微波消解-離子色譜法測定染料中痕量陰離子

賈 雷 左修源

(1.核工業(yè)二○八大隊(duì) 分析測試中心，內(nèi)蒙古 包頭 014000；2.營口理工學(xué)院 遼寧省化學(xué)助劑合成與分離重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 營口 115014)

甲基紅、甲基橙、溴甲酚綠是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中化工中間體，也是酸堿指示劑，既可以作為母體結(jié)構(gòu)的熒光染料又可以作為修飾結(jié)構(gòu)，通過偶聯(lián)反應(yīng)與母體結(jié)合作為熒光探針特異性識別不同離子，其生產(chǎn)原料中雜質(zhì)陰離子會影響其性能和其他下游產(chǎn)品的品質(zhì)，因此檢測甲基紅、甲基橙、溴甲酚綠中陰離子的含量十分必要[1-3]。

離子色譜常見的前處理方法主要是：膜處理法、固相萃取法、溶劑萃取法、超臨界流體萃取法、超濾離心法，對較為干凈的濾出液樣品可直接進(jìn)樣分析，對基體復(fù)雜的樣品，利用例如提取、熱解、堿溶液或氧瓶燃燒等處理方法，其最有效的方法是將樣品通過前處理柱，柱內(nèi)填充經(jīng)過處理的吸附樹脂和陽離子交換樹脂，可以清除有機(jī)污染物和重金屬的預(yù)處理方法[4-8]。

研究建立了熒光染料中陰離子離子色譜測定方法，利用微波消解前處理法將樣品進(jìn)行測定，闡明了對氮雜BODIPY熒光染料2，6-位置引入重金屬的含量測定重要性，研究了pH值對分離效果影響，淋洗液的選擇對保留時(shí)間的影響，流速對峰高、峰面積、分離度和理論塔板數(shù)的影響，該方法方便、簡單、快速，可以為熒光染料中鹵族元素的取代提供定量的分析。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

Milli-Q Advantage A 10型號超純水設(shè)備，PHS-3C型pH酸度計(jì)(上海精密科學(xué)儀器有限公司)，REVO 微波消解儀(LabTech公司)，CIC-D100離子色譜儀(青島盛翰有限公司)，AP-01P真空泵(天津奧特塞恩斯儀器有限公司)，SHY-A-6型陰離子抑制器(青島盛翰有限公司)，電導(dǎo)檢測器，SH-AC-3親水型陰離子色譜柱，HW-2000色譜工作站，0.22 μm微孔濾膜。

水中氟離子、氯離子、溴離子、亞硝酸根離子、硝酸根離子、硫酸根離子成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)60 mg/L(國防科技工業(yè)應(yīng)用化學(xué)一級計(jì)量站)，氫氧化鈉(優(yōu)級純，天津市大茂化學(xué)試劑廠)，碳酸鈉、碳酸氫鈉(優(yōu)級純，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司)，甲基紅、甲基橙、溴甲酚綠(分析純，北京旭東化工廠)。

1.2 色譜工作條件

抑制器電流75 mA，電導(dǎo)池溫度35 ℃，柱溫箱溫度35 ℃，流量1.0 mL/min，進(jìn)樣體積50 μL，淋洗液為碳酸氫鈉(1 mmol/L)和碳酸鈉(2.4 mmol/L)混合液。

1.3 標(biāo)準(zhǔn)溶液

分別取F-、NO2-、Br-離子各1 mL，NO3-離子10 mL，Cl-、SO42-各20 mL，定容到100 mL容量瓶中，配制成混合標(biāo)準(zhǔn)溶液，在分別取1、2、5、10、20 mL定容到100 mL容量瓶中，用超純水稀釋定容至標(biāo)線，混勻配制成個(gè)6個(gè)不同濃度的混合標(biāo)準(zhǔn)系列，標(biāo)準(zhǔn)系列質(zhì)量濃度見表1。

表1 標(biāo)準(zhǔn)系列濃度Table 1 Standard series concentrations /(mg·L-1)

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

準(zhǔn)確稱量0.05 g(±0.000 5 g)的樣品，轉(zhuǎn)移至聚四氟乙烯密閉消解罐中，加入15 mL純水，將消解罐安置于消解罐支架，放入微波消解儀中，編輯方法，設(shè)定紅外溫度值，微波功率1 200 W，磁控管工作狀態(tài)：微波連續(xù)脈沖發(fā)射，進(jìn)行消解，待冷卻至室溫，用慢速定量濾紙?zhí)崛∵^濾液于50 mL容量瓶中，用純水定容[9]。優(yōu)化后的微波消解儀時(shí)間、溫度如表2所示。

