雷 萍， 瞿白露

（湖南省長沙生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，湖南 長沙 410000）

大氣降水的主要成分有陽離子、無機和有機酸陰離子。國內外文獻研究表明有機酸約可貢獻對流層總有機碳含量的20%，主要包括甲酸、乙酸和草酸等低分子有機酸。它們對酸雨的形成、離子平衡以及對大氣化學反應機制都有重要作用[1-2]。尤其在遠離人類活動的地區(qū)，有機酸對降水酸度貢獻可達60%以上[3-5]。

建立快速靈敏的有機酸分析方法是大氣及沉降物酸化研究必不可少的環(huán)節(jié)。目前用于分析有機酸的方法以離子色譜法居多，離子色譜是HPLC發(fā)展較快的一個分支，通常可采用離子排斥色譜[6]或離子交換色譜。簡便、高效且普及率高的離子交換色譜，是降水中有機酸測定的首選[5,7-10]。

國內文獻報道測定降水中的有機酸，其含量處于前三種的是甲酸、乙酸和草酸[5,7-10]，應用離子交換色譜法測定甲酸、乙酸和草酸一般選用等度淋洗和梯度淋洗的方式，具有自動化程度高、靈敏度高、穩(wěn)定性好的優(yōu)點。朱紅霞等[5]應用瑞士萬通MIC型離子色譜儀、Ion PacAS23型分離柱、Ion PacAG23型保護柱碳酸鹽等梯度淋洗實現了降水中甲酸、乙酸和草酸和常見陰離子的有效分離，40 min可完成一個樣品的測試。韋進進等[8]應用戴安ICS1000型離子色譜儀、Ion PacAS18型分離柱、Ion PacAG18型保護柱梯度淋洗完成降水中甲酸、乙酸、甲磺酸、戊二酸、草酸和常見陰離子的同時快速測定，20 min可完成一個樣品的測試。夏靜芬等[10]采用戴安ICS90型離子色譜儀、Ion PacAS11-HC型分離柱、Ion PacAG11-HC型保護柱同時分離乳酸、乙酸、甲酸、甲磺酸、戊二酸、丁二酸、丙二酸、草酸和常見陰離子，60 min可完成樣品的測試。

本文采用AS19分析柱、AG19保護柱，梯度淋洗，優(yōu)化淋洗液濃度、流速、抑制電流等實驗條件，可在36 min有效分離并同時測定大氣降水中有機酸（甲酸、乙酸、草酸）和無機陰離子（F-、Cl-、Br-、）。方法檢出限低、精密度好，準確度高，為深入研究大氣降水的陰、陽離子平衡與區(qū)域環(huán)境的污染特征提供了新的方法。

有機酸不穩(wěn)定，多數文獻報道加入0.4%的氯仿到降水樣品中，確?；瘜W組分的穩(wěn)定[9,13-14]，近期朱紅霞等[5]研究用氫氧化鈉溶液調節(jié)樣品到堿性（pH＝8～10），樣品可保存 7 d。由于氫氧化鈉相比氯仿安全環(huán)保，無二次污染，故本文采用NaOH堿性溶液保存降水樣品（pH＝9～10），同時有機酸標準溶液也調至堿性（pH≥10），同時做堿液空白實驗，如果空白實驗中有微量的甲酸（HCOO-）和氯離子，實際樣品和標準溶液測定時需扣掉空白中的微量甲酸（HCOO-）和氯離子。本方法為標準（HJ1004-2018）的應用推廣提供了參考和技術支持。

1 實驗

1.1 儀器與試劑

ICS-900型離子色譜儀，美國戴安；AS19（4 mm×250 mm）分析柱，AG19（4 mm×50 mm）保護柱，陰離子抑制器ASRS300，淋洗液發(fā)生器RFC-30，電導檢測器DS5，自動進樣器AS-DV，Chromeleon6.8 SR11工作站，威立雅超純水機（電阻率≥18.2 MΩ·cm）。

