離子色譜法與離子選擇電極法測(cè)定肥料和土壤調(diào)理劑中水溶性氟含量的比較研究

黃均明，陳嘉銘，伍家成，韓巖松，保萬(wàn)魁，王 旭，劉紅芳*

（1.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081；2.廣東地球土壤研究院，廣東 廣州 510385）

氟（F）位于元素周期表中第二周期第ⅦA族，其豐度在地殼組成元素中排列第13位（WHO），占地殼組成的0.072%～0.078%，是自然界分布廣泛的一種鹵族元素［1-3］。氟是人和其它動(dòng)物正常生長(zhǎng)所必需的微量元素之一［4］。適量的氟對(duì)機(jī)體牙齒、骨骼的鈣化、神經(jīng)興奮的傳導(dǎo)和酶系統(tǒng)的代謝均有促進(jìn)作用［5-6］，但是攝入過(guò)量又會(huì)產(chǎn)生毒害作用［7］。土水系統(tǒng)中氟的形態(tài)一般可分為水溶態(tài)、可交換態(tài)、鐵錳氧化物態(tài)、有機(jī)束縛態(tài)和殘余固定態(tài)等。其中，水溶態(tài)氟對(duì)植物、動(dòng)物、微生物及人類(lèi)有較高的有效性，易被作物根系吸收并參與食物鏈中氟的轉(zhuǎn)移［8-9］。

濫用氟含量較高的肥料和土壤調(diào)理劑等農(nóng)業(yè)投入品是導(dǎo)致土壤氟超標(biāo)的影響因素之一［10-11］。土壤氟污染對(duì)植物的危害是慢性累積的過(guò)程［12］。過(guò)量的氟化物進(jìn)入植物體內(nèi)，會(huì)影響種子發(fā)芽和生根，損傷植物細(xì)胞膜，破壞葉綠體結(jié)構(gòu)，影響代謝過(guò)程中多種酶的活性，抑制作物的呼吸作用和光合作用，造成作物產(chǎn)量減少、品質(zhì)下降、提早落葉、衰老、甚至死亡［13-16］。

氟與我們的生活和生產(chǎn)密切相關(guān)，科研人員早在20世紀(jì)初期就針對(duì)它的檢測(cè)做了研究［17-19］。目前，氟的檢測(cè)方法主要包括光譜法［20-24］、離子選擇電極法［25-30］、離子色譜法［31-35］，此外，傳感器和毛細(xì)管電泳等其它分析方法也有報(bào)道［36-39］。這些方法各自有不同的優(yōu)缺點(diǎn)［21］，光譜法穩(wěn)定性好，簡(jiǎn)單而快速，但其影響因素較多，從而導(dǎo)致結(jié)果的準(zhǔn)確性不高；離子選擇電極是目前應(yīng)用最為廣泛的氟離子檢測(cè)方法，具有成本低，操作簡(jiǎn)單，快速高效等優(yōu)點(diǎn)，但其影響因素也較多；與其它方法相比，離子色譜法更簡(jiǎn)單、更準(zhǔn)確，結(jié)果重現(xiàn)性更好，也能檢測(cè)更低濃度的氟離子［40-41］。目前，尚未見(jiàn)土壤調(diào)理劑中氟含量檢測(cè)方法的報(bào)道。

本研究對(duì)離子色譜法與離子選擇電極法測(cè)定肥料和土壤調(diào)理劑的水溶性氟含量進(jìn)行比較，以期為肥料和土壤調(diào)理劑中水溶性氟含量的檢測(cè)提供技術(shù)依據(jù)，以便進(jìn)一步評(píng)價(jià)產(chǎn)品質(zhì)量和使用安全風(fēng)險(xiǎn)。

1 材料與方法

1.1 試劑

所用試劑和溶液的配制，在未注明規(guī)格和配制方法時(shí)，均應(yīng)按HG/T 3696規(guī)定執(zhí)行。離子色譜法用水為超純水，離子選擇電極法用水為三級(jí)去離子水。

