氟是人体所必需的元素,适量的氟对预防龋齿有利,但是如果摄入氟超标的农产品或畜产品会引起牙釉和骨软症,可导致人畜牙齿和骨骼氟中毒^[1]。自然界中的大气、土壤和矿石中含有微量的氟元素,以氟化氢、氟化钠、氟化钙等化合物状态存在^[2]。氟化物可通过多种途径进入土壤中,如磷肥和农药施入、煤的燃烧、矿物散落物和其他已被工业污染的空气及降雨。当外界氟化物对土壤造成污染时,往往表现为土壤中可溶性氟含量的增加,将影响植物生长,引起植物中氟化物含量的变化^[3]。有研究^{[4, 5, 6]}发现,植物含氟量仅与土壤中水溶态氟含量呈显著正相关。因此,测定土壤中的水溶性氟含量在环境氟污染和地方性氟中毒的监测和防治控制中具有重要意义。

目前氟化物的测定方法主要有氟离子选择电极法^{[1, 7]}、比色法^[8]、气相色谱法^[9]、高效液相色谱法^{[10, 11]}以及离子色谱法^{[12, 13]}等。GB/T 22104-2008^[14]中采用离子选择电极法测定土壤中的氟化物,分析氟离子时容易被pH、金属离子和温度等因素干扰,使数据结果产生误差。而离子色谱法灵敏度高、检出限低、操作简便,被广泛用于测定水、药物和食品中的阴、阳离子,与国标法相比有很大的优势。因此本文采用离子色谱法测定土壤浸出液中的氟离子。土壤浸出液中除了氟离子外,还含有其他小分子有机酸、水溶性有机物等杂质离子。为了消除测定氟离子时存在小分子有机酸的干扰,崔鹤等^[15]比较了5款不同型号的阴离子色谱柱(AS19、AS11、AS7、AS15和AS11-HC)的分离效果,实验结果表明,AS19、AS11、AS7和AS11-HC等分离柱很难将氟离子和干扰离子分开,强疏水性的AS15分离柱的分析效果最好。Saha等^[16]采用0.005 mol/L Na₂B₄O₇作为淋洗液,IonPac AS4A-SC作为分离柱,测定土壤浸出液中的氟离子,流速为2.0 mL/min,未能消除测定干扰。本文建立了离子色谱-柱切换法,在线消除小分子有机酸(如甲酸、乙酸、乳酸等)的干扰,利用疏水性中等偏弱的色谱柱测定土壤浸出液中的氟离子。

ICS-2100离子色谱仪(美国Thermo Fisher公司),配有DS6电导检测器、Chromeleon 6.8色谱工作站、Ultimate 3000 P680四元梯度泵和Ultimate 3000紫外检测器。IonPac AG11-HC保护柱(50 mm×4 mm)、IonPac AS11-HC分离柱(250 mm×4 mm)和IonPac NS1-5 μm预处理柱(150 mm×4 mm)(美国Thermo Fisher公司)。AMMS-Ⅲ(4 mm)化学自再生抑制器(美国Thermo Fisher公司),0.22 μm尼龙滤膜过滤头(天津富集科技有限公司)。

乙腈(色谱纯,美国Thermo Fisher公司)、盐酸(分析纯,国药集团化学试剂有限公司)、乙酸(分析纯,成都市科龙化工试剂厂)、乳酸(分析纯,阿拉丁试剂有限公司)、氟离子标准溶液(1 000 mg/L,国家标准物质研究中心)。实验用水均为2次去离子水。

