降水中甲酸、乙酸和草酸的离子色谱法测定及样品保存研究

朱红霞，毛雨廷，陈 烨，陶雪梅，阴 琨

1.中国环境监测总站，国家环境保护环境监测质量控制重点实验室，北京 100012 2.太原市环境监测中心站，山西 太原 030002 3.甘肃省环境监测中心站，甘肃 兰州 730030

甲酸、乙酸和草酸是降水中有机酸的主要成分。在城区，有机酸对降水自由酸度的贡献率为16%～35%。而在非工业区和远离人类活动的偏远地区，有机酸可能成为降水的主要致酸成分，对酸度的贡献率可高达60%以上[1-2]。有研究表明,在我国长江三角洲背景区有机酸对降水酸度的贡献率达80%～90%[3]。

国内研究者测定降水中有机酸主要包括甲酸、乙酸、草酸、甲磺酸、丙二酸、丁二酸、戊二酸、丙酮酸、丙酸、羟基乙酸等[3-6]，含量较高的前3种是甲酸、乙酸、草酸。如对浙江临安35场大气降水的研究表明，甲酸、乙酸和草酸的浓度占有机酸总量的89%[3]，贵州安顺大气降水中甲酸、乙酸和草酸的浓度占有机酸总量的97.6%[4]，广州鼎湖山亚热带森林地区降水中甲酸、乙酸和草酸的浓度占有机酸总量的100%[7]。CHAPMAN等[8]应用离子排斥色谱在美国威斯康辛州监测春季降雨，31个样品中30个样品有甲酸和乙酸检出，其中乙酸浓度为0.43～56 μmol/L，甲酸浓度为0.83～33 μmol/L。章炎麟等[4]应用离子色谱法测定了贵州安顺的118场大气降水，其中甲酸、乙酸和草酸的检出浓度均值分别为8.77、6.93、2.84 μmol/L。因此，针对降水中甲酸、乙酸和草酸3种有机酸的测定方法进行研究并逐步标准化意义重大。

有机酸的分析方法有滴定法[9]、分光光度法[10]、毛细管电泳法[11]、气相色谱法[12]、离子色谱法[8,13-18]、液相色谱法[19]、荧光法[20]、酶法[21]等，其中离子色谱法简便、高效，且普及率高，是降水中有机酸测定的首选。SUSANR等[18]依托伊利诺斯州水调查项目使用离子排斥色谱法对降水中的有机酸进行了测定。袁蕙等[13]应用Dionex 600型离子色谱仪、Ion Pac AS11型分离柱、Ion Pac AG11型保护柱实现了气溶胶和降水中的甲酸、乙酸、草酸、甲磺酸及无机阴离子的同时快速测定，采用梯度淋洗的方式，但未研究样品保存。

国内应用离子色谱法测定甲酸、乙酸和草酸一般选用梯度淋洗的方式，鲜有样品保存的相关研究。本研究选用离子色谱最常见的等度淋洗方式，优化了淋洗液的流速、浓度、pH等实验条件，并深入研究了样品的保存条件，为方法标准化以及我国相关环境质量标准的制定提供了基础研究和技术支持。

1 实验部分

1.1 主要仪器和试剂

瑞士万通MIC型离子色谱仪；色谱柱Ion Pac AS23型分离柱，Ion Pac AG23型保护柱，阴离子抑制器；再生液为100 mmo/L硫酸溶液；十万分之一天平(德国)。

甲酸标准样品，纯度≥99.6%；乙酸标准样品，纯度≥99.5%；草酸标准样品，纯度≥99.6%；碳酸钠、碳酸氢钠、硫酸和氢氧化钠均为优级纯。

淋洗液条件：c(Na2CO3)=4.0 mmol/L，c(NaHCO3)=1.2 mmol/L。准确称取0.848 0 g碳酸钠和0.201 6 g碳酸氢钠，溶于适量水中，全量转入2 000 mL容量瓶中，用去离子水稀释定容至标线，混匀。

1.2 样品采集和保存

选用宽口聚乙烯塑料桶采集降水样品，降水开始时即采集样品，一直到降水结束。若一天中有几次降水过程，则合并为一个样品测定，若连续几天降水，则仅将一天的降水作为一个样品测定。

