y, μS·min)為縱坐標(biāo),標(biāo)準(zhǔn)溶液質(zhì)量濃度(x, mg/L)為橫坐標(biāo),建立標(biāo)準(zhǔn)曲線。硼酸和SiO32-的線性范圍、線性方程和相關(guān)系數(shù)(R)見表1。可以看出,SiO32-和硼酸在選定的濃度范圍內(nèi)均具有良好的線性,R為 0.999 9。

表1 硼酸和SiO32-的線性范圍、回歸方程、相關(guān)系數(shù)Table 1 Linear ranges, regression equations and correlation coefficients (R) of boric acid and silicate

重復(fù)性是判斷分析方法是否適用的重要指標(biāo)之一。本文選取10 mg/L的硼酸和SiO32-連續(xù)進(jìn)樣9次,硼酸和SiO32-保留時(shí)間的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)≤0.09%,峰面積RSD≤0.21%,進(jìn)一步說明儀器方法具有良好的穩(wěn)定性,具體重復(fù)性結(jié)果見表2。

表2 硼酸和SiO32-定性、定量的重復(fù)性(n=9)Table 2 Repeatabilities of boric acid and silicate (n=9)

2.2.2檢出限和定量限

分別以信噪比(S/N)等于3和10所對(duì)應(yīng)的目標(biāo)物濃度作為儀器檢出限和儀器定量限[3]。當(dāng)樣品水直接進(jìn)樣分析,儀器檢出限和儀器定量限即為水中SiO32-和硼酸的方法檢出限和定量限(見表3)。

表3 硼酸和SiO32-的儀器檢出限、儀器定量限、方法檢出限和方法定量限Table 3 Instrument detection limits (IDLs), instrument quantitation limits (IQLs), method detection limits (MDLs), method quantitation limits (MQLs) of boric acid and silicate

2.2.3加標(biāo)回收率和精密度

本方法選擇市售礦泉水作為本底樣品,分別對(duì)SiO32-和硼酸進(jìn)行不同濃度等級(jí)的低中高三水平加標(biāo)測(cè)試;考慮到樣品中硼酸未檢出,故對(duì)硼酸又進(jìn)行了定量限水平的加標(biāo)試驗(yàn)。結(jié)果表明,SiO32-和硼酸的平均回收率均為97.3%～105.3%,證明該方法的準(zhǔn)確度較高;檢測(cè)結(jié)果的RSD均在0.9%以內(nèi),證明該方法穩(wěn)定性好。詳細(xì)結(jié)果見表4所示。

表4 礦泉水樣品中硼酸和SiO32-在不同添加水平下的回收率和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(n=6)Table 4 Recoveries and relative standard deviations (RSDs) of boric acid and silicate in a mineral water sample at different spiked levels (n=6)

2.2.4實(shí)際樣品測(cè)定

在優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)條件下,選取9種市售飲用礦泉水作為分析樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn),不同的飲用礦泉水中偏硅酸含量相差較大,但均未檢測(cè)到硼酸的存在,具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表5,檢出偏硅酸的飲用礦泉水中偏硅酸的含量均與其商標(biāo)中標(biāo)示值范圍一致。

表5 礦泉水樣品中偏硅酸和硼酸的測(cè)定結(jié)果Table 5 Determination results of silicic acid and boric acid in mineral water

3 結(jié)論

建立了一種利用非抑制型離子色譜同時(shí)測(cè)定水中硼酸和偏硅酸含量的方法。與傳統(tǒng)檢測(cè)方法相比,本方法通過一針進(jìn)樣即可獲得水中硼酸和偏硅酸的含量。該方法前處理簡(jiǎn)單,無(wú)需柱后衍生,減少了工作量,降低了成本。此外,目前較為通用的純水標(biāo)準(zhǔn)中也都明確規(guī)定了偏硅酸、硼酸的含量,尤其是電子級(jí)超純水中,對(duì)偏硅酸和硼酸的要求更為苛刻。鑒于其含量相對(duì)較低,故本方法應(yīng)用在超純水中還需進(jìn)一步優(yōu)化條件。