胡夢(mèng)穎，徐進(jìn)力，朱穎濤，張鵬鵬，張靈火，徐紅納，白金峰，張勤

(1.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院 地球物理地球化學(xué)勘查研究所，河北 廊坊 065000； 2.聯(lián)合國(guó)教科文組織全球尺度地球化學(xué)國(guó)際研究中心，河北 廊坊 065000； 3.交通運(yùn)輸部 天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所， 天津 300456； 4.牡丹江醫(yī)學(xué)院 藥學(xué)院，黑龍江 牡丹江 157011)

0 引言

作為陸地生態(tài)系統(tǒng)中重要和活躍的有機(jī)碳庫(kù)，土壤有機(jī)碳庫(kù)儲(chǔ)量約為植被碳庫(kù)的2倍，是全球碳循環(huán)的重要環(huán)節(jié)[1-2]。土壤有機(jī)碳具有多種特性，使其可以改變土壤的性質(zhì)，同時(shí)其含量高低直接影響其他元素在土壤中的遷移和轉(zhuǎn)化過程。通過地球化學(xué)樣品中有機(jī)碳的含量指標(biāo)，可以進(jìn)一步研究土壤中其他常量或微量元素儲(chǔ)量及其特征，因此土壤有機(jī)碳是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)[3-5]，準(zhǔn)確測(cè)定土壤中有機(jī)碳含量具有重要意義。同時(shí)，有機(jī)碳在中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局比例尺為1∶20萬、1∶25萬的多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查樣品中，也是必須分析的元素指標(biāo)。

測(cè)定土壤有機(jī)碳的方法主要分為氧化方法和測(cè)定方法兩種[6]。現(xiàn)有氧化方法主要分為干法氧化(燃燒法)和濕法氧化(酸化法)，而測(cè)定方法則包括了滴定法、比色法、容量法、質(zhì)量法、光度法、氣相色譜法、壓力計(jì)法等[7-10]。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(international organization for standardization, 簡(jiǎn)稱ISO)對(duì)于有機(jī)碳的分析標(biāo)準(zhǔn)方法主要推薦兩種：一種使用重鉻酸鉀對(duì)樣品進(jìn)行氧化，利用比色法測(cè)定有機(jī)碳含量[11]；另一種是利用燃燒氧化，將有機(jī)碳氧化為CO2，再通過滴定法、電導(dǎo)法、質(zhì)量法、氣相色譜法以及紅外法等方法進(jìn)行測(cè)定，通過生成氣體的含量計(jì)算得出有機(jī)碳的含量[12]。其中重鉻酸鉀氧化法不僅對(duì)環(huán)境有一定的污染，同時(shí)也常受到難以控制加熱條件、人為操作誤差較大等因素影響從而產(chǎn)生一定偏差[13-14]。

隨著儀器集成技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，近年來，元素分析儀被大量用于快速測(cè)定C、H、N、S單個(gè)或組合元素含量[15-25]，其測(cè)定原理為高溫燃燒氧化—?dú)庀嗌V檢測(cè)，即樣品在石英管內(nèi)富氧環(huán)境中高溫燃燒分解，被測(cè)組分轉(zhuǎn)變?yōu)镃O2、H2O、SOX、NOX的混合氣體；生成的混合氣體再經(jīng)過Cu還原，NOX被還原為N2，SOX還原成SO2，并吸收多余的O2；混合氣體在載氣(He)的推動(dòng)下進(jìn)入色柱譜進(jìn)行分離，分離的氣體依次進(jìn)入熱導(dǎo)檢測(cè)器(TCD)檢測(cè)(圖1)；TCD檢測(cè)器給出與各組分濃度成正比的電信號(hào)，軟件根據(jù)組分的信號(hào)值和對(duì)應(yīng)元素的校正曲線，分別計(jì)算相應(yīng)組分含量。前人利用元素分析儀測(cè)定元素含量均取得了較好的結(jié)果，如程思海等[18]確定了元素分析儀的最佳工作條件，用于測(cè)定海洋沉積物中硫的含量；于兆水等[16,24]利用元素分析儀分析了包括有機(jī)碳和無機(jī)碳的總碳；高翠萍等[21,25]利用元素分析儀測(cè)定了土壤中有機(jī)碳及全氮含量。但在測(cè)定有機(jī)碳方面，多采用酸洗法進(jìn)行多次處理樣品后再進(jìn)行測(cè)定，操作較為繁瑣。筆者通過對(duì)元素分析儀的工作條件進(jìn)行優(yōu)化，以及對(duì)土壤樣品進(jìn)行簡(jiǎn)單前處理方法的研究，建立了氧化燃燒—?dú)庀嗌V法測(cè)定土壤樣品中有機(jī)碳的方法，并采用國(guó)家一級(jí)土壤成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行分析驗(yàn)證，取得了較好的結(jié)果。

