離子色譜法測定化肥中的無機(jī)陰離子和三聚氰胺

梁 晨，彭 浩，鄭秀瑾，邵光印，張錦梅，張苗苗

（1.青島盛瀚色譜技術(shù)有限公司，山東 青島 266101；2.湖南省婁底市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，湖南 婁底 417000）

近些年來，中國的化肥使用量逐漸增加，單位面積使用化肥量也在逐漸增加，高于世界的平均水平［1］。使用化肥能夠增加土壤的肥力，為植物生長提供更好的營養(yǎng)環(huán)境，從而提高農(nóng)產(chǎn)品的數(shù)量和質(zhì)量。但是不當(dāng)?shù)氖┯梅柿弦矌砹酥T多的環(huán)境影響。肥料中存在的離子有F-、Cl-、Br-、NO2-、NO3-、I-、SCN-等無機(jī)陰離子，不僅會(huì)對(duì)農(nóng)作物的生長有影響，還會(huì)對(duì)環(huán)境及人體健康有諸多的危害。常用的諸如硫酸法制磷肥，磷礦石中的部分氟會(huì)帶入磷肥，從而在使用過程中轉(zhuǎn)入土壤或被植物吸收，對(duì)環(huán)境或人體有傷害［2］；化肥中的氯離子超標(biāo)會(huì)對(duì)植物生長有抑制作用，已有復(fù)混肥中氯離子超臨界值引起農(nóng)作物燒苗、土壤板結(jié)等報(bào)道［3，4］，另國家肥料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定氯離子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于3.0%時(shí)需要標(biāo)明慎用［5，6］；化肥中過量的溴離子會(huì)滲透到地下水中，而水體中溴離子含量過高會(huì)在消毒處理后生成致癌物［7-9］；亞硝酸鹽是公認(rèn)的致癌物質(zhì)，硝酸根經(jīng)過植物自身代謝及微生物降解后會(huì)轉(zhuǎn)化為亞硝鹽，它是致癌物亞硝胺的前身，同時(shí)亞硝酸進(jìn)入人體有可能引起高鐵血紅蛋白癥［10］；用煤氣和煉焦廠的副產(chǎn)品生產(chǎn)的硫酸銨肥料中含有SCN-，施肥后，會(huì)污染土壤水源和植物，硫氰酸鹽進(jìn)入人體后，會(huì)出現(xiàn)神經(jīng)系統(tǒng)抑制，代謝性酸中毒及心血管系統(tǒng)不穩(wěn)定等［11，12］；I-作為一種人體必需元素，是機(jī)體合成甲狀腺激素必不可少的原料，但是過量的碘離子會(huì)出現(xiàn)甲亢及甲亢有關(guān)的自身免疫性甲狀腺疾?。?3］；三聚氰胺俗稱密胺、蛋白精，是一種三嗪類含氮雜環(huán)有機(jī)化合物，其含氮量高達(dá)66.6%，在20世紀(jì)80年代就已經(jīng)有三聚氰胺作為肥料的報(bào)道［14］。但經(jīng)過研究，植物對(duì)三聚氰胺中氮肥的利用率低，三聚氰胺作為有機(jī)氮源可以直接以三聚氰胺分子形式被植物葉片和根系吸收，并在植株中形成殘留，危害植物性農(nóng)產(chǎn)品安全，導(dǎo)致植物性農(nóng)產(chǎn)品受到三聚氰胺的污染［15，16］。2017年10月27日，世界衛(wèi)生組織國際癌癥研究機(jī)構(gòu)公布的致癌物清單，三聚氰胺在2B類致癌物清單中［17］。

