石墨消解-氣相分子吸收光譜法用于土壤全氮快速測(cè)定

梁炬榮,陸金丹,楊偉明

(廣東省科學(xué)院測(cè)試分析研究所(中國廣州分析測(cè)試中心),廣東省化學(xué)測(cè)量與應(yīng)急檢測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東 廣州 510070)

氮元素是動(dòng)植物生長過程中必不可少的營養(yǎng)元素之一,其中氮元素更是影響植物生長和導(dǎo)致其產(chǎn)量多少的首要元素,因此,若能對(duì)土壤中氮元素進(jìn)行快速、準(zhǔn)確地分析,對(duì)于農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)過程中氮元素的綜合合理利用具有非常重要的意義。目前測(cè)定土壤中全氮最常用的檢測(cè)方法是傳統(tǒng)的凱氏定氮法,該方法準(zhǔn)確度高,重現(xiàn)性好,但是其檢測(cè)步驟操作過程繁瑣復(fù)雜,分析檢測(cè)速度較慢,而且實(shí)驗(yàn)過程中容易導(dǎo)致氮元素被污染或者因氣密性不好導(dǎo)致其損失,所以凱氏定氮法不適用于大批量土壤樣品中全氮的測(cè)定。因此,在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中為了能夠快速對(duì)土壤中的全氮進(jìn)行準(zhǔn)確分析并進(jìn)行合理的利用,通過用石墨消解來對(duì)土壤樣品進(jìn)行消解,土壤樣品經(jīng)過快速消解后定容取濾液即可直接在氣相分析吸收光譜儀上進(jìn)行定量分析,按照此方法進(jìn)行大批量的土壤樣品進(jìn)行測(cè)定,實(shí)踐得出每小時(shí)能測(cè)定15個(gè)土壤樣品,結(jié)果表明檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

測(cè)定的全氮是包括部分聯(lián)氨、疊氮和偶氮等含氮元素的化合物,還包括有機(jī)氮,如氨基酸、蛋白質(zhì)、尿素等。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

1.1.1 凱氏定氮法

土壤中的全氮在高氯酸、硫代硫酸鈉、濃硫酸和催化劑在高溫消解的作用下,經(jīng)氧化還原反應(yīng)全部轉(zhuǎn)化為以銨根形式存在的氮。將消解后的溶液加入氫氧化鈉溶液堿化后,于蒸餾儀上蒸餾出的氨被硼酸吸收,用鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)鹽酸溶液的消耗量來計(jì)算土壤中全氮含量。

1.1.2 氣相分子吸收光譜法

水樣經(jīng)氧化劑酸化后,在氣相分子吸收光譜儀的反應(yīng)池中注入氧化劑,經(jīng)過煮沸使得無水乙醇除去亞硝酸鹽等干擾,并在試劑次溴酸鹽氧化劑將銨態(tài)形式的氮轉(zhuǎn)化成亞硝酸鹽氮,檢測(cè)系統(tǒng)以測(cè)定亞硝酸鹽氮的形式采用氣相分子吸收光譜法測(cè)定氨氮(以N計(jì))的含量,通過計(jì)算得出土壤全氮含量。

1.2 儀器與試劑

1.2.1 儀器

石墨消解儀(DS-360),GMA3386 氣相分子吸收光譜儀,JP-100S超聲波清洗器,25 mL 酸式滴定管,一體化智能蒸餾儀,分析天平(萬分之一、十萬分之一),電爐。

1.2.2 試劑:(均為分析純)

(1)重鉻酸鉀,硫酸鉀,氫氧化鈉,五水硫酸銅,五水硫代硫酸鈉,二氧化鈦,硼酸,溴酸鉀,無水乙醇,濃硫酸,高氯酸,濃鹽酸,溴化鉀;

(2)氫氧化鈉溶液(400 g/L);

(3)硼酸溶液(20 g/L);

(4)重鉻酸鉀—硫酸溶液(0.4 mol/L);

(5)催化劑:200 g硫酸鉀、6 g五水硫酸銅和6 g二氧化鈦于玻璃研缽中混勻,研細(xì),貯于試劑瓶中保存;

(6)還原劑:五水合硫代硫酸鈉研磨后過孔徑0.25 mm篩(臨用現(xiàn)配);

(7)25%鹽酸+30%乙醇混合溶液;

