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外文翻译离子色谱法测定草甘膦
离子色谱法测定草甘膦
中国杭州，浙江大学化学系
中国杭州，浙江大学环境科学系
摘要：
离子色谱系统介绍了草甘膦的测定。
离子色谱仪由抑制电导检测实现（DX-100）。
洗脱液中含有9mmol/l的Na2CO3和4mmol/l的NaOH。
检出限是0.042mg/ml（S/N=3）。
相对标准偏差是1.99%，区域的校准曲线的相关系数为0.9995。
线性范围为0.042~100mg/mL。
常见的无机离子和有机酸不干涉。
回收率是96.4~103.2%。
该方法简单,快速,可靠和便宜。
关键词：
水质分析，环境分析，草甘膦，农药
1.引言
草甘膦是运用非常广泛的非选择性的除草剂。
草甘膦除草剂的活性成分,广泛用于除去杂草和控制植物生长。
它对环境的影响变得更加永久性。
测定这种化合物的残留水平的简单方法的困难主要在于他的性能：
它在水中的溶解度相对高，而在有机溶剂中由于其配位行为的不溶性。
测定草甘膦的程序已经讨论了。
虽然气相色谱仍旧被感兴趣，总体来说它还是面临将分析物转变为不稳定衍生物的繁琐的样品制备。
由于要求一个更好的检出限，液体色谱程序已经开发出来。
对于高效液相色谱，由于吸收的检出限，柱前和柱后衍生方法已被开发。
预柱步骤都集中在衍生化9-芴基甲氧基羰基氯甲酸酯（FMOC-Cl）的荧光检测。
然而，其它的衍生剂，例如1-氟-2,4-二硝基苯和对甲苯磺酰氯已被使用，以形成草甘膦衍生物可在紫外可见区域检测。
柱后衍生化已被广泛使用邻苯二巯基乙醇（OPA-MERC）。
最近开发出涉及耦合柱液相色谱和FMOC柱前衍生快速程序。
少有一些草甘膦的检测方法无需衍生。
离子色谱（IC），自从1970年代中期被引进，已经成为检测离子物质非常有用的工具；亲水性物质可以被快速方便的确定。
草甘膦是一种氨基酸，带有强电离磷酸基，所以它的pKa1,pKa2，pKa3,和pKa4分别是0.78,2.29,5.96,和10.98，它是一种亲水性物质。
实际上，用带有柱后衍生化和紫外检测法的离子色谱分析草甘膦是可能的；用抑制电导离子色谱法测定草甘膦从未被发表过。
这项工作的主要目标是开发一种简单而灵敏的方法在着重于简单的预处理过程的水环境中测定草甘膦。
检测元件基于离子色谱的抑制电导检测。
2．实验内容
2.1试剂
试剂包括草甘膦、碳酸钠和氢氧化钠这类化学药品。
洗脱液是Na2CO3–NaOH。
所有的溶液包括洗脱液、原液及标准溶液均由蒸馏水制备。
2.2仪器
实验中使用的离子色谱仪是美国戴安公司配备电导检测器的IC100离子色谱仪（最大量程为30uS/V），分析柱及保护柱型号为DionexIonpacAG4SC，自我再生抑制器是用电化学方法的ASRS-I。
洗脱液是9mmol/l的Na2CO3和4mmol/l的NaOH，流速为1.5mL/min。
进样量为50uL。
实验数据由yinpu色谱获得，数据工作站软件安装在模拟586计算机上。
2.3步骤
含草甘膦的环境水样从中国的杭州西湖采集，采集量为250mL。
溶液经0.45mm膜过滤器过滤，由100mL二氯甲烷提取其中的有机物，最后浓缩旋蒸至5mL。
处理后的此含有草甘膦的溶液经0.45um膜过滤器过滤直接注入仪器分析。
3结果与讨论
3.1色谱条件的优化
因为草甘膦是中性酸盐和强残留性，所以要选择pH值高和强洗脱能力的洗脱液，选择碳酸钠和氢氧化钠混合液作为阴离子洗脱液，离子色谱系统见图1。
碳酸钠洗脱能力强于氢氧化钠，因为碳酸根离子是二价的而氢氧根离子是单价的，草甘膦是多价阴离子，所以洗脱时间随Na2CO3浓度的增加而明显降低。
测定草甘膦的最佳条件是Na2CO3浓度为9mmol/l。
与其他随NaOH浓度升高而保留时间降低的普通阴离子不同，草甘膦等磷酸盐的保留时间随NaOH浓度升高而缓慢升高。
这种现象可能是因为随着pH的升高，草甘膦的电离度变大而引起保留时间变长。
为防止Cl、PO4、NO3、SO4离子干扰草甘膦的测定，所以要将NaOH浓度保持至少在3mmol/l，以保证这些普通离子能在少于3min内被洗脱。
3.2校正曲线
进样溶液浓度分别为2,5,10,25,50,100ug/ml，校正曲线的峰面积和峰高是确定的。
线性回归方程为：
H=3562x+10728,r=0.9979.A=112520x-170378，r=0.9995.
