硫酸—過氧化氫法消化測定煙草中的總氮和鉀含量

寇天舒 陳偉華 張艷芳等

摘要[目的]探索一種同時快速測定煙草中總氮和鉀的方法，以提高煙草中總氮的消化速度，避免有毒氧化汞的使用。[方法]對連續(xù)流動法測定總氮的消解方法進(jìn)行改進(jìn)，選用5∶2（V∶V）的硫酸-過氧化氫混合液消解煙草樣品，然后用連續(xù)流動分析儀同時測定總氮和鉀，并與相關(guān)文獻(xiàn)方法的測定結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)比對。[結(jié)果] 選用5∶2（V∶V）的硫酸-過氧化氫混合液消解煙草樣品，改進(jìn)后此方法的消化時間相比原方法縮短約2 h，且可同時測定鉀元素；方法的RSD小于3%，總氮和鉀的平均加標(biāo)回收率分別為98.2%、98.7%。[結(jié)論]采用改進(jìn)的方法消解煙草樣品，可減少消化時間，且重復(fù)性好、準(zhǔn)確度高，可用于煙草中總氮和鉀的快速批量測定。

關(guān)鍵詞連續(xù)流動法；總氮；鉀；硫酸-過氧化氫；消化

中圖分類號S572文獻(xiàn)標(biāo)識碼A文章編號0517-6611（2016）04-126-04

Determination of Total Nitrogen and Potassium in Tobacco by Sulfuric Acid–Hydrogen Peroxide Digestion Method

KOU Tianshu， CHEN Weihua*， ZHANG Yanfang et al （Technology Center of China Tobacco Hebei Industrial Co. Ltd.， Shijiazhuang， Hebei 050051）

Abstract[Objective] The aim was to explore a method for simultaneously and rapidly determining total nitrogen and potassium in tobacco， improve the digestion rate of TN， avoid the use of mercuric oxide. [Method] The digestion method of continuous flow to total nitrogen was improved.Sulfuric acidhydrogen peroxide with 5∶2（V∶V） was used to digest tobacco samples， TN and K was determined by continuous flow analyzer， the results were compared with literature method. [Result] The results showed that： The digestion time of improved method decreased two hours and could be used to determine K simultaneously； the RSD was lower than 3%， the average recoveries of TN and K were 98.2% and 98.7%， respectively. [Conclusion] Using the improved method for tobacco digestion is timesaving， accurate and repeatable， which can be applied for rapid determination of TN and K in tobacco.

Key wordsContinuous flow method； Total nitrogen； Potassium； Sulfuric acid–Hydrogen peroxide； Digestion

總氮和鉀是各級煙草質(zhì)檢機(jī)構(gòu)的日常檢測項目之一，其含量是評價煙草及煙草制品品質(zhì)的重要指標(biāo)[1]。氮含量與卷煙煙氣中主要有害成分的釋放密切相關(guān)[2]，鉀是煙草中主要的無機(jī)元素之一，也是評價煙葉燃燒性的重要指標(biāo)。煙草中總氮的測定主要有連續(xù)流動法[3-6]、元素分析法[7]、化學(xué)發(fā)光法[8]和分光光度法[9]等，這些方法的前處理或簡單或復(fù)雜，采用最多的是濃酸配合不同的催化劑消化，但相對都有一定的缺點(diǎn)。連續(xù)流動分析儀具有結(jié)構(gòu)靈活、原理簡單、速度快、成本低等優(yōu)點(diǎn)，已成為煙草行業(yè)應(yīng)用最普遍的分析儀器[10-11]。目前，煙草中總氮和鉀的測定主要采用連續(xù)流動法[12-13]，總氮的測定采用濃硫酸配合催化劑氧化汞和硫酸鉀消化煙草樣品，氧化汞有毒，對人體和環(huán)境不利；鉀采用水或5%的乙酸萃取，一些結(jié)合態(tài)的鉀不能轉(zhuǎn)變成鉀離子，影響測定結(jié)果的準(zhǔn)確度。在酸性條件下，過氧化氫的氧化性加強(qiáng)，且與酸混合后能降低酸的沸點(diǎn)，可迅速將樣品中的有機(jī)質(zhì)分解，配合硫酸等已廣泛用于植物樣品[14-15] 與水樣[16]的消解中。李玲等[17]、汪長國等[18]用濃硫酸與過氧化氫混合消化液快速消解并測定了煙草中的蛋白質(zhì)含量。

