連續流動分析法測定果蔬葉片中鉀的條件優化

盧麗娟，趙曉蕊，于佳偉，唐君偉，陳嵐*

（1.西北農林科技大學 園藝學院，陜西 楊凌 712100；2.河北農業大學 理工學院，河北 滄州 061100）

植物鉀含量是現代農業生產和科學研究的常規檢測項目，同時，鉀含量也是園藝產品營養價值的重要特征[1-5]。植物總鉀的測定由樣品前處理和儀器檢測兩個步驟組成。前處理通常采用硫酸-過氧化氫消解、高氯酸-濃硝酸消解、微波消解等濕法消解或干式消解等[6-8]。檢測方法主要有化學法（如四苯硼鈉重量法、冠醚測定法等）、電解質分析儀法、X射線熒光分析（X-ray fluorescence spectrometry，XRF）法、原子吸收分光光度計 （atomic absorption spectrophotometer，AAS）法、火焰光度計（flame photometer，FP）法、Cardy Meter速測儀和電感耦合等離子體發射光譜儀（inductively coupled plasma atomic emission spectro，ICP-AES） 法和連續流動分析法等[9-15]。這其中，以連續流動分析法最為成熟，且測定速度快、成本適中，更適合大批量樣品的分析檢測[16]。

連續流動分析儀配置測鉀用的檢測系統為火焰光度計，通常以石油液化氣為燃氣。實驗室中存放石油液化氣具有一定的安全隱患，但更為重要的是，在測試植物樣品鉀含量的實踐中，我們發現當室內氣溫較低時，火焰不易引燃，或者引燃后火焰不穩定，這嚴重影響測量的準確度，另外，何光澤[17]的研究也發現消解液酸度也會影響鉀測量的準確度。

以蘋果、番茄、黃瓜的葉片為試材，采用連續流動分析法，分別從燃氣類型、燃氣和助燃氣壓力、消解液酸度、吸樣時間、清洗時間等方面進行了研究，擬為植物中總鉀含量的測定提供安全、精確、快速、自動化的分析方法。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

1.1.1 樣品

蘋果葉片、番茄葉片、黃瓜葉片（隨機采摘）：西北農林科技大學試驗示范站。

1.1.2 主要試劑

硫酸鉀（優級純）：國藥集團化學試劑有限公司；硫酸、鹽酸、硝酸、H2O2（均為分析純）：上海源葉生物科技有限公司。

1.1.3 主要儀器

連續流動分析儀（FLOWSYS型）：意大利Systea公司；火焰光度計（M410型）：英國Sherwood公司；電熱恒溫鼓風干燥箱（DHG-9076A）：上海精宏實驗設備有限公司；高通量組織研磨儀（MM400型）：德國Retsch公司；消化爐（AED-IV型）：北京核工業部研究所；微波消解儀（MultiwavePRO型）：奧地利安東帕有限公司；超純水系統（Milli-Q Reference）：德國 Merck millipore公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 樣品前處理

供試植物樣品為蘋果、番茄、黃瓜的葉片，經殺青、烘干、粉碎后過60目篩，干粉備用。

1.2.2 標準曲線繪制

精密稱取已在105℃電烘箱中干燥至恒重的工作基準試劑硫酸鉀4.4565g，加入5%硫酸溶液（體積分數）溶解并定容至1000mL。此溶液為標準儲備液，含鉀濃度為 2000mg/L。依次吸取標準儲備液 0、0.5、1、2、3、4、5 mL，加入5%硫酸溶液（體積分數）定容至100 mL，得到鉀濃度為 0、10、20、40、60、80、100 mg/L 的系列標準溶液。采用連續流動分析儀進樣繪制標準工作曲線。

1.2.3 植物中總鉀的提取

1.2.3.1 硫酸-過氧化氫消解法

稱取0.1 g（精確至0.000 1 g）樣品于消化管底部，加5 mL濃H2SO4，搖勻后靜置處理12 h。隨后，將樣品在消化爐上消解，并少量多次添加H2O2，H2O2總量為8 mL～10 mL。消煮至溶液呈無色或清亮后，再加熱10 min，除去剩余的H2O2。將消煮液無損地轉移入100 mL容量瓶中，冷卻至室溫（25℃）加入超純水定容。用無鉀的干濾紙過濾，或放置澄清后吸取上清液進行連續流動分析測定總鉀含量。

