离子转换色谱-紫外检测法测定啤酒中的无机阴离子和有机酸


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施超欧, 姚宝龙, 胡咪, 陈爱连

华东理工大学化学与分子工程学院分析测试中心, 上海 200237

收稿日期：2016-06-05

通讯联系人： E-mail:shico@ecust.edu.cn

摘要：建立了离子转换色谱与紫外检测器联用检测啤酒中无机阴离子与有机酸的新方法。在传统的离子色谱基础上引入两根离子转换柱，无机阴离子与有机酸经过两步转换，定量转换成有相同紫外响应的碘酸盐，然后用紫外检测器代替电导检测器进行定量分析。在Dionex AS11-HC阴离子色谱柱上，采用KOH梯度淋洗方式实现了12种无机阴离子与有机酸的分离。结果表明，12种无机阴离子和有机酸检出限（S/N=3）与定量限（S/N=10）分别为6.168~29.01 μg/L与20.56~66.30 μg/L；线性关系良好（r在0.9994以上），回收率为89.0%~117.0%，RSD均小于1.0%，该方法与传统的电导检测器检测结果相当。该方法简单快捷，只需采用少数标准曲线，就可以实现啤酒中无机离子与有机酸的定量测定。

关键词：离子转换色谱紫外检测无机阴离子有机酸啤酒

Determination of inorganic anions and organic acids in beer by replacement-ion chromatography with ultraviolet detection

SHI Chaoou, YAO Baolong, HU Mi, CHEN Ailian

Analysis and Testing Center, School of Chemistry & Molecular Engineering, East China University of Science and Technology, Shanghai 200237, China

Received: 2016-06-05

^* Corresponding author. E-mail:shico@ecust.edu.cn

Abstract: A new method for determination of inorganic anions and organic acids in beer was developed by replacement-ion chromatography-ultraviolet detection. Two ion replacement columns were introduced on the basis of the traditional ion chromatography. Inorganic anions and organic acids were converted into iodate salts with the same ultraviolet response, and then detected sensitively by ultraviolet detector instead of conductivity detector. The separation of the inorganic anions and organic acids was achieved on a Dionex AS11-HC anion chromatographic column with KOH as gradient eluent. The results showed that the limits of detection (S/N=3) and the limits of quantification (S/N=10) were 6.168-29.01 μg/L and 20.56-66.30 μg/L respectively; the linear relationship is good with correlation coefficients (r) greater than 0.9994. The average recoveries were between 89.0% and 117.0%, and relative standard deviations (RSDs) were all less than 1.0%, the detection results are almost the same with the results of traditional conductance. The method is simple, rapid and can realize the determination of inorganic ions and organic acids in beer using use a few standard curves.

Key words: replacement-ion chromatography (RIC) ultraviolet detection inorganic anions organic acids beer

1983年Downey和Hieftje等^[1]首次提出离子转换色谱(replacement-ion chromatography,RIC)概念——基于传统离子色谱基础上的一种色谱分离方式。其基本原理是在传统的双柱型离子色谱(分离柱+抑制柱)中引入第三根“转换柱”(replacement column),目的是将从抑制器中洗脱出来的被分析离子在其中实现定量替换,成为以目标离子形式存在的洗脱产物,然后进入检测器实现检测。

据相关文献报道,目前离子转换色谱的分离模式主要有:阴离子-阳离子-原子发射光谱检测^[2];阳离子-阴离子-紫外-可见分光光度检测^[3-5];阴离子-阳离子-大气阴极辉光放电光度检测^[6];阳(阴)离子-阳(阴)离子-电化学选择性电极检测^{[7, 8]}。其中,离子转换色谱的紫外检测器联用模式(RIC-UV)仅实现对于阳离子的检测,对于阴离子的检测却出现峰形不对称且拖尾、重现性差、灵敏度低、通用校正不存在等缺点,无法实现常见无机阴离子及有机酸的分析。传统的离子转换模式,仅采用一根转换柱,在此基础上,我们提出了二次转换的概念,即串联二根转换柱,可以实现阴离子-阳离子-阴离子-紫外-可见分光光度检测模式。通过二次转换把不同的阴离子转换成某一种特定类型的有紫外吸收的阴离子,从而实现了紫外检测无机阴离子和有机酸。

啤酒中也含有多种无机阴离子与有机酸,其中有机酸的种类、含量决定啤酒的口感^[9]。离子色谱法是一种分析无机阴离子^[10]和有机酸^[11]的有效方法,国内外已有采用传统离子色谱法同时分析无机阴离子和数种有机酸的报道^[12-17],但未见基于离子转换色谱采用紫外检测器间接检测无机阴离子与有机酸的报道。本文在传统的RIC-UV基础上,采用二次离子转换色谱的紫外检测模式,无机阴离子与有机酸经过两次转换,定量转换成IO₃^-离子,并实现了通用校正的标准曲线,无需每个离子单独做标准曲线,方法新颖简便,灵敏度、准确性和精密度与传统的电导检测法相当,能满足啤酒样品日常检测的需要。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

