朱紅霞，毛雨廷，陳 燁，陶雪梅，陰 琨

1.中國環(huán)境監(jiān)測總站，國家環(huán)境保護(hù)環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012 2.太原市環(huán)境監(jiān)測中心站，山西 太原 030002 3.甘肅省環(huán)境監(jiān)測中心站，甘肅 蘭州 730030

甲酸、乙酸和草酸是降水中有機(jī)酸的主要成分。在城區(qū)，有機(jī)酸對降水自由酸度的貢獻(xiàn)率為16%～35%。而在非工業(yè)區(qū)和遠(yuǎn)離人類活動(dòng)的偏遠(yuǎn)地區(qū)，有機(jī)酸可能成為降水的主要致酸成分，對酸度的貢獻(xiàn)率可高達(dá)60%以上[1-2]。有研究表明,在我國長江三角洲背景區(qū)有機(jī)酸對降水酸度的貢獻(xiàn)率達(dá)80%～90%[3]。

國內(nèi)研究者測定降水中有機(jī)酸主要包括甲酸、乙酸、草酸、甲磺酸、丙二酸、丁二酸、戊二酸、丙酮酸、丙酸、羥基乙酸等[3-6]，含量較高的前3種是甲酸、乙酸、草酸。如對浙江臨安35場大氣降水的研究表明，甲酸、乙酸和草酸的濃度占有機(jī)酸總量的89%[3]，貴州安順大氣降水中甲酸、乙酸和草酸的濃度占有機(jī)酸總量的97.6%[4]，廣州鼎湖山亞熱帶森林地區(qū)降水中甲酸、乙酸和草酸的濃度占有機(jī)酸總量的100%[7]。CHAPMAN等[8]應(yīng)用離子排斥色譜在美國威斯康辛州監(jiān)測春季降雨，31個(gè)樣品中30個(gè)樣品有甲酸和乙酸檢出，其中乙酸濃度為0.43～56 μmol/L，甲酸濃度為0.83～33 μmol/L。章炎麟等[4]應(yīng)用離子色譜法測定了貴州安順的118場大氣降水，其中甲酸、乙酸和草酸的檢出濃度均值分別為8.77、6.93、2.84 μmol/L。因此，針對降水中甲酸、乙酸和草酸3種有機(jī)酸的測定方法進(jìn)行研究并逐步標(biāo)準(zhǔn)化意義重大。

有機(jī)酸的分析方法有滴定法[9]、分光光度法[10]、毛細(xì)管電泳法[11]、氣相色譜法[12]、離子色譜法[8,13-18]、液相色譜法[19]、熒光法[20]、酶法[21]等，其中離子色譜法簡便、高效，且普及率高，是降水中有機(jī)酸測定的首選。SUSANR等[18]依托伊利諾斯州水調(diào)查項(xiàng)目使用離子排斥色譜法對降水中的有機(jī)酸進(jìn)行了測定。袁蕙等[13]應(yīng)用Dionex 600型離子色譜儀、Ion Pac AS11型分離柱、Ion Pac AG11型保護(hù)柱實(shí)現(xiàn)了氣溶膠和降水中的甲酸、乙酸、草酸、甲磺酸及無機(jī)陰離子的同時(shí)快速測定，采用梯度淋洗的方式，但未研究樣品保存。

國內(nèi)應(yīng)用離子色譜法測定甲酸、乙酸和草酸一般選用梯度淋洗的方式，鮮有樣品保存的相關(guān)研究。本研究選用離子色譜最常見的等度淋洗方式，優(yōu)化了淋洗液的流速、濃度、pH等實(shí)驗(yàn)條件，并深入研究了樣品的保存條件，為方法標(biāo)準(zhǔn)化以及我國相關(guān)環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的制定提供了基礎(chǔ)研究和技術(shù)支持。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要儀器和試劑

瑞士萬通MIC型離子色譜儀；色譜柱Ion Pac AS23型分離柱，Ion Pac AG23型保護(hù)柱，陰離子抑制器；再生液為100 mmo/L硫酸溶液；十萬分之一天平(德國)。