氫氧化鉀：優(yōu)級(jí)純。

氫氧化鉀淋洗液：c（KOH）=35 mmol/L。

乙酸溶液：c（CH3COOH）=1 mol/L。

乙酸鈉溶液：c（CH3COONa）=3 mol/L。稱(chēng)取204 g三水合乙酸鈉（CH3COONa·3H2O），溶于300 mL水中，加乙酸溶液調(diào)節(jié)pH至7.0，然后移入500 mL容量瓶中，用水定容。

檸檬酸鈉溶液：c（Na3C6H5O7）=0.75 mol/L。稱(chēng)取110 g二水合檸檬酸鈉（Na3C6H5O7·2H2O），溶于300 mL水中，加14 mL高氯酸，然后移入500 mL容量瓶中，用水定容。

總離子強(qiáng)度緩沖劑：c（CH3COONa）=1.5 mol/L，c（Na3C6H5O7）=0.375 mol/L。乙酸鈉溶液與檸檬酸鈉溶液等體積混合，現(xiàn)配現(xiàn)用。

氟標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液：ρ（F-）=1000 mg/L。準(zhǔn)確稱(chēng)取基準(zhǔn)氟化鈉（NaF，105～110℃烘干2 h）0.2210 g，加水溶解后，移入100 mL容量瓶中，用水定容，貯存于聚乙烯瓶中。保存在0～5℃的冰箱中，有效期為6個(gè)月；或購(gòu)買(mǎi)經(jīng)國(guó)家認(rèn)證并授予標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)證書(shū)的標(biāo)準(zhǔn)溶液物質(zhì)。

氟標(biāo)準(zhǔn)溶液：ρ（F-）=20 mg/L。吸取氟標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液20.00 mL于1000 mL容量瓶中，用水定容，貯存于聚乙烯瓶中。保存在0～5℃的冰箱中，有效期為1個(gè)月。

氟標(biāo)準(zhǔn)溶液：ρ（F-）=10 mg/L。吸取氟標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液10.00 mL于1000 mL容量瓶中，用水定容，貯存于聚乙烯瓶中。保存在0～5℃的冰箱中，有效期為1個(gè)月。

1.2 儀器

ICS-600離子色譜儀：配有電導(dǎo)檢測(cè)器，Dionex Ion Pac AS-19色譜柱；PF-1型氟離子選擇電極；AS系列超聲波清洗器；WBK-6B型電熱恒溫水浴鍋；TDZ4-WS型臺(tái)式低速離心機(jī)（4000 r/min）；BSA224S型電子天平（精度0.0001 g）。

1.3 供試樣品

樣品來(lái)源于自制以及收集的部分肥料和土壤調(diào)理劑，樣品共36個(gè)。

1.4 樣品前處理

1.4.1 試樣的制備將固體樣品采用四分法縮分至約100 g，將其迅速研磨至全部通過(guò)0.50 mm篩（如樣品潮濕，可通過(guò)1.00 mm篩），混合均勻，置于潔凈、干燥容器中；液體樣品經(jīng)搖動(dòng)均勻后，迅速取出約100 mL，置于潔凈、干燥的容器中。

1.4.2 試樣溶液的制備

1.4.2.1 離子色譜法 稱(chēng)取0.2～0.3 g試樣（精確至0.0001 g）置于250 mL容量瓶中，加約150 mL水。在室溫下超聲30 min，取出，用水定容。取部分溶液于離心機(jī)中，以4000 r/min的轉(zhuǎn)速離心10 min，上清液過(guò)0.22 μm水系微孔濾膜后，待測(cè)。

1.4.2.2 離子選擇電極法 稱(chēng)取0.2～0.3 g試樣（精確至0.0001 g）置于250 mL容量瓶中，加約150 mL水，在室溫下超聲30 min，取出，用水定容，用定性濾紙進(jìn)行干過(guò)濾（棄去過(guò)濾最初的濾液），濾液待用。