F-、Cl-、、Br-、標準溶液，國家有色金屬及電子材料分析測試中心，濃度均為1 000 mg/L；甲酸鹽和乙酸鹽標準溶液，Accu Standard標準品公司，濃度均為1 000 mg/L；草酸鈉，優(yōu)級純；50% NaOH溶液，MERCK；高純氮氣，99.999%。

1.2 色譜條件

設置KOH淋洗液流速1.00 mL/min，濃度梯度條件如表1所示，抑制電流為80 mA，進樣體積為200 μL，柱溫30℃，電導池溫度為室溫，保留時間定性，外標法以峰面積或峰高定量。

表1 濃度梯度條件

1.3 樣品預處理

降水樣品采集后立即經0.45 μm微孔濾膜過濾，按“1.2”色譜條件進色譜儀分析。如不能馬上分析，密封放入冰箱4℃保存，時間不超過2天?；蛴脷溲趸c溶液調pH至8～10，于4℃冷藏密封保存，7天內完成測定[5]。

樣品的測定：若樣品濃度超出標準曲線范圍，需適當稀釋后按“1.2”色譜條件測定。

2 結果與討論

2.1 色譜條件的優(yōu)化

高柱容量IonPacAS19陰離子交換色譜柱使用NaOH作為淋洗液體系，非常適用大氣降水中有機酸陰離子和常規(guī)無機陰離子的梯度洗脫和快速分離。梯度淋洗分離，影響選擇性的變量多，如初始與最末淋洗液濃度、梯度斜度與停留體積等[11]。在固定梯度斜度為15 min，以不同的初始淋洗液濃度（C1）和最末淋洗液濃度（C2）進行實驗，研究發(fā)現：當C1≥6 mmol/L，R＝1.33（C1＝6 mmol/L），隨著KOH濃度的增大，分離度降低，特別是氟離子與乙酸已經不能完全分開（R＜1.5）；當C1為3～5 mmol/L時，隨著KOH濃度的增高，峰形變尖銳，保留時間變短，氟離子與乙酸、甲酸與氯離子分離度較好（R＞1.5）；當C1＜3 mmol/L時，氟離子與乙酸、甲酸與氯離子得到較好分離（R＞1.5），但峰形較寬，保留時間較長。由于降水樣品中碳酸鹽含量稍高，當C2＞30 mmol/L，硫酸、草酸出峰時間雖然縮短，但碳酸鹽與硫酸鹽不能完全分開（R＜1.5），干擾硫酸鹽的測定；當C2≤30 mmol/L，硫酸鹽與碳酸鹽得到分離（R＞1.5），但硫酸、草酸保留時間稍長。綜合考慮實際樣品的分析效率和分離效果，試驗選擇濃度梯度條件如表1所示。

選擇淋洗液流速為0.8、0.9、1.0、1.1、1.15 mL/min進行試驗，隨著淋洗液流速的增大，三種有機酸的保留時間將縮短，氟、乙酸分離度變化不大（R＞1.5）。但流速到1.1 mL/min以后，系統(tǒng)壓力超過15 169 KPa。考慮到保留時間提前，系統(tǒng)壓力不要過大，確定采用儀器常用的淋洗液流速為1.00 mL/min。

選擇抑制電流75、80、85、90、95 mA進行試驗，隨著抑制電流的增大，三種有機酸的保留時間變化不大；氟、乙酸的分離度變化不大（R＞1.5）。抑制電流為80 mA和95 mA時，乙酸的峰面積較大，考慮到抑制電流較大，會影響到抑制器的壽命，故最終確定抑制電流為80 mA。

2.2 色譜圖

3種有機酸和7種無機陰離子的標準色譜圖如圖1所示，各離子的保留時間和分離度如表2所示。由圖1和表2可知，標準樣品和實際降水樣品中乙酸、甲酸、草酸和7種無機常規(guī)離子（F-、Cl-、、Br-、）分離度好（R＞1.5）。

