元素分析儀測定牧草樣品適宜稱樣量的確定

常生華 袁 航 王召鋒 侯扶江

（蘭州大學草地農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家重點實驗室/草業(yè)科學國家實驗教學中心/蘭州大學草地農業(yè)科技學院，蘭州 730020）

元素分析是一種常見的分析手段，在農業(yè)、工業(yè)、地質、石油、化工、環(huán)保等眾多領域，能反映物質元素分布特征等基本信息［1］。隨著高?；窘ㄔO和實驗室設施投入的增加，元素分析儀廣泛進入實驗室，為固體和液體樣品中的元素含量分析提供了方便快捷的服務。目前高?？蒲袑嶒炇沂褂幂^多的元素分析儀主要德國的Elementar、美國PerinElmer、美國Thermo Fishier Scientific等公司生產的系列產品，分別針對測定對象、元素含量大小和樣品采樣量多少以及精準度等因素配置不同廠家不同型號產品［2］。元素分析儀的原理就是使用燃燒法，通過氧化還原分離不同的元素［3］。本研究中使用的元素分析儀為德國Elementar vario MACRO CUBE，主要是將樣品在裝填催化劑的管中燃燒分解，排除雜質氣體，將需要測試的各元素組分氣體分離，采用熱導檢測器對相關氣體進行檢測［4］。

土-草-畜系統(tǒng)是草學、生態(tài)學和畜牧學研究中最常見的元素循環(huán)系統(tǒng)，對該系統(tǒng)中的營養(yǎng)元素評價是草學、生態(tài)學和畜牧學研究的主要內容和基礎性研究，主要測定的常用評價指標有C、H、N、S元素含量與營養(yǎng)元素的流動過程［5］。土-草-畜系統(tǒng)元素循環(huán)過程復雜，樣品多且數(shù)量大，并且各項元素的含量隨著樣品分布區(qū)域和自身因素其含量差別較大［6］。因此，在通常的測定中，稱樣量的大小直接影響測定結果和測樣的成本［7］。通過探究利用元素分析儀測定植物樣品過程中，樣品稱樣量與測試準確率以及測樣時間和成本等之間的關系，確定精準測定下適宜的樣品稱取量，為科研工作者樣品采集、數(shù)據分析提供依據和參考。

1 材料與方法

1.1 樣品

植物樣品選取1年生飼用玉米秸稈，樣品采集于甘肅民勤綠洲灌溉大田飼用玉米種植基地，采樣時間2018年10月底，玉米完熟期，采集有代表性的全株玉米地上部分，用剪刀剪切為5 cm左右小截，置陰涼通風處，自然風干后，在實驗室用植物樣品粉碎機進行粉碎，然后過40目篩，將過篩后的樣品放在玻璃板上，用分樣板反復前后左右翻動，充分混合。將混合好的樣品攤成等厚度的正方形，用分樣板從樣品上沿對角線劃下，分成4個對頂角的三角形，任取兩個對頂三角形為樣本，將兩外兩個對頂三角形的樣品移走，將剩下的樣品在混合，按照上述方法反復分取，直到接近所需樣品重量為止，裝入封口袋，備用。

1.2 儀器

儀器使用德國Elementar vario MACRO CUBE-CHNS mode；電 子 天 平 用RADWAG AS110.R1，最大稱樣量110 g，可讀性0.1 mg。

1.3 操作步驟與分析條件

設置7個不同的樣品稱量梯度，分別為20 mg、30 mg、40 mg、50 mg、60 mg、70 mg、80 mg（精確至0.1 mg），標準品用磺胺，重復6次。稱取制備好的玉米秸稈樣品，按照包裹要求，將樣品緊密包裹于錫箔紙中，放入60位的自動進樣盤中，選擇自動進樣。

將元素分析儀的模式選為CHNS模式；載氣用He氣，純度≥99.996%；氣瓶減壓閥設置0.16～0.17MPa；燃氣為O2，純度≥99.995%；氣減壓的輸出壓力在0.20～0.22 MPa。石英燃燒管中催化劑為WO3，純度99.9%，加熱溫度1150℃；還原管中還原劑為Cu絲，純度99.9%，加熱溫度850℃。