ICS3000离子色谱仪(Dionex,美国),包括泵(SP/DP)模块、检测器/色谱(DC)模块、淋洗液自动发生器(EG)模块,AS-AP自动进样器。色谱工作站(变色龙6.8 SR7),超纯水机(MilliPore A10)。

NaBr、Na₂SO₄、NaNO₂、乳酸、乙酸钠、磷酸钾、甲酸(上海凌峰化学试剂有限公司); NaCl、NaNO₃、草酸、琥珀酸、一水合柠檬酸(国药集团化学试剂有限公司),以上试剂均为分析纯;啤酒样品为国内市售的知名品牌啤酒产品。

1.2 标准溶液的配制

分别精密称取14.63 mg NaCl、25.75 mg NaBr、35.50 mg Na₂SO₄、53.07 mg磷酸钾、17.25 mg NaNO₂、21.25 mg NaNO₃、11.25 mg乳酸、5.754 mg甲酸、11.26 mg草酸、10.26 mg乙酸钠、14.76 mg琥珀酸、26.27 mg一水合柠檬酸于50 mL容量瓶中,以超纯水定容,配制成5.0 mmol/L对应的阴离子标准溶液,于5 ℃冷藏保存。实验中根据需要稀释至所需浓度。

1.3 样品前处理

分别移取15 mL两份不同品牌的啤酒样品,分别置于50 mL容量瓶中,常温超声30 min,脱气完毕后,以12 000r/min离心10 min,最后分别取上清液,经0.22 μm滤膜过滤后,用超纯水稀释10倍,于4 ℃冷藏待用。

1.4 色谱条件

色谱柱:Dionex IonPac^TM AS11-HC(50 mm×4 mm Guard+250 mm×4 mm Analytical)。Li⁺转换柱(3 cm×3 mm)和IO₃^-转换柱(3 cm×3 mm)均为自制柱。

Li⁺转换柱的预处理方法:配制浓度为50 mmol/L的氢氧化锂溶液,以1 mL/min的流速冲洗该转换柱30 min,再用去离子水以1 mL/min的流速冲洗转换柱60 min,保存待用。

IO₃^-转换柱预处理方法：配制浓度为50 mmol/L的碘酸钾溶液,以1 mL/min的流速冲洗该转换柱30 min,将OH^-的形式转变为IO₃^-的形式,随后也用去离子水以1 mL/min的流速冲洗转换柱60 min,保存待用。

淋洗条件:KOH(淋洗液自动发生器),梯度程序:0～12 min,0.80 mmol/L;12～50 min,0.80～14.10 mmol/L;50～70 min,14.10～34.10 mmol/L;70～75.00 min,34.10 mol/L;75.01～85.00 min,0.8 mmol/L。抑制器:ASRS 300(4 mm);抑制电流:95 mA;检测器:电导检测器,紫外检测器(检测波长210 nm);进样量:25 μL;柱温:30 ℃。

2 结果与讨论

2.1 实验装置构建

采用“一次离子转换”的RIC-UV系统检测阴离子时,被测阴离子从抑制柱中洗脱出来进入转换柱前,是以其各自共轭酸(HA)的形式存在的,由于阴离子转换膜上有残留的OH^-交换位点,被测阴离子以其共轭酸的形式经过这些残余的OH^-交换位点时就会促发H⁺+OH^-=H₂O中和反应,为了维持电荷平衡,被测阴离子便会被部分吸附在阴离子交换膜上。依据道南原则,H⁺在阳离子中体积最小,电荷最低,因而阴离子交换膜对于H⁺的道南排斥作用最低,从而导致HA的透膜扩散变得相对容易,发生严重的透膜损失。由于受到以上两个因素的限制,“一次离子转换”的RIC-UV系统无法实现阴离子的紫外检测。

本文采用二次离子转换色谱,即在传统的抑制型离子色谱的基础上,在抑制器之后与紫外检测器之前,依次串联两根自制型的离子转换柱:第一根为Li⁺型阳离子转换柱,第二根为IO₃^-型阴离子转换柱。实验过程中,无机阴离子与有机酸经过AS11-HC分离柱分离,并经阴离子抑制器分别以各自的无机、有机酸形式洗脱出来后进入第一根Li⁺型阳离子转换柱时,被测离子共轭酸中的H⁺便会与阳离子转换柱中大量存在的Li⁺交换位点发生离子转换,从而几乎全部被定量地转换为锂离子盐的形式;随后,当被测阴离子以其各自锂盐的形式再进入到第二根阴离子转换柱中时,各个被测阴离子又会与阴离子交换柱中大量存在的IO₃^-交换位点发生离子转换,从而全部被定量地转换为LiIO₃,最后进入紫外检测器,在210 nm波长处实现紫外检测。

经过以上所述的“二次离子转换”的过程后,所有被测阴离子均可以被顺利地、定量地转变为有紫外响应的碘酸根离子。由于阴离子经过第二根紫外转换柱时是以其各自锂离子盐的形式存在,而不是以共轭酸的形式存在的,即使第二根阴离子转换柱中仍然会残存少量OH^-的交换位点,这些OH^-的交换位点也不会对结果产生明显的影响,确保了离子转换的顺利进行。

图 1为该实验的流程示意图。

图 1 二次离子转换与紫外检测器联用的实验装置示意图 Fig. 1 Schematic graph of the two-step-replacement-ion chromatography coupled with ultraviolet detector DI water: deionized water; EG: eluent generator.