為了能夠準(zhǔn)確定量化肥中的無機(jī)陰離子和三聚氰胺，減輕對(duì)水源、土壤等的環(huán)境危害，達(dá)到對(duì)生產(chǎn)過程的控制及環(huán)境的保護(hù)、保證農(nóng)作物正常安全生長、維護(hù)消費(fèi)者健康等目的，從而建立了檢測化肥中陰離子和三聚氰胺的方法。目前測定化肥中陰離子已有硫氰酸銨滴定法［18］、分光光度法［19］、離子選擇電極法［20］等，也有離子色譜與ICP-MS聯(lián)用的報(bào)道［21］，這些方法大部分都操作繁瑣，試驗(yàn)周期長，有干擾，并且難以測試多種離子。目前測定三聚氰胺的方法已有農(nóng)業(yè)部標(biāo)準(zhǔn)NY/T 13722-2007中的高效液相法和氣相-質(zhì)譜法［22，23］，目前也有液相色譜-質(zhì)譜法［24］的報(bào)道。這些方法，存在試驗(yàn)需要衍生、操作繁瑣、過程冗長、試劑用量較大及靈敏度低等缺點(diǎn)。本研究中采用萃取柱凈化，離子色譜-電導(dǎo)法和離子色譜-紫外法分別檢測化肥中陰離子和三聚氰胺的含量，無需衍生，操作簡單，一次進(jìn)樣即可測試多種離子，方法實(shí)用可靠，可滿足化肥生產(chǎn)和使用安全檢測的需要。

1 材料與方法

1.1 試劑

一次性水系針式濾膜；三氯乙酸（純度≥99%）；試驗(yàn)用水為超純水（電阻率為18.25 MΩ·cm）；F-、Cl-、Br-、NO2-、NO3-、I-、SCN-、三聚氰胺標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液，1 000 mg/L，中國計(jì)量科學(xué)研究院，按照試驗(yàn)需求稀釋到所需濃度；樣品為市售常見化肥樣品。

固相萃取柱SPE IC-C18（1 mL）、SPE IC-Ba（1 mL）為青島盛瀚色譜公司產(chǎn)品。固相萃取柱使用前需要進(jìn)行活化，其活化過程為C18小柱使用前依次用注射器將5 mL的甲醇及10 mL的超純水過柱，活化，然后放置10 min使之充分平衡；Ba柱用10 mL水過柱，靜置活化10 min使之充分平衡。

1.2 儀器

CIC-D160型離子色譜儀，配氫氧化鉀淋洗液發(fā)生器、甲烷磺酸淋洗液發(fā)生器、SHD-6恒溫電導(dǎo)池、UC-3292紫外檢測器，青島盛瀚色譜技術(shù)有限公司；UPT-Ⅱ-20L型超純水機(jī)，四川優(yōu)普超純科技有限公司；Mettler Tole-do AL-104型電子天平，瑞士梅特勒托利多；TG18-WS型離心機(jī)，長沙維爾康湘鷹離心機(jī)有限公司；KQ 2200型超聲波萃取儀，昆山市超聲儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 色譜條件 離子色譜-電導(dǎo)檢測器測陰離子條件：SH-AP-1陰離子色譜柱（250 mm×4.0 mm）為親水性陰離子色譜柱；淋洗液為淋洗液發(fā)生器產(chǎn)生的高純氫氧化鉀溶液，梯度洗脫及濃度見表1，流量0.8 mL/min，進(jìn)樣量25μL，柱溫和檢測器池溫均為35℃，SHY-6型抑制器，抑制電流120 mA，系統(tǒng)壓力10.2 MPa。以保留時(shí)間定性，峰面積定量。

離子色譜-紫外檢測器測三聚氰胺條件：SH-CC-4陽離子色譜柱（200 mm×4.0 mm），淋洗液采用甲烷磺酸淋洗液發(fā)生器產(chǎn)生的甲烷磺酸溶液，淋洗液濃度5 mmol/L甲烷磺酸溶液（MSA），流量1.0 mL/min，系統(tǒng)壓力7.7 MPa，進(jìn)樣量25μL，柱溫為35℃，紫外檢測器波長214 nm。以保留時(shí)間定性，峰面積定量。

1.3.2 標(biāo)準(zhǔn)溶液配制 7 g/L三氯乙酸溶液：稱取7 g三氯乙酸，用超純水定容到1 L。

1.3.3 樣品預(yù)處理 稱取已干燥、粉碎的市售化肥樣品0.5 g于100 mL容量瓶中，加入7 g/L三氯乙酸溶液定容，搖勻，超聲30 min，取部分溶液8 000 r/min離心10 min，用注射器取離心后的上清液過0.22μm水系針式濾膜，再將試樣溶液慢慢推入活化后的C18固相萃取柱和Ba固相萃取柱，進(jìn)樣速度小于3 mL/min，棄去前5 mL溶液后，按照儀器工作條件進(jìn)行測定，同時(shí)做空白樣品測試。

