微波消解-离子色谱法测定染料中痕量阴离子

贾 雷 左修源

(1.核工业二○八大队 分析测试中心，内蒙古 包头 014000；2.营口理工学院 辽宁省化学助剂合成与分离重点实验室，辽宁 营口 115014)

甲基红、甲基橙、溴甲酚绿是工农业生产中化工中间体，也是酸碱指示剂，既可以作为母体结构的荧光染料又可以作为修饰结构，通过偶联反应与母体结合作为荧光探针特异性识别不同离子，其生产原料中杂质阴离子会影响其性能和其他下游产品的品质，因此检测甲基红、甲基橙、溴甲酚绿中阴离子的含量十分必要[1-3]。

离子色谱常见的前处理方法主要是：膜处理法、固相萃取法、溶剂萃取法、超临界流体萃取法、超滤离心法，对较为干净的滤出液样品可直接进样分析，对基体复杂的样品，利用例如提取、热解、碱溶液或氧瓶燃烧等处理方法，其最有效的方法是将样品通过前处理柱，柱内填充经过处理的吸附树脂和阳离子交换树脂，可以清除有机污染物和重金属的预处理方法[4-8]。

研究建立了荧光染料中阴离子离子色谱测定方法，利用微波消解前处理法将样品进行测定，阐明了对氮杂BODIPY荧光染料2，6-位置引入重金属的含量测定重要性，研究了pH值对分离效果影响，淋洗液的选择对保留时间的影响，流速对峰高、峰面积、分离度和理论塔板数的影响，该方法方便、简单、快速，可以为荧光染料中卤族元素的取代提供定量的分析。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

Milli-Q Advantage A 10型号超纯水设备，PHS-3C型pH酸度计(上海精密科学仪器有限公司)，REVO 微波消解仪(LabTech公司)，CIC-D100离子色谱仪(青岛盛翰有限公司)，AP-01P真空泵(天津奥特塞恩斯仪器有限公司)，SHY-A-6型阴离子抑制器(青岛盛翰有限公司)，电导检测器，SH-AC-3亲水型阴离子色谱柱，HW-2000色谱工作站，0.22 μm微孔滤膜。

水中氟离子、氯离子、溴离子、亚硝酸根离子、硝酸根离子、硫酸根离子成分分析标准物质60 mg/L(国防科技工业应用化学一级计量站)，氢氧化钠(优级纯，天津市大茂化学试剂厂)，碳酸钠、碳酸氢钠(优级纯，天津市科密欧化学试剂有限公司)，甲基红、甲基橙、溴甲酚绿(分析纯，北京旭东化工厂)。

1.2 色谱工作条件

抑制器电流75 mA，电导池温度35 ℃，柱温箱温度35 ℃，流量1.0 mL/min，进样体积50 μL，淋洗液为碳酸氢钠(1 mmol/L)和碳酸钠(2.4 mmol/L)混合液。

1.3 标准溶液

分别取F-、NO2-、Br-离子各1 mL，NO3-离子10 mL，Cl-、SO42-各20 mL，定容到100 mL容量瓶中，配制成混合标准溶液，在分别取1、2、5、10、20 mL定容到100 mL容量瓶中，用超纯水稀释定容至标线，混匀配制成个6个不同浓度的混合标准系列，标准系列质量浓度见表1。

表1 标准系列浓度Table 1 Standard series concentrations /(mg·L-1)

1.4 实验方法

准确称量0.05 g(±0.000 5 g)的样品，转移至聚四氟乙烯密闭消解罐中，加入15 mL纯水，将消解罐安置于消解罐支架，放入微波消解仪中，编辑方法，设定红外温度值，微波功率1 200 W，磁控管工作状态：微波连续脉冲发射，进行消解，待冷却至室温，用慢速定量滤纸提取过滤液于50 mL容量瓶中，用纯水定容[9]。优化后的微波消解仪时间、温度如表2所示。

表2 微波消解时间Table 2 Time of microwave digestion instrument

2 结果讨论

2.1 离子色谱干扰

离子色谱(IC)仪作为一种有效分离检测离子的分析仪器，在水质分析实验中已广泛 应用。这种高效分离痕量离子的检测仪具有分析速度快、检测灵敏度高、选择性好，并且可同时检测多种离子的优点[10-11]。为了能够使测定结果更加准确，对于离子色谱内部和外部的干扰进行减少和优化，达到误差降低持续准确的目的。内部干扰主要是无压力，流动相不流动；压力持续偏高；基线漂移，峰形异常等。外部干扰主要是环境温度、泵、进样阀漏液等。其混标4、空白、溴甲酚绿、甲基橙、甲基红标准色谱图如图1～5所示。

图1 标准色谱图Figure 1 Standard chromatogram.