H是整数值的峰高，A是整数值的峰面积，x表示浓度（ug/ml），r是相关系数。
由于草甘膦峰值不对称，峰面积的线性范围，检出限和重复性要好于峰高。
图2是草甘膦标准溶液的色谱图。
在上述色谱条件下，标准溶液的保留时间大约在6.5min。
保留时间随草甘膦浓度的升高而缓慢减小。
草甘膦检出限（LOD,S/N=3）为0.042ug/ml。
图3为2ug/ml草甘膦色谱图。
线性范围是从检出限到100ug/ml.10ug/ml草甘膦用于分析其重复性。
7次进样的分析数据标准偏差为1.87%，重复性良好。
图1.Na2CO3浓度和保留时间关系图
图2.标准草甘膦（25ug/ml）离子色谱图
图3.标准草甘膦（2ug/ml）离子色谱图
3.3干扰
pKa值高于7.0的非电离物质和弱电离物质不影响检测，因为几乎没有电导作用。
这个结果表明常见无机阴离子如Cl、PO4、NO3、SO4离子不干扰结果，因为他们的保留时间过短。
其他保留时间过长的物质如柠檬酸盐，它的保留时间太长而不能被检测到，所以它能很好的与草甘膦分开。
所以这种分析方法有很好的选择性而能被用于检测各种常见离子如表1.
表1.常见离子保留时间及对草甘膦干涉情况
阴离子
保留时间（min）
回收率（%）
F-
1.92
99.0
Cl-
2.21
98.6
NO2-
2.43
98.8
NO3-
2.84
97.6
SO42-
3.09
98.2
PO43-
3.42
97.9
柠檬酸盐
18.7
98.4
3.4样品检测
图4为检测结果。
9个进样数据的标准偏差为0.49%，样品的浓度为66.53ug/ml的草甘膦溶液，西湖中没有检测到草甘膦。
回收率为96.36~103.18%，9个进样样品中分别加标1-50ug/ml的标准草甘膦溶液。
图4.水环境采样中草甘膦检测结果离子色谱图
4结论
抑制电导离子色谱法对于检测草甘膦是一种简单而灵敏的方法且对水环境中样品的预处理操作简便。
5致谢
本项目由浙江省中国自然科学基金支持。
6参考文献
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凝结核光散射检测器与离子色谱法直接测定水中草甘膦及其代谢产物
JingYou,JohnA.Koropchak，南伊利诺大学，化学与生物化学系，卡本代尔分校，美国洛杉矶62901-4409.2002年9月接收，2002年12月修订，2003年1月7日发表
摘要：
离子色谱-凝结核光散射检测方法（IC–CNLSD）被成功地用于直接分析草甘膦，极性农药和膦酰基甲基甘氨酸，它是草甘膦在水中无需前处理或衍生的主要代谢物。
凝结核光散射检测草甘膦检出限为53ng/ml，这比由美国环境保护署颁布的饮用水最高污染物水平700ng/ml要低得多。
不同基质下加标分析测试。
含稀释的草甘膦的农药也同时被测试评估了。
与其他报道的方法比较，离子色谱——凝结核光散射检测方法无需样品衍生化，预浓缩和电导抑制流动相。
这种方法简单、快捷、便宜。
