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)質果實的產(chǎn)量，是衡量植物果實產(chǎn)品質量的重要指標[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的技術手段有助于確保植物健康生長，提高優(yōu)質果實的產(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]，該方法應用于食品、土壤樣品等多個領域[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，如果升溫過快會導致樣品飛濺或白煙逸出，導致測試結果偏低，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、減少勞動強度并且能減少分析測定過程中的人為誤差，確保測試結果真實、準確[19]，多應用于食品、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行預處理，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(德國Retsch公司)；SH220F石墨消解儀(濟南海能儀器股份有限公司)；K1100F全自動凱氏定氮儀(濟南海能儀器股份有限公司)。

1.2 標準溶液和主要試劑

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

標準溶液的標定：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。

國家標準物質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清洗干凈，置于GM200植物樣品破碎機中進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，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的裝置內。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的位置上。設置參數(shù)，選擇常規(guī)分析，根據(jù)實際設置樣品稱樣量(本實驗稱樣量為0.20g)，設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)設置的參數(shù)加入相應的溶液，在消化管內蒸餾，蒸汽經(jīng)過自動定氮儀內部的冷凝系統(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，適當增加稱樣量可以減少系統(tǒng)誤差，提高實驗準確性。當稱樣量過大時，耗氧量則會增加，試樣可能會因反應不充分導致系統(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。當稱樣量超過1.00g時，隨著樣品稱取質量的增加，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果的準確性，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[24]。將稱樣量為0.20g的5個植物樣國家標準物質用石墨消解儀進行消解，石墨消解儀設置溫度分別為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。在樣品消解過程中，當溫度較低時，消解反應不完全而導致結果偏低；當溫度較高時，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，能夠有效控制反應產(chǎn)生的白煙在管內的回流。

通過比較不同消解溫度下氮的測定結果(表1)可知，在400℃時國家標準物質中氮的測定值與其認定值的相對誤差在不確定度范圍內，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，進一步對消解時間進行研究。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；當消解時間在50～70min之間時，全氮的分析測定結果并無明顯差異。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，導致氮的測定結果偏低。同時，反應產(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部完成，不僅能夠縮短蒸餾時間[28]，還可以避免樣品在流轉過程中產(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果有直接的影響[31]。當蒸餾時間太短，樣品中的氨沒有完全蒸餾出來，會導致測試結果偏低；當蒸餾時間過長，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 方法準確度和精密度

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

3 結論

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地控制溫度，樣品容易在加熱過程中飛濺，導致測試結果偏低。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、準確檢測大批量植物果實樣品中全氮的需求。

表2準確度和精密度實驗

Table 2 Accuracy and precision tests of the method

標準物質編號全氮含量(mg/kg)認定值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。