2 結(jié)果與分析

2.1 色譜柱及淋洗液條件優(yōu)化

SH-AP-1和SH-AP-2分析柱基質(zhì)均為交聯(lián)苯乙烯-二乙烯苯，烷基季胺基質(zhì)，其中SH-AP-1為氫氧根體系色譜柱，SH-AP-2為碳酸鹽體系色譜柱，氫氧根體系色譜柱淋洗液可以采用自再生的淋洗液發(fā)生器，無需手配，只需要加水。氫氧根色譜柱可以采用等度或梯度淋洗等多種方式?；手械腇-、Cl-、Br-、NO2-、NO3-、I-、SCN-等陰離子的保留時(shí)間差異較大，采用等度模式分析時(shí)間過長，因此采用梯度淋洗模式。經(jīng)多種條件測試，得出最優(yōu)的梯度條件見表1，標(biāo)準(zhǔn)品色譜如圖1，此條件下7種待測陰離子分離度能夠滿足要求，測定結(jié)果滿意。

表1 流動(dòng)相梯度洗脫程序

圖1 陰離子標(biāo)準(zhǔn)品色譜

SH-CC-3和SH-CC-4色譜柱均為弱酸型陽離子色譜柱，其中SH-CC-3基質(zhì)為交聯(lián)度55%的苯乙烯-二乙烯苯聚合物，表面接枝羧基；SH-CC-4色譜柱為7μm的交聯(lián)度55%的苯乙烯-二乙烯苯，在其表面接枝弱酸功能基團(tuán)成為聚合物陽離子色譜柱填料。經(jīng)測試，2種色譜柱都可以測試三聚氰胺。測試同濃度三聚氰胺標(biāo)準(zhǔn)樣品，發(fā)現(xiàn)SH-CC-4測得的三聚氰胺標(biāo)準(zhǔn)品響應(yīng)值大于SH-CC-3，而在實(shí)際樣品中三聚氰胺的含量很低，所以選擇SH-CC-4色譜柱，標(biāo)準(zhǔn)品色譜如圖2所示。

圖2 陽離子標(biāo)準(zhǔn)品色譜

2.2 提取方法優(yōu)化

化肥樣品中待測陰離子污染物可以直接溶于水，而三聚氰胺為小分子極性化合物，易溶于堿性或酸性水溶液及甲醇、乙腈等有機(jī)溶劑，經(jīng)查閱資料，三聚氰胺更易溶于三氯乙酸溶液，因此選擇三氯乙酸作為提取劑?？疾觳煌瑵舛热纫宜岬募訕?biāo)回收率，測試結(jié)果見表2。由表2可知，三聚氰胺的回收率隨著三氯乙酸的濃度增大而增大，但是當(dāng)三氯乙酸濃度大于7 g/L時(shí)，回收率反而下降，因此試驗(yàn)選擇7 g/L的三氯乙酸作為提取液。

表2 三氯乙酸作為提取劑三聚氰胺加標(biāo)回收率

2.3 提取方式及提取時(shí)間優(yōu)化

化肥中的有效成分大多數(shù)以水溶性存在，同樣待測污染物也可溶于水，因此化肥樣品中污染物水溶性離子浸提效率與所用的提取方式有關(guān)。試驗(yàn)分別選擇了振蕩、超聲2種方式，再分別超聲提取10、20、30、40 min，考察其對(duì)提取效率的影響。結(jié)果表明，超聲提取效率高于振蕩提取效率，因此選擇超聲提取。在超聲提取20 min時(shí)溶液中的樣品離子達(dá)到最大值，繼續(xù)增加超聲時(shí)間，雖有增長，但是趨勢較小。因此，為了加快前處理速度、節(jié)約時(shí)間，選擇超聲提取，設(shè)定超聲時(shí)間為20 min。

2.4 有機(jī)物的去除

有機(jī)無機(jī)復(fù)合肥和高效復(fù)合肥等有機(jī)肥類成分較復(fù)雜，含有有機(jī)物、色素、蛋白質(zhì)等疏水性物質(zhì)，影響分離，污染色譜柱從而縮短色譜柱使用壽命。因此在上機(jī)測試前需選擇合適的前處理方式凈化樣品。試驗(yàn)選擇先過0.22μm水系針式濾膜，再將試樣溶液慢慢推入活化后的C18固相萃取柱，樣品通過上述處理過程后，溶液明顯變澄清，說明C18固相萃取柱能夠有效去除樣品中的有機(jī)物。