筆者參考前人研究，用濃硫酸-過氧化氫混合液對文獻(xiàn)[12]的消化條件進(jìn)行試驗和改進(jìn)，其原理是在濃硫酸及氧化劑過氧化氫的作用下，煙草中的有機(jī)含氮物質(zhì)經(jīng)過強(qiáng)熱消化分解，氮被轉(zhuǎn)化為氨，在堿性條件下，氨被次氯酸鈉氧化為氯化銨，進(jìn)而與水楊酸鈉反應(yīng)生成靛藍(lán)染料并于波長660 nm處比色測定。該方法避免了劇毒氧化汞和干擾鉀測定的硫酸鉀的使用，并將整個消化過程縮短至1 h左右，消化液無需過濾，待測液同時可測定鉀，方法準(zhǔn)確、快速、環(huán)保。筆者采用濃硫酸-過氧化氫消化煙葉樣品，同時結(jié)合連續(xù)流動分析法，旨在探索一種能同時快速測定煙草中總氮和鉀的方法。

1材料與方法

1.1材料供試原料：國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)烤煙標(biāo)樣GBW0862，青州煙草研究院；煙葉樣品，河北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心。

主要試劑：硫酸銨、硫酸鉀、酒石酸鉀鈉、磷酸氫二鈉、氫氧化鈉、水楊酸鈉、亞硝基鐵氰化鈉、氯化納、次氯酸鈉（AR），國藥集團(tuán)；濃硫酸（AR），北京試劑廠；30%過氧化氫（AR），德國莫克；30%Brij35水溶液，德國布朗盧比公司。

主要儀器：AA3型連續(xù)流動分析儀，德國布朗盧比公司；控溫消化器（DigiBlock EHD36），萊伯泰科（Lab Tech）；410 型火焰光度計，Sherwood 公司；AB204S電子天平（感量0.000 1 g），瑞士梅特勒公司；MilliQ Element純水機(jī)，美國Millipore公司。

1.2方法

1.2.1濃硫酸-過氧化氫消化液的制備、消化與分析。量取200 mL 30%過氧化氫于1 000 mL燒杯中，將燒杯置于流動冷水浴中，緩慢加入500 mL濃硫酸，邊加入邊緩慢搖動，盡量控制溶液溫度在50 ℃之內(nèi)，以防止過氧化氫分解。

準(zhǔn)確稱取0.1 g煙末樣品于50 mL消化管內(nèi)，加入1 mL蒸餾水浸潤樣品，用定量加液器加入5 mL消化液，與樣品同時做空白試驗，置入控溫消解儀上按以下程序消解：室溫→250 ℃（保持10 min，取出冷卻5 min，緩慢滴入0.5 mL 過氧化氫）→370 ℃（保持30 min）。完成消化后，取出稍冷后定容至50 mL，取適量樣品進(jìn)行連續(xù)流動分析，檢測條件參照文獻(xiàn)[12-13]。

1.2.2消解劑比例的優(yōu)化。配制5∶1、5∶2、5∶3（V/V）的濃硫酸-過氧化氫混合液，稱取0.1 g烤煙標(biāo)樣GBW0862煙草樣品，分別加入5 mL不同體積比的消化液，置于消化器消化至溶液無色透明，定容后進(jìn)行連續(xù)流動測定。

1.2.3消解過程的優(yōu)化。選用烤煙標(biāo)樣GBW0862煙草樣品，準(zhǔn)確稱取0.1 g樣品于消化管內(nèi)，用滴管加1 mL蒸餾水使樣品濕潤，用定量加液器加入5 mL消化液，置于消化爐上加熱，約2～3 min后消化液沸騰，產(chǎn)生大量白色氣體，固體顆粒很快分解溶化，管內(nèi)液體呈無色。約10 min，消化爐溫度升至約100 ℃時，反應(yīng)趨于緩和且不再有氣泡產(chǎn)生，繼續(xù)升溫至250 ℃并消煮10 min至管內(nèi)硫酸回流，溶液呈淺黃色或褐色，取下稍冷，分別緩慢滴入0.5 mL 30% 的過氧化氫，接著升溫至370 ℃后消煮30 min即可結(jié)束，消解液澄清透明，整個操作過程約1 h。

2結(jié)果與分析

2.1消解劑的選擇 YC/T161-2002的消鮮方法用催化劑氧化汞和增溫劑硫酸鉀與濃硫酸混合消解煙末樣品，消解前一次性加入，以提高消化液的沸點(diǎn)，加速有機(jī)物質(zhì)分解。然后采取程序升溫法：150 ℃保溫1 h，370 ℃保持1 h，但是試驗過程中發(fā)現(xiàn)，低溫時濃硫酸使樣品和加入物鈍化，不能充分碳化，高溫1 h回流時不能充分消解，試管壁上容易黏附黑色絲狀的殘留物，需要過濾方能測定。因此，該試驗對YC/T 161-2002的消解方法進(jìn)行了探索改進(jìn)。

由于濃硫酸沸點(diǎn)較高，單純用來消化樣品頗為費(fèi)時，為了避開可引入鉀離子干擾的硫酸鉀和有劇毒的氧化汞的使用，選用濃硫酸配合氧化劑消解煙末樣品。常用的氧化劑有H2O2和高氯酸，濃硫酸-高氯酸法消解時間短但不穩(wěn)定，氮易損失，因此該試驗選擇濃硫酸和氧化劑H2O2混合配比的消解劑。

