石墨消解儀-自動定氮法測定植物果實中的全氮

吳剛，張兆法，宋凡，劉顯，馬會春，龐雪敏，張佳林，柳燕云

(河北省地質(zhì)實驗測試中心，河北 保定 071000)

大量研究表明，氮元素是植物樹體正常生長發(fā)育以及生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)果實的根本，氮元素的含量直接影響植物生長健康狀況和優(yōu)質(zhì)果實的產(chǎn)量，是衡量植物果實產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標(biāo)[1-5]。分析檢測植物果實中的氮元素，能夠掌握植物果實中氮元素的含量情況，根據(jù)氮元素的含量采取相應(yīng)的技術(shù)手段有助于確保植物健康生長，提高優(yōu)質(zhì)果實的產(chǎn)量。

目前分析測定植物中全氮的方法為傳統(tǒng)凱氏定氮法[6-9]，該方法應(yīng)用于食品、土壤樣品等多個領(lǐng)域[10-14]，能夠測定全氮的含量。傳統(tǒng)凱氏定氮法使用的主要儀器為消化爐和凱氏定氮儀，消化爐用于樣品消解，凱氏定氮儀用于測定化合物或混合物中的總氮[15-16]。消化爐雖然加熱消解設(shè)備成本低，但消解時間長，加熱不均勻，加熱溫度不易控制，如果升溫過快會導(dǎo)致樣品飛濺或白煙逸出，導(dǎo)致測試結(jié)果偏低，而且在樣品處理過程中需要現(xiàn)場觀察。凱氏定氮儀需要人工操作的環(huán)節(jié)較多，自動化程度較低。傳統(tǒng)凱氏定氮法雖應(yīng)用比較廣泛，但分析流程耗時長，消解時間約90min，蒸餾時間約10～20min，并且容易產(chǎn)生人為誤差，人力與物力的消耗較大[17]。

石墨消解儀[18]加熱均勻，可以通過數(shù)字顯示面板對溫度進(jìn)行控制，能防止樣品飛濺，節(jié)省人力和時間成本。全自動定氮儀可以提高工作效率、減少勞動強(qiáng)度并且能減少分析測定過程中的人為誤差，確保測試結(jié)果真實、準(zhǔn)確[19]，多應(yīng)用于食品、化肥等樣品中氮元素的分析測定[20-21]。本文使用石墨消解儀對植物果實樣品進(jìn)行預(yù)處理，使用全自動定氮儀分析測定全氮含量，通過研究稱樣量、樣品消解溫度和消解時間、自動定氮儀的蒸餾時間等因素對全氮測定結(jié)果的影響，確定了最佳的分析測試條件及測試流程，建立了采用石墨消解儀消解，全自動定氮儀測定植物果實中全氮的分析測試方法。

1 實驗部分

1.1 儀器

GM200植物樣品破碎機(jī)(德國Retsch公司)；SH220F石墨消解儀(濟(jì)南海能儀器股份有限公司)；K1100F全自動凱氏定氮儀(濟(jì)南海能儀器股份有限公司)。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)溶液和主要試劑

鹽酸標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液：參照GB/T 601—2002《化學(xué)試劑 標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液的制備》配制，按規(guī)定量取鹽酸，注入1000mL水中，搖勻。

標(biāo)準(zhǔn)溶液的標(biāo)定：按規(guī)定稱取已于270～300℃高溫爐中灼燒至恒重的工作基準(zhǔn)試劑無水碳酸鈉，溶于50mL水中，加10滴溴甲酚綠-甲基紅指示液，用配制好的鹽酸滴定至溶液由綠色變?yōu)榘导t色，煮沸2min，冷卻后繼續(xù)滴定至溶液再呈暗紅色。同時做空白試驗。

40%氫氧化鈉溶液：稱取400g氫氧化鈉(分析純)，溶于水，用水稀釋至1000mL。

2%硼酸溶液：稱取20g硼酸(分析純)，溶于水，用水稀釋至1000mL。

甲基紅-溴甲酚綠指示液：參照GB/T 603—2002《化學(xué)試劑試驗方法中所用制劑及制品的制備》制備溶液Ⅰ和溶液Ⅱ。溶液Ⅰ制備方法：稱取0.1g溴甲酚綠，溶于95%乙醇中，用95%乙醇稀釋至100mL。溶液Ⅱ制備方法：稱取0.2g甲基紅，溶于95%乙醇中，用95%乙醇稀釋至100mL。取30mL溶液Ⅰ和10mL溶液Ⅱ混勻制備成指示液。

催化劑：硫酸鉀-無水硫酸銅(10∶1，質(zhì)量比)。

濃硫酸：分析純。

1.3 實驗樣品

實驗樣品選用蘋果、柑橘、圓白菜、茶葉、葡萄等多種植物果實，這些樣品的氮含量跨度范圍較大，具有代表性。

國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW10019(蘋果)、GBW10020(柑橘)、GBW10014(圓白菜)、GBW10016(茶葉)；新鮮葡萄果實(樣品編號為A、B、C)；蘋果、柑橘、圓白菜實際樣品。

