離子色譜法和毛細管電泳法測定土壤中氯離子、硫酸根及其差異性①

蔣　倩，韓　勇，孫曉麗，龔　華，錢　薇，陸國興

（1 土壤與農業可持續發展國家重點實驗室（中國科學院南京土壤研究所），南京　210008；2 中國科學院大學，北京　100049）

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離子色譜法和毛細管電泳法測定土壤中氯離子、硫酸根及其差異性①

蔣倩1，2，韓勇1，孫曉麗1，龔華1，錢薇1，陸國興1

（1 土壤與農業可持續發展國家重點實驗室（中國科學院南京土壤研究所），南京210008；2 中國科學院大學，北京100049）

摘要：分別采用離子色譜法（IC）、毛細管電泳法（CE）兩種儀器方法對不同pH土壤中Cl-、?含量進行測定，并對其結果進行差異性分析。結果顯示：參照標準物質的參考值（滴定法），IC與CE測定值的準確度、回收率均滿足實驗分析要求，但精密度差異較大，IC（RSD， 3.61%）的穩定性優于CE （RSD， 8.97%）。據差異性（F與t檢驗）分析，兩種儀器方法測定酸性土壤中 Cl-、?含量存在顯著性差異，而堿性、中性土壤的測定結果保持一致。對比4個被測樣品基本性質發現，酸性土壤的pH與離子強度均低于其他樣品，從而影響了石英毛細管的電滲流，最終改變了CE分離過程，這可能是Cl-結果偏離的主要因素。同時，對于IC，酸性土壤較中性、堿性土壤更易由于離子交換效應產生次級保留（拖尾）。此外，采用堿性分離體系分離酸性樣品易形成結晶，從而導致?含量的偏離。可見，兩種方法各有優缺點。但是，IC較經典，而CE是一種新興的儀器方法。測定像土壤這樣基體較復雜的樣品（特別是酸性土壤）中陰離子的儀器條件還需要進行更多摸索與優化，以促進這兩種方法在土壤領域的推廣與應用。

關鍵詞：離子色譜；毛細管電泳；土壤；氯離子；硫酸根

氯離子（Cl-）、硫酸根）是土壤可溶鹽的主要組成部分，也是陰離子含量監測的必需指標。它們的測定方法主要有化學滴定法（分別常用硝酸銀滴定法、EDTA間接滴定法等）［1-2］和儀器測定法（離子色譜法，以下簡稱 IC；毛細管電泳法，以下簡稱CE）［3-5］。前者的不足主要表現為：工作量大、操作繁瑣、滴定終點難控制（易受指示劑顏色與自然光線變化的影響）以及試劑引起的環境問題等。相比之下，后者克服了以上不足，并且具有分析速度快、準確度高、精密度高的特點。目前，IC是測定Cl-、SO42-含量的常用方法［6］，也較廣泛應用于土壤領域［7］，但是 CE的報道卻相對較少［8-9］，更鮮有兩種方法的對比研究。本文分別采用 IC與 CE測定了不同pH土壤樣品中的Cl-、含量，系統地對比了這兩種色譜方法儀器運行參數、準確度、精密度、回收率并對測定結果進行差異性分析。同時，與滴定法的參考值進行對比，以期提供不同分析方法在土壤領域應用上的選擇依據，最終促進各種方法的應用推廣。

1　實驗部分

1.1儀器、試劑和材料

DX-500 離子色譜，美國戴安公司；P/ACE-MDQ毛細管電泳，美國貝克曼庫爾特公司；HZ-9310K全溫恒溫振蕩器，江蘇太倉市華利達實驗設備公司；KQ-600E超聲波，昆山市超聲儀器有限公司；HH-8數顯恒溫水浴鍋，國華電器有限公司；RJ-TDL-5A低速大容量臺式離心機，常州諾基儀器有限公司；CP100W X超高速離心機，日本日立公司；彈性石英毛細管，永年銳灃色譜器材有限公司。

