石墨消解仪-自动定氮法测定植物果实中的全氮

吴刚，张兆法，宋凡，刘显，马会春，庞雪敏，张佳林，柳燕云

(河北省地质实验测试中心，河北 保定 071000)

大量研究表明，氮元素是植物树体正常生长发育以及生产优质果实的根本，氮元素的含量直接影响植物生长健康状况和优质果实的产量，是衡量植物果实产品质量的重要指标[1-5]。分析检测植物果实中的氮元素，能够掌握植物果实中氮元素的含量情况，根据氮元素的含量采取相应的技术手段有助于确保植物健康生长，提高优质果实的产量。

目前分析测定植物中全氮的方法为传统凯氏定氮法[6-9]，该方法应用于食品、土壤样品等多个领域[10-14]，能够测定全氮的含量。传统凯氏定氮法使用的主要仪器为消化炉和凯氏定氮仪，消化炉用于样品消解，凯氏定氮仪用于测定化合物或混合物中的总氮[15-16]。消化炉虽然加热消解设备成本低，但消解时间长，加热不均匀，加热温度不易控制，如果升温过快会导致样品飞溅或白烟逸出，导致测试结果偏低，而且在样品处理过程中需要现场观察。凯氏定氮仪需要人工操作的环节较多，自动化程度较低。传统凯氏定氮法虽应用比较广泛，但分析流程耗时长，消解时间约90min，蒸馏时间约10～20min，并且容易产生人为误差，人力与物力的消耗较大[17]。

石墨消解仪[18]加热均匀，可以通过数字显示面板对温度进行控制，能防止样品飞溅，节省人力和时间成本。全自动定氮仪可以提高工作效率、减少劳动强度并且能减少分析测定过程中的人为误差，确保测试结果真实、准确[19]，多应用于食品、化肥等样品中氮元素的分析测定[20-21]。本文使用石墨消解仪对植物果实样品进行预处理，使用全自动定氮仪分析测定全氮含量，通过研究称样量、样品消解温度和消解时间、自动定氮仪的蒸馏时间等因素对全氮测定结果的影响，确定了最佳的分析测试条件及测试流程，建立了采用石墨消解仪消解，全自动定氮仪测定植物果实中全氮的分析测试方法。

1 实验部分

1.1 仪器

GM200植物样品破碎机(德国Retsch公司)；SH220F石墨消解仪(济南海能仪器股份有限公司)；K1100F全自动凯氏定氮仪(济南海能仪器股份有限公司)。

1.2 标准溶液和主要试剂

盐酸标准滴定溶液：参照GB/T 601—2002《化学试剂 标准滴定溶液的制备》配制，按规定量取盐酸，注入1000mL水中，摇匀。

标准溶液的标定：按规定称取已于270～300℃高温炉中灼烧至恒重的工作基准试剂无水碳酸钠，溶于50mL水中，加10滴溴甲酚绿-甲基红指示液，用配制好的盐酸滴定至溶液由绿色变为暗红色，煮沸2min，冷却后继续滴定至溶液再呈暗红色。同时做空白试验。

40%氢氧化钠溶液：称取400g氢氧化钠(分析纯)，溶于水，用水稀释至1000mL。

2%硼酸溶液：称取20g硼酸(分析纯)，溶于水，用水稀释至1000mL。

甲基红-溴甲酚绿指示液：参照GB/T 603—2002《化学试剂试验方法中所用制剂及制品的制备》制备溶液Ⅰ和溶液Ⅱ。溶液Ⅰ制备方法：称取0.1g溴甲酚绿，溶于95%乙醇中，用95%乙醇稀释至100mL。溶液Ⅱ制备方法：称取0.2g甲基红，溶于95%乙醇中，用95%乙醇稀释至100mL。取30mL溶液Ⅰ和10mL溶液Ⅱ混匀制备成指示液。

催化剂：硫酸钾-无水硫酸铜(10∶1，质量比)。

浓硫酸：分析纯。

1.3 实验样品

实验样品选用苹果、柑橘、圆白菜、茶叶、葡萄等多种植物果实，这些样品的氮含量跨度范围较大，具有代表性。

国家标准物质GBW10019(苹果)、GBW10020(柑橘)、GBW10014(圆白菜)、GBW10016(茶叶)；新鲜葡萄果实(样品编号为A、B、C)；苹果、柑橘、圆白菜实际样品。

