元素分析：單反應(yīng)爐的土壤和植物碳、氮分析

作者Dominique Chevalier,¹Francesco Leone, ²Liliana Krotz²and Guido Giazzi^2
1賽默飛-法國（Courtaboeuf）實(shí)驗(yàn)室; ²賽默飛-意大利（Milan）實(shí)驗(yàn)室
 
關(guān)鍵詞：碳元素、氮元素、燃燒法、植物、土壤
 
目標(biāo)：該應(yīng)用文獻(xiàn)為使用FlashSmart™元素分析儀測定氮元素和碳元素。本方法中使用了單燃燒/還原爐結(jié)構(gòu)。

注：該文章已經(jīng)過文章作者授權(quán)轉(zhuǎn)譯

前言：
以燃燒法測定土壤、植物、樹葉、濾料、動物組織中氮元素和碳元素是十分常見的。碳元素和氮元素為農(nóng)業(yè)和環(huán)境領(lǐng)域研究提供了非常重要的信息。
近些年土壤和植物的測試開始變得重要。許多傳統(tǒng)方法因樣品制備時(shí)間長，需使用危險(xiǎn)化學(xué)試劑等諸多因素已經(jīng)不再適于日常分析。因此，一個(gè)有效的分析技術(shù)變得至關(guān)重要。由于樣品處理量增加、減少測試費(fèi)用、最小化人為誤差等需求急劇增加，一種簡單自、動化并且具有高重復(fù)性的快速碳氮分析技術(shù)十分重要。
賽默飛™ FlashSmart™元素分析儀（圖1）使用動態(tài)閃燒技術(shù)，滿足了現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)室需求。該儀器標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)是基于雙反應(yīng)器系統(tǒng)，第一個(gè)反應(yīng)器用于燃燒和催化氧化樣品，第二個(gè)反應(yīng)器是用于將氮氧化物還原為氮?dú)狻?strong>FlashSmart™元素分析儀能為碳氮測定減少催化劑的使用量，從而使得僅使用一個(gè)燃燒還/原管（直徑25mm）即可完成分析。反應(yīng)器中填裝有催化劑和還原銅確保能夠完全轉(zhuǎn)化燃燒產(chǎn)物。這篇應(yīng)用文獻(xiàn)給出了FlashSmart™元素分析儀在使用單反應(yīng)爐結(jié)構(gòu)分析碳氮時(shí)的性能表現(xiàn)。

圖1  FlashSmart  元素分析儀.
方法：
FlashSmart™元素分析儀使用的是動態(tài)燃燒法。樣品用錫紙包裝，再由MAS Plus 自動進(jìn)樣器送入反應(yīng)器內(nèi)，由適量的氧氣進(jìn)行燃燒。對于單爐碳氮在單個(gè)反應(yīng)器結(jié)構(gòu)中，在燃燒后，燃燒產(chǎn)生的氣體以氦氣作為載氣通過催化氧化劑和還原銅，氣體通過位于反應(yīng)器內(nèi)的鹵素和硫吸收管。在反應(yīng)管后，水被脫除�；旌蠚馔ㄟ^GC分離，通過熱導(dǎo)檢測器（TCD）檢測，圖2。全部的數(shù)據(jù)及報(bào)告由精心研發(fā)的EagerSmart™工作站分析處理.
圖2：碳氮檢測結(jié)構(gòu)簡圖
分析條件
對于高含量碳氮元素分析測定使用3米長的色譜柱。圖3給出了典型的碳氮測定圖譜。
三個(gè)實(shí)驗(yàn)表明了單爐結(jié)構(gòu)中不同質(zhì)量下的土壤和植物樣品的儀器性能表現(xiàn)。在測試A、B中樣品稱樣重和雙爐結(jié)構(gòu)一致，但在使用B的參數(shù)時(shí)分析時(shí)間更加短。測試C是為了更高的進(jìn)樣量而設(shè)計(jì)，測定條件如表1。


圖3. 典型的碳氮圖譜
 

 
 
表1.測定條件
 

測試	測試 A	測試  B “閃電模式”	測試  C
樣品稱重	50–70 mg 土壤, 250–300 mg 沙子, 5–7 mg 植物	50–70 mg 土壤, 250–300 mg 沙子, 5–7 mg 植物	約20 mg 植物
反應(yīng)爐爐溫	950 °C	950 °C	950 °C
柱溫	50 °C	65 °C	50 °C
載氣流速	200 mL/min	200 mL/min	170 mlL/min
參考?xì)饬魉?/td>	40 mL/min	40 mL/min	40 mL/min
氧氣流速	160 mL/min	160 mL/min	300 mL/min
分析時(shí)間	330 s	270 s	420 s
氧氣注入時(shí)間	12 s	12 s	9 s
樣品延遲	20 s	20 s	17 s

