烟草及烟草制品硫的测定离子色谱法.docx
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烟草及烟草制品硫的测定离子色谱法
《烟草及烟草制品硫的测定离子色谱法》
标准项目研究报告
《烟草及烟草制品硫的测定离子色谱法》项目组
2013-08
目录
一、概况3
二、标准适用范围3
三、方法原理3
四、实验方法3
4.1仪器设备3
4.2试剂和材料3
4.3样品前处理4
4.4色谱条件4
4.5标准工作曲线配制5
4.6结果的计算与表述6
五、结果与讨论7
5.1样品前处理7
5.1.1微波消解体系的选择7
5.1.2称样量的选择8
5.1.3消解溶剂用量的选择8
5.1.4消解程序的确定9
5.1.5排酸条件的优化11
5.1.6固相萃取柱的选择12
5.2离子色谱分析柱的选择13
5.3色谱条件的优化13
5.4不同基质溶剂配制标准曲线的影响14
5.5SO42-标准储备溶液储存时间实验15
5.6干扰离子的影响15
5.7方法的检出限、精密度、回收率16
5.8标准物质的检测19
5.9与其它方法的比对19
5.10行业比对实验结果20
5.11样品测试22
六、结论22
主要参考文献22
一、概况
硫是维持生命的必要元素，它与植物的正常生理代谢活动密切相关，被认为是继氮、磷、钾之后植物生长发育必需的第四种营养元素[1]，其需要量与磷相当。
在作物体内，硫既是构成氨基酸、蛋白质的结构组分，又是许多酶与辅酶的活性物质，参与细胞内许多重要的代谢过程[2]：
硫的不足和过量都将引起植株体内一系列复杂的生理生化变化，如代谢产物的累积减少，影响烟株的生长发育、烟叶产量和品质等[3]。
硫也是烟草中重要元素之一，烟草中的硫是以可溶性硫酸盐被烟草吸收，多以有机硫的形式存在，主要存在于蛋白质中，还存在于烟草中的各种硫酸盐和硫化物中。
硫对烟叶质量和燃烧性有不良影响，硫含量高时，会使钾与有机酸的结合减少，降低燃烧性，并严重影响烟草的吃味。
在同等钾含量的情况下，硫对燃烧性的不良影响会远远的超过氯，法国报道了南部地区烟叶中硫与燃烧性的关系[4]，硫含量临界值为0.67%。
文献[2]报道，烟草中的硫含量随类型和栽培条件不同而变化，一般为0.2～1.0％。
文献[3]报道，烟草中的硫含量一般为0.2～0.7％。
文献[5]报道烟草中硫含量范围从烤烟中的0.4％至马里兰烟中的1.1％。
此外，烟草中的含硫化合物还来自外加香精和料液，或来自农用化学品，如杀虫剂、除草剂等。
Obi和Nakano[6]研究了烟草和烟气中的含硫物质，确定了日本烟草中硫含量在0.3%～3.0％,其中30％～60％为有机硫。
Latimer[7]列出了从烟草和烟气中鉴定出的231种含硫物质。
另外，高硫对烟叶的感官质量、抽吸品质产生负影响。
因此，能够准确测定烟草中硫的含量对控制烟草内在质量、指导生产具有重要意义。
植物中的硫除形成无机态硫存在于植物体外，还有一部分被还原为有机硫的化合物，如硫胺素、胱氨酸等。
在目前欲测定植物中的总硫，一般要先采用不同的预处理方法，如干法灰化、湿法消化、氧气燃烧法等，将植物体内的有机硫转化为无机硫，然后选用不同的分析方法进行检测。
烟草中的硫多以有机硫的形式存在，目前测定烟草中硫的方法主要集中在前处理方式（样品制备）的选择和检测手段的研究上。
常用的前处理方式一般有两种方法：
干法灰化、湿法消化。
吴名剑和李忠[8]－[9]等提出以干法灰化处理烟草样品，采用硫酸钡溶胶比浊法对烟草中的硫进行测定。
苏利霞[10]等研究了阶段升温干灰化法对烟草样品进行前处理，采用分光光度法对烟草中的硫进行分析。
方法的回收率在94％-102％之间。
Artiola[11]研究了用NaHCO3/Ag2O做为掩蔽剂，干法灰化，离子色谱进行检测测试