1.4 实验步骤

1.4.1样品加工

将新鲜植物果实样品使用蒸馏水反复清洗干净，置于GM200植物样品破碎机中进行处理并且充分混匀，置于纯净容器中待取样。

1.4.2样品消解

称取0.20g已破碎的植物果实样品置于消化管内，加2g硫酸钾和硫酸铜混合催化剂，加10mL浓硫酸，加盖与消化管配套的回流塞，放置于石墨消解仪上。将石墨消解仪设定消解温度为400℃，共消解50min。消解完全的样品溶液呈澄清的蓝绿色，此时样品消解完全。

1.4.3蒸馏滴定

将消解完全的样品静置冷却至室温，然后开始蒸馏，蒸馏滴定全部由自动定氮仪完成。将40%氢氧化钠溶液、蒸馏水、硼酸、甲基红-溴甲酚绿指示液分别加入自动定氮仪相应的装置内。打开自动定氮仪和循环冷却水，将与自动定氮仪配套的消化管安置于自动定氮仪相应的位置上。设置参数，选择常规分析，根据实际设置样品称样量(本实验称样量为0.20g)，设置加入硼酸与甲基红-溴甲酚绿指示液的体积为15mL，加入氢氧化钠溶液的体积为40mL，蒸馏时间为3min，盐酸滴定液浓度为0.0257mol/L，点击确定，即开始蒸馏。接下来自动定氮仪会根据设置的参数加入相应的溶液，在消化管内蒸馏，蒸汽经过自动定氮仪内部的冷凝系统3min后蒸馏完成，仪器显示面板上会显示消耗盐酸滴定体积和含氮量，即完成了此样品的蒸馏滴定。

2 结果与讨论

2.1 称样量的选择

一般来说，样品的称样量会依照样品含氮量和均匀程度来定。减少称样量可以缩短消解时间，在保证样品均匀的情况下，适当增加称样量可以减少系统误差，提高实验准确性。当称样量过大时，耗氧量则会增加，试样可能会因反应不充分导致系统误差增大[22]。随着称样量的增加，消解过程中需要更多的浓硫酸，会增加实验成本和环境污染[23]。所以，实验过程中将称样量控制在合理的范围内非常重要。

由图1可以看出，随着称样量的增加，在其他影响因素保持一致时，称样量在0.20～1.00g时，消解的效果最好，全氮的测定值相对稳定。当称样量超过1.00g时，随着样品称取质量的增加，全氮的测定值有明显的下降趋势，尤其对氮含量大于20000mg/kg的样品，下降更加明显。故本实验为确保分析测定结果的准确性，称样量控制在0.20～1.00g之间，比传统方法的称样量小了0.3～1g，缩短了反应时间，减少了成本消耗和对环境的污染。

图1 样品称样量对全氮测定值的影响

2.2 消解温度和消解时间的选择

在确定样品的称样量之后，消解仪设置的消解温度和消解时间是实现批量消解样品、提高分析效率的重要指标[24]。将称样量为0.20g的5个植物样国家标准物质用石墨消解仪进行消解，石墨消解仪设置温度分别为320℃、350℃、400℃、450℃。

石墨消解仪加热快、保温性好，能够保证反应所需要的温度。催化剂和浓硫酸都是足够能使样品充分发生反应。在样品消解过程中，当温度较低时，消解反应不完全而导致结果偏低；当温度较高时，生成的硫酸氢铵也会分解，释放出氨而造成损失，使氮的测定值偏低[25]。同时，与石墨消解仪配套的消化管较长，加盖防止白烟逸出的回流塞，能够有效控制反应产生的白烟在管内的回流。

