殷春前
(宣城市標(biāo)準(zhǔn)計量所,安徽宣城 242000)
凱氏定氮法是測定化合物或混合物中氮含量的一種方法。在催化劑作用下,用濃硫酸消解樣品,使氮化合物轉(zhuǎn)變?yōu)殇@鹽,在堿性條件下蒸餾,將銨鹽轉(zhuǎn)化為氨氣,隨水蒸氣被冷凝,并用過量的硼酸溶液吸收,以酸標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定,用酸標(biāo)準(zhǔn)溶液的消耗量計算出樣品中的氮含量[1]。凱式定氮儀是根據(jù)凱氏定氮法進(jìn)行氮含量測定的儀器,分為全自動和半自動兩類。由于其安全可靠,根據(jù)樣品不同可選擇蒸餾速度,操作簡便,近些年來廣泛應(yīng)用于檢測谷物、食品、飼料、水、土壤、淤泥、沉淀物和化學(xué)品中的氨、蛋白質(zhì)氮含量。
目前,我國尚未對凱氏定氮儀制訂統(tǒng)一的檢定規(guī)程或校準(zhǔn)規(guī)范,對于該類計量儀器,至今尚無進(jìn)行量值溯源可依據(jù)的國家計量檢定規(guī)程和校準(zhǔn)規(guī)范,也無一個全面、具體的參考依據(jù)。在具體工作實踐中,大部分是參照J(rèn)JF 1321—2011《元素分析儀校準(zhǔn)規(guī)范》對該類儀器進(jìn)行校準(zhǔn)。由于JJF 1321—2011是一個通用的元素分析儀校準(zhǔn)規(guī)范,未針對凱氏定氮法消化、滴定做出具體規(guī)定,實際操作中結(jié)果差異很大[2-3]。為更好地解決當(dāng)前凱氏定氮儀校準(zhǔn)溯源問題,服務(wù)于相關(guān)生產(chǎn)企業(yè)及使用單位,使該類儀器生產(chǎn)、溯源更加科學(xué)和規(guī)范,根據(jù)有關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)及計量技術(shù)規(guī)范并結(jié)合工作中的實際情況,筆者探討了凱式定氮儀的校準(zhǔn)方法,并在此基礎(chǔ)上主持起草了安徽省地方計量技術(shù)規(guī)范JJF(皖)127—2022《全自動凱氏定氮儀校準(zhǔn)規(guī)范》,該規(guī)范已于2022年1月發(fā)布實施[4-5]。
凱式定氮儀作為一種依照凱式定氮法基礎(chǔ)上所設(shè)計的儀器,用于對混合物、化合物內(nèi)總氮含量的測量,主要由消解、蒸餾、滴定裝置組成[6]。常見凱氏定氮儀的消解和蒸餾裝置見圖1。在有催化劑的條件下,用濃硫酸消解樣品,轉(zhuǎn)變有機(jī)氮成為無機(jī)銨鹽,之后堿化并蒸餾處理游離氨,用硼酸吸收蒸餾出的水蒸氣,再以鹽酸、硫酸等標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定,根據(jù)酸的消耗量計算樣品中的氮含量。由于蛋白質(zhì)的含氮量系數(shù)較為恒定,該方法可作為定量測定蛋白質(zhì)的經(jīng)典方法[7-10]。
圖1 常見凱氏定氮消解和蒸餾裝置
凱氏定氮儀通常分為全自動凱氏定氮儀和半動凱氏定氮儀,均依據(jù)凱氏定氮法原理設(shè)計制造。全自動凱氏定氮儀對消解后的樣品進(jìn)行自動定量添加試劑、蒸餾、吸收、滴定并輸出測試結(jié)果;而半自動凱氏定氮儀對消解后的樣品進(jìn)行自動定量添加試劑、蒸餾、吸收,僅滴定步驟需要人工操作[11]。
根據(jù)GB/T 33862—2017《全(半)自動凱氏定氮儀》中4.4條的規(guī)定:“全自動儀器示值誤差應(yīng)不超過1%”,儀器示值誤差是保證檢測結(jié)果是否準(zhǔn)確可靠的一個重要參數(shù)。
根據(jù)GB/T 33862—2017《全(半)自動凱氏定氮儀》中4.5條的規(guī)定:“半自動儀器的回收率應(yīng)在99%~101%之間”,儀器回收率是確保檢測結(jié)果準(zhǔn)確可靠的重要技術(shù)指標(biāo)。