对干法灰化样品前处理的研究主要集中在保护剂的选择、用量。
灰化时间、温度等参数的优化确定。
湿法消化又有常规湿法消解和微波辅助消解两种，主要以肖协忠[2]等编著《烟草化学》（1997年版）中第九章推荐的方法为主，张琪[12]等提出以HNO3-HClO4湿法消煮－火焰原子吸收光谱法间接测定植物叶片中的硫，回收率在92.5％-96.3％之间。
郝红玲[13]等采用微波消解技术将各种形态的硫转化为硫酸盐，再采用离子色谱法进行分析测定烟草中全硫含量，方法加标回收率在94.8％-101.9％之间。
李田义[14]采用微波消解样品－电感耦合等离子体原子发射光谱法测定杏仁中硫含量。
Colina[15]采用微波消解－离子色谱法测试了环境样品中的总氮、总磷和总硫含量。
方法采用H2O2和甲酸做为消解溶剂，效果较好。
湿法消化的研究主要集中在消化剂选择、用量、消化温度、时间等参数的优化确定。
F.Zhao[16]和P.J.Randall[17]等讨论了测定植物中硫含量的不同湿法消解方法，HNO3+HClO4消解体系较好，同时消解温度最高不能超过190℃，否则会带来硫的损失。
R.Pöykiö[18]等讨论了使用不同消解试剂对植物样品进行消解来同时测试重金属和硫，结果表明湿法消解样品，再用ICP-AES或ICP-MS进行检测能够同时分析样品中重金属和硫含量，比较合适的消解试剂为HNO3或HNO3＋H2O2体系。
对植物中硫的检测方法很多，主要有重量法、比浊法、比色法、滴定法、电极法、气相色谱法、原子吸收法、分光光度法等。
清华大学王辉[19]提出用离子色谱法测定玉米粉中硫含量方法研究。
孙翠香[20]等提出碱熔-离子色谱法同时测定植株中氯和硫的含量。
2008年颁布的行业推荐性标准也是采用比浊进行测定[21]。
这些方法虽能够解决烟草中硫的测定问题，但有些方法如：
重量法、滴定法、比浊法等分别存在着操作繁琐、试剂用量大、分析速度慢及检测灵敏度低等缺点。
离子色谱法是20世纪70年代中期诞生的一项新的液相色谱分析技术，如今已是分析无机阴、阳离子首选方法[22]。
由于其具有操作简便、灵敏度高（检测下限可以达到低ppt级）、样品前处理简单、分析速度快、能进行多种离子同时分析的优点，近年来已在环境监测、食品、电力、医疗卫生和生化等领域得到广泛应用。
近几年来离子色谱技术在烟草行业也得到了广泛的普及和应用，目前已颁布多项采用离子色谱技术进行成分测定的行业标准。
采用离子色谱法对烟草中硫进行测定，具有操作简便、准确度高、重复性好、适用性强等优点，适用于大批量样品分析。
目前还未有相关的离子色谱检测烟草中硫的标准方法，因此有必要建立对烟草及烟草制品中硫含量的离子色谱测定标准方法。
二、标准适用范围
本标准规定了烟草及烟草制品中硫的测定－离子色谱法。
本标准适用于烟草及烟草制品中硫的测定。
三、方法原理
样品在硝酸和过氧化氢体系下，经微波消解后，将样品中硫的各种形态氧化为硫酸根离子。
消解溶液经排酸、稀释定容，溶液中硫酸根离子经阴离子交换柱分离后，采用电导检测器定量测定，并转换为样品中硫的含量。
四、实验方法
4.1仪器设备
——分析天平（SartoriusCP224S），感量0.1mg
——ICS5000多功能离子色谱仪（美国Dionex公司），配备电导检测器，阴离子抑制器ASRS300（4mm），EGC-KOH（淋洗液自动发生装置）。
推荐色谱柱：
AS11-HC阴离子交换柱（4×250mm），保护柱AG11-HC（4×50mm）
——MARS-X型微波消解仪（美国CEM公司）
——Milli-Q®Integral10型超纯水系统（美国Millipore公司）
——博通（BHW-09C）20位智能控温加热器（上海博通化学科技有限公司）
4.2试剂和材料
——除特殊要求外均使用优级纯试剂