 
結(jié)果
分析不同濃度碳氮土壤、植物標(biāo)準(zhǔn)品用來評估單爐測試A、B、C條件下的儀器性能。表2為碳氮標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)濃度及其不確定度。
 
表2碳氮元素標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)參數(shù).
 

標(biāo)物種類	規(guī)格參數(shù)
	N%	不確定度 (± %)	C%	不確定度 (± %)
賽默飛制標(biāo)準(zhǔn)土	0.21	0.01	2.29	0.07
低有機(jī)含量土	0.133	0.023	1.61	0.09
中等有機(jī)含量土	0.27	0.02	3.19	0.07
壤質(zhì)土	0.27	0.02	2.75	0.12
白堊土	0.35	0.02	5.39	0.09
沙質(zhì)土	0.07	0.01	0.83	0.05
白樺樹葉	2.12	0.06	48.09	0.51
果園葉子	2.28	0.04	50.40	0.40
苜蓿	3.01	0.20	na	na
燕麥片	1.90	0.10	45.51	0.17

 

 
測試A
 
標(biāo)曲分析序列在表3列出，表4給出了用二次擬合或線性擬合作為標(biāo)定方法所分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和測定方法。
表3 測試A標(biāo)線序列

編號	標(biāo)準(zhǔn)品名稱	樣品類型	樣品重量 (mg)	理論值
				N%	C%
1	苯甲酸	標(biāo)樣	5.974	–	68.85
2	苯甲酸	標(biāo)樣	6.455	–	68.85
3	天冬氨酸	標(biāo)樣	6.548	10.52	36.09
4	天冬氨酸	標(biāo)樣	5.799	10.52	36.09
5	天冬氨酸	標(biāo)樣	2.528	10.52	36.09
6	天冬氨酸	標(biāo)樣	2.092	10.52	36.09
7	土壤標(biāo)準(zhǔn)品	標(biāo)樣	6.288	0.21	2.29
8	土壤標(biāo)準(zhǔn)品	標(biāo)樣	8.467	0.21	2.29

表4給出了標(biāo)注物質(zhì)稱樣量和用二次或線性擬合得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
 

 
表4碳氮標(biāo)準(zhǔn)品實(shí)驗(yàn)結(jié)果
 

樣品信息		二次曲線方法				一次曲線方法
參考物	W (mg)	N%	RSD%	C%	RSD%	N%	RSD%	C%	RSD%
賽默飛制標(biāo)準(zhǔn)土	54.879	0.21		2.26		0.2		2.27
	62.212	0.2	2.84	2.23	0.68	0.2	0	2.25	0.51
	59.21	0.2		2.25		0.2		2.27
低有機(jī)含量土	52.31	0.12		1.57		0.12		1.58
	59.495	0.12	4.68	1.56	0.97	0.12	4.68	1.56	0.97
	56.449	0.13		1.59		0.13		1.59
中等有機(jī)含量土	57.837	0.27		3.15		0.27		3.17
	66.428	0.27	0	3.15	0.18	0.27	2.17	3.16	0.32
	70.375	0.27		3.16		0.26		3.18
壤質(zhì)土	66.068	0.26		2.67		0.25		2.68
	56.356	0.26	0	2.69	0.37	0.25	2.28	2.71	0.57
	65.322	0.26		2.68		0.26		2.7
白堊土	53.043	0.37		5.32		0.36		5.34
	59.841	0.37	0	5.34	0.47	0.36	1.59	5.35	0.28
	67.876	0.37		5.37		0.37		5.37
沙質(zhì)土	240.058	0.065		0.813		0.064		0.818
	255.114	0.066	0.88	0.817	0.32	0.065	0.89	0.821	0.31
	229.087	0.066		0.818		0.065		0.823
白樺樹葉	6.788	2.14		47.93		2.11		48.04
	7.249	2.17	1.17	47.92	0.13	2.13	0.72	47.99	0.22
	6.065	2.12		48.03		2.1		48.19
果園葉子	6.445	2.3		50		2.27		50.12
	6.615	2.31	0.25	50.21	0.26	2.27	0.25	50.31	0.29
	5.809	2.31		50.24		2.28		50.41
苜蓿	6.21	2.92		43.01		2.87		43.18
	7.124	3.02	1.68	42.93	0.15	2.97	1.71	43.06	0.16
	6.133	2.97		42.88		2.92		43.06
燕麥	6.001	2.02		45.44		1.99		45.61
	6.428	1.99	1.04	45.38	0.36	1.97	1.02	45.53	0.35
	6.567	1.98		45.69		1.95		45.84