表2 微波消解時(shí)間Table 2 Time of microwave digestion instrument

2 結(jié)果討論

2.1 離子色譜干擾

離子色譜(IC)儀作為一種有效分離檢測離子的分析儀器，在水質(zhì)分析實(shí)驗(yàn)中已廣泛 應(yīng)用。這種高效分離痕量離子的檢測儀具有分析速度快、檢測靈敏度高、選擇性好，并且可同時(shí)檢測多種離子的優(yōu)點(diǎn)[10-11]。為了能夠使測定結(jié)果更加準(zhǔn)確，對于離子色譜內(nèi)部和外部的干擾進(jìn)行減少和優(yōu)化，達(dá)到誤差降低持續(xù)準(zhǔn)確的目的。內(nèi)部干擾主要是無壓力，流動相不流動；壓力持續(xù)偏高；基線漂移，峰形異常等。外部干擾主要是環(huán)境溫度、泵、進(jìn)樣閥漏液等。其混標(biāo)4、空白、溴甲酚綠、甲基橙、甲基紅標(biāo)準(zhǔn)色譜圖如圖1～5所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)色譜圖Figure 1 Standard chromatogram.

圖2 空白色譜圖Figure 2 Blank chromatogram.

圖3 溴甲酚綠色譜圖Figure 3 Chromatogram of bromocresol green.

圖4 甲基橙色譜圖Figure 4 Methyl orange spectrum.

圖5 甲基紅色譜圖Figure 5 Methyl red spectrum.

2.2 熒光染料單線態(tài)氧的檢測

光動力療法(PDT)是用光敏藥物和激光活化醫(yī)治腫瘤疾病的一種新方法，用特定波長照射腫瘤部位，能使選擇性堆積在腫瘤中的光敏藥物活化，激發(fā)光化學(xué)反應(yīng)，粉碎腫瘤。在PDT中，光敏劑尤為重要，能在光的吸收后產(chǎn)生激發(fā)態(tài)，并與氧發(fā)生系統(tǒng)間的交叉(ISC)，從而產(chǎn)生單線態(tài)氧，并且具有低細(xì)胞毒性，從而迅速攻擊遇到的病變組織，目前為止能夠作為光敏劑的物質(zhì)如血卟啉、卟啉類、二氫卟吩類、酞菁類等都有過報(bào)道，并且以BODIPY作為光敏劑的報(bào)道也是屢見不鮮。

氮雜BODIPY中2，6-位置引入過渡金屬離子或重原子如溴、碘、氯可以增加其單線態(tài)氧產(chǎn)率，并且在熒光測定體系中(待測分子內(nèi)或加入含有重原子的試劑)有原子序數(shù)較大的原子存在時(shí)，由于重原子的高電荷作用增強(qiáng)了溶質(zhì)分子的自旋—軌道耦合作用。從而增大了S0→T1吸收躍遷和S1→T1體系間躍遷的概率，即增加了T1態(tài)粒子的分布數(shù)，這有利于熒光的產(chǎn)生和增大熒光的量子產(chǎn)率[12](圖6)。

對熒光染料來說，重原子加入的量格外重要，離子色譜的引入，將更好地定量計(jì)算出2，6-位置重原子用量，為對稱和不對稱結(jié)構(gòu)母體的熒光團(tuán)，單取代和雙取代結(jié)構(gòu)提供科學(xué)依據(jù)。

2.3 pH值對分離效果影響

考察淋洗液pH值變化對6種陰離子分離效果影響，研究pH=8.22、9.23、10.12，碳酸鈉/碳酸氫鈉為淋洗液，根據(jù)色譜工作條件進(jìn)行測試，結(jié)果如表3所示。

表3 不同pH值保留時(shí)間Table 3 Retention time for different pH values /min

由于碳酸鈉易于吸水，所以在稱量前必須干燥處理，使得平衡向左移動，降低了碳酸鈉的濃度，故淋洗液必須現(xiàn)用現(xiàn)配，淋洗液的pH值通過對離子交換功能基和溶質(zhì)離子的離子化程度來影響保留時(shí)間。

