儀器分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)拓展與應(yīng)用
——離子色譜法測(cè)定生活飲用水中的陰離子

周瑤瑤，龍江愛，王穎，王茜，王瑞，王豪婧，馬睿彤，檀林玉，馬思齊 ，李琰 ,3,＊，柳凌艷 ,2,＊

1南開大學(xué)化學(xué)學(xué)院，天津 300071

2南開大學(xué)元素有機(jī)化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，元素有機(jī)化學(xué)研究所，天津 300071

3化學(xué)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心(南開大學(xué))，天津 300071

作為化學(xué)學(xué)科一門重要的分支，分析化學(xué)[1]的主要任務(wù)是對(duì)物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、含量等化學(xué)信息進(jìn)行分析和研究。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，化學(xué)分析的方法越來(lái)越多樣化，同時(shí)精密的分析儀器與計(jì)算機(jī)的結(jié)合也使得人們對(duì)物質(zhì)的認(rèn)識(shí)更為全面，儀器分析實(shí)驗(yàn)課程在培養(yǎng)學(xué)生使用現(xiàn)代化精密儀器進(jìn)行物質(zhì)分析鑒定方面具有重要的基礎(chǔ)作用。

《南開大學(xué)一流本科教育質(zhì)量提升行動(dòng)計(jì)劃(2019-2021年)》(即南開40條)要求把促進(jìn)學(xué)生健康成長(zhǎng)作為本科教育的出發(fā)點(diǎn)和落腳點(diǎn)，堅(jiān)持教學(xué)優(yōu)先，突出學(xué)生主體地位，引導(dǎo)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際、學(xué)以致用、自主成長(zhǎng)、全面發(fā)展。為加強(qiáng)學(xué)生對(duì)課本知識(shí)學(xué)習(xí)的運(yùn)用，在教師支持下，由學(xué)生進(jìn)行課題選取，將所學(xué)儀器分析知識(shí)用于解決生活中遇到的問(wèn)題。充分發(fā)揮學(xué)生主觀能動(dòng)性，促進(jìn)學(xué)生深度思考，加深學(xué)生對(duì)所學(xué)儀器的認(rèn)識(shí)和了解。

1 背景介紹

水是生命之源，地球充足的液態(tài)水為人類提供了賴以生存的環(huán)境。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和生活水平的不斷提高，飲用水的安全性問(wèn)題也日益受到人們的關(guān)注。相較于普通的自來(lái)水，人們更傾向于飲用經(jīng)過(guò)消毒和殺菌的直飲水，市面上天然飲用礦泉水也已成為人們主要的飲水源之一。除此之外，號(hào)稱能提供鹽分和礦物質(zhì)的各種礦物質(zhì)水和功能飲料不斷涌現(xiàn)。但是，這些飲品的包裝上大多只標(biāo)明飲品中陽(yáng)離子的含量，對(duì)于其中陰離子的含量一般未予以說(shuō)明和標(biāo)記，而陰離子的種類和含量對(duì)人體健康也具有重要的影響，因此對(duì)飲用水中各種陰離子種類和含量的掌握與控制是值得研究與探索的，同時(shí)也能讓人們更清楚地了解和掌握究竟應(yīng)該選擇什么樣的水作為日常生活飲用水才是安全的。

據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研，不同種類的陰離子對(duì)人身體的作用也各不相同，陰離子濃度過(guò)高或過(guò)低都不利于健康[2]。例如當(dāng)飲用水中氟離子含量低于0.5 mg·L-1時(shí)，人就容易得齲齒；而如果長(zhǎng)期飲用含氟量高的水，牙齒容易長(zhǎng)黃斑，甚至中毒[3]。當(dāng)硫酸鹽濃度過(guò)高時(shí)，水會(huì)釋放不良?xì)馕叮⑶以跓畷r(shí)容易結(jié)水垢；而且當(dāng)硫酸鹽濃度超過(guò)250 mg·L-1，并同時(shí)存在一定濃度的Mg2+和Na+時(shí)，可能會(huì)使人產(chǎn)生腹瀉[4]。硝酸鹽對(duì)人體健康也有較大的影響，在體內(nèi)微生物作用下，硝酸鹽會(huì)變成與紅細(xì)胞中的血紅蛋白結(jié)合的亞硝酸鹽，進(jìn)而阻礙紅細(xì)胞運(yùn)輸氧氣[5]，同時(shí)亞硝酸鹽還會(huì)形成N-亞硝基化合物，可能會(huì)致癌[5]。目前，市場(chǎng)上各種品牌的礦泉水和純凈水質(zhì)量參差不齊，國(guó)家也因此對(duì)這些飲用水中可能存在的陰離子含量作了限量要求，通過(guò)檢測(cè)水中陰離子的種類及含量，在一定程度上能夠監(jiān)測(cè)水質(zhì)的好壞，從而為人們選擇安全的、高質(zhì)量的生活飲用水提供了理論依據(jù)和指導(dǎo)意見。