——水，超纯水（电阻率≥18.2MΩ·cm）。
——浓硝酸，65%（质量分数）（CNW）。
——过氧化氢，30%（质量分数）（广州化学试剂厂）。
——50%氢氧化钠溶液（Sigma公司）
——硫酸根离子标准物质（1000μg/mL，中国计量科学研究院）
——Na型固相萃取小柱（强酸性阳离子交换树脂，DionexOnGuardTMⅡNa1cc）
4.3样品前处理
按YC/T31-1966制备试样[23]，并测定其水分含量。
称取0.1g试样，精确至0.1mg，置于微波消解罐，向微波消解罐中依次加入3mL浓硝酸，5mL过氧化氢，密封消解罐，置于微波消解仪中，按设置的微波消解程序（见表1）进行消解。
消解完毕，待微波消解仪炉温降至室温后取出消解罐。
同时做空白试验。
将微波消解罐置于控温电加热器中，在160℃条件下，加热赶酸至溶液约剩0.5mL。
赶酸完毕，冷却至室温后，将试样溶液转移至250mL容量瓶中，用水冲洗消解罐3次～4次，清洗液一并转移至250mL容量瓶中，用水定容，摇匀。
取5mL试样溶液，以2mL/min流速通过预先活化好的固相萃取小柱（活化方法：
取10mL水，以2mL/min流速清洗小柱，静置20分钟后使用。
），弃去前3mL溶液，收集后续溶液置于色谱瓶中，按照离子色谱分析条件测定，每个样品平行测试两次。
准工作溶液待用表1微波消解升温程序
起始温度，℃
升温时间，min
终点温度，℃
保持时间，min
室温
5
100
5
100
5
130
5
130
5
160
5
160
10
190
20
4.4色谱条件
——流动相浓度：
30mmol/LKOH（淋洗液发生器直接产生，或采用50%氢氧化钠溶液进行配制）
——柱温：
30℃
——流动相流速：
1.0mL/min
——进样体积：
10μL
——总分析时间：
12min
——检测器为电导检测器，其抑制器电流：
75mA。
4.5标准工作曲线配制
SO42-标准储备溶液：
移取10mLSO42-标准物质（1000μg/mL）至100mL容量瓶中，用水稀释定容至刻度，即配制成SO42-浓度为100μg/mL标准储备液。
于4℃冰箱中保存，有效期为1个月。
SO42-标准工作溶液：
分别移取一定体积的SO42-标准储备液，用水稀释定容。
推荐的系列标准工作溶液浓度见表2，其浓度范围应覆盖预计检测到的样品含量。
用离子色谱测定系列SO42-标准工作溶液，得到7个浓度水平的硫酸根离子积分峰面积，以峰面积为纵坐标（Y），浓度为横坐标（X）建立校正曲线，对校正数据进行线性回归分析，相关系数R应不小于0.999。
本实验建立的硫酸根离子的回归方程和相关系数见表3。
标准工作溶液和样品溶液的色谱图请见图1和图2。
表2系列标准工作溶液
SO42-系列标准
工作溶液
1#
2#
3#
4#
5#
6#
7#
浓度（μg/mL）
0.1
0.5
1.0
2.0
5.0
10
15
表3硫酸根离子的回归方程和相关系数
名称
线性回归方程
相关系数
SO42-
Y=0.1164X-0.0016
0.9999
图15.0μg/mLSO42-标准工作溶液分析色谱图
图2样品溶液分析色谱图
4.6结果的计算与表述
测定样品溶液中硫酸根离子的浓度，以干基试样计的硫含量按照式
（1）计算得出：
…………………………………
（1）
式中：
M——以干基试样计的硫含量，以百分比表示；
C——待测液测定浓度，单位为微克每毫升（μg/mL）；
V——定容体积，单位为毫升（mL）；
32——S的相对分子量
m——试样质量，单位为毫克（mg）；
w——试样水分质量分数；
96——SO42-的相对分子量。
取两个平行样品的算术平均值为检测结果，结果精确到0.001%。
平行测定结果之间的相对偏差不大于5%。
五、结果与讨论
