离子液体为背景电解质的毛细管电泳-间接紫外检测法同时测定葡萄酒中无机阴离子和阳离子

田苗苗, 刘 心, 杨 丽

(1. 吉林工程技术师范学院, 化学与工业生物工程交叉学科研究院, 吉林 长春 130052; 2. 东北师范大学化学学院, 吉林 长春 130024)

目前,用于检测葡萄酒中无机阳离子和阴离子的方法主要有电感耦合等离子体质谱法[4,5]、原子吸收法[6,7]、离子色谱法[1,8-10]和毛细管电泳法(CE)[2,11]等。但是所报道的这些方法多局限于每次分析只针对检测葡萄酒中某一类特定离子(阳离子或阴离子),有关葡萄酒中无机阴离子和阳离子同时分析测定的报道很少,如李玲等[8]建立了一种抑制型梯度淋洗离子色谱法,使用不同的分离柱和淋洗剂,实现了葡萄酒中8种阴离子和5种阳离子的分析检测。如何减少分析时间和检测成本,实现简单、高效、单次运行即可同时分析测定阴离子和阳离子,仍然是一项具有挑战性的工作。

毛细管电泳法由于其具有分离效率高、分析速度快、样品和溶剂消耗量少、可与多种检测模式联用、简单易操作等优势,被广泛应用于无机离子的检测中[12-17]。近年来,人们采用双端进样的毛细管电泳法在一次运行中实现了阴离子和阳离子的同时分离检测,该方法已被应用于测定各种水样、酒精饮料、牛奶等样品中的常见无机离子[18-21]。大多数无机离子在紫外区域没有吸收或者吸收很弱,因此采用紫外吸收检测法测定时需要在背景电解质溶液中加入具有强紫外吸收的物质,即间接紫外检测法。但是由于电场作用下阴离子和阳离子的迁移方向不同,单一生色团不能实现阴阳离子的同时检测,需要在背景电解质溶液中同时加入阳离子生色团和阴离子生色团,有时为了提高阴离子和阳离子的分离效率,还需要加入有机溶剂和表面活性剂[22-25]。以上因素使得背景电解质溶液的选择和组成十分困难且配比复杂,而且添加的各种有机溶剂也会对环境造成污染。

离子液体是在室温或接近室温下呈现液态,由有机阳离子和无机或有机阴离子构成的一种新型的环境友好的绿色溶剂,由于其具有溶解性好、导电和导热性能优良、热稳定性高，以及能对电渗流产生显著影响等特点,常被作为背景缓冲溶液、添加剂和毛细管内壁共价键合试剂应用于CE中[26-31]。然而,采用离子液体作为背景电解质溶液的毛细管电泳法同时分离检测葡萄酒中阴离子和阳离子的研究迄今还未见报道。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

CL1020高效毛细管电泳仪(北京彩陆科学仪器有限公司);熔融石英毛细管(内径50 μm,外径365 μm,河北永年锐沣色谱器件有限公司); 0CSF-1A超声波发生器(上海超声波仪器厂); CPA2P精密电子天平(德国赛多利斯有限公司)。

氯化钾(KCl)、氯化钠(NaCl)、氯化钙(CaCl2)、硝酸镁(Mg(NO3)2)、硫酸钠(Na2SO4)、氯酸钾(KClO3)、乳酸锂(C3H5LiO3)(分析纯,北京化工厂); [EMIm]TS(上海成捷化学有限公司);氢氧化钠(NaOH)(分析纯,天津市化学试剂厂)。实验用水为超纯水,由Milli-Q超纯水系统制备(美国Millipore公司),电阻率为18 MΩ·cm。实验中所需溶液使用前均由0.22 μm滤膜过滤。3个不同品牌的葡萄酒样品均购买于当地超市,使用前超声脱气,经0.22 μm滤膜过滤后备用。

1.2 背景电解质溶液和样品的配制

毛细管电泳背景电解质溶液为20 mmol/L 1-乙基-3-甲基咪唑对甲苯磺酸盐。准确称取KCl、CaCl2、NaCl、Mg(NO3)2、C3H5LiO3和NaCl、Na2SO4、KClO3，用超纯水分别配制无机阳离子和无机阴离子标准储备液,质量浓度均为1 g/L,常温保存;使用前用超纯水稀释标准储备溶液，得到所需浓度的工作溶液。

1.3 毛细管电泳分析条件

熔融石英毛细管总长度40 cm(阳极和阴极到检测窗口的长度分别为10 cm和30 cm);新毛细管使用前分别用0.1 mol/L NaOH、超纯水和背景电解质溶液依次冲洗30、10和10 min;每天使用前用0.1 mol/L NaOH、超纯水和背景电解质溶液依次冲洗10、5 min和5 min;两次实验进样间用背景电解质溶液冲洗5 min。每次运行之间,电泳仪两端的缓冲溶液瓶需更换新鲜的电泳缓冲溶液。样品通过两次高差进样引入毛细管,在毛细管的两端先后进样一次。阴极端样品注入10 s(高差13 cm),阳极端样品注入3 s(高差10 cm);分离电压为-8 kV;采用间接紫外检测,检测波长为214 nm;工作温度为25 ℃。

