自来水中硬度检测方案(毛细管电泳仪)

第25卷第4期2006年4月分析试验室Chinese Journal of Analysis LaboratoryVol.25.No.42006-4 毛细管离子色谱有机聚合整体柱的制备及其在测定水硬度中的应用 徐燕，马继平，叶 *2 荣.?丁明玉 (1.中国地质大学地球科学与资源学院，北京100083； 2.清华大学化学系生命有机磷化学及化学生物学教育部重点实验点，北京100084) 摘 要：利用甲基丙烯酸甘油酯制备了弦阳离子交换毛细管离子色谱有机聚合整体柱(内径0.32 mm，长10 cm)。利用该阳离子交换柱测定了自来水中钙和镁的质量浓度，以考察水质的硬度，相对标准偏差在0.4%~1.0%范围内，加标回收率在98.2%~103%之间。该色谱柱具有节省溶剂消耗，制备简单，造价低廉等优点。 关键词：离子色谱；整体柱；水；硬度；毛细管液相色谱 中图分类号：O657.8 文献标识码：A 文章编号：1000-0720(2006)04-108-05 毛细管液相色谱通常使用内径50~530 um的毛细管柱，与传统的4.6mm内径的液相色谱柱相比，可以大大节省流动相、固定相和样品的消耗，并且无需分流即可与质谱联用，由于其独特的优势近年来在生物、环境领域得到日益广泛的应用。毛细管液相色谱系统所具有的诸多优点同样适用于离子色谱领域，因此，近两年来离子色谱领域将发展毛细管离子色谱作为该领域前沿课题之之一，，而毛细管离子色谱柱的制作是一个关键环节。目前有关毛细管离子色谱柱的报道大多为填充和开管毛细管离子色谱柱。 整体柱”是近几年发展起来的一种新型分离介质，具有制作方便、柱通透性好、避免烧塞子的麻烦等优点，对整体柱的应用主要集中在电色谱和高效液相色谱分离领域。近两年来，有关离子色谱整体柱的研究在离子色谱领域也得到了充分重视4，5] 本文利用原位聚合法，在内径0.32 mm的弹性石英毛细管内制备了毛细管有机聚合离子色谱整体柱，并将其用于水硬度的测定，获得了满意的结果，该研究目前未见报道。整体柱制备过程简便，与填充色谱柱相比废除了耗时冗长的装填及再装 ( * 收稿日期：2005-06-14；修订日期：2005-07-10 ) 填过程，并且，与常规内径4.6mm色谱柱相比，毛细管系统节省了流动相的消耗。 实验部分 1.1 仪器与试剂 Alltech 426 HPLC泵；毛细管电泳紫外检测器(北京彩陆科学仪器有限公司)；恒温水浴；SHB-Ⅲ循环水式多用真空泵(郑州长城科工贸有限公司)；0.32 mmi.d.弹性石英毛细管柱(河北省永年锐沣色谱器件有限公司)。 甲基丙烯酸甘油酯(GMA，东京化成工业株式会社)，双甲基丙烯酸乙酯(EDMA， Acros Organics ，USA)，Y-甲基丙烯酸氧丙基三甲氧基硅烷(Y-MAPS ，东京化成工业株式会社)；正丙醇，1，4丁二醇(北京市化学试剂三厂)；偶氮二异丁异(AIBN)(天津福辰化学试剂厂)，使用前重结晶除去杂质；Ca(NO3)2，MgSO4， Naz SO：， CuSO4 5HO 均为分析纯，实验用水为二次蒸馏水。 1.2 毛细管离子交换整体柱的制备 1.2.1 弹性石英毛细管的预处理 为使色谱柱耐压，首先对石英毛细管内壁进行预处理。引入双官能团试剂-甲基丙烯酸氧丙基三甲氧基硅烷(Y-MAPS) ，r-MAPS一氧含烷氧基团，与毛细管的硅羟 ( 作者简介：徐 燕(1982-)，女，硕士研究生 ) 基反应；另一端含双键，在单体聚合时参与聚合反应 1.2.2 离子交换整体柱的制备 首先制备聚合物：单体由 GMA (0.90 mL)和 EDMA (0.30mL)组成，选用三元致孔剂正丙醇(1.05mL)、1，4丁二醇(0.60mL)和水(0.15mL)。将上述溶液混合后通氮气3 min ，加入12 mg AIN。溶解后，立即将溶液装入毛细管中，并将两端密封，放入60℃恒温水浴中连续加热24h。之后，去掉塞子，用乙醇和水冲掉未反应的单体。第二步是改性，引入磺酸基：用液相色谱泵使1 mol/L的Naz SO 流过柱子，流速10L/min，75℃恒温。反应i2h后用10 mmolL的HNO；和水冲柱体24h备用[7] 1.3 毛细管液相色谱系统的建立 与常规液相色谱系统(柱内径4.6mm)相比，毛细田液相色谱系统(柱内径0.05~0.53 mm)要求更低的流量，系统内允许更小的死体积和更小的进样体积。但是，由于目前还没有商品化的毛细管离子色谱系统，因此需要在现有仪器基础上进行改造。为此，采用毛细管电泳所用的检测器，在弹性石英毛细管接近筛板处，将毛细管外壁的聚酰亚胺涂层去掉一段(约3~5mm)，使这一段柱子透明，即可使光照射到管内流经的样品，从而实现柱上检测。另外，由于实验所用的泵提供最低流量为10 uL/min ，因此需要分流。同时，原有进样阀定量管为20uL，将其换成1匹L的定量管。图1为改造后的毛细管液相色谱系统的装置示意图。 