1.2.3.2 鹽酸提取法

稱取0.1 g（精確至0.000 1 g）樣品，置于250 mL磨口錐形瓶中，加入0.5 mol/L鹽酸15 mL，室溫（25℃）振蕩20 min，用超純水定容至100 mL容量瓶并搖勻，隨即過濾到烘干帶刻度的試管中（棄去前20 mL），備用。

1.2.3.3 硝酸消解法

稱取試樣0.1 g（精確至0.000 1 g）于消解管底部，加入7 mL硝酸，在微波消解儀上消解[參考條件：升溫120℃（爬坡 10 min，保持 5 min）、升溫 160℃（爬坡5 min，保持 5 min）、升溫 180 ℃（爬坡 5 min，保持50 min）、降溫60℃]。消解結束開始趕酸，將消解管放置于電熱板上160℃加熱，直至溶液變為清亮無色并伴有白煙出現，繼續加熱至近干，約留1 mL～2 mL透明無色溶液（不可蒸干）冷卻，轉移至100 mL容量瓶中，用超純水定容，混勻待測，同時做試劑空白試驗。

1.2.4 連續流動儀分析條件

連續流動分析儀主要組成為自動進樣器、鉀分析通道（觸摸式液晶顯示屏、蠕動泵、分析模塊）、檢測系統（火焰光度計）和數據處理系統。

待測液通過取樣器被蠕動泵吸入，流過整個系統。同時，鉀分析通道的蠕動泵連續不斷地輸送反應所需的試劑，并吸入空氣，將流體分割成片段。每個片段中的試劑和樣品（或標準溶液）經混合圈在同樣條件下（包括反應時間、流動速度、溫度）充分混合。樣品量和試劑量由不同流速的泵管精確控制。樣品混合均勻經火焰光度檢測器測定發射強度，發射的光強度與物質含量成正比。由計算機自動分析并輸出數據結果[18]。

儀器工作參數：清洗液為5%硫酸，檢測器為M410火焰光度計，燃氣為液化氣，助燃氣為空氣，進樣速率30樣/h（進樣時間50 s、進樣清洗時間65 s），主峰高度85%左右（增益調節）。

1.3 數據分析

總鉀含量由連續流動分析儀測定得出。

帶過可以反映高濃度樣品對其后低濃度樣品的污染或干擾情況，利用公式（2）計算帶過。

式中：a為高濃度樣品，mg/L；b和c為低濃度樣品（b＞c），mg/L。

數據分析和作圖使用Excel、Origin 2019b進行。

2 結果與分析

2.1 植物樣品消解用酸對樣品鉀含量的影響

植物樣品消解用酸對樣品鉀含量的影響如圖1所示。

圖1 不同酸對樣品鉀含量的影響Fig.1 Influence of different acids on potassium content of the sample

通常植物樣品經過酸處理再上機測定總鉀含量，有研究認為采用火焰光度計測定鉀離子時，硫酸、鹽酸、硝酸、高氯酸對測定結果存在干擾[17]。選用前處理常用的3種無機酸（硫酸、鹽酸和硝酸），按照1.2.3步驟處理樣品，流動分析儀進樣，分析其對鉀含量測定結果的影響。隨著酸度的增加，樣品中總鉀含量基本不變（圖1A）這是由于在測定時，確認方法中規定標準工作液、樣品測試液、基線液溶劑要保持一致，有效地減少了酸度干擾。但是考慮酸度對霧化器的腐蝕作用，一般酸度應控制在5%以內。采用硫酸、鹽酸和硝酸提取對鉀的測定結果的影響均不顯著（圖1B），因為植物中的鉀是以鹽的形式存在的，說明3種酸都能將植物完全氧化分解，鉀全部以離子態溶于酸溶液。

2.2 燃氣和助燃氣對樣品鉀含量檢測結果的影響

M410型火焰光度計以石油液化氣為燃氣，但是當室內氣溫較低時，火焰不易引燃，或引燃后火焰不穩定；同時，為增加燃氣壓力，使用液化石油氣時沒有配置減壓閥，氣瓶出氣口與連續流動分析儀進氣口直接相連，存在燃氣泄露的風險，此外，也無法實時監測氣體流量大小，容易因流量不足自動熄火。為了有效解決上述問題，更準確地測定總鉀含量，研究使用丙烷代替石油液化氣作為燃氣，丙烷是低溫貧燃燃氣，并且丙烷通常被壓縮成液態儲存和運輸，較為安全[19]；此外，在儀器進氣口前加裝二次壓力表控制燃氣輸出流量，同時優化空氣壓力和燃氣壓力。