圖1 儀器工作原理Fig.1 Working principle of the instrument

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器及主要試劑

意大利Euro Vector公司EA3000型元素分析儀。

電子天平：MSA125P-CE型，北京賽多利斯公司，實(shí)際分度值0.01 mg。

錫囊：5 mm×9 mm。

磷酸：(1+4)，現(xiàn)配現(xiàn)用，用于去除土壤中的無機(jī)碳。

儀器使用的試劑包括：三氧化鎢(催化劑)、鍍銀氧化鈷(去除硫、鹵族元素)、線狀銅(還原并除去多余的氧)。

氧氣、氦氣：純度均為99.999%。

土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)為國(guó)家一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(GBW07403、GBW07424、GBW07425、GBW07427、GBW07448、GBW07452、GBW07454、GBW456、GBW07385～GBW07388、GBW07390、GBW07391)，由中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所提供，于105 ℃烘箱中烘干15 h，冷卻后置于干燥器中備用。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

稱取10～30 mg樣品置入錫囊中，加入適量磷酸溶液(1+4)前處理，去除無機(jī)碳對(duì)有機(jī)碳測(cè)量結(jié)果的干擾，待其充分反應(yīng)后無氣泡冒出，置于40 ℃烘箱中低溫加熱6 h至磷酸溶液完全揮發(fā)至干，將裝載樣品的錫囊包好。按氧化燃燒—?dú)庀嗌V法所用元素分析儀器的操作規(guī)程，將包裹后的樣品依次放入自動(dòng)進(jìn)樣器待測(cè)，樣品在儀器最佳工作條件下進(jìn)行測(cè)定，樣品中的有機(jī)碳在燃燒管中高溫燃燒分解，至完全氧化成CO2，CO2、H2O等氣體隨載氣通過還原Cu并去除多余氧氣，經(jīng)色譜柱進(jìn)行分離后，進(jìn)入TCD檢測(cè)器檢測(cè)，得到TCD峰面積，按照標(biāo)準(zhǔn)曲線法計(jì)算出對(duì)應(yīng)的碳元素含量，即為樣品中有機(jī)碳含量。

2 結(jié)果與討論

2.1 儀器條件的選擇

元素分析儀在工作過程中，主要涉及了氧化爐溫度、熱導(dǎo)檢測(cè)器與色譜柱溫度、載氣壓力、氧氣加入量、氧氣分壓等參數(shù)。各參數(shù)對(duì)于樣品的測(cè)試結(jié)果均具有一定的影響，因此，為了獲得理想的檢測(cè)結(jié)果，需要對(duì)其進(jìn)行條件優(yōu)化。

2.1.1 氧化爐溫度

儀器的氧化爐溫度對(duì)樣品的檢測(cè)結(jié)果具有重要的影響，不同的溫度會(huì)造成樣品不同的燃燒效率，從而影響測(cè)定的結(jié)果。在其他條件相同的情況下，準(zhǔn)確稱取多份(n=11)11.00 mg的國(guó)家一級(jí)土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW07387(GSS31)進(jìn)行試驗(yàn)，按照上述1.2節(jié)實(shí)驗(yàn)方法，考察氧化爐的溫度對(duì)于樣品出峰面積的影響(圖2)。實(shí)驗(yàn)表明，爐溫過低，錫囊不能充分燃燒，檢測(cè)到碳峰誤差較大；爐溫過高，不利于石英反應(yīng)管壽命的延長(zhǎng)。另一方面，考慮到樣品在測(cè)試過程中，燃燒后的殘存物質(zhì)殘留在石英反應(yīng)管中，所造成的溫度梯度會(huì)影響后續(xù)樣品的測(cè)定，因此，選擇稍高的1 000 ℃作為有機(jī)碳樣品分析的氧化爐溫度。