1.4 實驗步驟

1.4.1樣品加工

將新鮮植物果實樣品使用蒸餾水反復(fù)清洗干凈，置于GM200植物樣品破碎機(jī)中進(jìn)行處理并且充分混勻，置于純凈容器中待取樣。

1.4.2樣品消解

稱取0.20g已破碎的植物果實樣品置于消化管內(nèi)，加2g硫酸鉀和硫酸銅混合催化劑，加10mL濃硫酸，加蓋與消化管配套的回流塞，放置于石墨消解儀上。將石墨消解儀設(shè)定消解溫度為400℃，共消解50min。消解完全的樣品溶液呈澄清的藍(lán)綠色，此時樣品消解完全。

1.4.3蒸餾滴定

將消解完全的樣品靜置冷卻至室溫，然后開始蒸餾，蒸餾滴定全部由自動定氮儀完成。將40%氫氧化鈉溶液、蒸餾水、硼酸、甲基紅-溴甲酚綠指示液分別加入自動定氮儀相應(yīng)的裝置內(nèi)。打開自動定氮儀和循環(huán)冷卻水，將與自動定氮儀配套的消化管安置于自動定氮儀相應(yīng)的位置上。設(shè)置參數(shù)，選擇常規(guī)分析，根據(jù)實際設(shè)置樣品稱樣量(本實驗稱樣量為0.20g)，設(shè)置加入硼酸與甲基紅-溴甲酚綠指示液的體積為15mL，加入氫氧化鈉溶液的體積為40mL，蒸餾時間為3min，鹽酸滴定液濃度為0.0257mol/L，點擊確定，即開始蒸餾。接下來自動定氮儀會根據(jù)設(shè)置的參數(shù)加入相應(yīng)的溶液，在消化管內(nèi)蒸餾，蒸汽經(jīng)過自動定氮儀內(nèi)部的冷凝系統(tǒng)3min后蒸餾完成，儀器顯示面板上會顯示消耗鹽酸滴定體積和含氮量，即完成了此樣品的蒸餾滴定。

2 結(jié)果與討論

2.1 稱樣量的選擇

一般來說，樣品的稱樣量會依照樣品含氮量和均勻程度來定。減少稱樣量可以縮短消解時間，在保證樣品均勻的情況下，適當(dāng)增加稱樣量可以減少系統(tǒng)誤差，提高實驗準(zhǔn)確性。當(dāng)稱樣量過大時，耗氧量則會增加，試樣可能會因反應(yīng)不充分導(dǎo)致系統(tǒng)誤差增大[22]。隨著稱樣量的增加，消解過程中需要更多的濃硫酸，會增加實驗成本和環(huán)境污染[23]。所以，實驗過程中將稱樣量控制在合理的范圍內(nèi)非常重要。

由圖1可以看出，隨著稱樣量的增加，在其他影響因素保持一致時，稱樣量在0.20～1.00g時，消解的效果最好，全氮的測定值相對穩(wěn)定。當(dāng)稱樣量超過1.00g時，隨著樣品稱取質(zhì)量的增加，全氮的測定值有明顯的下降趨勢，尤其對氮含量大于20000mg/kg的樣品，下降更加明顯。故本實驗為確保分析測定結(jié)果的準(zhǔn)確性，稱樣量控制在0.20～1.00g之間，比傳統(tǒng)方法的稱樣量小了0.3～1g，縮短了反應(yīng)時間，減少了成本消耗和對環(huán)境的污染。

圖1 樣品稱樣量對全氮測定值的影響

2.2 消解溫度和消解時間的選擇

在確定樣品的稱樣量之后，消解儀設(shè)置的消解溫度和消解時間是實現(xiàn)批量消解樣品、提高分析效率的重要指標(biāo)[24]。將稱樣量為0.20g的5個植物樣國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)用石墨消解儀進(jìn)行消解，石墨消解儀設(shè)置溫度分別為320℃、350℃、400℃、450℃。

石墨消解儀加熱快、保溫性好，能夠保證反應(yīng)所需要的溫度。催化劑和濃硫酸都是足夠能使樣品充分發(fā)生反應(yīng)。在樣品消解過程中，當(dāng)溫度較低時，消解反應(yīng)不完全而導(dǎo)致結(jié)果偏低；當(dāng)溫度較高時，生成的硫酸氫銨也會分解，釋放出氨而造成損失，使氮的測定值偏低[25]。同時，與石墨消解儀配套的消化管較長，加蓋防止白煙逸出的回流塞，能夠有效控制反應(yīng)產(chǎn)生的白煙在管內(nèi)的回流。

通過比較不同消解溫度下氮的測定結(jié)果(表1)可知，在400℃時國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中氮的測定值與其認(rèn)定值的相對誤差在不確定度范圍內(nèi)，說明400℃是最佳的消解溫度。