图1 毛细管 HPLC系统 Fig.1 Capillary HPLC system 1.4 离子色谱分离条件 0.32 mmi.d. ×10 cm 强酸性阳离子交换原位 聚合整体柱；流动相：8 mmol/L CuSO4；流速： 4儿L/min；检测波长：210 nm， 1.5 离子交换容量的测定 采用突破法测定离子交换容量，10 mmol/LCuSO4以一定流速通过离子色谱柱，在210 nm 检测从柱流出的溶液对应的响应信号，绘制突破曲线图，从而获得离子交换容量数据。离子交换容量测定结果表明该离子色谱柱的离子交换容量为100uequiv/mL。 2结果与讨论 2.1 强酸性阳离子交换毛细管离子色谱有机聚合整体柱的性能 柱渗透性可以通过柱背压的大小体现出来。对于10cm长的0.32 mm内径的强酸性阳离子交换毛细管离子色谱有机聚合整体柱，采用8 mmol/L的 CuSO4 为流动相，流速为4pL/min时，柱背压为0.4MPa，说明柱渗透性很好。图2为该色谱柱内整体原位聚合固定相的扫描电镜照片，可以看出聚合物整体柱是由小颗粒聚集而成的，内部结构均匀而连续。聚合物小球互相联结并且部分聚结成较大的簇，聚合物骨架结构由簇组成。大孔材料内的孔是簇与簇之间，小球与小球之间的不规则空隙，从图中可以明显看到材料中存在超大的大孔结构。该色谱柱稳定性很好，至少20次进样后，分离性能不变。 图2 整体原位聚合固定相的扫描电镜照片 Fig.2 Scanning electron microgram (SEM) of the columnma de by in situ polymerization 2.2 流动相流速的选择 在不分流状态下，泵可提供的最低流量为10 /min，Mg和 Ca未完全分离，分离度为1.2。按照毛细管液相色谱理论，0.32mm i.d.的毛细管色谱柱的最佳流量应为4uL/min。用三通分流后流速为4uL/min时，Mg*和Ca*可达到基线分离，分离度为2.0。 2.3 进样量考察 进样量应以达到足够的分离度和灵敏度为标准。本实验采用的定量管容积为1uL，可以采取控制进样时间的方法来调节进样量。考察了进样时间为10~120s及完全进样(1uL)时的分离情况，10~120s内峰面积随进样时间的变化结果见图3.随着进样时间的增加，进样量增大，在进样时间为60~120s范围内峰面积变化不大，与完全进样的峰面积接近。10~40s进样时间的条件下，钙和镁分离度为2.0，60~120s分离度为1.5。后面的实验中进样时间选择为40 s。 140 图3 峰面积-进样时间 Fig.3 Peak area vs. injection time 2.4 标准曲线、线性范围及检出限 配制浓度分别为0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、4.0 mmol/L 的钙镁混合标准溶液，分别进样测定，绘制钙和镁的标准曲线。镁离子浓度(c)与峰面积(y)的线性回归方程为 y=558511c-170347，相关系数为7R²=0.9944，线性范围0.5~4.0mmol/L；钙离子浓度(c)与峰面积(y)的线性回归方程为y=320178c-1190.6，相关系数为R=0.9991，线性范围为0.5~3.0 mmol/L。进样量为0.3匹L的情况下，以3倍噪音信号测定钙和镁的浓度检出限分别为0.15和0.20 mmol/L，换算为质量检出限分别为1.9和1.5 ng。本文采用的是柱上检测方式，若采用微池体积长光程检测器，检出限会进一步降低。 2.5 直接测定自来水的硬度 测定水中硬度常用的方法是 EDTA 滴定法但由于水中悬浮物和胶体有机物会影响滴定终点的观察，Cu*、Ni+、 co+、Al+、、Fe+等产生封闭指示剂的现象，因此对于测定污染严重的水样，需作前处理和添加多种掩蔽剂。而用离子色谱法测定水中钙、镁的浓度，通过计算得到水中硬度的方法，可以避免复杂的前处理，水样通过0.45 um的滤膜后就可直接进样。 取清华大学化学系分析中心实验室内的自来水管样，经0.45 um 微孔滤膜过滤后直接进样测定。图4为自来水样通过毛细管离子色谱整体柱的分离谱图。 图4 自来水中Ca和Mg 的分离色谱图 Fig. 4 Separation of Caand Mg in tap water on the cation exchange monolithic column 实验条件：阳离子交换整体柱0.32 mm i. d. ×10 cm；流速，4L/min；检测波长210nm；流动相，8 mmol/L CuSO4溶液；1-系统峰；2-Mg；3-Ca 将测得的钙、镁量代入下式换算成以 CaO(mg/L) 和 CaCO； (mg/L)表示的硬度110]： 式中p1-钙质量浓度(mg/L)，02-镁质量浓度(mg/L) ，56.08-氧化钙的摩尔质量(g/moL)。 p(CaCOs)=(01/40.08+02/24.31) ×100.1(2)式中p1-钙质量浓度(mg/L)，02-镁质量浓度(mg/L) ，100.1-碳酸钙摩尔质量(g/mL)。 按上述实验条件，连续3天测定自来水样，每天测定7次，测定结果见表1。