圖2 爐溫與碳信號(hào)強(qiáng)度的關(guān)系Fig.2 Relationship between furnace temperature and signal intensity of carbon

2.1.2 加氧量

加氧量的差異會(huì)造成樣品在燃燒過程中的氧化效率，從而影響測(cè)定結(jié)果，并對(duì)還原管中銅的消耗量造成影響。按照上述1.2節(jié)實(shí)驗(yàn)方法，不同的加氧量(n=8)下測(cè)得的國(guó)家一級(jí)土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW07387(GSS31)的碳百分質(zhì)量與其認(rèn)定值的比值如圖3所示。結(jié)果表明，加氧量在18 mL左右測(cè)得的樣品值與認(rèn)定值最為接近;加氧量過低，會(huì)造成氧化燃燒不完全，測(cè)量結(jié)果偏低；而氧氣加入量過大，會(huì)造成還原管中銅的損耗加劇，增加成本。同時(shí)，考慮到土壤樣品基體的復(fù)雜性，本次研究選擇的氧氣加入量為18 mL。

圖3 加氧量和碳百分質(zhì)量與其認(rèn)定值比值的關(guān)系Fig.3 Relationship between oxygen adding quantity and the ratio of measured value to the certified value

2.1.3 氧氣壓力

氧氣壓力的大小決定了固定體積的氧氣注入氧化爐的時(shí)間長(zhǎng)短。按照上述1.2節(jié)實(shí)驗(yàn)方法，不同氧氣壓力(n=6)下測(cè)得的國(guó)家一級(jí)土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW07387(GSS31)的碳百分質(zhì)量與其認(rèn)定值的比值如圖4所示。結(jié)果表明，氧氣壓力對(duì)于測(cè)量結(jié)果的影響較小，這可能是由于在不同氧氣壓力下，同等時(shí)間內(nèi)注入氧化爐的氧氣量都幾乎足夠?qū)υ嚇舆M(jìn)行氧化?？紤]到氧氣壓力過大，氧氣注入時(shí)間短，不同的樣品可能會(huì)產(chǎn)生注入的氧氣過量使試樣燃燒反應(yīng)激烈而產(chǎn)生噴濺，影響測(cè)試結(jié)果，因此，選擇35 kPa作為測(cè)定有機(jī)碳樣品分析的氧氣壓力。

圖4 氧氣壓力和碳百分質(zhì)量與其認(rèn)定值比值的關(guān)系Fig.4 Relationship between oxygen pressure andthe ratio of measured value to the certified value

2.1.4 載氣壓力

實(shí)驗(yàn)用載氣為高純氦氣，其壓力的高低主要決定了載氣流量的大小，從而決定了樣品中不同元素的出峰時(shí)間及峰型，影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度。載氣壓力過低，載氣流速小，樣品出峰時(shí)間長(zhǎng)，峰型平緩不完整，測(cè)量結(jié)果誤差較大；壓力過高，載氣流速大，樣品出峰時(shí)間短，峰型尖銳面積小，生成的氣體未被檢測(cè)完全就被帶走，使得測(cè)量結(jié)果偏小(圖5)。因此，我們選擇較為適中的載氣壓力120 kPa。

圖5 載氣壓力和碳百分質(zhì)量與其認(rèn)定值比值的關(guān)系Fig.5 Relationship between carrier gas pressure and the ratio of measured value to the certified value

2.1.5 其他儀器參數(shù)設(shè)置

其他儀器參數(shù)設(shè)置情況如表1所示。

表1 儀器參數(shù)設(shè)置

2.2 方法質(zhì)量參數(shù)