图2 空白色谱图Figure 2 Blank chromatogram.

图3 溴甲酚绿色谱图Figure 3 Chromatogram of bromocresol green.

图4 甲基橙色谱图Figure 4 Methyl orange spectrum.

图5 甲基红色谱图Figure 5 Methyl red spectrum.

2.2 荧光染料单线态氧的检测

光动力疗法(PDT)是用光敏药物和激光活化医治肿瘤疾病的一种新方法，用特定波长照射肿瘤部位，能使选择性堆积在肿瘤中的光敏药物活化，激发光化学反应，粉碎肿瘤。在PDT中，光敏剂尤为重要，能在光的吸收后产生激发态，并与氧发生系统间的交叉(ISC)，从而产生单线态氧，并且具有低细胞毒性，从而迅速攻击遇到的病变组织，目前为止能够作为光敏剂的物质如血卟啉、卟啉类、二氢卟吩类、酞菁类等都有过报道，并且以BODIPY作为光敏剂的报道也是屡见不鲜。

氮杂BODIPY中2，6-位置引入过渡金属离子或重原子如溴、碘、氯可以增加其单线态氧产率，并且在荧光测定体系中(待测分子内或加入含有重原子的试剂)有原子序数较大的原子存在时，由于重原子的高电荷作用增强了溶质分子的自旋—轨道耦合作用。从而增大了S0→T1吸收跃迁和S1→T1体系间跃迁的概率，即增加了T1态粒子的分布数，这有利于荧光的产生和增大荧光的量子产率[12](图6)。

对荧光染料来说，重原子加入的量格外重要，离子色谱的引入，将更好地定量计算出2，6-位置重原子用量，为对称和不对称结构母体的荧光团，单取代和双取代结构提供科学依据。

2.3 pH值对分离效果影响

考察淋洗液pH值变化对6种阴离子分离效果影响，研究pH=8.22、9.23、10.12，碳酸钠/碳酸氢钠为淋洗液，根据色谱工作条件进行测试，结果如表3所示。

表3 不同pH值保留时间Table 3 Retention time for different pH values /min

由于碳酸钠易于吸水，所以在称量前必须干燥处理，使得平衡向左移动，降低了碳酸钠的浓度，故淋洗液必须现用现配，淋洗液的pH值通过对离子交换功能基和溶质离子的离子化程度来影响保留时间。

2.4 洗液的选择对保留时间的影响

考察不同种类和浓度的淋洗液对分离效果和保留时间的影响，实验选择氢氧化钠、碳酸氢钠、碳酸钠/碳酸氢钠的3种不同的淋洗液，研究氢氧化钠3～15 mmol/L，碳酸氢钠15～35 mmol/L对6种阴离子的影响进行测试，结果如表4～7所示。

表4 氢氧化钠作为洗脱剂时6种阴离子的保留时间Table 4 Retention time of six anions when sodium hydroxide is used as eluent /min

表5 碳酸氢钠作为洗脱剂时6种阴离子的保留时间Table 5 Retention time of six anions when sodium bicarbonate is used as eluent /min

表6 氢氧化钠作为洗脱剂时6种阴离子分离度Table 6 Six anion separations when sodium hydroxide is used as eluent

表7 碳酸氢钠作为洗脱剂时的6种阴离子分离度Table 7 Six anion separations when sodium bicarbonate is used as eluent

由表5和表7可知：NaHCO3浓度对保留时间的影响。浓度越低对保留时间影响越小，同样对于二价离子影响大。当浓度为30.0 mmol/L时，各离子的分离度和保留时间有较好的区分。

离子保留性强弱与离子的价态、离子半径、极化度有关，价态越高，保留性越强；离子半径越大，保留性越强；极化度越大，保留性越强。对同一种淋洗液，浓度越大，洗脱能力越强。增加淋洗液的流速可以缩短保留时间，但要考虑分离度和柱子所能承受的压力。

根据两种淋洗液的浓度变化对保留时间作图，如图7、8，从图中可以看出，随着两种淋洗液的溶度增加，洗脱能力增强，6种阴离子保留时间变短，以氢氧化钠作淋洗液时，其浓度为15 mmol/L，分离时间仅需要12 min。

图7 氢氧化钠浓度对保留时间的影响Figure 7 Influence of sodium hydroxide concentration on retention time.

图8 碳酸氢钠浓度对保留时间的影响Figure 8 Influence of sodium bicarbonate concentration on retention time.