取52 μL盐酸,用去离子水稀释至1 000 mL,配制成pH 3.3的盐酸作为Ultimate 3000 P680四元梯度泵的流动相。

准确称取适量的乙酸、乳酸溶液,分别用去离子水配成1 000 mg/L的标准储备液。所用标准溶液为标准储备液逐级稀释所得。

在某茶园土壤表面和地面以下5～10 cm处分别收集3份土壤样品,仔细挑去石块、根茎等固体杂物,平铺在干净的滤纸上,放入60 ℃烘箱,干燥0.5 h后取出。烘干后的土壤样品用研钵碾碎,然后通过孔径为20目的筛,留在筛上的土块重新碾碎,再次过筛,直至全部土壤样品通过,混匀。取经充分碾碎混匀后的土壤样品5.0 g于广口瓶中,加入20.0 mL水,超声浸提15 min后,以4 000 r/min的速度离心10 min,取上清液1.0 mL,过0.22 μm滤膜后进样分析。

将预处理柱(IonPac NS1柱)、保护柱(IonPac AG11-HC柱)以及分离柱(IonPac AS11-HC柱)按照图 1所示顺序连接,其中阀1为进样阀,阀2为切换阀。在连接时尽量缩短流路以减少死体积。四元梯度泵流速为0.4 mL/min,分析泵流速为1.0 mL/min。四元梯度泵的流动相设置为:0～5 min,盐酸淋洗;5～15 min,乙腈淋洗;15～25 min,盐酸淋洗。分析泵中的KOH溶液浓度梯度设置为:0～10.0 min,3 mmol/L; 10.1～20 min,20 mmol/L; 20.1～25.0 min,3 mmol/L。进样量为25 μL,收集环大小为1.3 mL。

图1

Fig. 1

图1 离子色谱-柱切换系统仪器结构示意图 Fig. 1 Structural diagram of ion chromatography-column switching system

装载在定量环中的样品在四元梯度泵流动相盐酸的作用下进入IonPac NS1反相色谱柱进行预分离。小分子有机酸在反相色谱柱中有保留,而氟离子直接流出进入收集环,收集时间为2.1～4.4 min。然后通过阀切换,收集环中的氟离子进入分离柱中进行分析。同时,在5～15 min之间四元梯度泵中的流动相切换成乙腈,冲洗前处理柱。在15 min以后,四元梯度泵中的流动相更换为盐酸,为下次进样做好准备。

pK_a是电离常数K_a的负对数,氢氟酸、乳酸和乙酸的pK_a值分别为3.18、3.86和4.74。应选择适当pH值的盐酸淋洗液,使氢氟酸以氟离子的形式存在,同时乳酸、乙酸以分子的形式存在,从而将此类小分子有机酸在高聚物填料反相色谱柱IonPac NS1中与氟离子分离。因此,盐酸淋洗液的pH值应介于3.18和3.86之间。本实验选用pH 3.3的盐酸作为淋洗液。

将预处理柱直接与电导检测器连接,并在其后串联紫外检测器,测定氟离子、乳酸和乙酸的出峰情况。流动相为盐酸,紫外检测器的测定波长为210 nm。试验发现氟离子在预处理柱中无保留,而乳酸出峰时间比乙酸早。在阴离子交换柱中,乳酸的保留能力较乙酸弱,如果在预处理柱中能将乳酸与氟离子分离,就能保证氟离子与乙酸分离。优化四元梯度泵流动相盐酸的流速,发现在流速不大于0.4 mL/min时,氟离子和乳酸能够完全分离,因此四元梯度泵的流速选择为0.4 mL/min。将预处理柱直接与电导检测器连接,以盐酸为流动相,在流速为0.4 mL/min时,观察氟离子的出峰时间(见图 2)。将切换时间大致确定为2.0～4.5 min,并进行进一步调整,得到的切换时间与峰面积的关系如下:2.0～4.2 min时,峰面积为1.510 1; 2.1～4.3 min时,峰面积为1.793 3; 2.1～4.4 min时,峰面积为1.896 7; 2.1～4.5 min时,峰面积为1.880 3。由此确定最佳收集时间范围为2.1～4.4 min。在图 2中,由于流动相是盐酸,因此以氯离子的电导值为背景电导,当氟离子水溶液进入电导检测器时,由于氟离子与氯离子电导信号叠加,因此出现一个大的正峰,由于水的电导值低于背景电导,随后出现的倒峰为水的负峰。