在没有发色团和荧光团的情况下离子色谱——凝结核光散射检测方法对于这种除草剂是一种理想的直接检测技术。
2003爱思唯尔科学帐面价值保留所有权利。
关键字：
凝结核光散射检测器，液相色谱检测器，草甘膦，农药，膦酰基甲基甘氨酸
1.引言
草甘膦（全称为N-膦酰基甲基甘氨酸，如图1），是广泛应用的、无选择性的、萌发后除草剂，由孟山都公司在1970年代初引入。
草甘膦的物理、化学和毒理学特性已经被审核过。
因为它的低毒性，草甘膦被广泛用于植被的生长控制，它在美国的传统杀虫剂使用中排第一位。
由美国环境保护署颁布的草甘膦对饮用水最高污染物水平为0.7mg/ml。
因此，对于建立一个快速、简易、灵敏的测定草甘膦和氨甲基磷酸（草甘膦唯一的主要代谢物）方法，对水和土壤等环境是有益的。
草甘膦，隶属于氨基酸除草剂，是两性的，强极性的，强水溶性和难挥发物质。
同时，它没有发色团和荧光团，对于从传统分析技术发展一种简易高度灵敏性的检测这种化合物的方法是个相当大的挑战。
测定磷酸和氨基酸基团组成的除草剂的分析方法最近已被综述。
草甘膦和氨甲基磷酸的气相色谱分析需要一个详尽的衍生化过程把每种物种在分离前转化为一个极性较低，波动较大的衍生物。
高效液相色谱（HPLC）是比气相色谱（GC）对于分离草甘膦和氨甲基磷酸更加实用的方法，因为他对于水相的和非挥发性的样品更加适合。
检测是最根本的问题。
由于缺少发色团和荧光团，所以用常规灵敏性的高效液相色谱检测这些物质而不对其衍生化是不可能的。
柱前和柱后衍生化这两种方法都已经被研究。
柱前衍生化方法通常需要用9-芴基甲氧基羰基氯甲酸酯（FMOC-Cl）作为衍生化试剂生成有荧光团的草甘膦-FMOC衍生物可以被检测。
其他衍生化试剂如1-氟-2,4-二硝基苯和对甲苯磺酰氯也同样被研究。
被研究的柱后衍生化试剂包括邻苯二-2-巯基乙醇，茚三酮和Al3+-桑色素（3,5,7,2’,4’-五羟基-黄酮）。
图1.草甘膦和氨甲基磷酸的结构和电离过程
草甘膦和氨甲基磷酸已被报告出的检测方法几乎没有不需要衍生化作用的。
朱教授及其团队成员研发出一种抑制电导离子色谱检测方法（IC）来分析草甘膦，检出限（LOD）可达到42ng/ml。
Bauer及其团队成员集成一个抑制器模型——IC–MS–MS系统来分析水相中强极性有机化合物，包括草甘膦和氨甲基磷酸。
一个新的酶联免疫吸附试验方法被研发用以分析水中的草甘膦。
这种方法比气相色谱和高效液相色谱更加快捷简便，但检出限只有7.6ug/ml，这个方法的灵敏度不足够好，如果不进行预浓缩很难有实际应用。
凝结成核光散射检测（CNLSD）是最近被研发的检测技术，它与其他的分离技术相结合包括高效液相色谱，超临界流体色谱法，毛细管电泳法。
当于其他分离方法相结合时，它使用广泛，灵敏度高，造价低和操作简便，凝结成核光散射检测器（CNLSD）对于无发色团和荧光团的农药将是个有用的检测系统，且无需更进一步的衍生化和准备步骤。
2实验
2.1试剂和药品
草甘膦和氨甲基磷酸购自Sigma（St.Louis,MO,USA）.