甲酸標(biāo)準(zhǔn)樣品，純度≥99.6%；乙酸標(biāo)準(zhǔn)樣品，純度≥99.5%；草酸標(biāo)準(zhǔn)樣品，純度≥99.6%；碳酸鈉、碳酸氫鈉、硫酸和氫氧化鈉均為優(yōu)級純。

淋洗液條件：c(Na2CO3)=4.0 mmol/L，c(NaHCO3)=1.2 mmol/L。準(zhǔn)確稱取0.848 0 g碳酸鈉和0.201 6 g碳酸氫鈉，溶于適量水中，全量轉(zhuǎn)入2 000 mL容量瓶中，用去離子水稀釋定容至標(biāo)線，混勻。

1.2 樣品采集和保存

選用寬口聚乙烯塑料桶采集降水樣品，降水開始時(shí)即采集樣品，一直到降水結(jié)束。若一天中有幾次降水過程，則合并為一個(gè)樣品測定，若連續(xù)幾天降水，則僅將一天的降水作為一個(gè)樣品測定。

樣品采集后盡快用0.45 μm聚醚砜微孔濾膜過濾，2 d內(nèi)測定，或用氫氧化鈉溶液調(diào)pH至8～10，于4 ℃以下冷藏密封保存，7 d內(nèi)完成測定。

1.3 基本實(shí)驗(yàn)步驟

優(yōu)化后色譜條件：4.0 mmol/L NaCO3和1.2 mmol/L NaHCO3混合淋洗液，淋洗液流速為1.0 mL/min，進(jìn)樣體積為200 μL，電導(dǎo)池溫度為30 ℃，柱溫為室溫。

標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制：依次稀釋甲酸濃度為5.00 mg/L，乙酸和草酸濃度為10.0 mg/L的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液配制標(biāo)準(zhǔn)系列，使甲酸濃度范圍為0～1.00 mg/L，乙酸和草酸濃度范圍為0～2.00 mg/L。選用第1.1節(jié)中離子色譜儀和色譜柱，依優(yōu)化后色譜條件，由低濃度到高濃度依次測定。以目標(biāo)化合物的質(zhì)量濃度(mg/L)為橫坐標(biāo)，峰面積或峰高為縱坐標(biāo)，建立標(biāo)準(zhǔn)曲線。

樣品的測定：待樣品恢復(fù)至室溫后上機(jī)測定，若樣品濃度超出標(biāo)準(zhǔn)曲線最高點(diǎn)濃度，需適當(dāng)稀釋后重新進(jìn)行測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 色譜條件的確定

甲酸和乙酸屬于一元羧酸，而草酸屬于二元羧酸，國內(nèi)使用離子色譜法測定這3種有機(jī)酸多使用氫氧化鉀(鈉)淋洗液，采用梯度淋洗實(shí)現(xiàn)分離，本實(shí)驗(yàn)室選用碳酸鹽淋洗液，通過調(diào)整淋洗液的流速、濃度以及pH，在等度淋洗條件下即可實(shí)現(xiàn)3種有機(jī)酸的有效分離，且不受常見陰離子的干擾。根據(jù)優(yōu)化后的色譜條件，所得離子色譜圖如圖1所示。

因乙酸和氟離子不易分離，草酸保留時(shí)間較長，為提高目標(biāo)物的分離效果和分析效率，將乙酸和氟的分離度以及保留時(shí)間作為主要優(yōu)化指標(biāo)。

淋洗液流速的選擇見表1。淋洗液流速的變化對乙酸和氟的分離度影響不大，但對草酸的保留時(shí)間和儀器運(yùn)行時(shí)間影響較大，考慮到樣品測定效率及色譜柱自身的推薦流速，最終選用的流速為1.0 mL/min。

1.F-(0.1 mg/L)；2.乙酸(0.2 mg/L)；3.甲酸(0.1 mg/L)；4.Cl-(0.2 mg/L)；5.NO3-(5 mg/L)；6.SO42-(4 mg/L)；7.草酸(0.2 mg/L)。圖1 甲酸、乙酸和草酸及常見陰離子的離子色譜圖Fig.1 Ion chromatogram of formic acid, acetic acid, oxalic acid and common anions

流速/(mL/min)泵壓/MPa氟/乙酸分離度保留時(shí)間/min草酸甲酸乙酸0.66.31.88>429.738.540.88.01.8141.57.416.541.010.21.8033.56.025.301.111.01.8031.05.604.901.212.01.7228.85.164.54

