氧化燃燒—氣相色譜法測定土壤中的有機碳含量

胡夢穎，徐進力，朱穎濤，張鵬鵬，張靈火，徐紅納，白金峰，張勤

(1.中國地質(zhì)科學(xué)院 地球物理地球化學(xué)勘查研究所，河北 廊坊 065000； 2.聯(lián)合國教科文組織全球尺度地球化學(xué)國際研究中心，河北 廊坊 065000； 3.交通運輸部 天津水運工程科學(xué)研究所， 天津 300456； 4.牡丹江醫(yī)學(xué)院 藥學(xué)院，黑龍江 牡丹江 157011)

0 引言

作為陸地生態(tài)系統(tǒng)中重要和活躍的有機碳庫，土壤有機碳庫儲量約為植被碳庫的2倍，是全球碳循環(huán)的重要環(huán)節(jié)[1-2]。土壤有機碳具有多種特性，使其可以改變土壤的性質(zhì)，同時其含量高低直接影響其他元素在土壤中的遷移和轉(zhuǎn)化過程。通過地球化學(xué)樣品中有機碳的含量指標(biāo)，可以進一步研究土壤中其他常量或微量元素儲量及其特征，因此土壤有機碳是評價土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)[3-5]，準(zhǔn)確測定土壤中有機碳含量具有重要意義。同時，有機碳在中國地質(zhì)調(diào)查局比例尺為1∶20萬、1∶25萬的多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查樣品中，也是必須分析的元素指標(biāo)。

測定土壤有機碳的方法主要分為氧化方法和測定方法兩種[6]?，F(xiàn)有氧化方法主要分為干法氧化(燃燒法)和濕法氧化(酸化法)，而測定方法則包括了滴定法、比色法、容量法、質(zhì)量法、光度法、氣相色譜法、壓力計法等[7-10]。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(international organization for standardization, 簡稱ISO)對于有機碳的分析標(biāo)準(zhǔn)方法主要推薦兩種：一種使用重鉻酸鉀對樣品進行氧化，利用比色法測定有機碳含量[11]；另一種是利用燃燒氧化，將有機碳氧化為CO2，再通過滴定法、電導(dǎo)法、質(zhì)量法、氣相色譜法以及紅外法等方法進行測定，通過生成氣體的含量計算得出有機碳的含量[12]。其中重鉻酸鉀氧化法不僅對環(huán)境有一定的污染，同時也常受到難以控制加熱條件、人為操作誤差較大等因素影響從而產(chǎn)生一定偏差[13-14]。

隨著儀器集成技術(shù)的發(fā)展進步，近年來，元素分析儀被大量用于快速測定C、H、N、S單個或組合元素含量[15-25]，其測定原理為高溫燃燒氧化—氣相色譜檢測，即樣品在石英管內(nèi)富氧環(huán)境中高溫燃燒分解，被測組分轉(zhuǎn)變?yōu)镃O2、H2O、SOX、NOX的混合氣體；生成的混合氣體再經(jīng)過Cu還原，NOX被還原為N2，SOX還原成SO2，并吸收多余的O2；混合氣體在載氣(He)的推動下進入色柱譜進行分離，分離的氣體依次進入熱導(dǎo)檢測器(TCD)檢測(圖1)；TCD檢測器給出與各組分濃度成正比的電信號，軟件根據(jù)組分的信號值和對應(yīng)元素的校正曲線，分別計算相應(yīng)組分含量。前人利用元素分析儀測定元素含量均取得了較好的結(jié)果，如程思海等[18]確定了元素分析儀的最佳工作條件，用于測定海洋沉積物中硫的含量；于兆水等[16,24]利用元素分析儀分析了包括有機碳和無機碳的總碳；高翠萍等[21,25]利用元素分析儀測定了土壤中有機碳及全氮含量。但在測定有機碳方面，多采用酸洗法進行多次處理樣品后再進行測定，操作較為繁瑣。筆者通過對元素分析儀的工作條件進行優(yōu)化，以及對土壤樣品進行簡單前處理方法的研究，建立了氧化燃燒—氣相色譜法測定土壤樣品中有機碳的方法，并采用國家一級土壤成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進行分析驗證，取得了較好的結(jié)果。