1.4 統(tǒng)計分析方法

每個樣品重復測定6次，樣品中C、H、N、S含量用元素質量分數(shù)（以干基為基礎）表示。6次測量值的算術平均值為樣品元素含量的測量結果，用SPSS19.0軟件進行數(shù)據統(tǒng)計并作圖。

重復性分析采用以下公式進行重復性計算［8］：

式中：Xi—每次測定數(shù)值，%；

N—測定次數(shù)。

參考依據：JJF1321-2011《元素分析儀校準規(guī)范》，RSD≤2%。

2 結果與分析

2.1 不同稱樣量對標準品磺胺中元素含量測定值的影響

用元素分析儀測定標準品磺胺中元素含量，不同的稱量梯度間C、H、N、S 4種元素含量以及C/N、C/H值的響應不同（圖1）。隨標準品磺胺稱樣量的增加，磺胺中C、H、N、S元素含量測定值有上升也有下降，不同稱樣量間磺胺各元素含量測定值差異顯著（P＜0.05）。

圖1 不同稱樣量下的磺胺測定值

標準品磺胺中N元素含量測定值隨著稱樣量的增加呈下降趨勢，不同稱樣量間標準品磺胺N含量測定值差異顯著（P＜0.05）。標準品磺胺稱樣量在30 mg時，標準品磺胺中N含量和標準值相比有差異，但差異不明顯。標準品磺胺稱樣量40 mg～80 mg時，隨稱樣量增加，標準品磺胺中N含量測定值呈下降趨勢。標準品磺胺稱樣量在20 mg～50 mg之間C含量測定值變化不大，標準品磺胺稱樣量大于50 mg之后，C含量測定值急劇下降，差異顯著（P＜0.05）。標準品磺胺中H含量測定值在稱樣量20 mg時差異顯著（P＜0.05），稱樣量大于30 mg之后，標準品磺胺中H含量測定值相互之間差異不顯著。標準品磺胺中S元素含量測定值隨著稱樣量的增加而變化不同，稱樣量20 mg～30 mg差異明顯，稱樣量30 mg～40 mg對標準品磺胺中S元素含量影響不明顯，當標準品磺胺稱樣量50 mg～80 mg時，稱樣量對標準品磺胺中S元素含量測定值影響顯著（P＜0.05）。

2.2 不同稱樣量對玉米秸稈中元素含量測定值的影響

利用元素分析儀測定玉米秸稈元素含量，不同稱樣量對玉米秸稈中C、H、N、S 4種元素含量測定值以及C/N、C/H影響不同（圖2），不同稱樣量處理下的玉米秸稈元素含量測定值之間差異性顯著（P＜0.05）。

圖2 不同稱樣量下玉米秸稈各元素含量

玉米秸稈中的N元素含量測定值隨著玉米秸稈稱樣量的增加表現(xiàn)出先降后升的趨勢。當玉米秸稈稱樣量在50 mg時，玉米秸稈N含量測定值最低，玉米秸稈稱樣量在20 mg～70 mg時，玉米秸稈N含量測定值無顯著差異，玉米秸稈稱樣量80 mg下玉米秸稈中N含量測定值有顯著差異（P＜0.05），由此，在測定玉米秸稈等植物樣品N含量時，樣品稱取量的適宜范圍是20 mg～70 mg，最經濟的樣品稱樣量應為20 mg。

玉米秸稈中C含量測定值隨著玉米秸稈稱樣量增加呈下降趨勢。當玉米秸稈稱樣量在20 mg～30 mg時，玉米秸稈C含量測定值最高，玉米秸稈稱樣量在40 mg～80 mg時玉米秸稈C含量測定值基本保持平穩(wěn)，測定值之間的差異不顯著，但和在玉米秸稈稱樣量20 mg～30 mg處理相比，玉米秸稈中的C含量測定值差異顯著（P＜0.05）。在利用元素分析儀測定玉米秸稈C含量時的最佳稱樣量為20 mg。