Cl-、標準溶液：1 000 mg/L，購自國家標準物質研究中心；淋洗液：4.5 mmol/L Na2CO3（AR，南京化學試劑有限公司）與1.0 mmol/L NaHCO3（AR，南京化學試劑有限公司）混合溶液；陰離子分析緩沖溶液包（A53537）購自美國貝克曼公司。

供試驗的土壤標準樣品均購自中國地質科學院地球物理地球化學勘查研究所。其基本性質數據由標準樣品附帶證書提供（表1）。

表1　供試土壤標準樣品基本性質Table 1　Basic characteristics of standard soils used in this study

1.2色譜條件

IC：電流，50 mA；淋洗流速，1.2 ml/min；進樣定量環，25 μl；時間，15 min；色譜柱，Dionex IonPac AS14型分析柱（4 × 250 mm），IonPac AG14型保護柱（4 × 50 mm）；抑制器，ASRS-ULTRA II 4-mm；電導檢測器。

CE：分離電壓，25 kV；分離壓力，20 psi；時間，5 min；正電源；熔融石英毛細管，75 μm I．D．× 62 cm；254 nm固定波長；紫外檢測器。

1.3樣品預處理

1.3.1待測液的浸提稱取 50.00 g風干土壤樣品（10目）于500 ml塑料提取瓶中，加入無CO2純水250 ml，蓋好瓶蓋，放入振蕩器振蕩210 r/min，3 min。浸提液經離心（4 900 r/min，10 min）、過濾紙，然后經高速離心（15 000 r/min，20 min）、過0.22 μm濾膜，盛裝于塑料瓶中［10-11］，待測［6］。

1.3.2配制Cl-、SO42-混合標準曲線首先，用純水稀釋Cl-、SO42-標準溶液至100 mg/L。其次，從100 mg/L Cl-標準溶液中分別移取 0.50、1.50、2.50、5.00、7.50 ml至5個50 ml容量瓶中，同時，從100 mg/L SO42-標準溶液中分別移取 2.50、5.00、7.50、10.0、15.0 ml至上述5個容量瓶中。最后，用純水定容，即得含Cl-1.00、3.00、5.00、10.0、15.0 mg/L系列及含SO42-5.00、10.0、15.0、20.0、30.0 mg/L系列混合標準溶液。

1.4質量控制

本實驗質量控制通過測定F-、Cl-、SO42-與NO3-混合標樣（GSB 07-1381-2001，204715）來實現，其中Cl-、SO42-的參考值分別為（8.48 ± 0.66） mg/L、（19.9 ± 0.9） mg/L，購自國家環境保護總局標準樣品研究所。此標樣用于監測在分析測試過程中儀器的穩定性，以確保測定數據的準確性。

1.5數據處理

采用 Excel 2013 和 SPSS 16.0 軟件對數據進行統計和方差分析（Duncan），差異顯著性水平P＜0.05。

2　結果與討論

2.1兩種儀器方法的基本原理與運行基本參數對比

IC基本原理是離子交換平衡，即以低容量的離子交換樹脂為固定相，淋洗液為流動相，待測樣品溶液的各離子與樹脂上能游動的離子之間進行可逆交換，依據各離子對交換劑的親和力不同而被分離。這種差異通過電導檢測器在線連續檢測各流出物的保留時間而記錄下來，從而實現數據、色譜圖的采集［4］。CE亦叫高效毛細管電泳（HPCE）。CE分離過程是典型的差速運動，是離子或帶電粒子以石英毛細管為分離通道，以高壓電場為驅動力，基于樣品中各組分之間的淌度和分配行為上的差異而實現分離［5］。CE是近年發展速度最快的分離技術之一。IC與CE均可以對土壤中Cl-、SO24-進行定量分析。

從表 2數據可知，在本實驗條件下，IC與 CE測定Cl-（1.00 ～ 15.0 mg/L）、SO42-（5.00 ～ 30.0 mg/L）具有較好的線性關系，R2均達到0.999，能夠滿足對樣品準確的定量分析。根據公式（3×噪音×濃度/峰高）計算檢出限，結果顯示：IC較CE具有更靈敏的檢出限，這與Stahl［12］報道一致，并且本研究的IC靈敏度較該文報道值更加優異。