样品采集后尽快用0.45 μm聚醚砜微孔滤膜过滤，2 d内测定，或用氢氧化钠溶液调pH至8～10，于4 ℃以下冷藏密封保存，7 d内完成测定。

1.3 基本实验步骤

优化后色谱条件：4.0 mmol/L NaCO3和1.2 mmol/L NaHCO3混合淋洗液，淋洗液流速为1.0 mL/min，进样体积为200 μL，电导池温度为30 ℃，柱温为室温。

标准曲线的绘制：依次稀释甲酸浓度为5.00 mg/L，乙酸和草酸浓度为10.0 mg/L的混合标准溶液配制标准系列，使甲酸浓度范围为0～1.00 mg/L，乙酸和草酸浓度范围为0～2.00 mg/L。选用第1.1节中离子色谱仪和色谱柱，依优化后色谱条件，由低浓度到高浓度依次测定。以目标化合物的质量浓度(mg/L)为横坐标，峰面积或峰高为纵坐标，建立标准曲线。

样品的测定：待样品恢复至室温后上机测定，若样品浓度超出标准曲线最高点浓度，需适当稀释后重新进行测定。

2 结果与讨论

2.1 色谱条件的确定

甲酸和乙酸属于一元羧酸，而草酸属于二元羧酸，国内使用离子色谱法测定这3种有机酸多使用氢氧化钾(钠)淋洗液，采用梯度淋洗实现分离，本实验室选用碳酸盐淋洗液，通过调整淋洗液的流速、浓度以及pH，在等度淋洗条件下即可实现3种有机酸的有效分离，且不受常见阴离子的干扰。根据优化后的色谱条件，所得离子色谱图如图1所示。

因乙酸和氟离子不易分离，草酸保留时间较长，为提高目标物的分离效果和分析效率，将乙酸和氟的分离度以及保留时间作为主要优化指标。

淋洗液流速的选择见表1。淋洗液流速的变化对乙酸和氟的分离度影响不大，但对草酸的保留时间和仪器运行时间影响较大，考虑到样品测定效率及色谱柱自身的推荐流速，最终选用的流速为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)。图1 甲酸、乙酸和草酸及常见阴离子的离子色谱图Fig.1 Ion chromatogram of formic acid, acetic acid, oxalic acid and common anions

流速/(mL/min)泵压/MPa氟/乙酸分离度保留时间/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

淋洗液浓度的选择见表2。淋洗液浓度对氟和乙酸的分离度以及草酸的保留时间影响较大，淋洗液浓度增加，乙酸和氟分离度降低，草酸出峰时间延长。综合考虑分析效率和分离效果，最终选用的淋洗液浓度为Na2CO34.0 mmol/L，NaHCO31.2 mmol/L。

表2 淋洗液浓度的选择Table 2 Selection of eluent concentration

淋洗液pH对3种有机酸测定值的影响见表3，保持Na2CO3浓度为4.0 mmol/L不变，通过调整NaHCO3浓度来调节淋洗液pH为8、9、9.5、10、11、12，pH在8、9、9.5时，由于NaHCO3浓度较大，体系电导值升高，仪器报错。体系pH在10、11、12之间变化，有机酸分离度和保留时间变化不大。

定量环的选择，实验室常用的定量环有25、200、500、1 000 μL等，采用25 μL定量环时，3种有机酸在质量浓度为0.1 mg/L时均无响应；采用高于500 μL的定量环时，水负峰响应增加，影响目标离子定量，考虑到目标离子的响应灵敏度，故最终选用200 μL定量环。

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

2.2 方法性能指标

按照第1.3节所列标准系列浓度范围配制标准系列，其中甲酸质量浓度为0、0.025、0.050、0.250、0.500、1.00 mg/L，乙酸和草酸质量浓度为0、0.050、0.100、0.500、1.00、2.00 mg/L。按照优化后的色谱条件进行测定，3种有机酸的线性相关系数均为0.999 9。线性回归方程分别为y=422.53x-0.524 3，y=117.11x+0.377 3和y=45.131x- 2.324 3。

对0.010 mg/L乙酸、0.005 mg/L甲酸和0.010 mg/L草酸标准溶液平行测定7次，标准偏差分别为0.001 6、0.000 6、0.001 7 mg/L，检出限分别0.005、0.002、0.005 mg/L。

