在线固相萃取-离子色谱法测定四种芳环磺酸盐中的硫酸根离子

摘要：建立一种在线固相萃取离子色谱法测定四种芳环磺酸盐中硫酸根离子含量的新方法，将自装填的PGC-SPE柱应用于离子色谱系统对样品进行在线前处理，样品经过PGC-SPE柱处理后进入500μL定量环，通过阀切换-大体积进样模式使硫酸根进入阴离子检测系统。固相萃取流路以1.5mmol/L Na₂CO₃在0.8mL/min的流速对基体在线富集；分析柱采用SH-AC-3 (4.0×250mm) + SH-AG-3 (4.0×50mm)，在6mmol/L Na₂CO₃+4mmol/L NaHCO₃条件下等度洗脱，柱温为35 ℃，流速为0.8mL/min，进样量20μL。结果表明：硫酸根离子在0.50-10.00 mg/L浓度范围内呈良好的线性关系，线性相关系数为0.9993，保留时间、峰高、峰面积的RSD均在0.28%~2.86%之间，方法检出限为0.0106mg/L，回收率在93.33%~105.59%之间；该方法具有良好的线性和重复性，整个在线分析过程在25min之内完成，进样量少，快速、高效。
关键字：在线固相萃取，离子色谱，多孔石墨化碳，自装填技术，硫酸根离子

1 前言
多孔石墨化碳（PGC）作为一种新型色谱固定相，因其表面为纯碳结构、平整且无接枝的功能基团而具有耐强酸强碱、耐高温、性能稳定的特点，广泛应用于液相色谱和离子色谱中。PGC是二维结构、表面完全非极性且有可自由移动的π电子，因此与它化合物之间存在着疏水作用和电子间作用等多重作用力，从而在一定条件下对极性化合物、非极性化合物、异构体、聚合物等都具有保留性且对强极性化合物表现出强保留性。在样品前处理特别是复杂样品前处理过程中，通常利用固相萃取对样品进行净化与浓缩富集，除去干扰性的杂质，从而提高待测物分离度并保护色谱柱。Thermo公司首先推出以多孔石墨化碳填料为固定相的hypercarb 分析柱。在固相萃取技术应用中已有商品化的离线多孔石墨化碳固相萃取小柱(PGC-SPE柱)，主要应用于液相色谱和离子色谱的样品的富集和基体消除。
萘磺酸盐和蒽醌磺酸盐属于多苯环磺酸盐，易溶于水的强极性离子型化合物。目前商品化的离子色谱固相萃取前处理柱，如：Onguard RP柱、H柱、Na柱以及聚合物树脂固相萃取柱等对非离子型有机化合物和常规离子基质有很好的前处理效果，但对芳环磺酸盐类的离子型强极性有机化合物保留性差，前处理效果不理想；在测定这类物质中残留的无机离子时，若不能很好地对该类物质进行基体消除，其进入分析系统后易保留在离子色谱柱上且较难洗脱，对分析柱造成损害。PGC因其特殊的表面疏水性质和带电性质使得它对该类强极性离子型化合物具有很强的保留性。本实验创新性的提出自装填可再生的多孔石墨化碳固相萃取柱并将其应用于在线离子色谱分析系统对四种芳环磺酸盐中的硫酸根离子进行测定，自装填和可再生重复使用的特点很大程度上降低了实验成本，在线基体消除较离线前处理在能保证理想的前处理效果和样品分析重复性的同时，能很大程度的减少样品污染并缩短了分析时间和样品量，更有利于复杂样品中阴离子的快速、准确的分离分析。
2 实验部分
1.1 仪器与试剂
实验所用仪器为自组装离子色谱系统，主要部件包括：Ultimate3000 WPS-3000TSL自动进样器，ICS5000+紫外检测器，ICS5000+（SP/DP）双泵，ICS5000 TCC柱温箱（含一个六通阀和一个十通阀），ICS3000（SP）单泵，ED50A电化学检测器（DS3，带控温）Chromeleon6.8色谱工作站，（美国赛默飞世尔科技有限公司）；WLK-6A阴离子抑制器（青岛仪趣仪器有限公司）；AL-10电子天平（梅特勒-托利多有限公司）；Milli-Q Advantage A10超纯水机（Millipore）；BRANSON 2510超声清洗仪（BRANSON）；
硫酸根离子标准储备液（100 mg/L，上海计量测试技术研究院）；碳酸钠和碳酸氢钠（分析纯，99%，上海凌峰化学试剂有限公司）；氢氧化钠（w/w=50% ，默克公司）；浓磷酸（分析纯，国药集团化学试剂有限公司)；甲基磺酸（99.5%，上海阿拉丁有限公司）；甲醇，乙腈（色谱纯，上海星可高纯溶剂有限公司）。 1-萘磺酸钠、2-萘磺酸钠、蒽醌1,5-二磺酸钠、蒽醌1,8二磺酸钾（上海翰思化工有限公司提供）
1.2 标准溶液的配制
分别取0.50，1.00，2.00，5.00，10.00 mL的SO₄^2-标准储备液于100 mL容量瓶，超纯水定容后得到0.50，1.00，2.00，5.00，10.00 mg/L的SO₄^2-标准液。
准确称取0.0242g、0.0213g、0.0248g、0.0257g的1-萘磺酸钠、2-萘磺酸钠、蒽醌1,5-二磺酸钠、蒽醌1,8二磺酸钾于50mL容量瓶，超纯水溶解定容，作为待测样品。
1.3 色谱条件
在线PGC-SPE柱为本实验室自装填前处理小柱（3.0×30mm），PGC填料粒径：30μm，阴离子分析柱: SH-AC-3 (4.0×250mm,9μm) + SH-AG-3 (4.0×50mm,12μm) (青岛盛翰色谱技术有限公司)，柱温：35 ℃，流速：0.8mL/min；进样量20μL；定量环：500μL；淋洗液：6mmol/LNa₂CO₃+4mmol/LNaHCO₃; 分析时间25min；