2.2消解劑比例的確定通過連續(xù)流動法，測定不同消解劑比例的消化液中總氮和鉀的含量。由表1可以看出，消解劑比例5∶2和5∶3的消化液均能使0.1 g煙末樣品消解完全，但當(dāng)比例為5∶1時需要加入2次過氧化氫才能消解完全，且高溫保持時間較長（2 h）；比例為5∶2和5∶3時在高溫階段1次加入過氧化氫，只需保持約30 min消化液即變無色澄清，由于消解液需保持一定的酸度形成NH4+，最終選擇5∶2（V/V）的濃硫酸-過氧化氫作為消化液。

2.3消解過程的優(yōu)化以往報道中[14-15]，采用濃硫酸-過氧化氫法消解植株中總氮主要是將適量樣品和濃硫酸加于消化管中放置過夜（或直接消化），先于消煮爐上加熱至開始冒出大量白煙時，冷卻并滴加數(shù)滴過氧化氫，振蕩后繼續(xù)放于消煮爐上加熱至冒白煙沸騰，待白煙減少取出稍冷卻，再滴加數(shù)滴過氧化氫繼續(xù)消煮，如此反復(fù)，每次滴加的過氧化氫量均要比前次減少2滴，直至最后溶液澄清無色。此法消解過程每個樣品需要加3～5 次過氧化氫才能使消化液清澈，繁瑣費(fèi)時，不適合批量樣品的同時消解。目前，許多實驗室使用遠(yuǎn)紅外消化爐及其配套的消化管，采用程序升溫，可克服濃硫酸-過氧化氫消化法的不足，因此該試驗考察了預(yù)先加入濃硫酸和過氧化氫的混合液對消解過程和測定結(jié)果的影響。

采用過氧化氫和濃硫酸在低溫下同時加入樣品，這不僅減少了高溫時加過氧化氫的次數(shù)，可使操作簡便、節(jié)省時間，而且因為溫度低而有效地防止了消化物溢出。由于開始消化時，管內(nèi)硫酸濃度低，液體溫度不高，雖然管內(nèi)仍有較多過氧化氫存在，也不會造成氮素?fù)p失。

2.4工作曲線、重復(fù)性及回收率稱取適量烘干的硫酸銨、硫酸鉀配制成1 000 mg/L的含氮和鉀的儲備液，分別準(zhǔn)確移取0.25、0.50、1.00、1.50、2.00 mL的儲備液置于50 mL消化管中按文獻(xiàn)[12]所述方法同樣品一起消解定容，得到濃度為5、10、20、30、40 mg/L含氮、鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液。上機(jī)運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)樣品，得到標(biāo)準(zhǔn)工作曲線方程和相關(guān)系數(shù)分別為：y=1.006 3x-0.119 6（R2=0.999 8）、y=1.001 5x-0.186 5（R2=0.999 7）。

稱取烤煙標(biāo)樣，消化后重復(fù)檢測6次，由表2可知方法的重復(fù)性與精密度。選取有代表性的烤煙、白肋煙和香料煙樣品，分別在已知總氮和鉀含量的樣品中加入高、中、低濃度的氮、鉀儲備液，分別檢測其含量，計算回收率。由表2和表3可以看出，改進(jìn)的方法的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于3%，與標(biāo)準(zhǔn)值的相對偏差均為0.99%，平均回收率分別為98.2%和98.7%，說明方法的重復(fù)性好，準(zhǔn)確度較高。

2.5改進(jìn)的方法與文獻(xiàn)法檢測結(jié)果的比對選用幾種不同類型、等級和部位的煙草樣品，分別采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和改進(jìn)的前處理方法及測定方法進(jìn)行對比測定，測定結(jié)果見表4。將表4中的測定數(shù)據(jù)進(jìn)行配對t測驗，由表5可知，用改進(jìn)的濃硫酸-過氧化氫消化法處理樣品，在0.05的顯著水平下，總氮和鉀的測定結(jié)果與文獻(xiàn)法比較無顯著差別，即說明方法間無顯著差異。

3結(jié)論

濃硫酸-過氧化氫混合液消解煙草樣品時，過氧化氫和濃硫酸在低溫下同時加入樣品，這不僅減少了高溫時加過氧化氫的次數(shù)，使操作簡便、節(jié)省時間，而且因為溫度低而有效地防止了消化物溢出。相比文獻(xiàn)[12]，改進(jìn)的方法減少了消化時間，同時避免了氧化汞、硫酸鉀的使用，消化液可同時測定煙草中的鉀素。改進(jìn)的方法重復(fù)性好，準(zhǔn)確度較高，快速環(huán)保，可對批量樣品中的總氮和鉀連續(xù)測定。

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