离子色谱法同时测定水溶肥料中4种阴离子含量的研究

Study on Simultaneous Determination of Four Anions in Water-Soluble Fertilizers by Ion Chromatography

doi: 10.3969/j.issn.2096-7047.2025.04.013

王新慧 Xinhui WANG , 段路路 Lulu DUAN , 黄河清 Heqing HUANG

1 上海化工研究院有限公司上海 200062 Shanghai Research Institute of Chemical Industry Co., Ltd., Shanghai 200062, China 2 上海化工院检测有限公司上海 200062 Shanghai Institute of Chemical Industry Testing Co., Ltd., Shanghai 200062, China

Author notes:

Correspondence to: 段路路(1981—)，女，博士，正高级工程师，主要从事肥料研发及质量安全评价研究；dll@ghs.cn

摘要：

水溶肥料样品经水超声提取，采用AS18阴离子交换柱、氢氧化钾溶液等度洗脱和电导检测的方式，建立了同时测定Cl^-、SO₄^2-、NO₃^-、PO₄^3-等4种阴离子含量的离子色谱法。结果表明，该方法能在13 min内实现对4种阴离子的有效分离；4种阴离子的质量浓度在1~30 mg/L范围内与对应色谱峰面积呈线性关系，决定系数R²均大于0.999 9；Cl^-、SO₄^2-、NO₃^-、PO₄^3-的定量限分别为0.86、5.00、31.73、62.07 μg/L；大量元素水溶肥料中4种阴离子测定值的相对标准偏差(n=6)为0.10%~2.31%，加标回收率为97.6%~105%。该方法简单、快速、准确，适用于批量水溶肥料中阴离子含量的测定。

关键词：

离子色谱法; 阴离子; 水溶肥料; 测定;

Abstract：

An ion chromatographic method is established for the simultaneous determination of four anions (Cl^-, SO₄^2-, NO₃^-, PO₄^3-) in water-soluble fertilizer samples. The samples are extracted by ultrasonic-assisted water extraction, and the anions are separated using an AS18 anion exchange column with isocratic elution of potassium hydroxide solution, followed by conductivity detection. The results show that the four anions can be effectively separated within 13 minutes. The mass concentrations of the four anions exhibit a linear relationship with their corresponding chromatographic peak areas in the range of 1-30 mg/L, with coefficients of determination R² all greater than 0.999 9. The limits of quantification for Cl^-, SO₄^2-, NO₃^-, and PO₄^3- are 0.86 μg/L, 5.00 μg/L, 31.73 μg/L, and 62.07 μg/L, respectively. The relative standard deviations (n=6) for the determination of the four anions in macro-element water-soluble fertilizers range from 0.10% to 2.31%. The spiked recovery rates are between 97.6% and 105%. The method is simple, rapid, accurate, and suitable for the batch determination of anion content in water-soluble fertilizers.

Keyword：

ion chromatography; anion; water-soluble fertilizer; determination;

水肥一体化技术是将灌溉和施肥融为一体的农业新技术，该技术可根据作物的需求，适时、适量地为其提供水分和养分，通过水分和养分的协调互作，促进作物的生长发育并提高产量。水溶肥料是水肥一体化技术的核心组成部分, 其用水溶解后会产生氯离子(Cl^-)、硫酸根(SO₄^2-)、硝酸根(NO₃^-)、磷酸根(PO₄^3-)等无机阴离子，这些阴离子在作物生长发育的生物学进程中各自扮演着不可或缺的生理和代谢角色。Cl^-通过参与光合作用和激活α淀粉酶等酶类活性，促进能量转化与物质合成^[1]；SO₄^2-作为作物吸收硫的主要形式，是合成含硫氨基酸、蛋白质、辅酶等的必需成分^[2]；NO₃^-提供的氮元素是构建氨基酸、蛋白质及膜脂的关键原料^[3]；PO₄^3-中所含的磷则直接参与作物的光合作用、呼吸作用及能量代谢等过程^[4]。尽管这些阴离子对作物生长至关重要，但过量施用或施用不当也可能适得其反。如Cl^-浓度过高会对很多作物的生长产生抑制作用，甚至引发毒害^[1]；SO₄^2-过量可能会加剧土壤酸化，抑制作物对其他养分的吸收^[5]；NO₃^-的积累不仅会使作物遭受盐害而减产，还可能通过淋溶污染地下水^[3]；PO₄^3-过量则会导致作物磷素吸收效率降低，甚至诱发水体富营养化^[6]。因此，在施肥前应了解阴离子的种类和含量，合理控制水溶肥料中阴离子的施用。