5.1样品前处理
5.1.1微波消解体系的选择
微波消解法是一种利用微波为能量对样品进行消解的技术，目前已成为测定金属离子时消解植物样品的经典方法。
对于多种样品中总氮、磷和硫的测定，用微波消解后继用离子色谱分析已成为推荐方法[22]。
微波消解中使用的消解试剂主要有硝酸、过氧化氢、盐酸、氢氟酸、磷酸、硫酸和稀高氯酸等。
由于本方法在消解后采用阴离子交换色谱柱对消解溶液中的硫酸根离子进行检测，因此硫酸不可用，而盐酸、氢氟酸和稀高氯酸消解体系容易带来干扰离子F-和Cl－，在阴离子交换柱上这两种阴离子的保留时间均小于SO42-，它们的大量存在将干扰目标离子SO42-的准确定量。
硝酸是微波消解分析中最好的酸介质，浓硝酸是一种强氧化剂，形成可溶性硝酸盐。
硝酸常和双氧水等混合使用。
另外，硝酸是可获得极纯形式的少数商品酸之一。
同时，在大部分商品化的阴离子交换色谱柱上，在一定的流动相浓度洗脱下，NO3－的保留时间大于SO42-，硝酸的引入不会对后续硫酸根离子的准确定量检测带来干扰。
过氧化氢是微波消解中常用的一种氧化性试剂，通常加到硝酸中混合使用，能减少硝酸的使用量。
硝酸中加入过氧化氢后，可减少氮气的生成和升高消解温度，因而可加速有机样品的消化。
过氧化氢也是离子色谱分析样品前处理中最受欢迎的试剂之一，因为其背景同水相似，不会再引入新的干扰离子。
因此，本方法的消解体系选择浓硝酸和过氧化氢混和消解溶剂。
5.1.2称样量的选择
对于微波消解，一般情况下，可按样品的含碳量估算称样量，为达到最佳消解效果，样品的含碳量与消解罐体积的比值不应超过1.5mg/mL。
过大的称样量会造成消解不完全，过小的称样量会增加称量误差，同时目标物质的检测浓度较低，带来测试误差。
因此该方法选择样品称样量为0.1g。
5.1.3消解溶剂用量的选择
该方法采用HNO3－H2O2消解体系对样品进行消解，待测组分在后续的阴离子交换柱上进行分离，通过选择合适流动相浓度，使SO42-在高浓度的NO3－之前洗脱，避免了分离干扰。
但是过高的HNO3使用量，将导致样品消解液的低pH值和高离子强度，在分离时将对阴离子交换剂的交换位点进行占据，降低交换容量，影响待测组分的分离和峰型。
同时，过高的HNO3用量也将延长后续排酸时间，影响实验效率。
因此，在保证样品消解完全的基础上，尽量降低HNO3使用量。
实验称取0.1g样品，在其它条件相同的条件下，围绕不同的HNO3和H2O2用量组合的消解体系进行样品测试实验，结果见表4，相应的趋势图见图3、图4。
表4不同消解剂用量条件下样品测定结果（含量以硫酸根％计）
序号
浓HNO3（mL）
H2O2（mL）
样品结果（％）
消解液性状
1
3
0
0.865
黄色，有颗粒物
2
3
1
0.868
浅黄色，有颗粒物
3
3
3
0.920
清亮，有少许颗粒物
4
3
5
0.951
清亮
5
3
8
0.948
清亮
6
0.5
5
0.872
黄色，有颗粒物
7
1
5
0.943
浅黄色，有颗粒物
8
2
5
0.928
清亮
9
3
5
0.951
清亮
10
4
5
0.952
清亮
图3不同硝酸用量测试结果
图4不同双氧水用量测试结果
从以上图表中可知，当HNO3用量为0.5mL时，样品消解不完全，硫酸根测定值偏低；HNO3用量≥1mL时，样品均能够完全消解，在3mL时，测试结果稳定；当固定HNO3用量为3mL时，较低用量的H2O2不能充分催化硝酸将样品消化完全，H2O2用量为5mL时，足以完全消解样品。
因此，本试验采用3mLHNO3和5mLH2O2混和消解试剂对样品进行消解处理。
5.1.4消解程序的确定
聚四氟乙烯消解罐的最高使用温度为220℃，在该温度下不能长时间工作，否则会发生罐体软化变形，安全性能下降。
根据文献报道，用硝酸消解不同有机物的临界温度为[24]：