隨著現(xiàn)代儀器分離與分析的發(fā)展，用于檢測(cè)水中陰離子的方法也多種多樣，如分光光度法[6]、電化學(xué)法、容量法、比色法和離子選擇電極法[6]等，然而這些方法往往存在操作繁瑣、準(zhǔn)確度不高等問(wèn)題[7]。相比之下，離子色譜法具有明顯的優(yōu)勢(shì)，如靈敏度高、操作方便、成本低、檢測(cè)快速、分離效果好等。對(duì)于陰離子的測(cè)定，一般采用表面附聚了大量氫氧化銨類填料的附聚型離子交換樹脂作為固定相，在靜電場(chǎng)作用下樣品溶液中的陰離子與固定相表面季銨鹽的OH-交換，暫時(shí)而選擇性保留在固定相上，隨后通過(guò)堿性流動(dòng)相如NaCO3/NaHCO3淋洗液的淋洗再進(jìn)入流動(dòng)相中，基于不同陰離子與OH-交換基團(tuán)的親和力作用大小不同，經(jīng)過(guò)不斷的吸附與解析過(guò)程，進(jìn)而使得各陰離子在固定相中保留時(shí)間不同，從而實(shí)現(xiàn)各陰離子的分離目的。將離子色譜法運(yùn)用于測(cè)定水中陰離子，既可以對(duì)水中離子定性檢測(cè)，同時(shí)也可以對(duì)檢測(cè)到的離子進(jìn)行定量測(cè)定。另外，還可以同時(shí)測(cè)定多種組分，因此已經(jīng)發(fā)展成為目前比較流行的分離分析檢測(cè)手段[8]。

基于南開大學(xué)儀器分析實(shí)驗(yàn)課程學(xué)習(xí)和《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749-2006)[9]，學(xué)生為了能更好地掌握和靈活運(yùn)用所學(xué)基礎(chǔ)理論知識(shí)，將離子色譜法測(cè)定水樣中的無(wú)機(jī)陰離子實(shí)驗(yàn)理論聯(lián)系實(shí)際，拓展到對(duì)不同市售功能飲料和礦泉水以及日常生活用水中的離子進(jìn)行檢測(cè)與鑒定，進(jìn)而判斷不同生活用水的差異性及是否符合國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)日常飲用水安全性選擇給出參考性意見和理論指導(dǎo)。

2 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h2>

為了更好地掌握課堂教學(xué)中的基礎(chǔ)理論知識(shí)，理論聯(lián)系實(shí)際，拓展到實(shí)際應(yīng)用中，進(jìn)而更好地反饋指導(dǎo)理論，即從理論中來(lái)，再回到理論中去。為此，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)利用所學(xué)的離子色譜方法對(duì)日常生活飲用水中的陰離子進(jìn)行分析與檢測(cè)，進(jìn)而指導(dǎo)人們選擇安全、高質(zhì)量的飲用水。通過(guò)本實(shí)驗(yàn)的實(shí)施，可以使學(xué)生更加深入認(rèn)識(shí)和掌握離子色譜法作為一種分析測(cè)試手段和方法在日常生活中的重要應(yīng)用和意義。

3 實(shí)驗(yàn)部分

3.1 實(shí)驗(yàn)儀器與試劑

儀器：Eco-IC型離子色譜儀。

4種陰離子標(biāo)準(zhǔn)液：F-，Cl-，(所有都采用無(wú)機(jī)鈉鹽)。

7個(gè)待測(cè)樣品：① 某品牌運(yùn)動(dòng)功能飲料；② 某品牌礦泉水；③ 二主樓飲水機(jī)飲用水(直飲水)；④ 十五宿飲水機(jī)飲用水(直飲水)；⑤ 十五宿水房直取開水(開水房生活用水)；⑥ 自來(lái)水；⑦ 綜合樓飲水機(jī)飲用水(直飲水)。(其中樣品3-6水源均來(lái)自南開大學(xué)校內(nèi)供水。)

3.2 Eco-IC測(cè)定條件

儀器條件：溫度25 ± 3 °C；濕度 ≤60%；電源電壓220 ± 22 V；電源頻率50 ± 1 Hz。

淋洗液組成：3.2 mmol·L-1Na2CO3+ 1.0 mmol·L-1NaHCO3；碳酸鈉(優(yōu)級(jí)純)，碳酸氫鈉(優(yōu)級(jí)純)。