1.4 On-line SPE-IC系统的构建
On-line PGC-SPE-IC系统构建如图1 所示，实验建立了阀切换-大体积进样抑制电导离子色谱方法测定四种芳环磺酸盐中的硫酸根离子。系统中泵1用于在线固相萃取和进样，泵2用于阴离子分析，泵3用于SPE柱的在线清洗再生；利用一个十通阀和一个六通阀实现样品的在线固相萃取、大体积进样和在线前处理柱的再生，抑制电导检测器对硫酸根离子进行检测。

图1 在线SPE-IC系统
2 结果与讨论
2.1 PGC-SPE柱的装填和活化及柱容量
实验中所使用的SPE柱为本实验室自装填前处理小柱，采用湿法装填方法，以乙醇为分散剂，将填料以流动相的形式利用高压泵进行装填，装填过程先是填料在低流速低压条件下缓慢泵入柱体内，一段时间后再缓慢将流速调节为1mL/min装填1h以上，最后加大流速在高压条件下将填料压实；装填好的SPE柱压力约为120 psi。将装填好的PGC-SPE柱进行一下酸碱活化过程：酸冲洗（100mmol/LHCl, 1mL/min，30min）——水冲洗（1mL/min，20min）——碱冲洗（100mmol/LNaOH, 1mL/min，30min)） —— 水洗（1mL/min，20min）。酸碱冲洗的作用在于对小柱进行活化同时溶解填料中本身残留的一些酸碱可溶性杂质，避免其进入色谱系统损害色谱柱和抑制器。
利用紫外检测基线突越的方法测定PGC-SPE柱对该四种化合物的柱容量。分别配置500mL浓度为230.0、236.4、129.0、258.0mg/L的1-萘磺酸钠、2-萘磺酸钠、蒽醌1,5-二磺酸钠和蒽醌1,8二磺酸钾溶液作为流动相，以0.1mL/min的流速流过SPE柱，记录基线开始采集和发生突越的时间间隔，根据公式计算（柱容量=物质浓度*流速*时间）得：1-萘磺酸钠、2-萘磺酸钠、蒽醌1,5-二磺酸钠和蒽醌1,8二磺酸钾的柱容量分别是0.8912mg，0.8307mg，0.2354mg和0.4373mg。
2.2 色谱分析条件的选择
2.2.1 硫酸根在SPE柱上洗脱条件（泵1淋洗液）
在中性条件下, 由于电荷的相互作用，PGC-SPE柱对硫酸根具一定的保留性，而酸性或者碱性条件下将其洗脱；实验中考虑到仪器系统兼容性和耐碱程度，选择低浓度碳酸钠作为洗脱液。由于使用500uL定量环大体积进样方式，流速为0.8mL/min，则SO₄^2-的峰展宽必须控制在0.625min之内。根据实验结果可知（见图2），在0.5mM，1mM，1.5mM碳酸钠条件下，阴离子完全洗脱时间分别是1.10-2.20min，0.75-1.45min，0.65-1.20min；1.5mM浓度下的硫酸根离子在0.55min之内洗脱，因此Pump1选择1.5mM碳酸钠作为洗脱液。

