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        川滇高山櫟氮磷含量快速測定研究

        2020-05-18 08:40:54陳小玲方睿霞高艷菊王石發(fā)王保秀楊青松
        山東林業(yè)科技 2020年1期
        關(guān)鍵詞:方法

        肖 聰,陳小玲,方睿霞,高艷菊,張 東,王石發(fā),王保秀,楊青松*

        (1.云南民族大學(xué)民族藥資源化學(xué)國家民委教育部重點實驗室,云南 昆明 650500;2.云南民族大學(xué)民族醫(yī)藥學(xué)院,云南 昆明 650500)

        近年來連續(xù)流動分析儀被大量應(yīng)用于各個領(lǐng)域,如測定土壤氨氮、硝態(tài)氮和有效磷[1-2],測定水中氨氮的方法比較[3]、復(fù)混肥料中硝態(tài)氮[4],同時測定橡膠葉全氮、全磷、全鉀的方法研究[5],快速測定全氮、全磷含量[6-7]。AA3連續(xù)流動分析儀擁有先進的自動化技術(shù)優(yōu)勢和超700種被認證的方法應(yīng)用,由于自動化和模塊化設(shè)計,AA3可以很容易地適應(yīng)各實驗室特殊的技術(shù)和實驗要求,可根據(jù)相應(yīng)方法分析40~100個樣品/h,120~180個樣品/d。能夠分析各類型澄清液體樣品,如水(海水/自來水/廢水)、土壤(浸提液/消煮液)、植物(消煮液)、食品(飲料)、肥料、化合物等。

        川滇高山櫟 (Quercus aquifolioides Rehd.et Wils.)系殼斗科櫟屬的植物。分布于云南、西藏、貴州、四川等地,常生長在山坡向陽處或高山松林下[8]。常與其他高山櫟類樹種混生,是我國西部和西南部青藏高原東緣以及橫斷山地區(qū)所特有的一種植被類型,其分布區(qū)內(nèi)對環(huán)境條件有極強的生態(tài)適應(yīng)性,使得東喜馬拉雅和橫斷山地區(qū)的森林覆蓋率大大增加,在當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用[9]。前人對川滇高山櫟研究多集中在生態(tài)功能研究方面[10-13],對川滇高山櫟植物營養(yǎng)方面的研究較少,其中利用AA3型連續(xù)流動分析儀快速測定高山櫟枝葉氮磷養(yǎng)分方面的研究尚未見報道。本文對AA3型連續(xù)流動分析儀測定川滇高山櫟枝葉消解樣品中全氮/全磷含量的方法進行研究,獲得高效、精確的方法,以提高AA3型連續(xù)流動分析儀測定川滇高山櫟全氮/全磷養(yǎng)分含量的質(zhì)量和效率。

        1 材料與方法

        1.1 材料

        供試樣品:川滇高山櫟枝葉試驗樣品,均為野外采集;采樣點為云南省昆明市祿勸縣轎子雪山。國家一級標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì):GBW07603(GSV-2)灌木枝葉購自中國地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所。

        實驗試劑:鉬酸銨(NH4)6Mo7O24·4H2O、磷酸二氫鉀KH2PO4、抗壞血酸C6H8O8、酒石酸銻鉀K(SbO)C4H4O6·1/2H2O、硫酸鉀 K2SO4、十二烷基硫酸鈉(SDS)C12H25NaO4S、優(yōu)級純、10%次氯酸鈉NaOCl、濃硫酸H2SO4(比重 1.84)、濃鹽酸 HCl(比重 1.18)、30%過氧化氫 H2O2、硫酸銨 (NH4)2SO4、Brij-35 溶液 22%、硫酸鉀K2SO4、氫氧化鈉NaOH、磷酸氫二鈉 Na2HPO4、水楊酸鈉 Na2C7H5O3、硝普鈉 Na2[Fe(CN)5NO]·2H2O、酒石酸鉀鈉C4H4KNaO6·4H2O。 除特殊說明外所有試劑為分析純,水為去離子水。