流速：0.7 mL·min-1。

3.3 實(shí)驗(yàn)預(yù)處理

用移液管分別移取指定體積的100 mg·L-1NaF標(biāo)液、1000 mg·L-1NaCl、NaNO3、Na2SO4標(biāo)液，于一個(gè)100 mL容量瓶中，用超純水稀釋至刻度，搖勻。通過(guò)改變標(biāo)準(zhǔn)溶液體積配制5種不同濃度的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液(如表1所示)，利用定量外標(biāo)法對(duì)4種陰離子分別作標(biāo)準(zhǔn)曲線。由于某品牌運(yùn)動(dòng)功能飲料中陰離子濃度較大，因此將其用去離子超純水稀釋10倍后進(jìn)行樣品中陰離子檢測(cè)。

表1 離子色譜標(biāo)準(zhǔn)溶液配制(100 mL)

3.4 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

主要對(duì)選取的7種水樣中含有的可能的陰離子種類(定性)及其含量(定量)進(jìn)行分離分析與檢測(cè)，大部分樣品直接采用注射器吸取10 μL的量注入離子色譜儀，部分樣品由于濃度過(guò)高需要進(jìn)行一定的稀釋前處理隨后進(jìn)行測(cè)定，進(jìn)而得到7種樣品的離子色譜圖。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論分析

4.1 陰離子標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

為了對(duì)可能檢測(cè)到的陰離子進(jìn)行定量測(cè)定，我們首先選取了普通水樣中可能存在的幾種陰離子進(jìn)行不同濃度離子色譜梯度測(cè)定，進(jìn)而根據(jù)測(cè)定的保留時(shí)間和峰面積分別對(duì)每種陰離子制定標(biāo)準(zhǔn)曲線。詳細(xì)地，分別配制了5組不同濃度的4種陰離子混合標(biāo)準(zhǔn)樣品，隨后利用離子色譜法對(duì)此5組混合標(biāo)樣進(jìn)行了分離與分析鑒定，每組混合標(biāo)樣中的4種陰離子的保留時(shí)間、峰面積及濃度記錄如表2所示。需要提及的是，這里分離鑒定水樣中常規(guī)的幾種陰離子的方法直接借鑒儀器分析實(shí)驗(yàn)課程中優(yōu)化好的分離條件，沒(méi)有做更多的篩選與優(yōu)化。

基于以上測(cè)得的數(shù)據(jù)，分別以4種陰離子的峰面積為縱坐標(biāo)，以標(biāo)準(zhǔn)配樣濃度為橫坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，離子濃度為mg·L-1，如圖1所示。最終獲得5組標(biāo)準(zhǔn)混合樣品中各離子的保留時(shí)間、線性方程、線性范圍和相關(guān)系數(shù)如表3所示。

圖1 4種陰離子的標(biāo)準(zhǔn)曲線

表3 4種陰離子的保留時(shí)間、線性方程、線性范圍及相關(guān)系數(shù)

由表2可知，本次所測(cè)定的水樣中可能存在的4種常見陰離子在一定寬度的檢出范圍內(nèi)，峰面積和濃度有較好的線性關(guān)系，同時(shí)線性方程的擬合相關(guān)系數(shù)均大于0.98，由此可知擬合的標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制較接近真實(shí)值，可用于實(shí)際標(biāo)定。另外，基于儀器分析實(shí)驗(yàn)課上所學(xué)的不同的陰離子其保留時(shí)間各不相同，主要是因?yàn)殛庪x子與固定相中的氫氧根離子交換親和力作用不一樣，親和力越大的離子與交換基團(tuán)作用力越大，故其在固定相上保留時(shí)間越長(zhǎng)，越晚流出色譜柱。而這種親和力作用源于離子本身的性質(zhì)即離子電荷和離子半徑，一般情況下，離子的電荷越高、半徑越大、極化度越高，保留時(shí)間越長(zhǎng)，綜合各因素可知硫酸根離子保留時(shí)間最長(zhǎng)，其次為硝酸根、再到氯離子，氟離子保留時(shí)間最短。故由已知離子的保留時(shí)間、標(biāo)準(zhǔn)曲線方程和離子色譜峰面積可推測(cè)7種水樣中各種離子的種類和濃度。