根據(jù)GB/T 33862—2017《全(半)自動凱氏定氮儀》中4.6條的規(guī)定:“儀器的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差應(yīng)不大于0.5%”,儀器重復(fù)性采用測量值的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差表示,其結(jié)果應(yīng)不大于0.5%。
綜上所述,凱氏定氮儀校準(zhǔn)的主要參數(shù)確定為示值誤差、回收率、測量重復(fù)性。
根據(jù)儀器的組成和工作原理,以及GB/T 33862—2017《全(半)自動凱氏定氮儀》對該類儀器的具體要求,凱氏定氮儀測量氮元素質(zhì)量為0.1~210 mg,其主要計量性能指標(biāo)見表1。
表1 凱氏定氮儀主要計量性能指標(biāo)
校準(zhǔn)的環(huán)境條件應(yīng)確保儀器正常穩(wěn)定的工作,采用GB/T 33862—2017《全(半)自動凱氏定氮儀》規(guī)定的工作條件作為校準(zhǔn)的環(huán)境條件。環(huán)境溫度:15~35 ℃;相對濕度:不大于85%;電源:額定交流電壓為(220±20) V,頻率為(50±0.5) Hz,儀器接地良好;無易燃易爆和腐蝕性氣體;設(shè)備周圍應(yīng)無強(qiáng)烈振動及影響儀器正常工作的外磁場,應(yīng)避免其它冷、熱源影響。
凱氏定氮儀測定氮含量的三個步驟為消化、蒸餾、自動滴定。其工作原理表明,可選擇含銨根離子的化合物標(biāo)準(zhǔn)樣品作為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行校準(zhǔn)。常見的含銨根離子的化合物有尿素、硫酸銨、氯化銨、硝酸銨和碳酸銨等。校準(zhǔn)過程中標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)需經(jīng)烘干、稱量、溶解后再進(jìn)行后續(xù)的測量,要求校準(zhǔn)用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)必須具備高溫穩(wěn)定以及吸濕點(diǎn)相對較高的特點(diǎn)。硝酸銨易吸濕結(jié)塊和受熱爆炸性分解,碳酸銨對光和熱均不穩(wěn)定,因此這兩種物質(zhì)不適于作為選擇對象。分別選擇尿素、硫酸銨、氯化銨三種標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)開展校準(zhǔn)工作[12-14],配制后的標(biāo)準(zhǔn)溶液含氮質(zhì)量和不確定度列于表2。
表2 標(biāo)準(zhǔn)溶液的含氮質(zhì)量及其不確定度
全自動凱氏定氮儀:VELP UDK-159型,意大利威爾普公司。
電子分析天平:ATX224R型,感量0.1 mg,島津企業(yè)管理(中國)有限公司。
尿素溶液:(1)A 溶液。0.014 0 g/mL(以氮質(zhì)量計),用天平稱取3.003 0 g 尿素標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì),用水溶解定容于100 mL 容量瓶中,搖勻;(2)B 溶液。0.001 4 g/mL(以氮質(zhì)量計),取10 mL的A溶液,用水定容于100 mL容量瓶中,搖勻。
硫酸銨溶液:(1)A 溶液。0.014 0 g/mL(以氮質(zhì)量計)。用天平稱取6.606 5 g硫酸銨標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì),用水溶解定容于100 mL 容量瓶中,搖勻;(2)B 溶液。0.000 14 g/mL(以氮質(zhì)量計),取10 mL 的A 溶液用水定容于100 mL容量瓶中,搖勻。