        主要實驗儀器:AA3型連續(xù)流動分析儀CFA,由德國SEAL公司生產(chǎn),二通道,均為 MT7模塊;SH230N石墨爐重金屬消解儀 (可控溫控時,配套30根100mL玻璃消煮管);WGL-125B電熱鼓風(fēng)干燥箱(可控溫控時)。

        1.2 方法

        1.2.1 樣品待測液的制備

        前處理:將采集的新鮮高山櫟枝葉放入105℃烘箱中殺青30 min,再用75℃烘干至恒重(需要8~12 h)。最終粉碎后裝入密封袋。

        消煮具體步驟:采用硫酸-過氧化氫法消煮植物樣,精密稱取樣品和標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)0.0500 g于50 mL刻度的玻璃消煮管中,加入0.5 mL去離子水,潤濕樣品后加入1.2mL濃H2SO4,搖勻,靜置過夜。消煮程序:150℃ 1h,200℃ 1h,240℃ 1.5h,消煮至樣品呈黑醬油狀態(tài)。將消煮管取出稍微冷卻約1 min后,在溶液中間加過氧化氫10滴,邊滴加邊搖勻,直至消煮液變?yōu)楦吻宓暮卺u油狀態(tài),基本沒有固體。再加5滴過氧化氫,消煮液顏色呈深黃色的澄清液體。樣品統(tǒng)一滴加過氧化氫的滴數(shù)和次數(shù),反復(fù)消化,直至變無色后繼續(xù)再消化20 min除去殘留的過氧化氫。最后加去離子水約50 mL于消解管中,待冷卻穩(wěn)定后轉(zhuǎn)移至100 mL帶蓋比色管中定容及混勻(酸度為1.2%H2SO4)。同時做空白試驗,標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)和樣品同樣處理。將制備好的待測液于4℃冰箱保存。

        1.2.2 全氮和全磷標(biāo)準(zhǔn)溶液配制[14~15]

        全氮標(biāo)準(zhǔn)貯液(1000 mg N/L):精密稱取已在烘箱130℃烘3h的硫酸銨4.717 g,溶于600 mL去離子水中,定容至1L后搖勻,于4℃冰箱保存。全磷標(biāo)準(zhǔn)貯液(1000 mg P/L):精密稱取已在烘箱130℃烘3h的磷酸二氫鉀4.394 g,溶于600 mL去離子水中,定容至1L后搖勻,儲于4℃冰箱保存。

        取全氮標(biāo)準(zhǔn)貯液 (1000 mg N/L)0、0.2、0.4、0.6、0.8 mL 和全磷標(biāo)準(zhǔn)貯液(1000 mg P/L)0、0.1、0.2、0.3、0.4mL于5個100 mL的容量瓶中,在每個容量瓶中加空白消煮液1.2 mL,用去離子水定容后搖勻。 其中含 N:0、2、4、6、8 mg/L,含 P:0、1、2、3、4 mg/L。

        1.2.3 AA3型連續(xù)流動分析儀操作步驟[16]

        CFA具體操作步驟參照操作規(guī)程按部進行,簡單步驟為:開主機開泵,預(yù)熱2h,待氣泡穩(wěn)定后打開軟件、進樣器和檢測器,待泵停下后點圖表選擇分析方法,出現(xiàn)運行頁面,關(guān)閉不需要的通道運行頁面。設(shè)置燈值和基線,待水基線穩(wěn)定在5%(約30min),放入試劑,檢查試劑吸收(12 min 左右),試劑吸收滿足條件后設(shè)置增益(約15 min),增益成功后設(shè)立分析方法,關(guān)閉通道運作分析文件,運行結(jié)束后取回報告,輸出并分析數(shù)據(jù),最后用系統(tǒng)清洗液慢速清洗管路15 min。