2.2.1 校準(zhǔn)曲線的繪制

EA3000型元素分析儀的標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制方法有兩種，分別是K因子法(K-Factor)和線性法(Linear)。K因子法主要用于待測(cè)樣品單一、產(chǎn)品的質(zhì)量監(jiān)控等情況，選擇與待測(cè)樣品含量較為接近的標(biāo)樣作為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)建立標(biāo)準(zhǔn)曲線；線性法主要針對(duì)多個(gè)待測(cè)樣品，其元素含量范圍較廣的情況。本實(shí)驗(yàn)中標(biāo)準(zhǔn)曲線的建立采用線性法，分別于2.00～30.00 mg梯度稱量8個(gè)土壤標(biāo)樣GBW07387(GSS31)，按照上述1.2節(jié)實(shí)驗(yàn)方法處理后，在建立標(biāo)線前先測(cè)量3個(gè)廢樣(bypass)，質(zhì)量在1.00～2.00 mg之間不用稱量，之后測(cè)量3個(gè)空白錫囊，待空白值降低到符合要求后，由低到高依次添加稱量標(biāo)樣進(jìn)行測(cè)定，最后再用標(biāo)樣當(dāng)作樣品反測(cè)，看其測(cè)量值是否在誤差范圍之內(nèi)。得到碳標(biāo)準(zhǔn)曲線的校準(zhǔn)方程為y=52 616x+4 835.2，相關(guān)系數(shù)為0.999 9(圖6)。

2.2.2 方法的檢出限和精密度

按照本實(shí)驗(yàn)方法，對(duì)低含量未知樣品平行測(cè)定12次，得到樣品測(cè)定值的標(biāo)準(zhǔn)偏差，以3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差計(jì)算出方法的檢出限為0.012%。

選擇國(guó)家一級(jí)土壤成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW07403(GSS-3)、GBW07448(GSS-19)、GBW07385(GSS-29)、GBW07387(GSS-31)、GBW07391(GSS-35)分別平行稱取12份，按上述實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)定，計(jì)算此方法精密度(RSD)。計(jì)算結(jié)果見表2，精密度范圍1.10%～4.11%。

2.2.3 方法準(zhǔn)確度

選擇14個(gè)國(guó)家一級(jí)土壤成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(GBW07403、GBW07424、GBW07425、GBW07427、GBW07448、GBW07452、GBW07454、GBW456、GBW07385～GBW07388、GBW07390、GBW07391)，按本文的方法進(jìn)行有機(jī)碳含量測(cè)定，以驗(yàn)證方法的準(zhǔn)確性，測(cè)定結(jié)果如表3所示。結(jié)果表明，采用該方法測(cè)定化探土壤樣品中的有機(jī)碳含量，測(cè)定值與標(biāo)準(zhǔn)推薦值吻合，具有較高的準(zhǔn)確度。

表2 方法精密度結(jié)果

表3 方法準(zhǔn)確度結(jié)果

3 結(jié)論

對(duì)氧化燃燒—?dú)庀嗌V法測(cè)定有機(jī)碳的儀器測(cè)定條件，如氧化爐溫度、加氧量、氧氣壓力及載氣壓力等進(jìn)行了優(yōu)化，通過先在稱量的樣品中加入磷酸溶液(1+4)進(jìn)行前處理，從而去除無機(jī)碳對(duì)測(cè)量結(jié)果的干擾，然后直接進(jìn)樣測(cè)量土壤中總有機(jī)碳的方法，解決了土壤樣品重復(fù)多次測(cè)量的問題，具有取樣量少、分析效率高、精密度好、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)，適合不同性質(zhì)的樣品；采用稀釋后的磷酸對(duì)樣品進(jìn)行前處理，減少了對(duì)儀器的腐蝕；且通過載氣的作用，可以進(jìn)行連續(xù)分析。通過國(guó)家一級(jí)土壤成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)驗(yàn)證，該方法所得測(cè)試結(jié)果具有較高的精密度和準(zhǔn)確度。