Test B
 
在表5中給出了標(biāo)曲分析序列。表6中給出了標(biāo)注物質(zhì)稱樣量和用二次或線性擬合得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。所有的結(jié)果均有很好的重復(fù)性，均在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。表7給出了其他情況下測定碳氮的數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)均展現(xiàn)了良好的重復(fù)性。
 
 
測試B標(biāo)準(zhǔn)曲線測定序列

編號	標(biāo)準(zhǔn)品名稱	樣品類型	樣品重量 (mg)	理論值
				N%	C%
1	苯甲酸	標(biāo)樣	5.977	–	68.85
2	苯甲酸	標(biāo)樣	6.554	–	68.85
3	天冬氨酸	標(biāo)樣	7.222	10.52	36.09
4	天冬氨酸	標(biāo)樣	6.617	10.52	36.09
5	天冬氨酸	標(biāo)樣	2.799	10.52	36.09
6	天冬氨酸	標(biāo)樣	2.108	10.52	36.09
7	土壤標(biāo)準(zhǔn)品	標(biāo)樣	6.688	0.21	2.29
8	土壤標(biāo)準(zhǔn)品	標(biāo)樣	8.467	0.21	2.29

 

 
表6 碳氮元素標(biāo)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果

樣品信息	二次校準(zhǔn)曲線方法				直線校準(zhǔn)方法
標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)	W (mg)	N%	RSD%	C%	RSD%	N%	RSD%	C%	RSD%
賽默飛制土	54.371	0.21		2.24		0.2		2.25
	59.476	0.21	2.79	2.25	0.68	0.21	2.84	2.26	0.67
	52.999	0.2		2.27		0.2		2.28
低有機(jī)含量土	67.572	0.12		1.6		0.12		1.61
	54.559	0.13	4.68	1.611	0.96	0.13	4.56	1.61	0.72
	55.945	0.12		0.58		0.13		1.59
中等有機(jī)含量土	54.04	0.27		3.16		0.26		3.17
	60.17	0.27	2.17	3.18	0.8	0.26	0	3.19	0.63
	57.114	0.26		3.13		0.26		3.15
壤質(zhì)土	50.217	0.25		2.68		0.25		2.69
	57.96	0.25	2.28	2.65	0.57	0.25	0	2.66	0.57
	67.524	0.26		2.66		0.25		2.68
白堊土	62.091	0.36		5.32		0.36		5.35
	61.176	0.36	0	5.33	0.19	0.36	0	5.35	0.22
	62.267	0.36		5.34		0.36		5.37
沙質(zhì)土	216.902	0.065		0.823		0.065		0.827
	231.937	0.066	0.88	0.826	0.56	0.065	0.89	0.829	0.57
	244.618	0.065		0.817		0.064		0.82
白樺樹葉	5.749	2.1		48.11		2.08		48.25
	6.634	2.13	0.72	48.02	0.22	2.1	0.55	48.11	0.22
	5.854	2.12		47.9		2.1		48.04
果園葉子	5.845	2.28		50.63		2.26		50.72
	5.849	2.28	0.25	50.59	0.25	2.26	0.26	50.72	0.25
	5.823	2.27		50.39		2.25		50.52
苜蓿	6.467	2.92		42.94		2.88		43.07
	6.12	2.97	1.36	43.04	0.15	2.93	1.24	43.18	0.2
	7.337	3		42.92		2.95		43.01
燕麥	5.987	1.98		45.41		1.97		45.65
	6.154	1.98	0.87	45.32	0.34	1.96	0.77	45.57	0.33
	6.544	2.01		45.62		1.99		45.86

 
 
 

 
表7. 其他碳氮測定數(shù)據(jù)
 