(8)次溴酸鹽氧化劑:取9.0 mL溴酸鹽混合儲(chǔ)備液(儲(chǔ)備液配制:稱取30 g溴化鉀及2.81 g溴酸鉀,溶于500 mL水,于棕色玻璃瓶保存)于棕色帶塞試劑瓶中,加入18 mL鹽酸(1+1)及300 mL蒸餾水,馬上密塞搖勻后于暗處放置5 min,然后加入100 mL氫氧化鈉溶液(400 g/L),搖勻即可,避光保存;

(9)混合指示劑:將0.1 g 溴甲酚綠和0.02 g甲基紅溶解于100 mL 無水乙醇中;

(10)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì):0.100 0 mol/L 鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液(深圳市博林達(dá)科技有限公司);GBW07XXX(GSS-31)、GBW07388(GSS-32)、GBW07401a(GSS-1a)(中國地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 凱氏定氮法

稱適量試樣0.200 0～1.000 0 g,精確到0.000 1 g,放入150 mL錐形瓶,加少量水濕潤,加入4 mL濃硫酸,瓶口上蓋曲頸小漏斗,轉(zhuǎn)動(dòng)150 mL錐形瓶,使其充分混合后,浸泡8 h以上。使用干燥的長頸漏斗將0.5 g五水合硫代硫酸鈉加到150 mL錐形瓶底部,置于電熱板上加熱,待冒白色煙霧后停止加熱,待冷卻后。加入1.1 g混合催化劑,搖勻,繼續(xù)在電熱板上進(jìn)行消煮。消煮時(shí)保持微沸狀態(tài)。待消解液和土樣全部變成灰白色稍帶綠色后,表明消解完全,再繼續(xù)消煮1 h,待消煮液完全冷卻,加入氫氧化鈉溶液堿化后,于蒸餾儀上蒸餾出的氨被硼酸吸收,用鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)鹽酸溶液的消耗量來計(jì)算土壤中全氮含量。

1.3.2 氣相分子吸收光譜法

稱取風(fēng)干樣品0.050 0～0.100 00 g(通過孔徑0.15 mm篩)(精確到0.000 1 g),加入7～10 mL 0.4 mol/L重鉻酸鉀—硫酸溶液,于超聲波清洗器中超聲直至土壤均勻不結(jié)塊,置于175±5 ℃的石墨消解儀中,待消解管出現(xiàn)水蒸氣時(shí)開始計(jì)時(shí),消解8～10 min后,取出放置冷卻,轉(zhuǎn)移至250 mL容量瓶中,用蒸餾水稀釋至刻度標(biāo)線,搖勻后靜置收集上清液直接上機(jī)檢測(cè)。

2 結(jié)果與討論

2.1 樣品取樣量的選擇

參考土壤有機(jī)質(zhì)消解方法,石墨消解儀的硬質(zhì)玻璃管允許最小取樣量為0.050 0 g,最大容量為0.500 0 g,實(shí)際取樣量大小由主要樣品的含氮量決定。樣品取樣量越大越具代表性,重現(xiàn)性更好,但隨著樣品量的增大,樣品中的有機(jī)物分解時(shí)間亦隨之增加,并且會(huì)導(dǎo)致消解不完全,導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果偏低。稱取不同樣品量,消解時(shí)間為10 min和10 mL 0.4 mol/L重鉻酸鉀-硫酸消解溶液,表1結(jié)果表明,土壤取樣量在一般在0.050 0～0.100 0 g即能滿足實(shí)驗(yàn)檢測(cè)要求。

表1 不同取樣量的測(cè)定結(jié)果

2.2 樣品消解時(shí)間的選擇

從表1可以得出在消解時(shí)間為10 min時(shí)土壤已經(jīng)完全消解;土壤取樣量在0.050 0～0.100 0 g之間,加入10 mL 0.4 mol/L重鉻酸鉀-硫酸消解溶液,分別在不同時(shí)間進(jìn)行消解,消解時(shí)間分別是5,7,8 min,表2結(jié)果表明,土壤消解時(shí)間在一般在8～10 min即能滿足實(shí)驗(yàn)檢測(cè)要求。