氯化銨溶液:(1)A 溶液。0.014 0 g/mL(以氮質(zhì)量計),用天平稱取5.349 0 g 氯化銨標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì),用水溶解定容于100 mL 容量瓶中,搖勻;(2)B 溶液。0.001 4 g/mL,取10 mL 的A 溶液用水定容于100 mL容量瓶中,搖勻備用。
硫酸標(biāo)準(zhǔn)溶液:0.05 mol/L,0.25 mol/L。
鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液:0.1 mol/L,0.5 mmol/L。
甲基紅指示劑、溴甲酚綠指示劑、乙醇、硼酸、氫氧 化 鈉、硫 酸、硫 酸 銅(CuSO4·5H2O)、硫 酸 鉀(K2SO4):分析純。
甲基紅乙醇溶液:1 g/L,稱取0.1 g甲基紅,溶于95%乙醇,用95%乙醇稀釋至100 mL。
溴甲酚綠乙醇溶液:1 g/L,稱取0.1 g溴甲酚綠,溶于95%乙醇,用95%乙醇稀釋至100 mL。
混合指示劑:1份甲基紅乙醇溶液與5份溴甲酚綠乙醇溶液臨使用時混合。
氫氧化鈉溶液:稱取400 g 氫氧化鈉于500 mL燒杯中,用水溶解,冷卻至室溫,轉(zhuǎn)移至1 000 mL容量瓶中,定容至標(biāo)線,搖勻。
硼酸溶液:稱取20.00 g 硼酸,用水溶解并定容至1 000 mL容量瓶中,搖勻,轉(zhuǎn)移至試劑瓶中,按體積比100∶1 加入甲基紅-溴甲酚綠混合指示劑,混勻。
硫酸鉀-硫酸銅混合催化劑:將1 000 g硫酸鉀和50 g硫酸銅充分混合并仔細(xì)研磨。
校準(zhǔn)用標(biāo)準(zhǔn)溶液使用濃度及其參數(shù)見表3。
表3 校準(zhǔn)用標(biāo)準(zhǔn)溶液使用濃度及其參數(shù)
實驗用水為二次蒸餾水或去離子水。
按照儀器使用說明書操作要求,將儀器調(diào)至正常工作狀態(tài)。檢查儀器外觀是否整潔,不應(yīng)有刻痕和脫漆,主機(jī)箱體、連接線、玻璃部件等應(yīng)無劃痕或破損,各控制調(diào)整開關(guān)和旋鈕等應(yīng)操作靈活,零件表面不得銹蝕,產(chǎn)品銘牌及標(biāo)志應(yīng)耐久和清楚[15]。
3.4.1 儀器示值誤差
待儀器穩(wěn)定運(yùn)行后,按照覆蓋儀器設(shè)定量程低、中、高范圍或者根據(jù)客戶要求,選擇含氮質(zhì)量分別為7、14、28、140、210 mg的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)溶液,加入消化管中,再依次加入0.5 g 硫酸鉀-硫酸銅混合催化劑、10 mL 濃硫酸進(jìn)行消解,同時取相同體積的水做空白對照。消解完全后,按照規(guī)定流程對儀器進(jìn)行操作,每種濃度標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)分別重復(fù)測量3次,按照式(1)計算儀器示值誤差。
式中:E——儀器示值誤差,%;
-X——3 次測量標(biāo)準(zhǔn)溶液含氮質(zhì)量平均值,mg;
Xs——標(biāo)準(zhǔn)溶液含氮質(zhì)量標(biāo)稱值,mg。
3.4.2 儀器回收率
儀器選定的量程范圍內(nèi),選用含氮質(zhì)量為14 mg 的標(biāo)準(zhǔn)溶液,或者按照客戶要求選擇標(biāo)準(zhǔn)溶液,加入消化管中,再依次加入0.5 g硫酸鉀-硫酸銅混合催化劑、10 mL濃硫酸進(jìn)行消解,同時取相同體積的水做空白對照。消解完全后,按照規(guī)定流程對儀器進(jìn)行操作,根據(jù)式(2)計算氮含量m,連續(xù)測量3次,按照式(3)計算儀器回收率:
式中:m——含氮質(zhì)量,mg;
V1——滴定消耗的硫酸標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積,mL;
V2——滴定空白時消耗的硫酸標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積,mL;