2.4 洗液的選擇對保留時(shí)間的影響

考察不同種類和濃度的淋洗液對分離效果和保留時(shí)間的影響，實(shí)驗(yàn)選擇氫氧化鈉、碳酸氫鈉、碳酸鈉/碳酸氫鈉的3種不同的淋洗液，研究氫氧化鈉3～15 mmol/L，碳酸氫鈉15～35 mmol/L對6種陰離子的影響進(jìn)行測試，結(jié)果如表4～7所示。

表4 氫氧化鈉作為洗脫劑時(shí)6種陰離子的保留時(shí)間Table 4 Retention time of six anions when sodium hydroxide is used as eluent /min

表5 碳酸氫鈉作為洗脫劑時(shí)6種陰離子的保留時(shí)間Table 5 Retention time of six anions when sodium bicarbonate is used as eluent /min

表6 氫氧化鈉作為洗脫劑時(shí)6種陰離子分離度Table 6 Six anion separations when sodium hydroxide is used as eluent

表7 碳酸氫鈉作為洗脫劑時(shí)的6種陰離子分離度Table 7 Six anion separations when sodium bicarbonate is used as eluent

由表5和表7可知：NaHCO3濃度對保留時(shí)間的影響。濃度越低對保留時(shí)間影響越小，同樣對于二價(jià)離子影響大。當(dāng)濃度為30.0 mmol/L時(shí)，各離子的分離度和保留時(shí)間有較好的區(qū)分。

離子保留性強(qiáng)弱與離子的價(jià)態(tài)、離子半徑、極化度有關(guān)，價(jià)態(tài)越高，保留性越強(qiáng)；離子半徑越大，保留性越強(qiáng)；極化度越大，保留性越強(qiáng)。對同一種淋洗液，濃度越大，洗脫能力越強(qiáng)。增加淋洗液的流速可以縮短保留時(shí)間，但要考慮分離度和柱子所能承受的壓力。

根據(jù)兩種淋洗液的濃度變化對保留時(shí)間作圖，如圖7、8，從圖中可以看出，隨著兩種淋洗液的溶度增加，洗脫能力增強(qiáng)，6種陰離子保留時(shí)間變短，以氫氧化鈉作淋洗液時(shí)，其濃度為15 mmol/L，分離時(shí)間僅需要12 min。

圖7 氫氧化鈉濃度對保留時(shí)間的影響Figure 7 Influence of sodium hydroxide concentration on retention time.

圖8 碳酸氫鈉濃度對保留時(shí)間的影響Figure 8 Influence of sodium bicarbonate concentration on retention time.

2.5 流速對峰高、峰面積、分離度和理論塔板數(shù)的影響

以混標(biāo)4進(jìn)行測試，得到流速對峰高、峰面積的影響變化曲線，如圖9、10所示。

由圖9和圖10可知：流速對峰高及峰面積的影響很大，降低流速，會增大組分峰面積，但是也會降低峰高，在流速對峰面積影響曲線中，Cl-、NO3-、SO42-三個(gè)陰離子的濃度是其他的10倍和12倍關(guān)系，峰面積下降程度增加，靈敏度降低。在流速對峰高影響曲線中，不同陰離子的變化相對較小，低濃度、低流速的離子有利于提高靈敏度。Cl-離子的峰高在流速為0.8～1.2 mL/min出現(xiàn)先增高后下降的趨勢，是由于環(huán)境溫度對柱溫箱的影響和柱壓力不穩(wěn)定造成的。

圖9 流速對峰值面積影響的變化曲線Figure 9 Variation curve of the influence of flow velocity on peak area.

圖10 流速對峰值高度影響的變化曲線Figure 10 Variation curve of the influence of flow velocity on peak height.