1.5 儀器條件（離子色譜法）

本研究采用等度淋洗的方式。色譜柱：陰離子色譜柱，7.5 μm，（4×250）mm，離子交換功能基為烷醇季銨，或相當(dāng)者。陰離子色譜保護(hù)柱，7.5 μm，（4×50）mm，離子交換功能基為烷醇季銨，或相當(dāng)者；柱溫箱溫度：30℃；抑制器：自動(dòng)再生陰離子抑制器，或相當(dāng)者；檢測(cè)器：電導(dǎo)檢測(cè)器，檢測(cè)池溫度為室溫；淋洗液：氫氧化鉀淋洗液；淋洗液流速：1.0 mL/min；進(jìn)樣量：10 μL。

1.6 標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)的繪制

1.6.1 離子色譜法

分別吸取氟標(biāo)準(zhǔn)溶液［ρ（F-）=20 mg/L］0.00、0.50、2.50、5.00、10.00、25.00和50.00 mL于7個(gè)100 mL容量瓶中，用水定容。該標(biāo)準(zhǔn)系列溶液氟的質(zhì)量濃度分別為0.0、0.1、0.5、1.0、2.0、5.0和10.0 mg/L。過(guò)微孔濾膜后，按濃度由低到高進(jìn)樣檢測(cè)，以標(biāo)準(zhǔn)系列溶液質(zhì)量濃度x（mg/L）為橫坐標(biāo)，以峰面積y為縱坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)。

1.6.2 離子選擇電極法

分別吸取氟標(biāo)準(zhǔn)溶液［ρ（F-）=10 mg/L］0.00、0.50、1.00、2.00、5.00、10.00、20.00 mL于7個(gè)50 mL容量瓶中，加入25 mL總離子強(qiáng)度緩沖劑，用水定容。該標(biāo)準(zhǔn)系列溶液氟的質(zhì)量濃度分別為0.00、0.10、0.20、0.40、1.00、2.00和4.00 mg/L。將電極和攪拌轉(zhuǎn)子置于盛有水的塑料杯中，電磁攪拌，根據(jù)不同樣品情況，待電極空白電位值達(dá)到儀器測(cè)定要求后，按濃度由低至高進(jìn)行測(cè)定，以電位響應(yīng)值x為橫坐標(biāo)，以相應(yīng)的氟離子濃度對(duì)數(shù)值y為縱坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)。

1.7 試樣溶液的測(cè)定

1.7.1 離子色譜法

將試樣溶液或經(jīng)稀釋一定倍數(shù)后在與測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)系列溶液相同的條件下測(cè)定，在標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)上查出相應(yīng)的質(zhì)量濃度（mg/L）。

1.7.2 離子選擇電極法

吸取適量的濾液，置于50 mL容量瓶中，加入25 mL總離子強(qiáng)度緩沖劑后，用水定容。在與測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)系列溶液相同的條件下，測(cè)定試樣溶液的電位，在標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)上查出相應(yīng)試樣溶液中氟的質(zhì)量濃度（mg/L）。

2 結(jié)果與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)條件的確立

針對(duì)樣品前處理?xiàng)l件的優(yōu)化，分別考察了提取方式和提取時(shí)間兩個(gè)因素對(duì)結(jié)果的影響，檢測(cè)方法采用離子選擇電極法。

2.1.1 提取方式

本研究以水作為提取劑提取樣品中的氟，分別采用水浴加熱（100℃）、常溫振蕩、常溫超聲3種提取方式對(duì)S01（磷酸一銨）、S02（磷酸二銨）、S03（摻混肥料）、S04（土壤調(diào)理劑）、S07（微量元素水溶肥料）5個(gè)樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，提取時(shí)間為30 min，每個(gè)樣品進(jìn)行2次平行測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 不同提取方式對(duì)氟檢測(cè)的影響

結(jié)果顯示，在S01、S02、S03、S04、S07 5個(gè)樣品中，采用常溫振蕩的方式提取，氟含量偏低，提取不完全；采用水浴加熱（100℃）和常溫超聲這兩種方式提取，氟含量較高，結(jié)果一致性較好，說(shuō)明這兩種提取方式均可采用，而采用常溫超聲提取更為簡(jiǎn)便，所以以下實(shí)驗(yàn)均采用常溫超聲作為提取方式。