表2 不同消解時(shí)間的測(cè)定結(jié)果

2.3 消解液體積的選擇

從表1和表2可以得出土壤取樣量在0.0500～0.100 0 g之間,加入10 mL 0.4 mol/L重鉻酸鉀-硫酸消解溶液,在消解時(shí)間為8～10 min時(shí)土壤已經(jīng)完全消解;現(xiàn)在分別取不同體積的0.4 mol/L重鉻酸鉀-硫酸消解溶液進(jìn)行消解,分別是5,6,7 mL,表3結(jié)果表明,土壤消解時(shí)間在一般在7～10 mL即能滿足實(shí)驗(yàn)檢測(cè)要求。

表3 不同消解溶液體積的測(cè)定結(jié)果

2.4 方法線性范圍和檢出限

氣相分子吸收光譜儀對(duì)4.00 mg/L氨氮標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行自動(dòng)稀釋成0.100,0.200,0.400,0.800,2.00 mg/L的標(biāo)準(zhǔn)溶液系列,以質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo),測(cè)得對(duì)應(yīng)質(zhì)量濃度的吸光度為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線,線性回歸方程為y=0.146 25x-0.000 55,相關(guān)系數(shù)r為0.999 9。

按照氣相分子吸收光譜法測(cè)定氨氮的方法檢出限為0.02 mg/L,土壤消解后消解液定量體積為250 mL,當(dāng)土壤樣品質(zhì)量為0.100 0 g時(shí),檢出限為50 mg/kg。

2.5 方法準(zhǔn)確度和精密度

土壤取樣量0.050 0～0.100 0 g,加入7～10 mL 0.4 mol/L重鉻酸鉀-硫酸消解溶液在175±5 ℃下消解時(shí)間8～10 min,在此實(shí)驗(yàn)參數(shù)條件下,分3組分別準(zhǔn)確稱取3個(gè)不同濃度土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì),分別在每組樣品中加入100 μg/mL氯化銨標(biāo)準(zhǔn)溶液(以N計(jì))50,100,200 μL,同步進(jìn)行6次平行測(cè)定,表4結(jié)果表明,在約1倍的加標(biāo)濃度水平,平均回收率為89.3%～98.1%,相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為3.8%～6.6%,方法的精密度和準(zhǔn)確度符合HJ 717—2014的規(guī)定要求。

表4 方法回收率和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差

2.6 方法對(duì)照實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證該方法的準(zhǔn)確度,選用農(nóng)業(yè)土和林業(yè)土兩個(gè)類型土壤和低、中、高3種濃度的土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW07388 (GSS-32)、GBW07XXX (GSS-31)、GBW07401a(GSS-1a),分別對(duì)其進(jìn)行6次重復(fù)性測(cè)定,3個(gè)土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的兩種方法測(cè)定值均在標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi),石墨消解-氣相分子吸收光譜法的精密度在2.5%～7.8%之間,凱氏法的精密度在2.1%～5.2%之間,表5結(jié)果表明,2個(gè)土壤實(shí)際樣品和GBW07388 (GSS-32)、GBW07XXX (GSS-31)、GBW07401a(GSS-1a)土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)兩組數(shù)據(jù)間無顯著性差異。

表5 本法與凱氏法結(jié)果比較

3 結(jié)論

(1)對(duì)樣品取樣量、石墨消解時(shí)間控制、重鉻酸鉀-硫酸消解溶液用量等實(shí)驗(yàn)影響要素進(jìn)行了研究,得出最優(yōu)實(shí)驗(yàn)參數(shù)是:土壤取樣量在0.050 0～0.100 0 g、消解時(shí)間在8～10 min以及7～10 mL的重鉻酸鉀-硫酸消解溶液。

(2)在此實(shí)驗(yàn)參數(shù)下,方法檢出限為50 mg/kg,方法的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為3.8%～6.6%,加標(biāo)回收率為89.3%～98.1%;通過測(cè)量3個(gè)國家土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì),并與凱氏定氮法進(jìn)行對(duì)照,結(jié)果表明兩種方法間無顯著性差異。

(3)采用石墨消解-氣相分子吸收光譜法測(cè)定土壤中的全氮,樣品前處理簡(jiǎn)單快捷,同時(shí)測(cè)定結(jié)果與凱氏法相比無明顯差異。該方法操作簡(jiǎn)單,結(jié)果準(zhǔn)確度高,快速檢測(cè),適用于大批量檢測(cè)土壤樣品中全氮含量。