选用甲酸质量浓度为0.010、0.050、0.500 mg/L，乙酸和草酸质量浓度为0.020、0.100、1.00 mg/L的标准溶液进行精密度和准确度测试，每个浓度平行测定6次，计算平均值、标准偏差和相对标准偏差，具体如表4所示。空白加标溶液的精密度为0.2%～6.4%，空白加标回收率为90.0%～110%。

表4 空白加标溶液精密度和准确度等测试结果Table 4 Test results of precision and accuracy of blank spiked solution

2.3 样品的保存

2.3.1 滤膜过滤对样品保存的影响

对采集到的3种降水样品(雨水、雪水1、雪水2)进行加标测定。其中甲酸、乙酸和草酸加标量均为0.500 mg/L，采用不过滤、过0.45 μm滤膜、过0.22 μm滤膜3种处理方式，于4 ℃以下冷藏保存，在不同放置时间下进行测定，以放置天数为横坐标，加标回收率为纵坐标绘制折线图，如图2所示。从图2可见，未过滤降水样品中的甲酸和乙酸均在短时间内降解，过滤样品中乙酸和甲酸的保存时间有不同程度的延长，“雨水”和“雪水1”样品过滤后均能稳定保存2 d，但对于“雪水2”样品，只有过0.45 μm滤膜后方可稳定保存2 d。因此，降水样品的前处理方式确定为过0.45 μm滤膜。同时这一现象也指示降水中悬浮物对目标物测试有一定影响。

图2 不同前处理方式对降水中乙酸、甲酸和草酸保存时间的影响Fig.2 Effect of different pretreatment methods on preservation time of acetic acid, formic acid and oxalic acid in precipitation

2.3.2 pH对样品保存的影响

将采集到的降水样品经0.45 μm滤膜过滤，加入高浓度混合标准溶液，使加标后甲酸质量浓度为0.020 mg/L、乙酸和草酸质量浓度为0.040 mg/L。用NaOH溶液调pH至碱性(因乙酸和甲酸为弱酸，在酸性条件下不稳定，故仅讨论未调pH和碱性条件)，调好后立即测定，回收率随pH的变化如图3所示，不同pH条件下回收率为70%～120%，故在立即测定情况下，中性至碱性条件对3种有机酸的测定结果影响不大。

图3 降水样品pH对测定的影响Fig.3 Effect of precipitation sample pH on determination

同时选用上述降水样品探讨了中性或碱性pH对3种有机酸保存时间的影响。将加标后的样品在10 d内测定，结果如图4所示。其中蓝色线显示未调pH的降水(pH=6)中乙酸和甲酸的回收率逐渐降低，而调节pH>7后，降水中乙酸、甲酸和草酸均可稳定至10 d。

图4 降水样品pH对保存时间的影响Fig.4 Effect of precipitation samples pH on stability time

因此，若需要延长水样的保存时间，则需要将采集后的降水样品调节至碱性保存。鉴于保存10 d时，乙酸在pH=7时回收率略有升高，甲酸在pH=11时略有升高，故最终确定pH=8～10的弱碱性条件，稳定时间7 d。

2.4 实际样品测定

采集北京初冬季雨夹雪样品，测定样品和加标样品中甲酸、乙酸和草酸的含量，平行测定6次，计算平均值、标准偏差、相对标准偏差、回收率等各项参数，具体如表5所示。从表5可见，降水样品平行测定的相对标准偏差为1.4%～12%，加标回收率为95%～118%。

表5 实际样品加标测试结果Table 5 Determination Results of actual precipitation samples

3 结论

选用离子色谱法，在碳酸盐等浓度淋洗条件下实现了甲酸、乙酸和草酸和常见阴离子的有效分离，40 min可完成一个样品测试。进样量为200 μL时，甲酸、乙酸和草酸的检出限分别为0.002、0.005、0.005 mg/L，即0.5×10-3、0.9×10-3、0.6×10-3μmol/L，远低于现有降水研究中3种有机酸的浓度，可以应用于实际降水样品中甲酸、乙酸和草酸的测定。应用本方法对实际雨夹雪样品进行测定，向其中添加不同体积混合标准溶液，使加标后质量浓度为0.020 mg/L和0.100 mg/L，平行6次测定后，相对标准偏差为1.4%～12%，加标回收率为95%～118%。重点研究了样品的保存条件，采集后的降水样品需立即用0.45 μm微孔滤膜过滤，2 d内测定，或调节pH至8～10后于7 d内完成测定。该法简便、普适性强，为方法标准化提供了技术支持。