淋洗液濃度的選擇見表2。淋洗液濃度對氟和乙酸的分離度以及草酸的保留時(shí)間影響較大，淋洗液濃度增加，乙酸和氟分離度降低，草酸出峰時(shí)間延長。綜合考慮分析效率和分離效果，最終選用的淋洗液濃度為Na2CO34.0 mmol/L，NaHCO31.2 mmol/L。

表2 淋洗液濃度的選擇Table 2 Selection of eluent concentration

淋洗液pH對3種有機(jī)酸測定值的影響見表3，保持Na2CO3濃度為4.0 mmol/L不變，通過調(diào)整NaHCO3濃度來調(diào)節(jié)淋洗液pH為8、9、9.5、10、11、12，pH在8、9、9.5時(shí)，由于NaHCO3濃度較大，體系電導(dǎo)值升高，儀器報(bào)錯(cuò)。體系pH在10、11、12之間變化，有機(jī)酸分離度和保留時(shí)間變化不大。

定量環(huán)的選擇，實(shí)驗(yàn)室常用的定量環(huán)有25、200、500、1 000 μL等，采用25 μL定量環(huán)時(shí)，3種有機(jī)酸在質(zhì)量濃度為0.1 mg/L時(shí)均無響應(yīng)；采用高于500 μL的定量環(huán)時(shí)，水負(fù)峰響應(yīng)增加，影響目標(biāo)離子定量，考慮到目標(biāo)離子的響應(yīng)靈敏度，故最終選用200 μL定量環(huán)。

表3 淋洗液pH的影響Table 3 Effect of eluent pH

2.2 方法性能指標(biāo)

按照第1.3節(jié)所列標(biāo)準(zhǔn)系列濃度范圍配制標(biāo)準(zhǔn)系列，其中甲酸質(zhì)量濃度為0、0.025、0.050、0.250、0.500、1.00 mg/L，乙酸和草酸質(zhì)量濃度為0、0.050、0.100、0.500、1.00、2.00 mg/L。按照優(yōu)化后的色譜條件進(jìn)行測定，3種有機(jī)酸的線性相關(guān)系數(shù)均為0.999 9。線性回歸方程分別為y=422.53x-0.524 3，y=117.11x+0.377 3和y=45.131x- 2.324 3。

對0.010 mg/L乙酸、0.005 mg/L甲酸和0.010 mg/L草酸標(biāo)準(zhǔn)溶液平行測定7次，標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為0.001 6、0.000 6、0.001 7 mg/L，檢出限分別0.005、0.002、0.005 mg/L。

選用甲酸質(zhì)量濃度為0.010、0.050、0.500 mg/L，乙酸和草酸質(zhì)量濃度為0.020、0.100、1.00 mg/L的標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行精密度和準(zhǔn)確度測試，每個(gè)濃度平行測定6次，計(jì)算平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差和相對標(biāo)準(zhǔn)偏差，具體如表4所示?？瞻准訕?biāo)溶液的精密度為0.2%～6.4%，空白加標(biāo)回收率為90.0%～110%。

表4 空白加標(biāo)溶液精密度和準(zhǔn)確度等測試結(jié)果Table 4 Test results of precision and accuracy of blank spiked solution

2.3 樣品的保存

2.3.1 濾膜過濾對樣品保存的影響

對采集到的3種降水樣品(雨水、雪水1、雪水2)進(jìn)行加標(biāo)測定。其中甲酸、乙酸和草酸加標(biāo)量均為0.500 mg/L，采用不過濾、過0.45 μm濾膜、過0.22 μm濾膜3種處理方式，于4 ℃以下冷藏保存，在不同放置時(shí)間下進(jìn)行測定，以放置天數(shù)為橫坐標(biāo)，加標(biāo)回收率為縱坐標(biāo)繪制折線圖，如圖2所示。從圖2可見，未過濾降水樣品中的甲酸和乙酸均在短時(shí)間內(nèi)降解，過濾樣品中乙酸和甲酸的保存時(shí)間有不同程度的延長，“雨水”和“雪水1”樣品過濾后均能穩(wěn)定保存2 d，但對于“雪水2”樣品，只有過0.45 μm濾膜后方可穩(wěn)定保存2 d。因此，降水樣品的前處理方式確定為過0.45 μm濾膜。同時(shí)這一現(xiàn)象也指示降水中懸浮物對目標(biāo)物測試有一定影響。