目前，肥料中阴离子含量的测定方法主要有化学滴定法^[7]、重量法^[8-10]、分光光度法^[11]等，这些方法仅能对肥料中的单一种类离子进行检测，且操作繁琐复杂、试剂消耗量大、检测周期长。肥料领域中已发布的国家标准《化肥中微量阴离子的测定离子色谱法》(GB/T 29400—2012)中的方法仅适用于氮肥、磷肥、钾肥、复合肥料、掺混肥料、有机-无机肥料中微量有毒有害物质的测定^[12]，目前尚无针对水溶肥料中主成分阴离子含量的通用检测方法。为更好地推动水肥一体化的发展，实现农业高质量和可持续性发展的目标，本文提出了采用离子色谱法测定水溶肥料中Cl^-、SO₄^2-、NO₃^-、PO₄^3-的含量，并以具有代表性的水溶肥料样品和试剂为研究对象，对所提出的方法进行了验证研究。

1 材料与方法

1.1 仪器与试剂

主要仪器：ICS 2100型离子色谱仪，配电导检测器，美国Thermo Fisher公司；Simplicity uv型超纯水仪，德国默克密理博公司；SK7210HP型超声波清洗器，上海科导超声仪器有限公司；ME204/02型分析天平，瑞士梅特勒-托利多公司；移液器(20~200 μL、100~1 000 μL、1~10 mL)，德国艾本德公司。

主要试剂：Cl^-、SO₄^2-、NO₃^-、PO₄^3-标准物质，质量浓度均为10 000 mg/L，坛墨质检科技股份有限公司；氯化钠、硫酸钾、硝酸钠、磷酸二氢钾，均为优级纯，国药集团化学试剂有限公司。

1.2 标准溶液的配制

1.2.1 单标准储备溶液

移取Cl^-、SO₄^2-、NO₃^-、PO₄^3-标准溶液各5.00 mL，分别置于4个50 mL容量瓶中，加水定容后摇匀，即得质量浓度为1 000 mg/L的Cl^-、SO₄^2-、NO₃^-、PO₄^3-单标准储备溶液。

1.2.2 单标准溶液

移取Cl^-、SO₄^2-、NO₃^-、PO₄^3-单标准储备溶液各0.50 mL，分别置于4个50 mL容量瓶中，加水定容后摇匀，即得质量浓度为10 mg/L的Cl^-、SO₄^2-、NO₃^-、PO₄^3-单标准溶液。单标准溶液分别用水相滤膜(0.22 μm)过滤。

1.2.3 混合标准溶液

分别移取Cl^-、SO₄^2-、NO₃^-、PO₄^3-单标准储备溶液5.00 mL于50 mL容量瓶中，加水定容后摇匀，即得4种离子质量浓度均为100 mg/L的混合标准溶液。移取混合标准溶液0.5、2、4、5、10、15 mL于6个50 mL容量瓶中，加水定容后摇匀，即得4种离子浓度为1、4、8、10、20、30 mg/L的系列混合标准溶液。系列混合标准溶液分别用水相滤膜(0.22 μm)过滤。

1.3 色谱分析条件

色谱柱：Dionex IonPac^TM AS18(250 mm× 4 mm)，柱温30 ℃；阴离子抑制器：Dionex ASRS 300 (4 mm)；淋洗液：23 mmol/L氢氧化钾溶液等度淋洗，流量1.0 mL/min；检测器：电导检测器，检测池温度35 ℃；进样体积：25 μL；分析时长：13 min。

1.4 试验样品

大量元素水溶肥料(12-8-42)，配方成分为尿素、无水磷酸氢二钾、磷酸二氢钾、硝酸钾、四水八硼酸钠等。

1.5 试验方法

称取适量试样(0.2~3.0 g，精确至0.000 1 g) 置于250 mL容量瓶中，加水至近刻度线，将容量瓶置于超声波清洗器中超声溶解30 min，冷却后加水定容、摇匀。将试样溶液经水相滤膜(0.22 μm)过滤后，再缓慢推入活化后的C₁₈固相萃取小柱(可选步骤，用于去除试液中的有机物)，弃去前2 mL溶液，剩余溶液待测。

2 结果与分析

2.1 色谱分析条件的建立

水溶肥料中Cl^-、SO₄^2-、NO₃^-、PO₄^3-含量的测定方法参考国家标准GB/T 29400—2012并进行了前期试验研究，以该标准中的参考离子色谱条件，尝试分析本研究中的4种待测离子。分析条件：采用Dionex IonPac^TM AS18(250 mm×4 mm)色谱柱，柱温30 ℃；Dionex ASRS 300(4 mm)阴离子抑制器；以淋洗液发生器生成的高纯氢氧化钾溶液进行梯度洗脱，梯度洗脱程序见表 1，流量为1.0 mL/min；设置电导检测器温度为35 ℃，进样体积为25 μL。