通过比较不同消解温度下氮的测定结果(表1)可知，在400℃时国家标准物质中氮的测定值与其认定值的相对误差在不确定度范围内，说明400℃是最佳的消解温度。

通过上述实验，可以看出样品消解的最佳温度为400℃，在确定消解温度后，进一步对消解时间进行研究。由图2a可知，消解时间<50min时，随着消解时间的延长，全氮的测定值也随之增加；当消解时间在50～70min之间时，全氮的分析测定结果并无明显差异。根据陈春霏等[26]和李玉华等[27]研究得知，消解时间过长，硫酸的大量消耗容易使硫酸氢铵分解，同时消解时间过长还可能致使溶液蒸干生成难以蒸馏的物质，导致氮的测定结果偏低。同时，反应产生的废液也会更多，对环境造成污染。因此，为了节约成本和保护环境，分析测试中的消解时间控制在50min左右为佳，与传统方法所需的时间90min相比，有效缩短了消解时间。

表1石墨消解仪不同温度下全氮的测试结果

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

样品全氮含量测定值(mg/kg)320℃350℃400℃450℃全氮含量认定值(mg/kg)GBW1001927392840309828423100GBW100202063022400247472268124700GBW100142204325860280022589628000GBW100163807447210500464706351000样品A1517170418521712-样品B7629981092991-样品C1411165818021703-

图2 消解时间(a)和蒸馏时间(b)对全氮测定结果的影响

2.3 蒸馏时间的选择

在确定最佳消解温度和消解时间后，影响分析测试时间成本的另一个因素则是蒸馏滴定时间。传统定氮法的蒸馏时间是根据观察样品的颜色变化来判断的，蒸馏滴定一个样品的时间大约在10～15min。全自动定氮仪蒸馏样品的过程全部在全自动定氮仪内部完成，不仅能够缩短蒸馏时间[28]，还可以避免样品在流转过程中产生的误差[29]，且蒸馏的重现性和蒸馏效率均明显提高[30]。

蒸馏时间对分析测试结果有直接的影响[31]。当蒸馏时间太短，样品中的氨没有完全蒸馏出来，会导致测试结果偏低；当蒸馏时间过长，则会浪费人力物力。因此，确定合适的蒸馏时间是十分必要的。由图2b可以看出，当蒸馏时间控制在1～2min时，氮的测定值偏低，这是因为蒸馏不完全造成的；而当蒸馏时间控制在3～5min时，氮的测定值趋于稳定。为了减少时间和人力物力成本，在称样量为0.20g、消解温度为400℃、消解时间为50min的条件下，全自动定氮仪的蒸馏时间设定为3min，比传统定氮法的蒸馏时间缩短将近7～17min。

2.4 方法准确度和精密度

采用石墨消解仪消解，自动定氮仪对标准物质GBW10019、GBW10020、GBW10014、GBW10016进行12次分析测定，考察测量方法的精密度和准确度，测试结果列于表2。该方法的相对误差小于5%，相对标准偏差(RSD)小于5%，准确度和精密度良均优于行业标准NY/T 2419—2013规定的相关技术要求。

3 结论

传统凯氏定氮法的分析流程繁琐、测试时间长、消耗的人力物力和时间成本较大。传统的消解方式难以精准地控制温度，样品容易在加热过程中飞溅，导致测试结果偏低。本文建立了石墨消解仪消解，全自动定氮法测定植物果实样品中全氮的分析测试体系，简化了分析测试流程，缩短了分析时间，提高了准确度和精密度。加盖回流塞防止了样品飞溅，有效减少了人为误差，能满足实验室快速、准确检测大批量植物果实样品中全氮的需求。

表2准确度和精密度实验

Table 2 Accuracy and precision tests of the method

标准物质编号全氮含量(mg/kg)认定值12次测定值平均值相对误差(%)RSD(%)GBW1001931003043305030283115307030993052307030583098305930893069-1.000.8GBW100202470024110240052474724608242842416224114241522469224851248452439824414-1.161.3GBW1001428000278382778527461282082879627900287962787327567287082765828002280490.181.7GBW100165100050926511955026450538505415052350541506505004650770507825035650594-0.800.6

本实验方法在样品消解过程中，能够通过石墨消解仪控制消解温度，但由于凯氏定氮瓶并不是完全封闭的容器，其消解效果有待提高，今后可以考虑采用密闭容器来解决该问题。