图2

Fig. 2

图2 100 mg/L氟离子通过预处理柱的色谱图 Fig. 2 Chromatogram of 100 mg/L fluoride through a pretreatment column

反相色谱柱不仅可以分离氟离子和有机酸,而且对有机物也有一定保留,可以除去样品中的有机基质,因此尝试选用反相色谱柱作预处理柱。本试验比较了高聚物反相色谱柱和C18反相色谱柱。由于C18填料由硅胶基质制成,对氟离子有一定的吸附作用,而高聚物反相色谱填料比C18填料的pH耐受范围广,且对氟离子无特殊作用,因此选用高聚物材质填料的反相色谱柱IonPac NS1柱作预处理柱。考虑到分析测试中常用的色谱柱型号,选用IonPac AS11-HC柱作为分离柱。

四元梯度泵的流动相盐酸中含有氯离子,通过收集环收集氟离子的同时,一定量的氯离子也进入收集环中并带入分析系统；此外,样品中含有其他离子,如硫酸根、磷酸根等,因此采用梯度淋洗的方法以缩短分析时间。

量取氟离子的标准储备液,分别配制成质量浓度为0.05、0.1、0.5、1.0、5.0、10.0 mg/L的标准溶液,在1.3节所述条件下,依次进样,以峰面积(y)对氟离子的质量浓度(x,mg/L)进行线性回归,得到回归方程为y=0.423 8x-0.022 5,相关系数为0.999 9,线性范围为0.05～10.0 mg/L。以3倍信噪比计算检出限,得到检出限为5.50 μg/L。用同一浓度的氟离子标准溶液平行测定6次,峰面积的相对标准偏差(RSD)为1.946%。标准溶液色谱图见图 3。

图3

Fig. 3

图3 2.5 mg/L氟离子标准溶液的色谱图 Fig. 3 Chromatogram of 2.5 mg/L fluoride standard solution

将实际样品按1.2节方法处理后进行分析,外标法定量,每份样品平行测定3次,结果见表 1。同时,在表面土壤3样品中分别添加0.25、0.5和1.0 mg/L的氟离子,每个水平平行测定3次,计算加标回收率(见表 2)。结果表明该方法准确度较好。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 土壤浸出液及土壤中的氟离子含量 Table 1 Content of fluoride in soil water extract and soil Soil sample Contents of F- Soil water extract/(mg/L) Soil/(mg/kg) Surface soil 1 0.3664 1.493 Surface soil 2 0.6840 2.745 Surface soil 3 0.5234 2.098 Underground soil 1 0.5989 2.392 Underground soil 2 0.6994 2.798 Underground soil 3 0.5294 2.118

表1 土壤浸出液及土壤中的氟离子含量 Table 1 Content of fluoride in soil water extract and soil

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 氟离子在样品中的加标回收率 Table 2 Spiked recoveries of fluoride in samples (n=3) Background/(mg/L) Spiked/(mg/L) Found/(mg/L) Recovery/% RSD/% 0.5234 0.2500 0.8066 104.3 2.0 0.5000 1.0582 103.4 2.1 1.0000 1.6041 105.3 2.0

表2 氟离子在样品中的加标回收率 Table 2 Spiked recoveries of fluoride in samples

将不经过预处理柱直接进样的样品图(图 4a)和使用本方法得到的样品图(图 4b)进行对比可知,通过预处理柱后,样品中的干扰大大消除。

图4

Fig. 4

图4 使用不同前处理方法的实际样品谱图 Fig. 4 Chromatograms of a real sample with different pretreatment methods a. direct injection; b. on-line pretreatment.

建立了离子色谱-柱切换测定土壤浸出液中氟离子的方法。利用高聚物反相色谱柱进行在线样品前处理,消除了测定氟离子时存在的小分子有机酸和有机基质的干扰问题。本方法重现性好,可用于测定复杂样品中的氟离子,为准确测定氟离子提供了一种新的思路和方法。