表 1

参考GB/T 29400—2012的淋洗液梯度洗脱程序

时间/min	OH^-浓度/(mmol·L^-1)
0	12
13	12
14	80
46	80
47	12
54	12

按参考标准中的色谱分析条件，对4种阴离子单标准溶液分别进样分析。在分析过程中发现，4种离子在色谱柱中均可被分离，且保留时间差异不大，但SO₄^2-、PO₄^3-的色谱峰处于由淋洗液浓度升高导致的基线背景变化的位置，不利于对这2种阴离子进行定量分析。因此，考虑提高淋洗液浓度并采用等度洗脱的方式测定水溶肥料中Cl^-、SO₄^2-、NO₃^-、PO₄^3-的含量。SO₄^2-、PO₄^3-单标准溶液的色谱图见图 1。

图 1

SO₄^2-和PO₄^3-单标准溶液色谱图

由于淋洗液浓度是影响离子分离效果和保留时间的关键因素之一，当以较低浓度的淋洗液洗脱时，待测离子的保留时间延长，分析耗时增加，不利于多种离子的快速测定；当以较高浓度的淋洗液洗脱时，待测离子的保留时间缩短，导致各离子间的分离效果不佳。试验考察了OH^-浓度为12~30 mmol/L时对4种阴离子的分离效果及保留时间的影响，结果表明：当OH^-浓度为23 mmol/L时，Cl^-、SO₄^2-、NO₃^-、PO₄^3-的保留时间依次为4.07、6.05、7.07、11.12 min，相邻两峰的分离度分别为9.9、3.8、7.6，4种离子的分离效果和峰形较好。因此，选择淋洗液等度洗脱浓度为23 mmol/L，该条件下4种阴离子的混合标准溶液(30 mg/L)的色谱图见图 2。

图 2

30 mg/L混合标准溶液色谱图

2.2 阴离子分离规律

在固定相为AS18色谱柱的条件下，Cl^-、SO₄^2-、NO₃^-、PO₄^3-的保留时间受离子半径、离子价态、离子极化度和淋洗液浓度等多重因素的影响。待测离子半径越大，保留性越强，如Cl^-和NO₃^-的保留时间依次增加。同时，离子价态和淋洗液浓度也会影响离子的保留时间。在使用2.1中参考标准的色谱条件进行分析时，NO₃^-、SO₄^2-和PO₄^3-的保留时间随着所带电荷数依次延长；但按1.3中的色谱条件进行分析时，3种离子的出峰顺序发生了改变，依次为SO₄^2-、NO₃^-和PO₄^3-。其原因是随着淋洗液浓度的提高，所有离子的保留时间都有所缩短，但SO₄^2-的保留时间缩短幅度大于NO₃^-的，因而出现了NO₃^-和SO₄^2-出峰顺序的交错现象。参考标准色谱条件分析NO₃^-、SO₄^2-的色谱图见图 3。

图 3

参考标准色谱条件分析NO₃^-、SO₄^2-的色谱图

2.3 方法适用性试验

水溶肥料中阴离子的种类和含量因其配方不同而具有明显的差异，这可能导致不同阴离子的含量出现数量级的差别。当不同阴离子浓度相差4个及以上数量级时，可近似认为低含量的阴离子为杂质，不对其进行定量分析。

随着Cl^-、SO₄^2-、NO₃^-和PO₄^3-浓度的不断增大，4种阴离子的保留时间均发生了前延的变化，致使高浓度的NO₃^-影响低浓度SO₄^2-的定量分析，高浓度的PO₄^3-影响低浓度NO₃^-和SO₄^2-的定量分析。为探究试验建立的色谱分析方法对阴离子含量差异过大的水溶肥料检测的适用性，采用硫酸钾、硝酸钠、磷酸二氢钠等3种试剂配制了阴离子浓度相差2~4个数量级的测试溶液。试验结果表明：c(NO₃^-)/c(SO₄^2-)或c(PO₄^3-)/c(NO₃^-)≤ 10²时，高浓度的阴离子不影响低浓度阴离子的色谱峰；c(NO₃^-)/c(SO₄^2-)或c(PO₄^3-)/c(NO₃^-)≥10³时，高浓度阴离子的色谱峰峰形展宽，会覆盖低浓度阴离子的色谱峰。对于这种情况，可向试样溶液中加入一定量已知浓度的低含量阴离子标准溶液并进行稀释(或直接进行稀释)，以增加分离度，实现低浓度阴离子含量的检测。阴离子浓度相差3个数量级的测试溶液稀释10倍后的色谱图见图 4，此时NO₃^-不干扰SO₄^2-的测定，PO₄^3-也不干扰NO₃^-和SO₄^2-的测定。综合以上分析，本研究中建立的色谱分析方法适用于测定阴离子含量差异过大的水溶肥料。