超纯硝酸购自J.T.Baker（Phillipsburg,NJ,USA）.
分析纯甲醇和丁醇购自FisherScientific（FairLawn,NJ,USA）.
最后，包含草甘膦的除草剂由Monsanto制造，于本地购买。
2.2分析解决方案的准备
溶液的制备（1mg/ml）：
称重草甘膦和氨甲基磷酸溶解于Barnstead纳米超纯水（Dubuque,IA,USA）。
当不使用时，溶液均储存在4℃保存。
标准溶液和加标的样品（如流动相、自来水或湖水）由超纯水稀释该储备溶液。
湖水是从伊利诺斯州南部卡本代尔大学的校园湖中采集的，经0.45um的过滤膜过滤（Whatman,Clifton,NJ,USA）。
2.3仪器和分析条件
实验室搭建的仪器凝结成核光散射检测器（CNLSD）仅作简短介绍[17–19]。
如同蒸发光散射仪（ELSD），凝结成核光散射检测器是通用的以气雾状为基础的检测方法，它是检测在溶剂蒸发后流动相中不挥发分析物粒子的光散射情况。
图2.ELSD和CNLSD原理上的不同
图2显示的是蒸发光散射仪和凝结成核光散射检测器这两个仪器检测原理上的不同。
通过喷雾器，这两种检测器柱中的洗脱液都被转化为湿喷雾液滴，接下来再被干燥为干气溶胶粒子。
直接被这些粒子分散的光被蒸发光散射仪检测。
然而在凝结成核光散射检测器中，凝结成核过程已增加，它包括通过外型上的凝结引进蒸汽来使纳米级微粒生长为微米级液滴。
这种粒子大小的增加极大的增大了光散射信号而且相较于蒸发光散射仪它的灵敏度也得到了极大的增加。
一个以前的报告称，对于检测水尺寸排阻色谱分离之后的聚乙二醇，凝结成核光散射检测器的检出限（~15ng/ml）比商业的蒸发光散射仪的检出限低130倍。
非挥发性物质残留监控（NRM）是由流体测量技术（FMT,SaintPaul,MN,USA）发明的工业品，用于持续监测半导体工业的高纯度水。
非挥发性残留监控（NRM）采用相同的核心流程，样品雾化、干燥喷雾和凝结成核，类似于凝结成核光散射检测器（CNLSD）。
一个蓝本凝结成核光散射检测器系统（CNLSD使用于NRM）建立在基于非挥发性残留监控设备上，用于执行检测从IC中的洗脱液。
一个Jasco880-PU智能泵（JapanSpectroscopic,Tokyo,Japan）被用于洗脱液交换。
进样阀是Rheodyne7125（Cotati,CA,USA）带有一个100ul的进样环。
两个100*4.6mmI.D.Alltechuniversal7U阳离子交换柱（Deerfield,IL,USA）充满了聚丁二烯-马来酸包覆二氧化硅（7um）,两根柱子串联分离分析物。
分离是在室温下，0.5um硝酸作为洗脱液，流速为0.5ml/min。
一个自带的编程用于转换和分析凝结成核光散射检测器收集的数据。
3结果与讨论
3.1流动相的影响
阳离子交换色谱分离器由环境局推荐，它被普遍用于草甘膦和氨甲基磷酸的分离。
从我们之前的研究表明，阳离子交换色谱比阴离子交换色谱更能与凝结成核光散射检测器兼容，它能给更高的背景值。
所以阳离子交换柱被选择用于研究。
因为凝结成核光散射检测器（CNLSD）对于所有洗脱液中的非挥发物都给与响应，所以选择一个合理的流动相能提供低背景值和噪音基线是非常重要的。