圖1 儀器工作原理Fig.1 Working principle of the instrument

1 實驗部分

1.1 儀器及主要試劑

意大利Euro Vector公司EA3000型元素分析儀。

電子天平：MSA125P-CE型，北京賽多利斯公司，實際分度值0.01 mg。

錫囊：5 mm×9 mm。

磷酸：(1+4)，現(xiàn)配現(xiàn)用，用于去除土壤中的無機碳。

儀器使用的試劑包括：三氧化鎢(催化劑)、鍍銀氧化鈷(去除硫、鹵族元素)、線狀銅(還原并除去多余的氧)。

氧氣、氦氣：純度均為99.999%。

土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)為國家一級標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(GBW07403、GBW07424、GBW07425、GBW07427、GBW07448、GBW07452、GBW07454、GBW456、GBW07385～GBW07388、GBW07390、GBW07391)，由中國地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所提供，于105 ℃烘箱中烘干15 h，冷卻后置于干燥器中備用。

1.2 實驗方法

稱取10～30 mg樣品置入錫囊中，加入適量磷酸溶液(1+4)前處理，去除無機碳對有機碳測量結(jié)果的干擾，待其充分反應(yīng)后無氣泡冒出，置于40 ℃烘箱中低溫加熱6 h至磷酸溶液完全揮發(fā)至干，將裝載樣品的錫囊包好。按氧化燃燒—氣相色譜法所用元素分析儀器的操作規(guī)程，將包裹后的樣品依次放入自動進樣器待測，樣品在儀器最佳工作條件下進行測定，樣品中的有機碳在燃燒管中高溫燃燒分解，至完全氧化成CO2，CO2、H2O等氣體隨載氣通過還原Cu并去除多余氧氣，經(jīng)色譜柱進行分離后，進入TCD檢測器檢測，得到TCD峰面積，按照標(biāo)準(zhǔn)曲線法計算出對應(yīng)的碳元素含量，即為樣品中有機碳含量。

2 結(jié)果與討論

2.1 儀器條件的選擇

元素分析儀在工作過程中，主要涉及了氧化爐溫度、熱導(dǎo)檢測器與色譜柱溫度、載氣壓力、氧氣加入量、氧氣分壓等參數(shù)。各參數(shù)對于樣品的測試結(jié)果均具有一定的影響，因此，為了獲得理想的檢測結(jié)果，需要對其進行條件優(yōu)化。

2.1.1 氧化爐溫度

儀器的氧化爐溫度對樣品的檢測結(jié)果具有重要的影響，不同的溫度會造成樣品不同的燃燒效率，從而影響測定的結(jié)果。在其他條件相同的情況下，準(zhǔn)確稱取多份(n=11)11.00 mg的國家一級土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW07387(GSS31)進行試驗，按照上述1.2節(jié)實驗方法，考察氧化爐的溫度對于樣品出峰面積的影響(圖2)。實驗表明，爐溫過低，錫囊不能充分燃燒，檢測到碳峰誤差較大；爐溫過高，不利于石英反應(yīng)管壽命的延長。另一方面，考慮到樣品在測試過程中，燃燒后的殘存物質(zhì)殘留在石英反應(yīng)管中，所造成的溫度梯度會影響后續(xù)樣品的測定，因此，選擇稍高的1 000 ℃作為有機碳樣品分析的氧化爐溫度。

圖2 爐溫與碳信號強度的關(guān)系Fig.2 Relationship between furnace temperature and signal intensity of carbon

2.1.2 加氧量

加氧量的差異會造成樣品在燃燒過程中的氧化效率，從而影響測定結(jié)果，并對還原管中銅的消耗量造成影響。按照上述1.2節(jié)實驗方法，不同的加氧量(n=8)下測得的國家一級土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW07387(GSS31)的碳百分質(zhì)量與其認定值的比值如圖3所示。結(jié)果表明，加氧量在18 mL左右測得的樣品值與認定值最為接近;加氧量過低，會造成氧化燃燒不完全，測量結(jié)果偏低；而氧氣加入量過大，會造成還原管中銅的損耗加劇，增加成本。同時，考慮到土壤樣品基體的復(fù)雜性，本次研究選擇的氧氣加入量為18 mL。

圖3 加氧量和碳百分質(zhì)量與其認定值比值的關(guān)系Fig.3 Relationship between oxygen adding quantity and the ratio of measured value to the certified value

2.1.3 氧氣壓力

氧氣壓力的大小決定了固定體積的氧氣注入氧化爐的時間長短。按照上述1.2節(jié)實驗方法，不同氧氣壓力(n=6)下測得的國家一級土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW07387(GSS31)的碳百分質(zhì)量與其認定值的比值如圖4所示。結(jié)果表明，氧氣壓力對于測量結(jié)果的影響較小，這可能是由于在不同氧氣壓力下，同等時間內(nèi)注入氧化爐的氧氣量都幾乎足夠?qū)υ嚇舆M行氧化?？紤]到氧氣壓力過大，氧氣注入時間短，不同的樣品可能會產(chǎn)生注入的氧氣過量使試樣燃燒反應(yīng)激烈而產(chǎn)生噴濺，影響測試結(jié)果，因此，選擇35 kPa作為測定有機碳樣品分析的氧氣壓力。