图 4

阴离子浓度相差3个数量级的测试溶液稀释10倍后的色谱图

2.4 标准曲线与定量限

将1.2.3中的系列混合标准溶液按1.3色谱分析条件依次进样分析，以每种阴离子的质量浓度为横坐标，对应的色谱峰面积为纵坐标绘制标准曲线，4种阴离子的线性回归方程见表 2。

表 2

线性范围、线性回归方程及定量限

离子种类	线性范围/ (mg·L^-1)	线性回归方程	决定系数(R²)	检出限/ (μg·L^-1)	定量限/ (μg·L^-1)
Cl^-	1~30	y=0.322x+0.009	0.999 92	0.26(S/N=116 14)	0.86(S/N=11 614)
SO₄^2-	1~30	y=0.237x-0.010	0.999 94	1.50(S/N=1 999.2)	5.00(S/N=1 999.2)
NO₃^-	1~30	y=0.180x-0.025	0.999 97	9.52(S/N=315.2)	31.73(S/N=315.2)
PO₄^3-	1~30	y=0.106x-0.002	0.999 96	18.62(S/N=161.1)	62.07(S/N=161.1)

由表 2可知，4种阴离子的质量浓度在1~30 mg/L范围内具有良好的线性关系，标准曲线的决定系数R²均大于0.999 9。按3倍的信噪比计算方法的检出限(3S/N)、10倍的信噪比计算方法的定量限(10S/N)，结果表明离子色谱法测定Cl^-、SO₄^2-、NO₃^-、PO₄^3-的灵敏度较高。

2.5 精密度试验

取大量元素水溶肥料按1.5制备样品溶液(由于该样品中Cl^-和SO₄^2-含量较低，以加标后的试样溶液进行这2种离子的精密度试验)，将待测离子质量浓度稀释至线性范围后，按1.3色谱条件连续进样测定6次，计算4种阴离子的含量及测定值的相对标准偏差(RSD)，结果见表 3。由表 3可知，4种阴离子测定值的RSD为0.10%~ 2.31%，表明精密度较好。

表 3

精密度试验结果

离子	测定值/%						平均值/%	RSD/%
离子	1	2	3	4	5	6	平均值/%	RSD/%
Cl^-	1.41	1.41	1.34	1.41	1.36	1.36	1.38	2.31
SO₄^2-	1.09	1.11	1.11	1.11	1.12	1.12	1.11	0.99
NO₃^-	44.07	44.12	44.00	44.05	44.10	44.10	44.07	0.10
PO₄^3-	12.12	12.02	11.94	11.99	12.64	12.03	12.12	2.14

2.6 加标回收试验

向大量元素水溶肥料样品中加入一定量的Cl^-、SO₄^2-、NO₃^-、PO₄^3-标准溶液，将加标样品溶液中的待测离子质量浓度稀释至线性范围后，按1.3色谱条件进行测定，样品的加标回收试验结果见表 4。

表 4

加标回收试验结果

离子	离子质量/mg					平均回收率/%	RSD/%
	本底值	加标量	测定总量		平均值
	本底值	加标量	1	2	平均值
Cl^-	0.362 6	1.000 0	1.410 3	1.415 0	1.412 6	105	0.45
SO₄^2-	0.136 0	1.000 0	1.109 5	1.113 6	1.111 6	97.6	0.42
NO₃^-	251.259 6	500.000 0	749.740 0	750.130 0	749.935 0	99.7	0.07
PO₄^3-	68.700 3	125.000 0	191.920 0	192.255 0	192.087 5	98.7	0.26

由表 4可知，4种阴离子的加标回收率为97.6%~105%，表明该方法的准确度较高。

2.7 实际样品的测定

将大量元素水溶肥料按1.5平行制备2份试样溶液，按1.3色谱条件进样分析，测定4种阴离子的含量，计算得到上述肥料中Cl^-、SO₄^2-、NO₃^-、PO₄^3-的平均质量分数分别为0.16%、0.06%、44.40%、12.14%。

3 结语

本文通过优化色谱分析条件，建立了超声提取-离子色谱法同时测定水溶肥料中Cl^-、SO₄^2-、NO₃^-、PO₄^3-含量的方法。相较于肥料中对所述阴离子的单独分析方法^[7-11]，本方法操作简单、分离效果好、准确度高、分析速度快，能大幅降低实验室的综合检测成本，具有较强的实用性，值得广泛推广和应用。

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