通過上述實驗，可以看出樣品消解的最佳溫度為400℃，在確定消解溫度后，進(jìn)一步對消解時間進(jìn)行研究。由圖2a可知，消解時間<50min時，隨著消解時間的延長，全氮的測定值也隨之增加；當(dāng)消解時間在50～70min之間時，全氮的分析測定結(jié)果并無明顯差異。根據(jù)陳春霏等[26]和李玉華等[27]研究得知，消解時間過長，硫酸的大量消耗容易使硫酸氫銨分解，同時消解時間過長還可能致使溶液蒸干生成難以蒸餾的物質(zhì)，導(dǎo)致氮的測定結(jié)果偏低。同時，反應(yīng)產(chǎn)生的廢液也會更多，對環(huán)境造成污染。因此，為了節(jié)約成本和保護(hù)環(huán)境，分析測試中的消解時間控制在50min左右為佳，與傳統(tǒng)方法所需的時間90min相比，有效縮短了消解時間。

表1石墨消解儀不同溫度下全氮的測試結(jié)果

Table 1 Analytical results of total nitrogen digested by graphite digestion apparatus at different temperatures

樣品全氮含量測定值(mg/kg)320℃350℃400℃450℃全氮含量認(rèn)定值(mg/kg)GBW1001927392840309828423100GBW100202063022400247472268124700GBW100142204325860280022589628000GBW100163807447210500464706351000樣品A1517170418521712-樣品B7629981092991-樣品C1411165818021703-

圖2 消解時間(a)和蒸餾時間(b)對全氮測定結(jié)果的影響

2.3 蒸餾時間的選擇

在確定最佳消解溫度和消解時間后，影響分析測試時間成本的另一個因素則是蒸餾滴定時間。傳統(tǒng)定氮法的蒸餾時間是根據(jù)觀察樣品的顏色變化來判斷的，蒸餾滴定一個樣品的時間大約在10～15min。全自動定氮儀蒸餾樣品的過程全部在全自動定氮儀內(nèi)部完成，不僅能夠縮短蒸餾時間[28]，還可以避免樣品在流轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的誤差[29]，且蒸餾的重現(xiàn)性和蒸餾效率均明顯提高[30]。

蒸餾時間對分析測試結(jié)果有直接的影響[31]。當(dāng)蒸餾時間太短，樣品中的氨沒有完全蒸餾出來，會導(dǎo)致測試結(jié)果偏低；當(dāng)蒸餾時間過長，則會浪費人力物力。因此，確定合適的蒸餾時間是十分必要的。由圖2b可以看出，當(dāng)蒸餾時間控制在1～2min時，氮的測定值偏低，這是因為蒸餾不完全造成的；而當(dāng)蒸餾時間控制在3～5min時，氮的測定值趨于穩(wěn)定。為了減少時間和人力物力成本，在稱樣量為0.20g、消解溫度為400℃、消解時間為50min的條件下，全自動定氮儀的蒸餾時間設(shè)定為3min，比傳統(tǒng)定氮法的蒸餾時間縮短將近7～17min。

2.4 方法準(zhǔn)確度和精密度

采用石墨消解儀消解，自動定氮儀對標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW10019、GBW10020、GBW10014、GBW10016進(jìn)行12次分析測定，考察測量方法的精密度和準(zhǔn)確度，測試結(jié)果列于表2。該方法的相對誤差小于5%，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)小于5%，準(zhǔn)確度和精密度良均優(yōu)于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY/T 2419—2013規(guī)定的相關(guān)技術(shù)要求。

3 結(jié)論

傳統(tǒng)凱氏定氮法的分析流程繁瑣、測試時間長、消耗的人力物力和時間成本較大。傳統(tǒng)的消解方式難以精準(zhǔn)地控制溫度，樣品容易在加熱過程中飛濺，導(dǎo)致測試結(jié)果偏低。本文建立了石墨消解儀消解，全自動定氮法測定植物果實樣品中全氮的分析測試體系，簡化了分析測試流程，縮短了分析時間，提高了準(zhǔn)確度和精密度。加蓋回流塞防止了樣品飛濺，有效減少了人為誤差，能滿足實驗室快速、準(zhǔn)確檢測大批量植物果實樣品中全氮的需求。

表2準(zhǔn)確度和精密度實驗

Table 2 Accuracy and precision tests of the method

標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)編號全氮含量(mg/kg)認(rèn)定值12次測定值平均值相對誤差(%)RSD(%)GBW1001931003043305030283115307030993052307030583098305930893069-1.000.8GBW100202470024110240052474724608242842416224114241522469224851248452439824414-1.161.3GBW1001428000278382778527461282082879627900287962787327567287082765828002280490.181.7GBW100165100050926511955026450538505415052350541506505004650770507825035650594-0.800.6

本實驗方法在樣品消解過程中，能夠通過石墨消解儀控制消解溫度，但由于凱氏定氮瓶并不是完全封閉的容器，其消解效果有待提高，今后可以考慮采用密閉容器來解決該問題。