检出限值（LOD）与信噪比（S/N）的值紧密相关，所以对于一个纯的易挥发的流动相，凝结成核光散射检测器有非常大的优势达到好的检测灵敏度。
之前的研究发现硝酸溶液对于IC–CNLSD分析连用技术是最适宜的流动相，它的纯度明显影响检测灵敏度。
流动相中有机溶剂的存在对CNLSD有两种影响。
一方面，它通过降低流动相的表面张力和有效的去溶剂化来降低了背景基线；另一方面，有机溶剂有可能通过引入更多的非挥发性污染物来提高背景强度。
在我们的实验中，后者占据主导地位。
在流动相中加入4%的甲醇后，背景基线从4000增加至10000频次/ml。
Morris等人致力于研究在分离羧酸时醇改性剂的影响，通过使用阳离子交换分析柱，提出分离的改变应归因于在高分子树脂表面上的这一层乙醇的吸收。
至此，由于我们用了更低纯度甲醇，分析物的保留时间没有发型有任何重大的改变。
流动相的pH值几乎不影响草甘膦和氨甲基磷酸的迁移。
如图1显示，草甘膦和氨甲基磷酸都是两性离子化合物，pH值会改变分析物的分布结构。
在pH2—5的范围内（我们实验中的pH范围），阴离子物质的显性表现值是-1，草甘膦和氨甲基磷酸为是0。
流动相的pH值对于这些化合物的保留值有两种完全不同的影响。
升高流动相的pH值会降低流动相的洗脱能力，因此会延长分析物的保留时间。
另一方面，提高pH将同样会降低分析物的正电荷而使保留时间变短。
所以这些分析物保留时间的微小改变作为观察pH的函数。
由于CNLSD对所有的非挥发物均有响应，存在于流动相的非挥发性污染物将会提高背景值和限制灵敏度。
尽管高纯硝酸被用于作流动相，一些重金属污染物还是可能存在。
低浓度的酸会降低污染物影响值，所以低浓度硝酸洗脱液对于CNLSD能更好的检测。
因此，0.5mM硝酸被选作流动相。
CNLSD中扩散式屏幕对于减少背景值是非常有用的。
扩散式筛是细网格筛子，它能使细小的微粒有更高的扩散系数且在凝结成核前被收集。
由于分析物的信号值也随背景值的减小而减小，扩散式筛的最优化数量通常与CNSLD有关。
结果显示两个扩散式筛能有效的降低背景基线而不会过于影响分析物的检测值。
由于他们的两性性质，样品的pH值将会影响草甘膦和氨甲基磷酸的测量值，它会使样品在同一种流动相中有不同的保留时间。
随着样品pH的值的升高，分析物的保留时间也逐渐降低。
结论是，本实验的流动相pH值始终保持为3。
3.2流动相流速的影响
低流速对于阴离子交换过程是有益的。
因为在使用的pH范围内草甘膦和氨甲基磷酸的显性性质对于检测是消极因素，他们在阳离子交换柱上保留时间短。
所以低流速可以被用于升高这些物质的保留时间。
如图3显示，一个加标的湖水样品，有两个峰可能影响分析物的检测。
结果表明，当流速降低至0.5ml/min，这4个峰也随之较好的分开。
不常见的离子，如金属离子会产生干涉，因为他们的保留时间非常之长。
图3.加标的湖水分析样品的色谱图：
Alltechuniversal7U阳离子交换色谱柱，0.5mM硝酸作洗脱液，流速为0.5ml/min，18p.s.i.的压力和两个扩散式屏幕。
峰1和3=干扰峰，2=草甘膦（3.03ug/ml）;4=氨甲基磷酸（4.32ug/ml）.