图2 不同碳酸钠浓度对SO₄^2-在SPE柱上洗脱效果
2.2.2 阴离子分析柱洗脱条件的选择（泵2淋洗液）

选择合适的阴离子分析条件，使硫酸根离子与其他常见阴离子完全分开，减少干扰；实验中对几种易造成干扰的常见阴离子进行在线阀切换系统分析，对不同色谱分析条件进行试验，得到适于硫酸根离子的分析条件。如图3所示，在流速为0.8mL/min，6mMNa2CO3 + 4mMNaHCO3淋洗液条件下硫酸根与其他六种阴离子均在20min内出峰且完全分开。

图3 七种无机阴离子分离色谱图
2.2.3 SPE柱再生条件的选择（泵3淋洗液）

由于PGC表面存在疏水作用和电子作用，在多重相互作用下其对芳环磺酸盐具有很强的保留性，在纯水相和纯有机相条件下均无法将其洗脱。本实验比较了不同类型的有机相（MeOH和ACN）和不同pH的水相淋洗液在不同比例下对四种芳环磺酸盐在PGC-SPE柱上的洗脱情况。在一定比例的有机相存在下，中性溶液中四种芳环磺酸盐均完全保留；酸性和碱性溶液中四种化合物可以被洗脱且碱的洗脱效果优于酸；而一定pH条件下，乙腈的洗脱能力强于甲醇，随着有机相比例增大，保留时间减小，当流动相中有机相达到30%时，各物种均在10min之内完全洗脱；而碱溶液的浓度对洗脱能力影响不显著。因此，本实验中Pump3使用30%ACN和70%1.5mMNa₂CO₃作为再生液。
2.2.4 色谱柱和抑制器的选择
我们尝试了Dionex 的AS14A以及国产盛瀚的SH-AC-3阴离子色谱柱，并对其分离结果进行比较，两种色谱柱均能满足分析要求。SH-AC-3阴离子色谱柱作为国产第一款可实用的商品化的碳酸盐离子色谱柱，在实际使用过程中对多种阴离子具有良好的分离，柱效高，峰型对称，保留时间稳定，唯一不足的是大体积进样对F离子测定有一定影响，但对F后面出峰的离子无影响，可用于本实验中硫酸根离子的测定。抑制器采用国产的WLK-6A阴离子抑制器，抑制效果良好，背景低，重复性较好。因此，国产抑制器和色谱柱能够满足实验要求。
2.2.5 最佳阀切换时间
方法中利用阀切换-样品环模式，使样品经过SPE柱后有机物保留在前处理柱上而硫酸根洗脱至定量环，再准确计算阀切换时间将硫酸根切换至阴离子分析流路。先将样品前处理流路到达定量环之前部分直接与抑制器和检测器连接，确定硫酸根离子的出峰时间范围，再选取不同的阀切换时间窗对相同浓度硫酸根离子进行测定。由图4可知，在0.7min进行阀切换时硫酸根峰面积最大，因此最佳阀切换时间为0.7min。