淀粉、碳水化合物样品为140℃；蛋白质类样品为145℃～150℃；糖类样品为150℃；脂肪类样品为160℃～150℃。
针对烟草样品，在消解罐安全要求前提下，选择190℃为烟草样品的最高消解温度。
各阶段消解温度及保持时间见表1。
为考察在最高消解温度下的保持时间，分别称取不同烟草类型（烤烟、白肋烟）样品各0.1g，置于微波消解罐，向其中依次加入3mL浓硝酸，5mL过氧化氢，设置微波消解程序在190℃分别保持10min、20min、30min、40min，其它试验条件相同，对样品进行测试，结果趋势图见图5和图6。
图5烤烟样品测试结果趋势图
图6白肋烟样品测试结果趋势图
从上述图中可知，在固定其它试验条件下，消解程序在最高消解温度190℃下保持10min，样品消解不完全，测试结果偏低。
190℃下保持时间≥20min时，样品消解完全，测试结果较稳定。
因此，选择微波消解程序最高温度下保持时间为20min。
5.1.5排酸条件的优化
由5.1.3可知，为保证样品消解完全，消解溶剂中HNO3用量为3mL，在将样品消解溶液定容至250mL容量瓶后，溶液中仍存在大量NO3-，浓度高达几千毫克每升。
为了降低高浓度NO3-对目标组分SO42－分离的影响，需要对样品消解液进行处理。
项目组实验了两种方法，稀释法和排酸法。
稀释法是将定容后的样品消解液进一步稀释约10倍，将NO3-浓度降至1000mg/L以下，但同时也降低了目标组分SO42－的检出浓度，其落在标准曲线的最低两点浓度之间，带来较大测试误差，多步稀释操作也会带来实验误差。
排酸法是直接将消解结束后的消解罐放入控温电加热器中，控制一定的加热温度，待消解液浓缩至一定体积时取出，定容。
由于减少了稀释步骤，排酸法在降低NO3-的同时，不会降低待侧样品溶液中SO42－的浓度，综合考虑，选择排酸法对样品消解液进行处理。
为了确定最佳排酸温度和时间，项目组选择将样品消解溶液在130℃、150℃、160℃、180℃下排酸处理，控制排酸结束时样品消解溶液体积在1mL以下，测试结果见表5。
表5不同排酸温度条件下样品测定结果（含量以硫酸根％计）
序号
排酸温度（℃）
排酸时间
样品溶液
样品含量（%）
平均值（%）
RSD（%）
1
130
5小时
约剩1.0ml
0.948
0.962
1.61
0.959
0.979
2
150
2小时10分钟
约剩1.0ml
0.955
0.968
2.00
0.990
0.958
3
160
2小时
约剩0.5ml
0.954
0.960
2.20
0.983
0.942
4
180
1小时10分钟
约蒸干
0.957
0.963
1.34
约剩0.5ml
0.978
约蒸干
0.954
从上表实验结果可知，当排酸温度在160℃以下时，排酸时间较长，同时硝酸根离子的浓度仍然较高，会对硫酸根离子测试带来干扰。
排酸温度在180℃时，排酸时间较短，但是由于控温电加热器的加热孔道不均匀，有些孔道中的消解液会在很短时间内蒸发至干，终点难以控制。
因此，综合考虑，选取160℃进行消解液排酸处理。
5.1.6固相萃取柱的选择
样品消解液经过排酸处理，再稀释定容后，虽然溶液中硝酸根离子浓度大为降低，但溶液中还存在大量碱土金属离子和过渡金属离子，且溶液pH值仍较低，呈强酸性。
大量过渡金属离子的存在将污染抑制器内的微膜[22]，降低抑制器的抑制容量，降低检测灵敏度，同时过渡金属离子将造成色谱柱的污染，影响分离度。
较低的pH值也会降低流动相的洗脱能力，进而影响分离效率。
综合以上，需要考虑对上机测试前的样品进行净化处理。
目前在离子色谱分析中，使用较多的样品净化方式是采用OnGuardII样品前处理系列小柱，即固相萃取小柱进行样品预处理。