4.2 方法精密度與檢出限測(cè)定

將標(biāo)樣3按照離子色譜操作方法，平行測(cè)定7次。將各測(cè)定的結(jié)果中峰面積換算成樣品中的濃度，計(jì)算平行測(cè)定的標(biāo)準(zhǔn)偏差(S)、檢出限(MDL)以及相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 方法檢出限、精密度和準(zhǔn)確度測(cè)試

將標(biāo)樣3進(jìn)行7次平行實(shí)驗(yàn)，根據(jù)t界值表可知，當(dāng)n = 7時(shí)，t(6,0.99)= 3.143[10]，由此得F-、Cl-、的方法檢出限分別為0.29 mg·L-1、4.6 mg·L-1、0.82 mg·L-1、0.46 mg·L-1。7次重復(fù)實(shí)驗(yàn)中4種陰離子的相對(duì)誤差、相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差均在5%內(nèi)，這表明本實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確度較好，精密度較高，重復(fù)性較好，這為7種待測(cè)水樣數(shù)據(jù)測(cè)量提供了高的可信度。

4.3 實(shí)驗(yàn)樣品測(cè)定及結(jié)果分析

基于上述5組混合標(biāo)樣中4種陰離子的測(cè)定結(jié)果，進(jìn)而對(duì)7種待測(cè)水樣，即3種直飲水、經(jīng)普通鍋爐煮沸的自來(lái)水、未經(jīng)處理的自來(lái)水、礦泉水以及運(yùn)動(dòng)功能飲料進(jìn)行檢測(cè)，樣品中各種陰離子的出峰位置、保留時(shí)間等如圖2所示。

圖2 7種樣品中的離子色譜圖

將7種水樣的檢測(cè)數(shù)據(jù)與混合標(biāo)準(zhǔn)樣品中陰離子的保留時(shí)間對(duì)照，判斷出各出峰位置的離子種類，通過(guò)已知離子峰面積-濃度標(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)一步計(jì)算出7種水樣中所含各離子的濃度，檢測(cè)數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 7種水樣中離子色譜出峰位置及峰面積

從表5數(shù)據(jù)可以看出，6種飲用水中4種陰離子含量均符合生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)(表6)，且各飲水機(jī)的飲用水中陰離子含量相差不大。相比較之下，未經(jīng)任何處理的自來(lái)水中濃度含量相對(duì)高，而十五宿開水房生活用水樣中F-、Cl-以及的離子濃度均高于未經(jīng)處理的自來(lái)水。兩種經(jīng)過(guò)飲水機(jī)煮沸加熱的飲用水中4種陰離子含量均低于開水房熱水中的相應(yīng)離子含量。值得注意的是，其中綜合樓飲水機(jī)的飲用水中各陰離子含量是7種樣品中含量最低的，尤其是F-離子含量甚微幾乎無(wú)法檢出。功能飲料中不含硝酸根離子，但是F-和Cl-這兩種陰離子含量高達(dá)飲用水中相應(yīng)離子含量的幾十或上百倍，含量也遠(yuǎn)高于6種飲用水中相應(yīng)離子的含量。這些數(shù)據(jù)表明，盡管都是直飲水，但是經(jīng)過(guò)不同凈水器裝置處理的水質(zhì)還是存在一定的差異性。而功能飲料作為一種特殊的飲品在特殊情況下使用更合適。

表6 生活飲用水衛(wèi)生陰離子標(biāo)準(zhǔn)含量[8]

4.4 結(jié)果與討論

通過(guò)利用儀器分析實(shí)驗(yàn)課程中學(xué)到的離子色譜法對(duì)南開大學(xué)校內(nèi)5種飲用水和1種功能性飲料以及礦泉水中的陰離子種類及含量進(jìn)行分離分析與檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，6種飲用水的陰離子含量均在生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)中，但這6種飲用水之間存在一定的差異性。尤其是未經(jīng)過(guò)加熱燒開的自來(lái)水中硝酸根離子和氟離子含量都較高，如果長(zhǎng)期大量飲用，將會(huì)對(duì)人體造成一定的傷害，因此不推薦直接飲用自來(lái)水。

經(jīng)過(guò)凈水器處理和加熱后的自來(lái)水中硝酸根離子和氟離子含量降低，但是經(jīng)鍋爐加熱的開水中的氟離子濃度卻反而增加，這可能與加熱儀器的潔凈程度有關(guān)。因此，建議家用燒水壺在煮沸處理自來(lái)水時(shí)，注意加熱器潔凈程度，及時(shí)處理水垢等雜質(zhì)，進(jìn)而保證水中陰離子含量在飲用標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)且盡量保持相對(duì)低值。

