元素分析：?jiǎn)畏磻?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(guó)（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(cè)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(guò)文章作者授權(quán)轉(zhuǎn)譯

前言：
以燃燒法測(cè)定土壤、植物、樹(shù)葉、濾料、動(dòng)物組織中氮元素和碳元素是十分常見(jiàn)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(cè)試開(kāi)始變得重要。許多傳統(tǒng)方法因樣品制備時(shí)間長(zhǎng)，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(cè)試費(fèi)用、最小化人為誤差等需求急劇增加，一種簡(jiǎn)單自、動(dòng)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(dòng)態(tài)閃燒技術(shù)，滿(mǎn)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(cè)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(dòng)態(tài)燃燒法。樣品用錫紙包裝，再由MAS Plus 自動(dòng)進(jìn)樣器送入反應(yīng)器內(nèi)，由適量的氧氣進(jìn)行燃燒。對(duì)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(guò)催化氧化劑和還原銅，氣體通過(guò)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。混合氣通過(guò)GC分離，通過(guò)熱導(dǎo)檢測(cè)器（TCD）檢測(cè)，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(cè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
分析條件
對(duì)于高含量碳氮元素分析測(cè)定使用3米長(zhǎng)的色譜柱。圖3給出了典型的碳氮測(cè)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(cè)試A、B中樣品稱(chēng)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(cè)試C是為了更高的進(jìn)樣量而設(shè)計(jì)，測(cè)定條件如表1。


圖3. 典型的碳氮圖譜
 

 
 
表1.測(cè)定條件
 

測(cè)試	測(cè)試 A	測(cè)試  B “閃電模式”	測(cè)試  C
樣品稱(chēng)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(lái)評(píng)估單爐測(cè)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(lèi)	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(shù)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(cè)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(cè)定方法。
表3 測(cè)試A標(biāo)線序列

編號(hào)	標(biāo)準(zhǔn)品名稱(chēng)	樣品類(lèi)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(chēng)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(shù)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(chēng)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(cè)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(cè)試B標(biāo)準(zhǔn)曲線測(cè)定序列

編號(hào)	標(biāo)準(zhǔn)品名稱(chēng)	樣品類(lèi)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(shù)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(cè)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(cè)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(chēng)
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(cè)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(cè)定方法相比，F(xiàn)lashSmart™元素分析儀具有巨大的優(yōu)勢(shì)。儀器可分析大進(jìn)樣量的有機(jī)物（如土壤、植物）。使用簡(jiǎn)化的結(jié)構(gòu)依舊能夠提供高準(zhǔn)確性的測(cè)試結(jié)果。
表8測(cè)試C標(biāo)準(zhǔn)品序列

序號(hào)	標(biāo)準(zhǔn)品	類(lèi)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(cè)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(shù)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(yè)	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(guó)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(cè)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(cè)定，同時(shí)滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)室降低操作升本和減少每個(gè)樣品測(cè)定花費(fèi)的需求。