2.1.2 提取時(shí)間

本研究分別考察了常溫超聲10、20、30、40、50 min 5個(gè)不同提取時(shí)間對(duì)提取效果的影響。每個(gè)樣品進(jìn)行2次平行測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)圖2。

結(jié)果顯示，在30 min內(nèi)隨著提取時(shí)間的增加，所檢測(cè)的氟含量也在增加，并在30 min時(shí)氟含量較穩(wěn)定，繼續(xù)延長(zhǎng)提取時(shí)間，氟含量變化不大，所以提取時(shí)間設(shè)為30 min。

2.2 回歸方程、線(xiàn)性范圍和檢出限

配制一系列濃度的氟標(biāo)準(zhǔn)溶液，在所選擇的最佳實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行測(cè)定，得到回歸方程、線(xiàn)性范圍和相關(guān)系數(shù)（R），并計(jì)算檢出限。其中，離子色譜法以信噪比（S/N）為3計(jì)算檢出限，而離子選擇電極法以標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)外推法計(jì)算檢出限。結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 氟測(cè)定的回歸方程、線(xiàn)性范圍和檢出限

2.3 精密度

為考察離子色譜法和離子選擇電極法這兩個(gè)方法的精密度，分別對(duì)3個(gè)樣品進(jìn)行6次平行測(cè)定，測(cè)定值的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）分別為1.67%～9.30%和4.18%～8.86%，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 精密度實(shí)驗(yàn)結(jié)果 （%）

2.4 準(zhǔn)確度

通過(guò)加標(biāo)回收率測(cè)定結(jié)果來(lái)評(píng)價(jià)離子色譜法和離子選擇電極法的準(zhǔn)確性。在3個(gè)不同類(lèi)型樣品中，加入定量的氟標(biāo)準(zhǔn)溶液。經(jīng)兩次平行測(cè)定，統(tǒng)計(jì)本方法的回收率，這兩個(gè)方法的氟回收率分別為92.0%～108.0%和91.0%～106.0%，結(jié)果見(jiàn)表3和表4。

表3 離子色譜法回收率實(shí)驗(yàn)結(jié)果 （%）

表4 離子選擇電極法回收率實(shí)驗(yàn)結(jié)果 （%）

2.5 樣品測(cè)定

分別采用離子色譜法和離子選擇電極法對(duì)19個(gè)肥料和土壤調(diào)理劑樣品中氟含量進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)表5，說(shuō)明這兩種方法間檢測(cè)結(jié)果的一致性較好。其中，S04的樣品空白、樣品及樣品加標(biāo)色譜圖見(jiàn)圖3。

表5 離子色譜法和離子選擇電極法比對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果 （%）

圖3 樣品S04的樣品空白、樣品及樣品加標(biāo)色譜圖

3 結(jié)論

本研究建立了肥料和土壤調(diào)理劑中水溶性氟含量的離子色譜法和離子選擇電極法兩種分析方法，并對(duì)這兩種方法的樣品前處理?xiàng)l件、穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性、可靠性等參數(shù)進(jìn)行了考究，結(jié)果顯示這兩種方法的精密度、準(zhǔn)確性等方法性能指標(biāo)均能滿(mǎn)足檢驗(yàn)的要求，適合于大批量樣品的檢測(cè)。相比之下，離子色譜法具有干擾因素少、準(zhǔn)確性高以及分析速度快等優(yōu)點(diǎn)，而離子選擇電極法所需儀器設(shè)備簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉，操作簡(jiǎn)便，適用性廣，檢測(cè)人員可以根據(jù)自身的實(shí)驗(yàn)條件選擇不同的方法。這兩種方法的建立，將進(jìn)一步為肥料和土壤調(diào)理劑產(chǎn)品的質(zhì)量監(jiān)督和市場(chǎng)監(jiān)管提供技術(shù)支撐，從而有效地降低農(nóng)產(chǎn)品與耕地污染風(fēng)險(xiǎn)，保護(hù)生態(tài)環(huán)境。