樣品	W (mg)	N%	RSD%	C%	RSD%
	5.884	7.50		43.07
大豆	5.775	7.52	0.86	42.97	0.12
	5.917	7.40		42.98
	6.126	1.83		41.35
大麥粉	5.900	1.81	0.63	41.37	0.04
	5.877	1.81		41.33
	6.069	1.38		39.78
小麥粉	5.759	1.38	0.42	39.80	0.04
	5.808	1.37		39.77
	6.013	1.43		40.23
米粉	5.814	1.40	1.08	40.26	0.05
	5.910	1.41		40.26

 
測試C
 
表8中給出了標(biāo)曲分析序列。表9中給出了標(biāo)注物質(zhì)稱
樣量和用二次或線性擬合得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。表10中給出了其他物質(zhì)的測定數(shù)據(jù)，同樣展示了結(jié)果的重復(fù)性與傳統(tǒng)的土壤和植物氮碳測定方法相比，F(xiàn)lashSmart™元素分析儀具有巨大的優(yōu)勢。儀器可分析大進(jìn)樣量的有機(jī)物（如土壤、植物）。使用簡化的結(jié)構(gòu)依舊能夠提供高準(zhǔn)確性的測試結(jié)果。
表8測試C標(biāo)準(zhǔn)品序列

序號	標(biāo)準(zhǔn)品	類型   重量 (mg)		理論值
				N%	C%
1	苯甲酸	STD	6.442	0	68.85
2	苯甲酸	STD	6.749	0	68.85
3	天冬氨酸	STD	7.796	10.52	36.09
4	天冬氨酸	STD	7.031	10.52	36.09
5	天冬氨酸	STD	2.342	10.52	36.09
6	天冬氨酸	STD	2.223	10.52	36.09
7	乙酰苯胺	STD	11.756	10.36	71.09
8	乙酰苯胺	STD	12.772	10.36	71.09
9	乙酰苯胺	STD	5.233	10.36	71.09

表9碳氮標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)測定結(jié)果

樣品信息		二次曲線校準(zhǔn)方法				直線校準(zhǔn)方法
標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)	W (mg)	N%	RSD%	C%	RSD%	N%	RSD%	C%	RSD%
樺樹葉	16.185	2.17		48.45		2.19		48.47
	15.952	2.16	0.27	48.37	0.08	2.19	0.26	48.39	0.08
	16.746	2.16		48.41		2.20		48.44
果園頁	16.777	2.28		50.40		2.30		50.43
	15.214	2.29	0.25	50.34	0.22	2.32	0.43	50.36	0.22
	15.878	2.29		50.19		2.31		50.21
苜蓿	18.079	3.03		43.06		3.01		43.07
	20.441	3.03	0.19	43.06	0.12	3.01	0.19	43.06	0.11
	20.585	3.02		43.15		3.00		43.15

 
 
表10其他樣品碳氮實(shí)驗(yàn)結(jié)果

樣品	W (mg)		N%		RSD%	C%			RSD%
法國玉米	19.393		1.21			42.02
	19.908		1.21		0	41.96			0.18
	20.273		1.21			41.87
俄羅斯玉米	19.580		1.55			43.14
	18.960		1.55		0	43.12			0.14
	19.001		1.55			43.03
大豆	19.626		7.93			41.82
	19.036		7.95		0.15	41.93			0.77
	19.226		7.95			41.43
苜蓿	19.858		2.53			44.00
	19.767		2.56		0.68	43.48			0.59
	19.742		2.56			43.74
向日葵	19.222		5.81			43.68
	19.765		5.77		0.46	43.61			0.10
	20.313		5.82			43.69
	20.333	7.59					43.20
大豆	20.656	7.56		0.33			43.20	0
	20.179	7.54					43.20
	20.188	1.83					41.56
大麥粉	20.349	1.81		1.09			41.55	0.06
	20.119	1.85					41.60
	20.441	1.37					40.00
小麥粉	20.513	1.38		0.42			40.03	0.07
	19.914	1.37					40.06
	20.162	1.35					40.74
米粉	20.267	1.33		1.26			40.70	0.13
	20.201	1.38					40.75

結(jié)論
 
由于FlashSmart™元素分析儀使用雙反應(yīng)器結(jié)構(gòu)，他可以用一個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)碳氮/碳氮、碳氮/硫的測定而不需要做任何硬件改變。
現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)室可以完成碳氮/碳氮、碳氮/硫的測定，同時(shí)滿足實(shí)驗(yàn)室降低操作升本和減少每個(gè)樣品測定花費(fèi)的需求。