2.5 流速对峰高、峰面积、分离度和理论塔板数的影响

以混标4进行测试，得到流速对峰高、峰面积的影响变化曲线，如图9、10所示。

由图9和图10可知：流速对峰高及峰面积的影响很大，降低流速，会增大组分峰面积，但是也会降低峰高，在流速对峰面积影响曲线中，Cl-、NO3-、SO42-三个阴离子的浓度是其他的10倍和12倍关系，峰面积下降程度增加，灵敏度降低。在流速对峰高影响曲线中，不同阴离子的变化相对较小，低浓度、低流速的离子有利于提高灵敏度。Cl-离子的峰高在流速为0.8～1.2 mL/min出现先增高后下降的趋势，是由于环境温度对柱温箱的影响和柱压力不稳定造成的。

图9 流速对峰值面积影响的变化曲线Figure 9 Variation curve of the influence of flow velocity on peak area.

图10 流速对峰值高度影响的变化曲线Figure 10 Variation curve of the influence of flow velocity on peak height.

当溶液的阴离子相同，溶液阴离子的总浓度相同，其他仪器条件一致时，淋洗液的流速只影响离子的出峰时间。

根据以上淋洗液条件，测定了不同流速对分离度和理论塔板数的影响，如表8、9所示。

表8 阴离子对分离度的影响Table 8 Influence of anions on separation degree

由表8和表9可知：Cl-、NO2-、Br-、NO3-在离子色谱柱的分离度很接近，随流速的增加而降低，当超过1.5 mL/min，分离度变差，离子分离更加困难。理论塔板数是衡量柱效的一种手段，色谱柱的有效塔板数越大或有效的塔板高度越低，色谱柱的柱效越好，类似于每个塔板的分离效率相同，有效塔板数越多，得到的物质越纯。随着流速的增加，理论塔板数不断地降低，柱效变差，实验结果的准确性降低。

表9 阴离子对理论塔板数的影响Table 9 The influence of anions on the theoretical plate number

根据流速对保留时间、峰面积、峰高、分离度、理论塔板数的影响，在无水碳酸钠和碳酸氢钠作淋洗液的实验中，最佳流速为1.0～1.2 mL/min。

2.6 方法的线性方程，相关系数和检出限

将混标系列逐一加入离子色谱中，记录峰高和峰面积，以各离子的质量浓度为横坐标，以峰高为纵坐标，绘制标准曲线，得到方法的线性方程，相关系数，如表10所示。计算出检出限，测定下限为其检出限3倍关系。结果表明，6种阴离子具有良好的线性关系，相关系数0.999 1～0.999 9，检出限0.000 4～0.009 6 mg/L。

表10 阴离子的线性方程、相关系数、检测限Table 10 Linear equation of anions，correlation coefficient，detection limit /(mg·L-1)

2.7 精密度实验

在流速、柱温度、淋洗液强度等一致的色谱条件下，对实验超纯水进行反复测定，采用混标2、混标4、混标6三个不同浓度进行加标测试，各连续测定5次，计算其平均含量、相对误差、相对标准偏差见表11。

表11 6种阴离子的精密度实验结果Table 11 Experimental results of precision of six kinds of anions(n=5)

由表11可知：F-离子的相对误差和相对标准偏差在低中高浓度为1.27%～2.63%和0.14%～1.4%；Cl-离子为0.06%～3.03%和0.03%～1.3%；NO2-离子为0.87%～2.33%和1.0%～2.2%；Br-离子为0.55%～7.17%和1.1%～1.7%；NO3-离子为0.19%～4.47%和1.3%～2.6%；SO42-离子为0.06%～2.05%和0.10%～1.5%。

在以上条件下，对实验超纯水进行重复测定，加入Cl-离子浓度为0.5 mg/L，考察其定量和定性重现性，在离子色谱定性分析中，确定色谱峰代表的离子组分，考察其保留时间，在定量分析中，待测组分的重量或淋洗液中的浓度与检测器的相应信号(峰高或者峰面积)成正比。结果显示，定性和定量重现性(精密度)均<3%，仪器稳定性高，对于样品的检测精准(表12)。

表12 重现性实验Table 12 Reproducibility experiment(n=7)

2.8 样品加标回收实验

将空白、甲基红、甲基橙、溴甲酚绿经过微波消解前处理，每个样品平行测量4次，计算平均值和加标回收率，由表13可知，样品加标回收率为97.6%～101%，荧光染料中阴离子含量极低。

表13 样品结果和加标回收率Table 13 Sample results and spiked recoveries /(mg·L-1)

3 结论

建立了微波消解的离子色谱法测定荧光染料中阴离子的方法，利用微波消解进行样品前处理，通过考察pH值对分离效果，洗液的选择对保留时间，流速对峰高、峰面积、分离度和理论塔板数进行了研究，为氮杂BODIPY荧光染料2，6-位置引入重金属的含量测定提供了科学的依据，同时为罗丹明、香豆素、菁染料、芘类、萘酰亚胺类、稀土配合物类荧光染料母体结构引入卤族元素单、双定量取代打下了基础。