2.2.1 燃氣丙烷對鉀測定穩定性的影響

通過對液化氣和丙烷這兩種燃氣的比較，探究72 h內鉀含量的相對標準偏差（relative standard deviation，RSD）值，判斷燃氣類型對鉀測定穩定性的影響如圖2所示。

圖2 不同燃氣對鉀含量檢測穩定性的影響Fig.2 Influence of different gas on the stability of potassium content

計算石油液化氣和丙烷作為燃氣時，72 h內鉀含量測定結果的RSD，發現使用丙烷的測量值RSD值較小（最大為0.54%～1.05%）（圖2），表明在長時間測量過程中測量值間的精密度高，相對誤差小，儀器的穩定性能好，這與儀器測量過程中丙烷燃料純度高，流量控制穩定等因素有關。使用石油液化氣時，3 h內測量值的RSD為1.03%，但是當測量時間增加到72 h后，RSD則會增大至1.83%（圖2）。這是由于液化氣燃料純度不高，流量無法精確控制，在長時間（72 h）測量過程中受這些因素波動的影響較大，導致測量值漂移量大，鉀的測量值穩定性稍差。

2.2.2 燃氣壓力對鉀含量檢測穩定性的影響

不同的燃氣壓力對鉀的含量有著不同的影響，蘋果葉片在不同燃氣壓力下鉀的含量如圖3所示。

圖3 不同燃氣壓力對樣品鉀含量的影響Fig.3 Influence of different gas pressures on potassium content of the sample

在設備進氣口前加裝丙烷減壓閥和二次壓力表，實現進氣壓力可控。由圖3可知，當丙烷燃氣壓力處于 0.065、0.07、0.08、0.09、0.10 MPa 5 個水平時，樣品鉀含量測定結果的精密度在1.75%以內。通過氣瓶加裝減壓閥，并將丙烷二次壓力設為0.07 MPa時，既避免了誤觸流動分析儀檢測器的燃氣流量控制旋鈕，而引起的燃氣流量改變、甚至熄火，也可在節約燃氣成本的基礎上保證了數據測定的穩定性。

2.2.3 助燃氣（壓縮空氣）壓力對樣品鉀含量的影響

保持燃氣壓力、消煮液酸度不變，考察助燃氣（壓縮空氣）壓力在8、10、13、15、19、20 psi（1 psi=6 897 Pa）6個水平下，對樣品鉀含量的影響，結果如圖4所示。

圖4 不同助燃氣壓力對樣品鉀含量的影響Fig.4 Influence of different auxiliary gas pressures on potassium content of the sample

空氣壓縮機將空氣中的灰塵、水汽凈化，提供氧氣助燃，同時通過伯努利原理對霧化室產生負壓，改變待測液的提升量。樣品提升量小，鉀元素發射信號低；樣品提升量大，氣溶膠顆粒變大，噪聲增加，背景信號加大，信噪比變差，同時浪費樣品。從圖4可以看出，當空氣壓力在15 psi以下時，隨著壓力增大，待測液的提升量增加，霧化效率高，即到達燃燒室的有效鉀原子多，激發的鉀原子數也多，故譜線的強度增加，測定樣品鉀含量也隨之增大；而當助燃氣壓力大于15 psi時，提升量過大，但在霧化器中心管口待測液噴出的速度也將加快，在燃燒室停留的時間減少，導致來不及激發。同時助燃氣流量大，火焰光度計溫度也將降低，譜線強度反而降低，樣品鉀含量下降。因此，助燃氣空氣壓力為15 psi較為合適。

2.3 不同吸樣時間對樣品鉀含量的影響

連續流動分析儀取樣器的吸樣時間影響著參加反應的樣品量，進而影響樣品鉀的含量，不同吸樣時間對樣品鉀含量的影響如圖5所示。

圖5 不同吸樣時間對樣品鉀含量的影響Fig.5 Influence of different sampling time on potassium content of the sample