表2　兩種方法測定Cl-、SO24-基本參數對比Table 2　Comparison of basic parameters of chloride and sulfate determined respectively by IC and CE

2.2兩種儀器方法的精密度對比

分別采用IC、CE對同一標準樣品新疆灰鈣土進行9次測量，其結果見表3。IC測定土壤中Cl-含量的RSD為3.61%，優于CE的8.97%。同時，也分別對同一待測液 SO42-進行了測定，其 RSD分別為2.98%、4.80%。這些結果與李立平等［8］報道相同。據此，兩種方法均具有較高的精密度。

2.3兩種儀器方法的加標回收率對比

本研究對兩種方法測定Cl-、SO42-進行了回收實驗，結果見表4。IC測定Cl-、SO42-的回收率分別為105% ～ 110%、104% ～ 108%；CE則分別為83.0% ～91.8%、109% ～ 115%。據此，IC回收率的RSD值同樣優于CE。從回收率數據看，兩種方法均滿足分析要求。

表3　兩種方法測定標樣（ASA-8）Cl-、SO24-精密度對比Table 3　Comparison of the precision of chloride and sulfate in standard soil （ASA-8） determined respectively by IC and CE

表4　兩種方法測定Cl-、SO42-加標回收率對比Table 4　Comparison of recovery of chloride and sulfate in soils determined respectively by IC and CE

2.4兩種儀器方法測定結果對比

2.4.1兩種儀器方法與標準參考值（以 STD表示）對比圖1 ～ 2中，不同pH土壤標準物質中Cl-含量即參考值源自證書提供（表1），分別采用常規的硝酸銀滴定法、EDTA滴定法測定［13］。其標準偏差（SD）均比較大，是由于組織定值方統計多家單位檢測結果所致。參照此值，本文IC與CE兩種儀器法測定結果均在所給定參考值的1 ～ 2倍標準偏差的正負誤差范圍內，但是測定結果及誤差都存在較大差異。顯然，IC較CE的儀器穩定性更具有優勢。但是兩者測定結果是否存在差異則需要進行顯著性分析。

2.4.2兩種儀器方法的顯著性檢驗采用 F檢驗法和 t 檢驗法分別對本研究 IC、CE測定中性土壤（ASA-1a）、堿性土壤（ASA-2a，ASA-3a）以及酸性土壤（ASA-5a） Cl-及SO42-含量進行差異性檢驗，結果見表5。由表5可知，當兩法測定結果的方差齊性Levene檢驗 P＞0.05，可認為兩方差齊性，應選用“假設方差相等”（即“Y”）行的t檢驗結果，按α＝0.05顯著水平，當P＞0.05（雙側），兩法測定結果一致，當P＜0.05（雙側），兩法測定結果不一致；當兩法測定結果的方差齊性Levene檢驗P＜0.05，可以認為兩方差不齊，應選用“假設方差不相等”（即“N”）行的t檢驗結果，按α＝0.05顯著水平，當P＞0.05（雙側），兩法測定結果一致，當P＜0.05（雙側），兩法測定結果不一致。

圖1　兩種方法測定Cl-含量與STD值對比（n = 3）Fig. 1　Comparison of soil chloride contents determined by IC，CE and STD

圖2　兩種方法測定SO24-含量與STD值對比（n=3）Fig. 2　Comparison of soil sulfate content determined by IC，CE and STD

由SPSS輸出結果可以看出，兩種方法測定中性及堿性土壤Cl-及SO42-含量無顯著性差異。但是，對于酸性土壤，其t統計量（在方差相等時）的相伴概率0.003、0.019均小于顯著性水平0.05，接受t檢驗的零假設。可見，兩種方法的測定含量存在顯著性差異。另外，兩個樣本均值差的95%置信區間未跨0，這也表明顯著性差異的存在。結合圖1，CE測定Cl-偏離于IC與參考值。結合圖2，IC測定SO42-偏離于CE與參考值。這種差異與李立平等［8］報道的類似。

表5　兩種方法測定土壤Cl-、SO42-含量的顯著性檢驗（α=0.05）Table 5　Significance analysis of chloride and sulfate contents in soils determined respectively by IC and CE