图4 不同阀切换时间下硫酸根的峰面积示意图
2.3 线性关系、检出限和定量限

分别取0.50，1.00，2.00，5.00，10.00 mg/L的SO₄^2-标准液进行多次重复进样。结果如表2，SO₄²在0.50 ~ 10.00 mg/L的浓度范围内的色谱峰面积（Y）和浓度(X)有很好的线性关系；将3倍信噪比时离子的含量作为方法的检出限，10倍信噪比时离子的含量作为方法的定量限。
表2 硫酸根离子线性、定量限和检出限的结果

Analyte

Range

(mg/L)

Linear equation

Limit of detection / (mg/L)

Limit of quantization / (mg/L)

SO₄^2-

0.5-10

Y = -0.0101+0.09192 X

0.9993

0.0106

0.3534

2.4 进样重复性
对浓度为10.00 mg/L的SO₄^2-标样连续重复进样6次。结果如表3所示，保留时间、逢高、峰面积的RSD均在0.28% ~ 2.86%之间，重复性均较好。
表3 硫酸根离子进样重复性

Analyte	保留时间RSD(%)	峰高RSD(%)	峰面积RSD(%)
SO₄^2-	0.28	2.86	1.43

2.5 实际样品中硫酸根离子含量的测定
利用已建立的在线固相萃取-离子色谱分析方法对四种芳环磺酸盐中的硫酸根离子的含量进行测定，每个样品平行进样三次，结果取平均值；样品分析色谱图如图5所示，根据实际样品测定结果分析计算可得，1-萘磺酸钠、2-萘磺酸钠、蒽醌1,5-二磺酸钠、蒽醌1,8二磺酸钾样品中硫酸根的量分别为0.128%、1.04%、0.759%、1.95%。

图4 实际样品中硫酸根离子色谱图（1：1-萘磺酸钠，2：2-萘磺酸钠，3：蒽醌1,5-二磺酸钠，4：蒽醌1,8二磺酸钾）

2.6 回收率的测定
对待测样品进行加标回收率的测定。结果表明，四种化合物中硫酸根离子的回收率良好，均在93.33% ~ 105.59%之间。
表3 硫酸根离子的加标回收率
Table 3 Recovery Data of Sulfate ion

分析物	测定值 (mg/L)	加标后理论值1(mg/L)	加标后测定值1(mg/L)	回收率1（%）	加标后理论值2(mg/L)	加标后测定值2(mg/L)	回收率2（%）
1-萘磺酸钠	0.62	0.74	0.76	102.70	1.20	1.12	93.33
2-萘磺酸钠	4.43	4.60	4.59	99.78	4.83	4.87	100.83
蒽醌1,8二磺酸钠	3.76	4.14	4.03	97.34	4.63	4.61	98.34
蒽醌1,8二磺酸钾	10.05	10.00	10.05	100.50	12.52	13.22	105.59

3 结论
利用多孔石墨化碳对芳环类极性化合物的强保留性，在离子色谱离线前处理技术基础上，建立一种在线固相萃取离子色谱对芳环磺酸盐化合物中微量硫酸根测定的方法。创新性的将自装填的PGC-SPE柱应用于在线离子色谱前处理方法中，结合阀切换-大体积进样模式的优点，实现复杂样品的在线前处理分离分析。并对在线阀切换系统不断进行改善，阀切换时间、阴离子分析条件和前处理柱的再生条件等进行优化，使硫酸根离子具有良好的线性和精密度，整个在线分析过程在25min之内完成，进样量少，快速、高效。
实验中PGC-SPE柱在保证理想的前处理效果和在线样品分析重复性的同时，自装填和再生重复使用的优点很大程度上降低了实验成本；相对离线样品前处理分析，在线前处理在减少了人工处理样品的时间和样品污染同时大大缩短了分析时间和样品量。进一步实现对复杂样品的在线快速、准确的分离分析。