根据不同的用途，该系列固相萃取小柱包括10种类型，两种容量规格（1.00cc和2.5cc）。
其中OnGuardIINa型固相萃取小柱为强酸性阳离子交换柱，其基质为苯乙烯聚合物，交换表面为交联度16％的Na型磺酸基功能团，该固相萃取柱可以有效去除溶液中的大量碱土金属离子和过渡金属离子，同时能够调节酸性溶液的pH值至中性。
该小柱可以方便的与5mL注射器针筒进行连接手动使用，也可以在自动固相萃取仪上使用。
按照OnGuardIINa柱使用说明的要求，使用前先取10mL纯水，以不大于2mL/min的流速清洗活化小柱，然后静置20分钟后使用。
处理样品时取5mL试样溶液，以2mL/min流速通过预先活化好的固相萃取小柱，弃去前3mL溶液，收集后续2mL溶液进行样品测试。
为了考察该固相萃取小柱的去除效率，项目组采用ICP-MS联用仪对过柱前后的样品溶液中重金属进行检测，测试结果如表6所示。
表6OnGuardIINa柱对重金属去除效率测定结果（浓度为μg/L）
重金属组分
铬
镍
砷
硒
镉
铅
过柱前浓度
1.147
5.047
2.127
1.543
16.305
10.435
过柱后浓度
0.020
0.024
1.776
0.453
0.024
0.012
去除率（％）
98.26
99.52
16.50
70.64
99.85
99.89
从上表中可知，除重金属砷外，该柱对大部分重金属离子的去除效果较好。
由于该柱的容量规格为1.00cc（即交换容量为2.0-2.2meq/支），通过实验，当收集样品溶液体积大于5mL时，该小柱交换容量达到饱和，失效。
因此，使用时仅收集后续2mL溶液样品进行上机测试。
5.2离子色谱分析柱的选择
本方法采用在硝酸和过氧化氢体系下，样品经微波消解后，将其中硫的各种形态氧化为硫酸根离子，再利用离子色谱阴离子交换柱对溶液中硫酸根离子进行分离测试，转换为样品中硫的含量。
虽然样品经过排酸处理，但是待测溶液中仍有一定量的硝酸根离子存在，且硝酸根离子和硫酸根离子一样在阴离子交换分离柱上有保留。
因此，对于离子色谱分析柱的选择的基本原则就是：
在分离过程中硝酸根离子不会对硫酸根离子带来干扰。
项目组使用硝酸根离子和硫酸根离子的混和标准溶液，考察了不同阴离子分离柱的性质和在标准测试条件下对二者的分离情况（分离柱规格均为4×250mm，配4×50mm规格的保护柱），如下表所示：
从表7知，由于各个阴离子分离柱的性质不同，当采用AS16柱、AS17柱和AS19柱时，硝酸根离子的保留时间在硫酸根离子之前，将会干扰样品测试。
AS15柱可以满足要求，但是分析时间稍长。
AS11-HC柱和AS20柱均能满足要求，考虑AS11-HC柱是同时分析样品中无机阴离子和有机酸根离子的常用柱，行业各家实验室均有配备，为了充分利用现有资源，项目组选用AS11-HC柱做为样品分离色谱柱。
表7不同阴离子分离柱对硝酸根离子和硫酸根离子分离情况表
分离柱
柱容量（μmol）
疏水性
SO42－保留时间（min）
NO3－保留时间（min）
IonPacAS11-HC
290
中低
5.257
6.997
IonPacAS15
225
中－高
7.501
11.823
IonPacAS16
170
非常低
6.952
5.001
IonPacAS17
30
低
14.324
10.089
IonPacAS19
240
低
12.412
9.985
IonPacAS20
310
低
4.982
6.363
5.3色谱条件的优化
色谱柱选择后，项目组采用其中常见无机阴离子的混和标准溶液，对离子色谱分离条件进行了优化，主要考察了流动相KOH的柱流速和浓度对测试的影响。
具体见表8。
测试色谱图见图7和图8。
表
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