3.3压力的影响
空气在CNLSD-NRM联用系统中作为雾化气体使用，它的压力能影响气速，也是影响CNLSD性能的重要影响因素。
图4显示的是在两种不同流速的流动相下，空气压力对检测的影响。
这些数据证明高流速的流动相将会需要一个高压力来获得最适宜的信噪比。
随着空气压力的降低，背景值和基线噪音也随之增加。
这也许就是起雾运输效率减小的原因。
在CNLSD中运用NRM系统，空气流速会比常规CNLSD系统更高，且去溶剂化也无需加热。
在此，空气不仅用于产生气雾，也用于干燥气雾。
由于分析物颗粒浓度由高气速的空气稀释，CNLSD-NRM联用系统中的信号要比实验室制的CNLSD系统中低得多。
然而，背景值和噪音也同样低很多，在这两种系统中信噪比和检出限仅显示微小差别。
图4.空气压力对CNLSD灵敏度的影响：
草甘膦（G）和氨甲基磷酸（A）在流动相流速为0.5ml/min（L）和流动相流速为1.0ml/min（H）。
CNLSD-NRM联用系统中，检出限大约为50ug/ml（表1），背景值大约为3800频次/ml。
实验室制CNLSD系统中，检出限仅改变微量（草甘膦和氨甲基磷酸检出限分别为54和58ng/ml），而背景值则高达8200频次/ml。
表1.CNLSD原型系统和实验室制CNLSD系统性能差异
方法
分析物
原型
实验室制
保留时间（min）
草甘膦
AMPA
4.6
6.4
4.2
5.8
检出限（ng/ml）
草甘膦
AMPA
41
53
54
58
线性范围（ng/ml）
草甘膦
AMPA
41-3030
53-4320
54-4000
58-5040
校准曲线
草甘膦
AMPA
y=3748.1x+148.73
y=2941.5x+591.03
y=7878.8x+2468.1
y=7399.4x+2396.5
R2
草甘膦
AMPA
0.9984
0.9986
0.9993
0.9990
基线噪音
50
140
背景值
3800
8200
表2不同浓度不同基质中分析物平均回收率和相对标准偏差（RSD）
矩阵
分析物
浓度（ug/ml）
平均回收率（%）
RSD（%，n=6）
DW
草甘膦
0.20
0.71
1.01
2.02
99.0
101.0
100.9
96.0
2.8
2.7
2.1
1.5
AMPA
0.29
1.01
1.44
2.88
92.9
101.2
104.1
100.3
4.9
2.1
0.6
2.5
TW
草甘膦
0.20
0.72
1.00
2.00
95.9
105.8
98.2
102.6
4.6
1.3
2.2
0.8
AMPA
0.25
0.88
1.26
2.52
108.7
95.6
96.6
101.3
3.4
4.0
3.2
1.1
LW
草甘膦
0.20
0.71
1.01
2.02
93.1
107.4
97.7
100.4
3.6
1.4
2.5
1.9
AMPA
0.29
1.01
1.44
2.88
92.9
102.4
104.1
102.9
3.3
2.9
2.6
2.7
平均值
100.0±3.6
2.5
3.4草甘膦和氨甲基磷酸在不同的冲压工具中分析
在优化的条件下，以0.5mM硝酸作为流动相,流速为0.5ml/min，两个扩散式屏幕，压力值为18p.s.i.（1p.s.i.=6894.76Pa），草甘膦和氨甲基磷酸在不同的冲压工具中分析。
分析物中没有在自来水或湖水中检测。
原CNLSD和实验室制CNLSD系统性能差别在列表1中列出。
它遵循列表1的校准两个分析物有良好的线性关系（R2=0.999），有超过两个数量级。
检出限的估算值（~50ng/ml;S/N=3）要远低于环境保护局颁发的饮用水中草甘膦和氨甲基磷酸最大污染级700ng/ml。
因此，这种方法可以无需预处理过程直接在水质管理中使用。
应该注意的是欧盟对水中农药含量有严格的管理制度，农药含量的最高浓度不得超过0.1ng/ml。
在这种情况下，需要一个样品的预浓缩。
草甘膦的预浓缩方法已被评估。
然而，考虑到现实情况草甘膦的毒性对人体非常之低，结果应该是令人满意的。
不同浓度的分析物（0.2-2.88ug/ml）加入标准的去离子水、自来水和湖水。
表2显示的是这些不同矩阵的主要的平均回收率和标准偏差（RSD）。
平均回收率范围从92.9到108.7%，而所有情况的标准偏差（RSD）均低于5%。
整个数据集的平均回收率范围在100±3.6%，说明了这个方法量化准确。
整个数据集的平均标准偏差是2.5%，说明了这个方法的良
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