相比較之下，礦泉水和經(jīng)過(guò)復(fù)雜凈水裝置處理過(guò)的綜合樓直飲水中4種陰離子含量都較低，是較為理想的飲用水，可以安全放心的長(zhǎng)期飲用。更有意思的是，相比于綜合樓飲水機(jī)的直飲水，礦泉水中各離子濃度相對(duì)較高，其硫酸根含量甚至達(dá)到直飲水的兩倍。除此之外，礦泉水中還含有許多人體需要的礦物質(zhì)，飲用對(duì)人體獲取微量元素有較大的幫助[11]。雖然如此，但我們也不能忽視長(zhǎng)期飲用礦泉水可能帶來(lái)的問(wèn)題，例如礦泉水生產(chǎn)廠家良莠不齊導(dǎo)致質(zhì)量不能保證的問(wèn)題、礦泉水瓶帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題以及礦泉水的費(fèi)用問(wèn)題等。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，直飲水系統(tǒng)已在千家萬(wàn)戶普及，將普通生活飲用水經(jīng)過(guò)凈化設(shè)備的過(guò)濾、吸附、消毒等過(guò)程除去雜質(zhì)、細(xì)菌病毒等[12]，為人們提供了安全的直接飲用水。本次實(shí)驗(yàn)中綜合樓直飲水中可能的陰離子的定性和定量測(cè)定結(jié)果就是一個(gè)很好的例子，它采用的直飲水過(guò)濾模式為：自來(lái)水通過(guò)多層濾膜多級(jí)過(guò)濾除去雜質(zhì)、異色、異味等，再通過(guò)紫外線等對(duì)直飲水進(jìn)行殺菌消毒等(圖3a)。整個(gè)凈水過(guò)程相對(duì)復(fù)雜，進(jìn)而處理出來(lái)的水質(zhì)明顯高于其他經(jīng)過(guò)相對(duì)簡(jiǎn)單處理的水質(zhì)。由直飲水檢測(cè)報(bào)告也可知，直飲水的色度、渾濁度、臭味以及菌落等均符合標(biāo)準(zhǔn)(圖3b)，且水質(zhì)口感較好，進(jìn)一步表明直飲水飲用健康安全有保障。

圖3 直飲水凈水器工作圖

總體來(lái)講，綜合樓直飲水水質(zhì)最佳，其次是礦泉水；相比之下，未經(jīng)處理的自來(lái)水的安全性相對(duì)弱；功能飲料確實(shí)能在短時(shí)間內(nèi)滿足運(yùn)動(dòng)后人體電解質(zhì)平衡的及時(shí)需求。

水能夠起解渴、載體、參與生物物質(zhì)代謝、能量代謝及遺傳信息傳遞等作用，對(duì)人體十分重要，因此對(duì)于飲水健康更不容忽視。水乃生命之本，本次離子色譜實(shí)驗(yàn)結(jié)果為人們今后選擇正確的飲用水源提供了理論依據(jù)和指導(dǎo)建議。

5 結(jié)語(yǔ)

本實(shí)驗(yàn)旨在拓展大學(xué)生儀器分析實(shí)驗(yàn)理論學(xué)習(xí)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，將生活問(wèn)題——飲用水的選擇與儀器分析實(shí)驗(yàn)相關(guān)課程相結(jié)合，在授課教師的指導(dǎo)下，由學(xué)生自主發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、查閱文獻(xiàn)、形成方案、樣品選取、實(shí)驗(yàn)操作，以及對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析與討論，進(jìn)而得出一些具有重要參考價(jià)值的結(jié)論。此項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)及結(jié)果將會(huì)在日后通過(guò)推送形式進(jìn)一步向?qū)W生普及，幫助更多學(xué)生了解飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)和日常飲用水的安全性問(wèn)題，打消學(xué)生對(duì)校內(nèi)直飲水質(zhì)量的顧慮，同時(shí)為學(xué)生選擇正確的飲用水提供可參考依據(jù)。另外，在凈水方式和凈水器的選擇上，本實(shí)驗(yàn)也進(jìn)行了一系列探究與思考，得到了具有實(shí)際意義的結(jié)論。更重要的是，通過(guò)此次實(shí)驗(yàn)，學(xué)生進(jìn)一步將所學(xué)到的扎實(shí)理論知識(shí)靈活地運(yùn)用于復(fù)雜問(wèn)題的處理上，不僅訓(xùn)練了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，同時(shí)也鍛煉了學(xué)生對(duì)知識(shí)的應(yīng)用能力，讓學(xué)生意識(shí)到了生活中處處有化學(xué)，化學(xué)用于指導(dǎo)生活。