        本次試驗測全氮全磷含量時,儀器所使用的通道為channel-2通道,基線默認5%,增益初始值為10(增益值應(yīng)小于100,不然峰形不穩(wěn)定),增益最高峰為85%,視圖平滑度設(shè)為16,設(shè)置了漂移基線校正杯和帶過杯。測定樣品時要先檢查試劑吸收和儀器靈敏度。試劑吸收和儀器靈敏度公式為:相對于水的試劑吸收值=[試劑吸收(%)-水基線(5%)]/100%;設(shè)置試劑基線為5%,泵入氮磷標(biāo)準(zhǔn)最高杯,當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)溶液到達檢測器且峰信號出現(xiàn)時,記錄其峰高(%),則靈敏度=[最高標(biāo)曲峰高(%)-試劑基線(5%)]/100%,靈敏度結(jié)果會在樣品運行結(jié)束后自動計算,出現(xiàn)在實驗分析報告上。

        1.2.4 統(tǒng)計分析

        所有實驗數(shù)據(jù)均采用Excel 2013軟件進行統(tǒng)計分析。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 試劑配制方法的調(diào)整和特性參數(shù)的設(shè)置結(jié)果

        參照儀器所附方法和文獻[5,14-15],試劑配置方法做了相應(yīng)的調(diào)整 (樣品消解后最終酸度為1.2%H2SO4)。根據(jù)最終樣品酸度,全磷全氮進樣器清洗液為1.2%H2SO4(試劑管①,圖1),空氣管為②⑤,進樣管為④或⑦。

        全氮的試劑配制方法:

        未做改變的試劑為水楊酸鈉溶液 (試劑管⑧,圖1),稀釋水為去離子水(試劑管⑩);其余試劑作如下調(diào)整:緩沖溶液(試劑管③⑥,圖1)稱取35.3 g十二水磷酸氫二鈉和50 g酒石酸鉀鈉溶于400 mL的去離子水中,用小燒杯稱取22 g氫氧化鈉,轉(zhuǎn)移至上述溶液中,混合均勻后后稀釋至1 L。最后在瓶中加入2.73 mL Brij-35(22%)。要盡快用完,即使放入4℃冰箱,一天后出現(xiàn)渾濁,不可使用;次氯酸鈉溶液(試劑管⑨,圖1)配制方法為取10%次氯酸鈉10mL,用9.05 mL的去離子水稀釋成5.25%次氯酸鈉,取7 mL 5.25%次氯酸鈉溶液至60 mL水中,稀釋至100 mL,混勻,每天更新。通過試劑配制調(diào)整,全氮反應(yīng)尾液最終pH值為12.89,符合要求。

        全磷的試劑配制方法:

        未改變試劑為抗壞血酸溶液(試劑管⑩,圖1),稀釋水為去離子水(試劑管⑧,圖1);將儀器所附方法中鹽溶液配置的酸去掉,將酸溶液換成系統(tǒng)清洗液,鉬酸銨溶液(試劑管⑨,圖1)配制方法為:將71 mL的濃硫酸緩慢加入800 mL的去離子水中,將6.2 g鉬酸銨溶于其中,將溶解于水中的0.17 g酒石酸銻鉀溶液加入上面溶液,最后稀釋至1000 mL(其中含2.6 mol/L的1/2 H2SO4),混勻后儲于棕色瓶,每周更新。要將酒石酸銻鉀先溶解再與其他溶液混勻,這樣更容易溶解,試劑吸收也會更低;鹽溶液(試劑管⑥,圖1)配制方法為將5 g氯化鈉溶于700 mL的去離子水,并稀釋至1 L;系統(tǒng)清洗液為0.2%SDS(試劑管③,圖 1):因 SDS的量影響試劑吸收,所以將2g SDS的量改為1g。

        此次實驗全氮和全磷用的都是高濃度進樣管進樣,測定范圍為全氮 0~12 mg/L,全磷 0~6 mg/L。測定速率為50個樣/h,比儀器方法60個樣/h要小,使得增益值良好且視圖更穩(wěn)定。由表1可知,氮磷的靈敏度分別為0.364和0.2764,均大于儀器方法要求的(全氮0.30,全磷0.16)。氮磷的試劑吸收分別為0.019和0.007,均小于儀器方法要求的(氮磷都為0.02)。氮全的帶過% 分別為0.13%和0.37%,均小于儀器方法要求的(全氮0.5%,全磷1.2%)。