圖1 優(yōu)化條件下3種有機酸和7種無機陰離子色譜圖

表2 3種有機酸和7種無機陰離子的保留時間、分離度

2.3 線性范圍

將甲酸、乙酸和草酸標準儲備液配置成濃度為10.0 mg/L的中間混標，再配置成0.00、0.02、0.04、0.10、0.30、0.50、0.70、1.00 mg/L的8個系列濃度點。由低濃度到高濃度依次測定。三種有機酸的線性回歸方程見表3。結果表明，乙酸、甲酸和草酸線性良好，相關系數（r）均大于0.999 5。

表3 3種有機酸的線性回歸方程、相關系數和線性范圍

2.4 檢出限

按照樣品分析的全部步驟，對濃度值或含量為估計方法檢出限2～5倍的樣品進行7次平行測定。3種有機酸的方法檢出限如表4所示。結果表明，乙酸、甲酸和草酸檢出限分別為0.002、0.003、0.002 mg/L，均低于HJ1004-2018[12]規(guī)定的方法檢出限（乙酸、甲酸和草酸檢出限分別為0.005、0.004、0.005 mg/L）。

表4 3種有機酸的檢出限

2.5 精密度和準確度實驗

0.020 、0.100、1.00 mg/L的乙酸、甲酸、草酸空白加標溶液平行測定6次，計算平均值、相對標準偏差和加標回收率。結果如表5所示，結果表明，乙酸、甲酸和草酸的相對標準偏差（RSD）分別為0.19%～3.5%、0.39%～1.9%、0.68%～2.4%；乙酸、甲酸和草酸的空白加標回收率分別為96.6%～110.0%、101.7%～105.0%、96.0%～105.0%。優(yōu)于HJ1004-2018[12]規(guī)定的精密度和準確度要求。

表5 三種有機酸精密度和準確度試驗

2.6 實際樣品的測定

有機酸不穩(wěn)定，據報道[13-14]加入0.4%的氯仿到降水樣品中，可抑制微生物對有機酸等的降解，確保化學組分的穩(wěn)定，但氯仿腐蝕色譜系統(tǒng)管路，朱紅霞等[5]探討中性或堿性pH對降水中3種有機酸保存時間的影響，最終確定pH＝8～10的弱堿性條件，樣品可保存7天。同時做堿液空白（固體氫氧化鈉空白本底較高，建議用 50%氫氧化鈉溶液配制），結果表明，如果空白實驗中有微量的甲酸（HCOO-）和氯離子，實際樣品和標準系列溶液的測定時需扣掉空白中的微量甲酸根和氯離子。堿液空白譜圖和大氣降水樣品色譜圖如圖2所示。堿液空白譜圖在23.867 min有一個雜峰，這個峰和硫酸根的保留時間很近，在硫酸根之前，可能是超純水中或者是堿液中溶解的CO2的峰。圖2在氟離子和乙酸根之間還有一個未知峰，說明酸雨中還有未知的微量有機酸離子，可能是微量的甲磺酸根，有待進一步研究。

圖2 實際降水樣品和堿液空白色譜圖

用1 mmol/L的NaOH溶液調至pH＝9～10，隨機選取幾組降水樣品，連續(xù)測定3次，然后在此樣品中加入高、低濃度的中間標液，連續(xù)測定3次，取平均值作為實測值，實際樣品加標回收率數據如表6所示。結果表明，乙酸、甲酸和草酸的相對標準偏差（RSD）分別為2.2%～2.6%、1.2%～3.3%、0.3%～2.7%，乙酸、甲酸和草酸的加標回收率分別為 100.5%～105.0%、100.0%～100.5%、93.0%～100.0%，優(yōu)于HJ1004-2018[12]標準規(guī)定的精密度和準確度要求。