ASA-5a為取自江西的紅壤，其pH、CEC及主要水溶性陰、陽離子均低于其他3個標樣（表1）。一方面，對于CE，pH越高，電滲流越大。離子強度越高，電滲流越小，而這兩者對電滲流的交互影響是難以定量的［14］。本研究采用儀器公司提供陰離子分析包，表面活性劑CTAB（十六烷基三甲溴化銨）更易溶解于堿性環境。而電滲流的大小及極性不僅依賴于CTAB的濃度，還依賴于分離電解的背景的組成成分，它們之間的相互作用存在競爭性、復雜性及整體性［15］。只有通過具體實驗的摸索才能找出最佳條件。這些可能是CE測定酸性土壤Cl-偏離于IC與參考值的主要原因。另一方面，對于IC，引起SO24-定量偏差的因素常有金屬離子、離子交換效應以及結晶作用［16］。本研究通過測定振蕩提取水溶性金屬離子含量（表 1），排除其是引起偏差的主要原因。相反，在本實驗中，質子化的樣品分子更易與色譜柱中離子化的硅酸發生離子交換產生次級保留（拖尾）。此外，IC采用的堿性分離體系（淋洗液為碳酸鈉與碳酸氫鈉混合溶液）在分離酸性樣品時更易形成結晶。這兩者可能是引起 SO42-偏離的主要原因。因此，這兩種儀器對酸性土壤Cl-、SO42-的測定結果存在差異是各自不同分離原理所引起，具有必然性。但是，可以通過摸索實驗條件來降低這些不利的干擾，這是本研究下一步的工作。

3　結論

參照標準參考值，本研究兩種儀器方法的準確度、精密度以及回收率都能夠滿足實驗分析的要求，可廣泛應用于中性、堿性土壤中Cl-、SO42-含量的分析，其測定結果保持一致。但是，受酸性土壤基體的影響，其測定結果存在顯著性差異。

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Study on the Determination and Its Difference Analysis of Chloride and Sulfate in Different Soils by Ion Chromatography and Capillary Electrophoresis

JIANG Qian1，2， HAN Yong1， SUN Xiaoli1， GONG Hua1， QIAN Wei1， LU Guoxing1
（1 State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture （Institute of Soil Science， Chinese Academy of Sciences）， Nanjing 210008， China； 2 University of Chinese Academy of Sciences， Beijing100049， China）

Abstract：Chloride and sulfate in different soil samples with various pH were determined with Ion Chromatography （IC）and Capillary Electrophoresis （CE）， respectively. The results showed that these two methods both worked well as the measured values of chloride and sulfate were consistent with these obtained with the standard titration method， but the relative standard deviation in measurements of CE （8.97%） was greater than that of IC （3.61%）. The statistical F-test and t-test showed that there was no significant difference on the measurements between the two methods for alkaline and neutral soils， but the significant difference was observed for the acid soil of ASA-5a. The lower pH and ionic strength of ASA-5a affected the electroosmotic flow （EOF） of fused silica capillary and changed the separation process of anions in CE， thus caused bigger deviation of measured chloride than other methods， i.e. IC and titration method. Meanwhile， acid soil samples could bring secondary retention of ions in IC measurements compared with other soils. Moreover， alkali eluent caused the formation of crystallization in separation process of acid soil samples with IC， which led to a bigger deviation of measured Sulfate than other methods， i.e. CE and titration methods. Therefore， CE and IC methods have their own merits and demerits. CE is a new method for measurements of soil chloride and sulfate， and more studies should be conducted to improve experimental conditions in the future， especially for acid soils.

Key words：Ion Chromatography； Capillary Electrophoresis； Soil； Chloride； Sulfate

中圖分類號：S151.9

DOI：10.13758/j.cnki.tr.2016.02.020

基金項目：①中國科學院知識創新工程領域前沿項目（12201415143200000）資助。

作者簡介：蔣倩（1980—），女，貴州思南人，博士研究生，工程師，主要從事土壤儀器分析及方法研究。E-mail： qjiang@issas.ac.cn.