        2.2 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制結(jié)果

        全氮全磷標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制的方程分別為:y=-0.0002x2+7.2793x+5.0447 和 y=0.0014x2+15.0736x+18.7397。由圖2可看出氮磷標(biāo)曲線性良好,R2均為 1.0000,高于儀器的線性要求(N:0.9991,P:0.9999),表明AA3型連續(xù)流動分析儀可以快速且準(zhǔn)確地測定氮磷混合標(biāo)準(zhǔn)系列濃度。全氮/全磷標(biāo)準(zhǔn)曲線的空白均高于原點(圖2),這是為了使標(biāo)曲溶液和樣品成分一致,在標(biāo)曲系列中加了消解的空白樣的原因。

        表1 CFA測定全氮/全磷方法的特性參數(shù)設(shè)置Table 1 The characteristic parameter for determination of total nitrogen and total phosphorus by CFA

        2.3 方法精密度測試結(jié)果

        用CFA分別測定5種不同全氮/磷濃度梯度的待測液,重復(fù)測定10次,計算其平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差和變異系數(shù) (見表2)。氮磷的標(biāo)準(zhǔn)偏差分別在0.017~0.038 mg/L 和 0.002~0.004 mg/L 范圍內(nèi),滿足儀器方法要求 (N:0.03 mg/L,P:0.0032 mg/L),全氮/全磷的變異系數(shù)(%)分別在0.276~0.776和0.552~0.919之間,均小于1%,表明具有較好的重現(xiàn)性。

        表2 CFA測定全氮/全磷方法的重復(fù)性Table 2 Repeatability for determination of total nitrogen and total phosphorus by CFA

        表3 CFA測定全氮/全磷方法的最低檢出限Table 3 The lowest detection limit for determination of total nitrogen and total phosphorus by CFA

        表4 CFA測定全氮/全磷方法的空白加標(biāo)回收率Table 4 The blank spike recovery of determination of total nitrogen and total phosphorus by CFA

        2.4 方法最低檢出限的測試結(jié)果

        根據(jù)EPA(美國環(huán)保協(xié)會)測定檢出限的程序[17],計算標(biāo)準(zhǔn)系列最高點濃度 (N:2mg/L,P:4 mg/L)*2%的濃度值 (N:0.2000 mg/L,P:0.08 mg/L), 利用AA3連續(xù)流動分析儀重復(fù)測定該值10次 (如表3)。 10次平均值為 N:0.0097mg/L,P:0.0887 mg/L,標(biāo)準(zhǔn)偏差為N:0.0034,P:0.0032,相對標(biāo)準(zhǔn)偏差% 為N:1.6132%,P:2.9105%;檢出限=標(biāo)準(zhǔn)偏差 *2.86,氮磷檢出限分別為:N:0.0097mg/L,P:0.0092 mg/L,達到了儀器給出的方法檢測極限(N:0.011mg/L,P:0.02 mg/L)。

        2.5 空白加標(biāo)回收率的測試結(jié)果

        重復(fù)測量3次4個空白樣的全氮/全磷濃度,用這4個空白樣配置成空白加標(biāo)待測液 (濃度為N:2、4、6、8 mg/L,P:2.5,3,3.5,4.0 mg/L)。 用AA3連續(xù)流動分析儀重復(fù)測量3次空白加標(biāo)待測液的氮磷含量??瞻准訕?biāo)回收是一種自控的質(zhì)量控制試驗,空白加標(biāo)回收率結(jié)果如表4。由表可看出,全氮全磷的空白加標(biāo)回收率分別在94.2%~100.5%和6.8%~100.5%之間。

        表5 CFA測定全氮/全磷方法的相對準(zhǔn)確度Table 5 Relative accuracy for determination of total nitrogen and total phosphorus by CFA