玉米秸稈中H元素含量測定值隨著玉米秸稈稱樣量增加而下降。當玉米秸稈稱樣量在20 mg～30 mg處理下時，玉米秸稈中H元素含量測定值下降，玉米秸稈稱樣量在30 mg～50 mg時，玉米秸稈中H元素含量測定值與其他處理相比差異不顯著，玉米秸稈稱樣量在60 mg～80 mg時，各稱樣量之間玉米秸稈中H元素含量測定值差異不顯著。相對玉米秸稈中H元素含量測定，樣品稱樣量越大，對測定值的影響越小，最經濟的樣品稱樣量應該在30 mg～40 mg之間。

玉米秸稈中S元素含量測定值隨玉米秸稈稱樣量增加呈先上升后下降趨勢。玉米秸稈稱樣量對玉米秸稈S元素含量測定值有顯著影響（P＜0.05）。玉米秸稈稱樣量在20 mg～30 mg時，玉米秸稈中S元素含量測定值上升，玉米秸稈稱樣量在30 mg～50 mg時，玉米秸稈中S元素含量測定值下降，稱樣量30 mg與60 mg時，玉米秸稈中S元素含量測定值之間差異顯著（P＜0.05）。相對玉米秸稈中S元素含量的測定，最佳樣品稱取量是30 mg～40 mg。

用元素分析儀測定樣品過程中，C/N的峰值拖尾直接影響測試效率與實驗效果。用元素分析儀測定玉米秸稈過程中，隨著玉米秸稈稱樣量增減，玉米秸稈中元素含量測定值C/N值逐漸下降，20 mg和30 mg玉米秸稈稱樣量之間C/N值差異不明顯，與其他玉米秸稈稱樣量相比，測定值的C/N值有明顯顯著（P＜0.05）。30 mg、40 mg、50 mg玉米秸稈稱樣量對其測定值的C/N影響無差異，60 mg～70 mg的玉米秸稈稱樣量下，其測定值的C/N值無差異，但與80 mg玉米秸稈稱樣量相比，其測定值的C/N值差異顯著（P＜0.05）。C/H測定值與稱樣量的關系不明顯，隨著玉米秸稈稱樣量的增減，其元素含量測定值C/H值增加，玉米秸稈稱樣量在20 mg與50 mg時，其元素含量測定值C/H的變化不明顯，與其他稱樣量處理下的影響顯著（P＜0.05）。

2.3 樣品重復性分析

對6次重復的元素測定值進行樣品重復性分析，玉米秸稈中C、H、N、S 4種元素含量用元素分析儀進行測定，其測定值的重復性較好，RSD值全部小于2%，最大的1.999%，最小值為0.363%（表1）。

表1 樣品重復性

3 結語

對于元素分析儀測定植物樣品的稱樣量，不同樣品稱樣量對樣品元素含量測定結果有影響。在測定土-草-畜系統(tǒng)中C、H、N、S 4種元素含量過程中，樣品的采集量大小存在不可確定性，考慮時間和測定成本等因素，樣品稱樣量要求盡量以最少量為佳。用元素分析儀測定玉米秸稈中C、N、H、S4種元素含量時，最佳稱樣量應該在20 mg～40 mg之間。

稱樣量是使用元素分析儀測定植物樣品元素含量過程中的主要參數(shù)，一方面影響樣品的測試結果，不同的樣品在不同稱樣量下的元素含量測定結果有明顯差異，測試元素不同，所需樣品的稱樣量不同。相同樣品，測試的主要元素不同，稱樣量對其的影響也不同［9］。另一方面，稱樣量直接作用于測試效率和測試成本。元素分析儀使用的基本的耗材有錫箔紙、燃燒管、還原管、干燥管、氧氣和氦氣，樣品量越大，樣品采集、樣品處理、樣品測試過程中氧化、還原等過程相對漫長，時間消耗相對較大，所需用的耗材量就會增加，測試成本上升，測試效率下降［10］。尤其相對于生態(tài)學、草學、畜牧學等樣品量和樣品數(shù)量等較多的科學研究中的測試，測試成本和測試效率也是研究過程中的主要考慮的因素。因此，合理的樣品稱取量是大數(shù)量樣品測試中前期主要確定的參數(shù)之一，也是使用元素分析儀進行樣品測試過程中必須明確的一項關鍵內容。