2.5 樣品中硫酸根和磷酸根去除

在實(shí)際應(yīng)用過程中，有一些化肥樣品是硫酸鹽類或磷酸鹽類化肥，如硫酸鉀肥、過磷酸鈣、鈣鎂磷肥、磷礦粉等，含有大量的硫酸鹽和磷酸鹽，溶于水會(huì)產(chǎn)生高濃度的硫酸根和磷酸根，對(duì)待測陰離子產(chǎn)生影響。目前去除高濃度的磷酸和硫酸比較通用的方法是使用Ba柱，可以在C18固相萃取柱后面連接Ba柱。經(jīng)過試驗(yàn)，樣品中大多數(shù)硫酸根和磷酸根被除去，雖有部分未被除去，但不會(huì)影響待測離子的分離。

2.6 檢測器選擇

三聚氰胺是三嗪類含氮雜環(huán)有機(jī)胺化合物，水溶液呈弱堿性，pH約為8，在中性或微堿性情況下，與甲醛縮合而成各種羥甲基三聚氰胺分子。如果試驗(yàn)采用抑制電導(dǎo)法檢測，抑制后的溶液呈中性，無法在電導(dǎo)檢測器中產(chǎn)生信號(hào)。但在微酸性溶液（pH 5.5～6.5）中以三聚氰酸的形式存在，因此需要采用酸性淋洗液。試驗(yàn)選擇甲烷磺酸淋洗液，分別用非抑制電導(dǎo)法和紫外檢測法對(duì)樣品檢測，發(fā)現(xiàn)非抑制電導(dǎo)法易受到樣品中高濃度陽離子的影響，紫外檢測法有更低的檢出限，更少的干擾，因此選擇紫外檢測器。通過用紫外檢測器對(duì)三聚氰胺標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在214 nm下三聚氰胺的靈敏度最高。因此，選擇214 nm作為紫外檢測器波長。

2.7 線性范圍、相關(guān)系數(shù)和檢出限

取F-、Cl-、Br-、NO2-、NO3-、I-、SCN-及三聚氰胺標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液，配成混合標(biāo)準(zhǔn)溶液，依次從低濃度到高濃度進(jìn)樣，按照最優(yōu)的儀器工作條件進(jìn)行測試，以標(biāo)準(zhǔn)溶液的峰面積和濃度繪制工作曲線，得到標(biāo)準(zhǔn)曲線，以3=S/N確定檢出限（LOD）。線性范圍、線性回歸方程、相關(guān)系數(shù)（r）及檢出限結(jié)果見表3。

表3 線性參數(shù)、定量限及檢出限

2.8 方法的準(zhǔn)確度和精密度

分別取市售有機(jī)無機(jī)復(fù)合肥、氮肥樣品，按照試驗(yàn)方法對(duì)化肥樣本進(jìn)行處理，并進(jìn)行加標(biāo)回收試驗(yàn)，平行測定6次，計(jì)算回收率和測定值的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD），結(jié)果見表4。由表4可知，回收率為93.4%～104.4%，RSD小于4%，說明方法具有良好的準(zhǔn)確度和精密度。

表4 精密度和回收試驗(yàn)結(jié)果（n=6）

2.9 樣品測定

用建立的方法對(duì)市售的多種化肥樣品中的目標(biāo)物進(jìn)行測定，每種樣品平行測定3次，結(jié)果見表5。從表5可看出，高效復(fù)合肥及有機(jī)-無機(jī)復(fù)混肥中含有較高的F-和Cl-，在使用過程中需要重點(diǎn)關(guān)注其對(duì)土壤及環(huán)境的影響。

表5 市售化肥樣品中目標(biāo)離子檢出情況（n=3）

3 結(jié)論

建立了一種用離子色譜法快速檢測化肥樣品中的陰離子和三聚氰胺方法，確定了肥料樣品中陰離子和三聚氰胺含量。該方法可以快速測定7種陰離子及三聚氰胺的濃度，并在一定范圍內(nèi)與其峰面積呈良好線性關(guān)系，準(zhǔn)確度和精密度高。方法前處理簡單、快速、靈敏度高、適用范圍廣、精密度高，可廣泛適用于化肥中陰離子和三聚氰胺檢測，對(duì)肥料生產(chǎn)和使用過程有指導(dǎo)意義，實(shí)現(xiàn)了肥料中部分離子的質(zhì)量控制。