2 结果与讨论

由于大多数无机阴离子和阳离子在紫外区域没有吸收或者吸收很弱,因此需要在背景电解质溶液中加入具有强紫外吸收的物质,即采用间接紫外法进行检测。本工作建立了离子液体([EMIm]TS)同时作为背景缓冲溶液和间接紫外检测剂的毛细管电泳法,采用双端进样的方式,用于葡萄酒中阴离子和阳离子的同时分析测定,其分析示意图见图1。[EMIm]TS的阴离子(甲苯磺酸离子)和阳离子(1-乙基-3-甲基咪唑离子)分别作为样品中阴离子和阳离子的间接紫外检测生色团,无需额外添加其他生色团、有机溶剂或表面活性剂等。实验考察了离子液体浓度和分离电压对8种无机离子分离检测的影响。

图 1 离子液体为背景电解质的毛细管电泳-间接紫外检测法 同时检测阴离子和阳离子的示意图Fig. 1 Schematic diagram for simultaneous detection of anions and cations by capillary electrophoresis-indirect UV detection with ionic liquid as background electrolyte

2.1 离子液体浓度的优化

在本实验中,离子液体[EMIm]TS既是背景缓冲溶液,同时其阳离子和阴离子也是样品中阳离子和阴离子组分的间接紫外检测的背景吸收物质,因此离子液体的浓度同时影响8种无机离子的检测灵敏度和分离度。实验考察了离子液体[EMIm]TS在10～30 mmol/L范围内,其浓度对8种无机离子检测灵敏度和分离度的影响,结果见图2。实验结果表明,随着[EMIm]TS浓度的增大,各无机离子的峰面积均降低,但是8种无机离子的分离度逐渐增大,兼顾8种无机离子的检测灵敏度和分离度,选择20 mmol/L的[EMIm]TS作为背景电解质溶液。

图 2 [EMIm]TS浓度对8种无机离子(0.1 g/L)(a)峰面积和(b)分离度的影响Fig. 2 Effect of [EMIm]TS concentrations on the (a) peak areas and (b) resolutions of the eight inorganic ions [EMIm]TS: 1-ethyl-3-methylimidazolium p-toluenesulfonate. Separation voltage: -8 kV; injection: hydrodynamic (13 cm for 10 s at the cathodic end and 10 cm for 3 s at the anodic end); capillary: 10 cm from the anodic end and 30 cm from the cathodic end of the capillary to the detector; detection wavelength: 214 nm; temperature: 25 ℃.

2.2 工作电压的影响

分离电压影响各组分的迁移时间和分离效果。随着分离电压的升高,样品的迁移速率增大,分析时间缩短;但是分离电压增大亦会增加焦耳热,使基线稳定性降低。实验考察了分离电压(-8、-10、-15和-20 kV)对8种无机离子检测灵敏度和分离度的影响(见图3)。实验结果表明,随着分离电压的增大,8种无机离子的检测灵敏度和分离度均减小。综合考虑检测灵敏度和分离度,最终选择-8 kV作为分离电压。

图 3 分离电压对8种无机离子(a)峰面积和(b)分离度的影响Fig. 3 Effect of separation voltages on the (a) peak areas and (b) resolutions of the eight inorganic ions. Running buffer: 20 mmol/L [EMIm]TS. The other conditions were the same as that in Fig. 2.

2.3 精密度、线性关系和检出限

图 4 8种无机离子的电泳分离色谱图Fig. 4 Electropherogram of the eight inorganic ions Running buffer: 20 mmol/L [EMIm]TS. The other conditions were the same as that in Fig. 2.

在最佳的实验条件下,分析测定不同浓度的阳离子和阴离子标准品,以各阴阳离子的峰面积对浓度进行线性回归,得到各组分的线性回归方程、线性范围和相关系数(R2),并分别以3倍和10倍信噪比(S/N)计算检出限和定量限;将8种无机离子的混合标准溶液,连续测定5 d,每天重复进样5次,考察该方法的日内和日间精密度。表1列出了8种无机离子的柱效、线性方程、线性范围、相关系数、检出限、定量限及迁移时间和峰面积的日内和日间精密度。结果表明,该方法具有较好的灵敏度、精密度和准确度。

表 1 8种无机离子的柱效、线性方程、线性范围、相关系数、检出限、定量限和迁移时间、峰面积的日内和日间精密度Table 1 Column efficiencies (N), linear equations, linear ranges, correlation coefficients (R2), LODs, LOQs, and intra-day and inter-day RSDs of migration time and peak areas for the eight inorganic ions

y: peak area;x: mass concentration, g/L.

表 2 葡萄酒样品中8种无机离子的含量Table 2 Contents of the eight inorganic ions in wine samples

-: no data.

图 5 3种葡萄酒样品中无机离子的电泳分离色谱图Fig. 5 Electropherograms of inorganic ions in three kinds of wine samples Running buffer: 20 mmol/L [EMIm]TS. The other conditions were the same as that in Fig. 2.

表 3 葡萄酒样品中8种无机离子的加标回收率和 相对标准偏差(n=5)Table 3 Recoveries and RSDs of the eight inorganic ions spiked in wine samples (n=5)

2.4 实际样品分析及加标回收率

为了验证该方法的准确性和可靠性,在1.0 mL的3种葡萄酒样品中分别添加3个水平(0.05、0.2和0.4 g/L)的8种无机离子的混合标准溶液,考察该方法的加标回收率。每个水平的样品平行测定5次,测定结果见表3。由表3可知,3种葡萄酒样品的加标回收率为90.1%～110.5%, RSD均≤4.8%。以上结果表明,该方法具有良好的准确性和可靠性,分析复杂的葡萄酒样品基质时可忽略分析过程中其他离子的干扰,在葡萄酒的质量控制方面具有潜在的应用价值。

3 结论