        2.6 方法準(zhǔn)確度的測試結(jié)果

        根據(jù)區(qū)域地球化學(xué)勘察樣品分析方法[19]上對于方法準(zhǔn)確度參數(shù)的測量與統(tǒng)計,稱取國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(做3個平行樣),和樣品一起消解并重復(fù)測量3次其全氮/全磷濃度,與國家一級標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW07603(GSV-2)全氮/全磷認定值(N:15g/kg,P:1g/kg)比較,計算標(biāo)品的平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差(SD)、相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)和相對準(zhǔn)確度結(jié)果(如表5)。由表可知,經(jīng)國家一級標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(GSV-2)驗證,氮磷的測定結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值吻合,全氮的方法相對準(zhǔn)確度范圍在99.22%~99.68%之間,全磷的方法相對準(zhǔn)確度在99.76%~105.32%之間,表明具有較好的方法相對準(zhǔn)確度。

        3 討論

        本實驗所用的CFA測定全氮/全磷方法兩天可成功分析250個川滇高山櫟樣品,很好地提高了實驗效率。當(dāng)一次測量的樣品>100個樣品,每個樣品測2~3次,最終要測200~300次。為了使實驗數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確[5],每30個樣品最好插入一組漂移/基線校正杯。當(dāng)然,儀器方法和實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性是基于多種因素的,如樣品的正確前處理、標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)確性、儀器的穩(wěn)定性、試劑的正確配置、試劑吸收和交叉污染等等,缺一不可,每一個細節(jié)都要注意。

        消煮時要根據(jù)消煮液最后的顏色和澄清度,適當(dāng)加溫度或過氧化氫的用量。剛開始只能低溫加熱,微沸即可,爆沸會使樣品濺得過高,樣品損失,消煮難度也加大。建議一天最好只測一批樣品(150個樣品/3h),清洗管路后再繼續(xù)測第二批樣時,雖省去儀器預(yù)熱的時間,但因儀器工作時間過長,此時儀器的穩(wěn)定性和泵管的彈性都不太理想,實驗結(jié)果很多時候也不滿足要求(如帶過高,視圖曲線不穩(wěn)定等)。

        標(biāo)準(zhǔn)樣品必須含有與樣品及樣品清洗液同樣的基體,使酸度基本一致,保證樣品和標(biāo)樣的一致性。根據(jù)樣品待測液酸度來調(diào)整試劑里需要添加的酸堿的量,全氮反應(yīng)混合液(尾液)最終pH值要在12.8~13.1之間。全磷反應(yīng)混合液最終顯色酸度[H+]0.35~0.55 mol/L[20]。全磷試劑吸收很容易高,鉬酸銨溶液配置中鉬酸銨溶于酸中時的試劑吸收比溶于水中的要低[21],但酒石酸銻鉀不易溶于酸中,易溶于水,所以先將其溶于水中再混合,這樣不僅省時間還能降低試劑吸收。

        4 結(jié)論

        對AA3型連續(xù)流動分析儀所附方法和文獻報道的磷氮測定方法進行了具體改進后,用來測量川滇高山櫟林枝葉樣品待測液(硫酸-過氧化氫法消煮)中全氮/全磷含量。結(jié)果表明:CFA測定全氮/全磷方法的試劑吸收、靈敏度、帶過%均滿足儀器所附方法要求,基線穩(wěn)定無雜峰,視圖中峰形平滑且規(guī)律。全氮/全磷標(biāo)準(zhǔn)系列線性良好,相關(guān)系數(shù)達到了1.0000,高于儀器的線性要求;氮磷的標(biāo)準(zhǔn)偏差范圍為 0.017~0.038 mg/L 和 0.002~0.004 mg/L,變異系數(shù)范圍為 0.276~0.776%和0.552~0.919%,均小于1%(n=10),具有較好的重現(xiàn)性;方法檢出限分別為:N:0.0097mg/L P:0.0092 mg/L (n=10),滿足儀器所附要求;氮磷空白加標(biāo)回收率范圍在94.2%~100.5% 和 96.8%~100.5%之間(n=3);經(jīng)國家一級標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(GSV-2)驗證,氮磷測定值與標(biāo)準(zhǔn)值吻合,全氮的方法相對準(zhǔn)確度范圍在99.22%~99.68%之間,全磷的方法相對準(zhǔn)確度在99.76%~105.32%之間(n=3),具有較好的方法相對準(zhǔn)確度。

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