圖4 氧氣壓力和碳百分質(zhì)量與其認定值比值的關(guān)系Fig.4 Relationship between oxygen pressure andthe ratio of measured value to the certified value

2.1.4 載氣壓力

實驗用載氣為高純氦氣，其壓力的高低主要決定了載氣流量的大小，從而決定了樣品中不同元素的出峰時間及峰型，影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確度。載氣壓力過低，載氣流速小，樣品出峰時間長，峰型平緩不完整，測量結(jié)果誤差較大；壓力過高，載氣流速大，樣品出峰時間短，峰型尖銳面積小，生成的氣體未被檢測完全就被帶走，使得測量結(jié)果偏小(圖5)。因此，我們選擇較為適中的載氣壓力120 kPa。

圖5 載氣壓力和碳百分質(zhì)量與其認定值比值的關(guān)系Fig.5 Relationship between carrier gas pressure and the ratio of measured value to the certified value

2.1.5 其他儀器參數(shù)設(shè)置

其他儀器參數(shù)設(shè)置情況如表1所示。

表1 儀器參數(shù)設(shè)置

2.2 方法質(zhì)量參數(shù)

2.2.1 校準(zhǔn)曲線的繪制

EA3000型元素分析儀的標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制方法有兩種，分別是K因子法(K-Factor)和線性法(Linear)。K因子法主要用于待測樣品單一、產(chǎn)品的質(zhì)量監(jiān)控等情況，選擇與待測樣品含量較為接近的標(biāo)樣作為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)建立標(biāo)準(zhǔn)曲線；線性法主要針對多個待測樣品，其元素含量范圍較廣的情況。本實驗中標(biāo)準(zhǔn)曲線的建立采用線性法，分別于2.00～30.00 mg梯度稱量8個土壤標(biāo)樣GBW07387(GSS31)，按照上述1.2節(jié)實驗方法處理后，在建立標(biāo)線前先測量3個廢樣(bypass)，質(zhì)量在1.00～2.00 mg之間不用稱量，之后測量3個空白錫囊，待空白值降低到符合要求后，由低到高依次添加稱量標(biāo)樣進行測定，最后再用標(biāo)樣當(dāng)作樣品反測，看其測量值是否在誤差范圍之內(nèi)。得到碳標(biāo)準(zhǔn)曲線的校準(zhǔn)方程為y=52 616x+4 835.2，相關(guān)系數(shù)為0.999 9(圖6)。

2.2.2 方法的檢出限和精密度

按照本實驗方法，對低含量未知樣品平行測定12次，得到樣品測定值的標(biāo)準(zhǔn)偏差，以3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差計算出方法的檢出限為0.012%。

選擇國家一級土壤成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW07403(GSS-3)、GBW07448(GSS-19)、GBW07385(GSS-29)、GBW07387(GSS-31)、GBW07391(GSS-35)分別平行稱取12份，按上述實驗方法進行測定，計算此方法精密度(RSD)。計算結(jié)果見表2，精密度范圍1.10%～4.11%。

2.2.3 方法準(zhǔn)確度

選擇14個國家一級土壤成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(GBW07403、GBW07424、GBW07425、GBW07427、GBW07448、GBW07452、GBW07454、GBW456、GBW07385～GBW07388、GBW07390、GBW07391)，按本文的方法進行有機碳含量測定，以驗證方法的準(zhǔn)確性，測定結(jié)果如表3所示。結(jié)果表明，采用該方法測定化探土壤樣品中的有機碳含量，測定值與標(biāo)準(zhǔn)推薦值吻合，具有較高的準(zhǔn)確度。

表2 方法精密度結(jié)果

表3 方法準(zhǔn)確度結(jié)果

3 結(jié)論

對氧化燃燒—氣相色譜法測定有機碳的儀器測定條件，如氧化爐溫度、加氧量、氧氣壓力及載氣壓力等進行了優(yōu)化，通過先在稱量的樣品中加入磷酸溶液(1+4)進行前處理，從而去除無機碳對測量結(jié)果的干擾，然后直接進樣測量土壤中總有機碳的方法，解決了土壤樣品重復(fù)多次測量的問題，具有取樣量少、分析效率高、精密度好、自動化程度高等特點，適合不同性質(zhì)的樣品；采用稀釋后的磷酸對樣品進行前處理，減少了對儀器的腐蝕；且通過載氣的作用，可以進行連續(xù)分析。通過國家一級土壤成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)驗證，該方法所得測試結(jié)果具有較高的精密度和準(zhǔn)確度。