圖2 不同前處理方式對降水中乙酸、甲酸和草酸保存時(shí)間的影響Fig.2 Effect of different pretreatment methods on preservation time of acetic acid, formic acid and oxalic acid in precipitation

2.3.2 pH對樣品保存的影響

將采集到的降水樣品經(jīng)0.45 μm濾膜過濾，加入高濃度混合標(biāo)準(zhǔn)溶液，使加標(biāo)后甲酸質(zhì)量濃度為0.020 mg/L、乙酸和草酸質(zhì)量濃度為0.040 mg/L。用NaOH溶液調(diào)pH至堿性(因乙酸和甲酸為弱酸，在酸性條件下不穩(wěn)定，故僅討論未調(diào)pH和堿性條件)，調(diào)好后立即測定，回收率隨pH的變化如圖3所示，不同pH條件下回收率為70%～120%，故在立即測定情況下，中性至堿性條件對3種有機(jī)酸的測定結(jié)果影響不大。

圖3 降水樣品pH對測定的影響Fig.3 Effect of precipitation sample pH on determination

同時(shí)選用上述降水樣品探討了中性或堿性pH對3種有機(jī)酸保存時(shí)間的影響。將加標(biāo)后的樣品在10 d內(nèi)測定，結(jié)果如圖4所示。其中藍(lán)色線顯示未調(diào)pH的降水(pH=6)中乙酸和甲酸的回收率逐漸降低，而調(diào)節(jié)pH>7后，降水中乙酸、甲酸和草酸均可穩(wěn)定至10 d。

圖4 降水樣品pH對保存時(shí)間的影響Fig.4 Effect of precipitation samples pH on stability time

因此，若需要延長水樣的保存時(shí)間，則需要將采集后的降水樣品調(diào)節(jié)至堿性保存。鑒于保存10 d時(shí)，乙酸在pH=7時(shí)回收率略有升高，甲酸在pH=11時(shí)略有升高，故最終確定pH=8～10的弱堿性條件，穩(wěn)定時(shí)間7 d。

2.4 實(shí)際樣品測定

采集北京初冬季雨夾雪樣品，測定樣品和加標(biāo)樣品中甲酸、乙酸和草酸的含量，平行測定6次，計(jì)算平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差、相對標(biāo)準(zhǔn)偏差、回收率等各項(xiàng)參數(shù)，具體如表5所示。從表5可見，降水樣品平行測定的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.4%～12%，加標(biāo)回收率為95%～118%。

表5 實(shí)際樣品加標(biāo)測試結(jié)果Table 5 Determination Results of actual precipitation samples

3 結(jié)論

選用離子色譜法，在碳酸鹽等濃度淋洗條件下實(shí)現(xiàn)了甲酸、乙酸和草酸和常見陰離子的有效分離，40 min可完成一個(gè)樣品測試。進(jìn)樣量為200 μL時(shí)，甲酸、乙酸和草酸的檢出限分別為0.002、0.005、0.005 mg/L，即0.5×10-3、0.9×10-3、0.6×10-3μmol/L，遠(yuǎn)低于現(xiàn)有降水研究中3種有機(jī)酸的濃度，可以應(yīng)用于實(shí)際降水樣品中甲酸、乙酸和草酸的測定。應(yīng)用本方法對實(shí)際雨夾雪樣品進(jìn)行測定，向其中添加不同體積混合標(biāo)準(zhǔn)溶液，使加標(biāo)后質(zhì)量濃度為0.020 mg/L和0.100 mg/L，平行6次測定后，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.4%～12%，加標(biāo)回收率為95%～118%。重點(diǎn)研究了樣品的保存條件，采集后的降水樣品需立即用0.45 μm微孔濾膜過濾，2 d內(nèi)測定，或調(diào)節(jié)pH至8～10后于7 d內(nèi)完成測定。該法簡便、普適性強(qiáng)，為方法標(biāo)準(zhǔn)化提供了技術(shù)支持。