當(dāng)溶液的陰離子相同，溶液陰離子的總濃度相同，其他儀器條件一致時(shí)，淋洗液的流速只影響離子的出峰時(shí)間。

根據(jù)以上淋洗液條件，測定了不同流速對分離度和理論塔板數(shù)的影響，如表8、9所示。

表8 陰離子對分離度的影響Table 8 Influence of anions on separation degree

由表8和表9可知：Cl-、NO2-、Br-、NO3-在離子色譜柱的分離度很接近，隨流速的增加而降低，當(dāng)超過1.5 mL/min，分離度變差，離子分離更加困難。理論塔板數(shù)是衡量柱效的一種手段，色譜柱的有效塔板數(shù)越大或有效的塔板高度越低，色譜柱的柱效越好，類似于每個(gè)塔板的分離效率相同，有效塔板數(shù)越多，得到的物質(zhì)越純。隨著流速的增加，理論塔板數(shù)不斷地降低，柱效變差，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性降低。

表9 陰離子對理論塔板數(shù)的影響Table 9 The influence of anions on the theoretical plate number

根據(jù)流速對保留時(shí)間、峰面積、峰高、分離度、理論塔板數(shù)的影響，在無水碳酸鈉和碳酸氫鈉作淋洗液的實(shí)驗(yàn)中，最佳流速為1.0～1.2 mL/min。

2.6 方法的線性方程，相關(guān)系數(shù)和檢出限

將混標(biāo)系列逐一加入離子色譜中，記錄峰高和峰面積，以各離子的質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)，以峰高為縱坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，得到方法的線性方程，相關(guān)系數(shù)，如表10所示。計(jì)算出檢出限，測定下限為其檢出限3倍關(guān)系。結(jié)果表明，6種陰離子具有良好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)0.999 1～0.999 9，檢出限0.000 4～0.009 6 mg/L。

表10 陰離子的線性方程、相關(guān)系數(shù)、檢測限Table 10 Linear equation of anions，correlation coefficient，detection limit /(mg·L-1)

2.7 精密度實(shí)驗(yàn)

在流速、柱溫度、淋洗液強(qiáng)度等一致的色譜條件下，對實(shí)驗(yàn)超純水進(jìn)行反復(fù)測定，采用混標(biāo)2、混標(biāo)4、混標(biāo)6三個(gè)不同濃度進(jìn)行加標(biāo)測試，各連續(xù)測定5次，計(jì)算其平均含量、相對誤差、相對標(biāo)準(zhǔn)偏差見表11。

表11 6種陰離子的精密度實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 11 Experimental results of precision of six kinds of anions(n=5)

由表11可知：F-離子的相對誤差和相對標(biāo)準(zhǔn)偏差在低中高濃度為1.27%～2.63%和0.14%～1.4%；Cl-離子為0.06%～3.03%和0.03%～1.3%；NO2-離子為0.87%～2.33%和1.0%～2.2%；Br-離子為0.55%～7.17%和1.1%～1.7%；NO3-離子為0.19%～4.47%和1.3%～2.6%；SO42-離子為0.06%～2.05%和0.10%～1.5%。

在以上條件下，對實(shí)驗(yàn)超純水進(jìn)行重復(fù)測定，加入Cl-離子濃度為0.5 mg/L，考察其定量和定性重現(xiàn)性，在離子色譜定性分析中，確定色譜峰代表的離子組分，考察其保留時(shí)間，在定量分析中，待測組分的重量或淋洗液中的濃度與檢測器的相應(yīng)信號(峰高或者峰面積)成正比。結(jié)果顯示，定性和定量重現(xiàn)性(精密度)均<3%，儀器穩(wěn)定性高，對于樣品的檢測精準(zhǔn)(表12)。

表12 重現(xiàn)性實(shí)驗(yàn)Table 12 Reproducibility experiment(n=7)

2.8 樣品加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)

將空白、甲基紅、甲基橙、溴甲酚綠經(jīng)過微波消解前處理，每個(gè)樣品平行測量4次，計(jì)算平均值和加標(biāo)回收率，由表13可知，樣品加標(biāo)回收率為97.6%～101%，熒光染料中陰離子含量極低。

表13 樣品結(jié)果和加標(biāo)回收率Table 13 Sample results and spiked recoveries /(mg·L-1)

3 結(jié)論

建立了微波消解的離子色譜法測定熒光染料中陰離子的方法，利用微波消解進(jìn)行樣品前處理，通過考察pH值對分離效果，洗液的選擇對保留時(shí)間，流速對峰高、峰面積、分離度和理論塔板數(shù)進(jìn)行了研究，為氮雜BODIPY熒光染料2，6-位置引入重金屬的含量測定提供了科學(xué)的依據(jù)，同時(shí)為羅丹明、香豆素、菁染料、芘類、萘酰亞胺類、稀土配合物類熒光染料母體結(jié)構(gòu)引入鹵族元素單、雙定量取代打下了基礎(chǔ)。