c——硫酸或鹽酸標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液濃度,mol/L;14.01——氮的摩爾質(zhì)量;
K——回收率,%;
-m——3 次測量標(biāo)準(zhǔn)溶液含氮質(zhì)量的平均值,mg;
ms——標(biāo)準(zhǔn)溶液含氮質(zhì)量,ms=14 mg。
3.4.3 儀器重復(fù)性
在3.4.1的測量條件下,選用含氮質(zhì)量為140 mg的標(biāo)準(zhǔn)溶液,重復(fù)測量6 次,按照式(4)計算儀器重復(fù)性。
式中:Sr——相對標(biāo)準(zhǔn)偏差,%;
mi——第i次測量值,mg;
n——測量次數(shù),n=6。
選取常見的意大利威爾普公司VELP UDK-159型全自動凱氏定氮儀,按照上述校準(zhǔn)方法,采用氯化銨、硫酸銨、尿素3種標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)分別進(jìn)行校準(zhǔn)。
表4 驗證用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)一覽表
因市場上暫時無法購買到國家級標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的硫酸銨,以硫酸銨基準(zhǔn)試劑代替。
4.2.1 儀器示值誤差
按照3.4.1方法,儀器示值誤差試驗結(jié)果見表5。由表5可知,儀器示值誤差均不超過±1%,滿足正常使用要求。
表5 儀器示值誤差試驗結(jié)果
4.2.2 儀器回收率
按照3.4.2 方法,采用氯化銨標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)[16],吸取10 mL氯化銨基準(zhǔn)試劑溶液于凱氏定氮儀中進(jìn)行校準(zhǔn)測試,測量10 次,結(jié)果見表6。由表6 可見,儀器回收率為99.31%~101.38%,平均回收率為100.21%,試驗結(jié)果理想。
表6 采用氯化銨標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)時儀器回收率試驗數(shù)據(jù)
分別采用硫酸銨基準(zhǔn)試劑[17]、尿素為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行校準(zhǔn)測試,所得儀器回收率分別為99.67%~100.88%、98.66%~99.32%,平均回收率分別為100.32%、99.02%。結(jié)果表明,使用氯化銨、硫酸銨校準(zhǔn)結(jié)果較好,使用尿素校準(zhǔn)結(jié)果一般。
4.2.3 儀器測量重復(fù)性
按照3.4.3方法,儀器測量重復(fù)性試驗結(jié)果見表7。由表7 可知,儀器測量重復(fù)性不大于0.5%,滿足正常使用要求。
表7 測量重復(fù)性試驗結(jié)果
結(jié)合以上數(shù)據(jù)分析,以氯化銨、硫酸銨為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)用于計量校準(zhǔn),示值誤差、回收率和重復(fù)性均優(yōu)于尿素[18]。究其原因,硫酸銨和氯化銨中氮元素均為銨態(tài)氮,而尿素中的氮為酰胺態(tài)氮,消化過程中銨態(tài)氮更為穩(wěn)定,另外尿素較氯化銨、硫酸銨更容易吸潮、水解,影響測量結(jié)果。
選取儀器示值誤差、儀器回收率、儀器測量重復(fù)性3個計量特性對凱氏定氮儀進(jìn)行校準(zhǔn)。分別以氯化銨、硫酸銨、尿素3 種標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)對儀器校準(zhǔn),試驗結(jié)果表明氯化銨、硫酸銨更為理想。