參與反應的樣品量由連續流動分析儀取樣器的吸樣時間決定。吸樣時間短，到達檢測器的樣品量少，其中的鉀元素激發的能量就越小，隨著吸樣時間增加，到達火焰光度計檢測器的樣品量越多，其中的鉀元素激發的能量就越大。吸樣時間40 s以下，隨著吸樣時間增加，被提升的待測液體積增大，樣品鉀含量也隨之增大；而吸樣時間大于40 s，樣品鉀含量基本穩定不變。這是因為蠕動泵精確控制樣品和試劑吸入量，氣動霧化噴出的液體量不變，可以實現液體破碎的量不變，所以靈敏度沒有發生顯著變化。綜合考慮，吸樣時間設置為40 s較為合適。

2.4 不同清洗時間對樣品鉀含量的影響

選取3個鉀含量不同的蘋果葉片（其中，鉀含量高的樣品為a，鉀含量低的樣品為b和c，b＞c），考察清洗時間對鉀檢測結果的影響，結果如圖6所示。

圖6 不同清洗時間對樣品鉀含量的影響Fig.6 Influence of different cleaning time on potassium content of the sample

連續流動分析過程中，管道中部的流速比邊緣的快，會產生擴散與帶過。通過加入氣泡可以降低擴散，而對于帶過，則可以通過設定恰當的進樣清洗比，即延長每個樣品檢測后的清洗時間來減少帶過，也即減少高濃度樣品在系統中殘留對低濃度樣品的影響。通常認為帶過值小于2%是符合要求的，而且可以通過帶過方程進行補償。

當清洗時間小于50 s時，隨著清洗時間的增加，管路中因蘋果葉片a帶過殘留的鉀離子被逐漸清洗掉，從而表現出蘋果葉片b和蘋果葉片c的鉀含量檢測值逐漸降低；而當清洗時間大于50 s后，管路中殘留的鉀離子被清洗干凈，前序樣品對后序樣品的影響基本可以忽略。隨著清洗時間的延長，帶過值不斷降低，清洗50 s時帶過值為1.99%。因此，吸樣時間設置為40 s，清洗時間50 s，可以消除帶過的影響。

2.5 條件優化后的樣品鉀含量檢測的重復性考察

在上述優化出的最佳條件下，吸取標準溶液進行測試，鉀的質量濃度在0～100 mg/L與發射強度呈線性關系（y=693.1x-8.955，R2=0.999），標準曲線峰型良好，平滑規整，無雜峰和鋸齒峰，說明反應條件均在適宜的范圍內，符合試驗穩定性和準確性要求。

分別取2個蘋果葉片，1個番茄葉片和1個黃瓜葉片，利用優化后的方法進行了10次平行測定，結果見表1。

表1 連續流動分析儀測定鉀含量的重復性Table 1 Reproducibility of potassium determination by continuous flow analyzer

從表1可以看出，4個樣品鉀含量的RSD均小于2%，表明優化后的測試方法重復性較好，適合于果蔬葉片中鉀的快速測定。

3 討論與結論

采用連續流動分析法測定果蔬葉片鉀含量，研究了消煮液酸的種類和酸度、燃氣種類及燃氣和助燃氣壓力、吸樣時間、清洗時間對樣品鉀含量的影響，并優化了影響因素。植物樣品的前處理一般采用濕法消解。通過對濕法消解選擇的酸以及酸度的對比，發現硫酸、鹽酸和硝酸這3種無機酸對鉀測定結果的影響均不大，酸度的變化對鉀測定結果的影響也不大。但是要保證標準曲線、樣品測試液、基線液酸度要匹配。連續流動分析法測定總鉀時，選用不同的燃氣直接影響測定結果的準確性。在選用燃氣的過程中，研究了石油液化氣和丙烷對鉀含量的影響，丙烷較為安全，測量精密度高，相對誤差小，有利于提高檢測靈敏度，是精確測量鉀含量的優質燃氣。此外，發現使用乙炔作為燃氣時，即使壓力為0.02 MPa，點火時也會導致回火，原因是空氣-乙炔火焰溫度太高，因此使用M410型火焰光度計時切勿使用乙炔作為燃氣。

綜上，利用連續流動分析儀分析果蔬葉片總鉀含量，較優的方法為樣品消煮液酸度控制在5%以內，丙烷作為燃氣，燃氣壓力0.07 MPa，助燃氣壓力15 psi，吸樣時間40 s，清洗時間50 s。在此條件下，鉀的檢測結果相對標準偏差小于2%，測試結果的重復性較好。

此外，通過對吸樣時間、進樣清洗時間的優化，每小時可以測定40個樣品，檢測速率提高了32%，從而使得連續流動分析法可適用于果蔬葉片總鉀的快速測定。