由表1可见，以CaCO；计，总硬度值小于450 mg/L ，所用水符合国家饮用水卫生标准。 表1 Mg， Ca测定结果及自来水的总硬度 Tab.1 Concentration of Mg and Ca， RSD and total hardness of tap water 天数 镁浓度 镁相对标准 钙浓度 钙相对标准 水硬度 水硬度 c/(mmol/L) 偏差/% c/(mmol/L) 偏差/% (CaO mg/L) (CaCO；mg/L) 第一天 1.39 0.4 2.94 0.8 242.8 433.4 第二天 1.52 0.6 3.03 1.0 255.2 455.5 第三天 1.37 0.6 2.88 0.6 238.3 425.4 *7次测定的平均结果 分别取30、40、50mL自来水和 10 mL 6mmol/L的钙镁标准溶液，加二次水定容至100mL.按上述实验条件测定加标回收率，镁为100.0%~103.0%，钙为98.2%~102.1%，结果见表2。 表2 回收率实验 Tab. 2 Recoveries 阳离子 Mg* 水中浓度 加标量 总浓度 回收率 c/(mmol/L) c/(mmol/L)c/(mmol/L) /% 0.417 0.600 1.064 103.0 0.656 0.600 1.256 100.0 0.796 0.600 1.414 103.0 0.961 0.600 1.550 98.2 Ca2+ 1.314 0.600 1.906 98.7 1.642 0.600 2.255 102.1 3 结论 利用甲基丙烯酸甘油酯原位聚合，Naz SO，改性引入磺酸基的方法制备了强酸性阳离子交换毛细管离子色谱有机聚合整体柱(内径0.32 mm，长10 cm)，测定了自来水中的钙和镁，以考察水质的硬度。所制备的毛细管柱大大节省了流动相消耗，柱容积达常规色谱柱的1/200，实现了色谱器件的 微型化，并且制备过程简单，成本低廉，一根制备好的毛细管柱成本仅为10元左右(目前的商品柱价格为1000~3000元)，可重复使用，对于易污染色谱柱的背景复杂的生物医药样品，该类“月抛型”色谱柱具有潜在的商业价值。进一步提高柱分离性能的研究正在进行中，可以用于多种阳离子的同时测定。 ( 参考文献 ) ( 陈令新，关亚风，马继平.化学进展，2003，15(2)：107 ) ( 2] Kuan P， Dasgupta P K. 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Key Lab of Bioorganic Phosphorus Chemistry & Chemical Biology，Ministry of Education； Department of Chemistry，Tsinghua University， Beijing 100084)，Fenxi Shiyanshi， 2006 ， 25(4)：108~112 Abstract ：Strong cation exchange monolithic capillary columns (0.32 mmri.d. ，100 mm in length) were produced byradical polymerization of glycidyl (GMA) and ethylene dimethacrylate (EDMA)， then sulfonated by 1 mol/L Naz SO.The monolithic columns were used for the determination of total hardness in tap water by ion chromatography. In this method， the concentration of Mg and Ca were determined directly and the total hardness in tap water was calculat-ed. Recoveries of 98. 2 %~103.0% and RSD's of 0.4%~1.0% were obtained. These columns have attractive fea-tures such as low sample and reagent consumptions ， simple construction and low cost. Key words ： Ion chromatography； Monolithic column； Water； Total hardness； Capillary HPLC kine —China Academic Journal Electronic Publishing House. 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