2.2 线性关系、精密度、定量限与检出限

将按1.2节方法配制的标准溶液进行逐级稀释,得各无机离子与有机酸的浓度范围如表 1所示。由低浓度向高浓度依次进样,每个浓度进样3次,计算各个浓度水平上每种离子的平均峰面积,对其进行线性拟合。将标准样品连续进样7次,测试系统的精密度。以3倍信噪比(S/N=3)为基准,将标准溶液逐级稀释,得出各物质的检出限,结果见表 1。标准溶液的二次转换离子色谱图见图 2。

表 1 12种待测阴离子与有机酸的相关系数(r²)、回归方程、精密度、检出限与定量限 Table 1 Correlation coefficients (r²),regression equations,precisions,LODs and LOQs of the 12 organic acids and anions

图 2 标准溶液中12种待测离子的色谱分离谱图 Fig. 2 Chromatogram of the 12 analyzed anions in standard solution 1. lactate; 2. acetate; 3. formate; 4. chloride; 5. nitrite; 6. bromide; 7. nitrate; 8. succinate; 9. sulfate; 10. oxalate; 11. phosphate; 12. citrate.

由图 2可知,在1.4节色谱条件下,12种阴离子和有机酸的混合标准溶液在RIC-UV系统中基本可以实现基线分离。其中,Cl^-、NO₂^-、Br^-、NO₃^-线性拟合曲线几乎重合,说明强电离一价无机阴离子可以等摩尔置换出Li⁺和IO₃^-,从而使离子转换效率几乎达到100%,实现定量转换。由于SO₄^2-电荷数为二,故其线性拟合曲线的斜率高于一价离子,且近乎为一价离子的两倍。由于有机酸的弱电离性(乳酸、乙酸、甲酸),其转换效率低于100%,故其信号强度与拟合曲线斜率相对强电离的阴离子偏低,但二价(琥珀酸、草酸)、三价(柠檬酸)弱电离的有机酸,其线性拟合曲线的斜率近乎分别为一价强电离无机阴离子斜率的两倍、3倍。对于总体而言,各个待测离子的线性相关系数均可达到0.999 4～0.999 9之间,线性关系良好。

连续7次进样中,各个待测离子和有机酸峰面积与峰高的RSD值绝大多数可维持在1%以下,检测稳定性良好,满足实际检测的需求。

2.3 实际样品检测

2.3.1 两种啤酒样品的检测结果与回收率测定

将已处理好的两份啤酒样品取出,在1.4节色谱条件下依次于RIC-UV系统中进样,得到样品色谱图见图 3,质量浓度测定结果及回收率数据见表 2。鉴于啤酒样品中的PO₄^3-含量偏高,为了避免加标后质量浓度超出线性范围,故分别对它们适当降低加标量,以保证检出浓度在线性范围内。从回收率数据可以看出,两份啤酒样品中,各个待测离子的加标回收率均在89.0%～117.0%的范围之内,同样符合实际检测的需求。

图 3 两份啤酒样品的色谱图 Fig. 3 Chromatograms of two beer samples For peak Nos.,see Fig. 2.

表 2 两份啤酒样品中各个离子的检出结果、加标量、检测值与回收率 Table 2 Detected values,added values,found values and recoveries for each anion in the two beer samples

2.3.2 两种检测模式检测结果的比较

为了进一步验证RIC-UV系统在实际样品检测中的准确性,实验中对两份啤酒样品分别进行了传统离子色谱的电导检测(IC-CD)分析,结果见表 2。标准溶液在IC-CD系统中的色谱图见图 4。在1.4节色谱条件下,将已处理好的啤酒样品在IC-CD系统中直接进样,色谱图见图 5。

图 4 标准溶液中12种待测离子在IC-CD系统中的色谱图 Fig. 4 Chromatogram of the 12 analyzed anions in IC-CD system For peak Nos.,see Fig. 2.

图 5 两份啤酒样品在IC-CD系统中的色谱图 Fig. 5 Chromatograms of two beer samples in IC-CD system For peak Nos.,see Fig. 2.

由表 2可知,RIC-UV系统与IC-CD系统对于两份啤酒样品中各个离子的检出浓度结果差别不大,证明RIC-UV系统的检测准确度与传统的抑制电导检测系统相当,具有较高的可信度。

3 结论

建立了离子转换色谱-紫外检测法间接检测常见无机阴离子与有机酸的方法。在传统离子色谱的基础上引入两根“离子转换柱”,无机阴离子与有机酸经过两步转换,定量转换成有紫外响应的IO₃^-离子,实现了紫外检测器对其通用检测,极大地拓展了非通用型检测器在离子色谱中的应用。由于经过离子转换,不同被测离子均被定量地转换成相同的碘酸根离子,因此,一条校正曲线理论上就可以适用于具有相同电荷的不同被测离子,在没有标准样品的情况下确定组分中不同离子的相对含量,为实际工作中的分离分析提供了较大的便利。

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