表6 實際樣品加標回收實驗

2.7 標準曲線穩(wěn)定性實驗

在做乙酸、甲酸、草酸的高、中、低標準溶液的精密度和準確度實驗時發(fā)現，中性條件下的低濃度乙酸、甲酸、草酸標準溶液不太穩(wěn)定，可能是空氣和超純水中存在的微生物作用。因此，有機酸標準系列均調為堿性（pH≥10）。將有機酸混標分別于第1天、第10天測定，其中甲酸第1天空白實驗有微量甲酸，故扣掉空白中甲酸的響應值后線性回歸。3種有機酸的線性回歸方程如表7所示。

表7 3種有機酸的線性回歸方程

（續(xù)表7）

比較不同時間的測得的兩條校準曲線有無顯著性差異，可以通過檢驗其相應的剩余標準差SE、斜率b和截距a進行判斷[15]。3種有機酸標準曲線的統(tǒng)計學基本參數如表8所示。

采用F檢驗法，對剩余標準差SE進行顯著性檢驗[15]，F檢驗計算如公式（1）所示。

分別把3種有機酸標準曲線的剩余標準差SE帶入F檢驗計算公式得到的F值見表8。查F分布表，F0.05(6,6)＝4.28，表8中的F值均小于4.28，因此可認為2者沒有顯著性差異，可以合并為一個共同的剩余標準差SC。共同的剩余標準差SC計算如公式（2）所示，式中f＝n－2。

采用t檢驗法，對斜率b和截距a進行顯著性差異檢驗[15]。斜率b和截距a的t檢驗計算如公式（3）、（4）所示。

將合并后的剩余標準差SC分別代入斜率b和截距a的t檢驗公式計算，結果見表8，查t分布表，t0.05(12)＝2.179，表8中的斜率b和截距a的t值均小于2.179。因此可認為同一實驗員在10天內做的有機酸標準曲線不存在顯著性差異。說明實驗數據之間的差異屬于隨機誤差的正常波動，即在有機酸標準系列均調為堿性（pH≥10）條件下，且于冰箱4℃以下冷藏密封保存，具有較好的穩(wěn)定性能，乙酸、甲酸和草酸可穩(wěn)定10天。

表8 3種有機酸標準曲線顯著性差異統(tǒng)計的基本參數

3 總結

1）對標準《環(huán)境空氣 降水中有機酸（乙酸、甲酸和草酸）的測定 離子色譜法》（HJ1004-2018）中氫氧根體系的應用進行研究，采用KOH梯度淋洗，高柱容量IonPacAS19陰離子交換色譜柱，兼顧分析方法的靈敏度、抑制器的損耗和分析時間，選擇合適的淋洗液濃度、流速、抑制電流，可在36 min內有效分離并同時測定大氣降水中有機酸（甲酸、乙酸、草酸）和無機陰離子（F-、Cl-、、Br-、）。

2）通過研究使用統(tǒng)計方法檢驗不同時間的兩條線性標準曲線的穩(wěn)定性，采用F檢驗和t檢驗對3種有機酸的標準曲線的剩余標準差、斜率和截距3個參數之間的差異進行研究[15]，結果表明，同一實驗員在10天內做的有機酸標準曲線不存在顯著性差異。即在有機酸標準系列在調為堿性（pH≥10）條件下，且于冰箱4℃以下冷藏密封保存，具有較好的穩(wěn)定性能，乙酸、甲酸和草酸可穩(wěn)定10天。如果空白實驗中有微量的甲酸（HCOO-）和氯離子，實際樣品和標準系列溶液的測定時需扣掉空白中的微量甲酸（HCOO-）和氯離子。解決了標準方法HJ1004-2018中未對乙酸、甲酸、草酸標準溶液的酸堿度和保存時間的說明。

3）該方法具有檢出限低、靈敏度高、精密度、準確度好的優(yōu)點。采用免試劑淋洗液自動發(fā)生器RFC30，生成精準的自動化淋洗液，使系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定運行，可用于實際降水樣品中有機酸（乙酸、甲酸和草酸）的批量測定。為進一步研究酸雨中有機、無機陰離子的來源、傳輸和轉化提供了基礎研究。