全自動凱氏定氮儀測定水系沉積物、土壤、巖石全氮含量方法的優化探索

＊吳少青 夏祥 向治宇 劉濤 廖炫哲

（中國地質調查局軍民融合地質調查中心 四川 611732）

前言

地質樣品中氮含量的多少經常作為衡量采樣區域樣品肥力情況以及評價土壤資源的一項重要指標。同時土壤中氮元素的含量也是土壤多目標地球化學調查54元素和土壤三普調查中的必測組分，具有樣品測量基數較大的特點。其主要來源有以下兩個方面：一方面是非生物來源，包括降水帶入、母質風化、表面吸附和大氣放電等；另一方面則是生物來源，包括共生固氮、非共生固氮、葉面固氮等。知曉氮在土壤中的含量，對于現代農業種植來說至關重要，能起到指導農業種植科學施肥作用，并且在部分土地中減少含氮化肥的不合理使用。隨著社會的大力發展，環境保護越來越被重視，在農業中化肥的選用和施肥對于降低農業污染，響應環境保護政策，逐漸發展成為研究熱點[1]。基于此，選擇高效、快捷、靈敏、安全的全氮含量分析測試方法就顯得非常重要。

目前，森林土壤中全氮含量的分析測定方法品類繁多，根據樣品處理和測定方法的不同，可進行不同的劃分。如凱氏法[2-4]、杜馬斯法[5]、色譜法[6,7]、光譜法[8]等，但在測定水系沉積物等方面卻無相關研究。凱氏定氮法作為目前普遍應用于全單測定的方法而被大家認識，而作為一種傳統土壤全氮測定方法也得到了廣泛應用。但復雜的前處理、蒸餾安全的不確定性以及滴定終點受人為判斷干擾的實際性，導致全氮含量測定干擾較大，并且數據的重現性和穩定性情況不盡如人意，從而對分析結果的準確性產生影響。使用全自動凱氏定氮儀測定全氮含量，直接解決了手工分析人為判斷滴定終點顏色變化的不確定性。其配備的全自動石墨消解儀，具有一鍵曲線加熱功能，并附帶有廢氣處理裝置，解決了通風櫥負擔過大過載的問題，相較傳統的人工定時加熱更加便捷，節省人力成本，廢氣處理也是環境友好型分析測試的典范。同時測定過程無需人為干預，全程由智能化程序控制，最重要的滴定顏色突變由高精度顏色傳感器進行判別，確保了顏色突變判斷的始終如一，較好地解決了人為判斷誤差的情況[9]。本文使用全自動凱氏定氮儀測定水系沉積物、土壤以及巖石中的全氮含量，通過改變硫酸鉀（K2SO4）和五水硫酸銅（CuSO4·5H2O）兩個聯合消化催化劑比例，以及消化催化劑加入量、辛醇滴入量和濃硫酸加入量等條件對全自動凱氏定氮儀測定土壤、水系沉積物以及巖石中的全氮含量方法進行了優化探索和對比。

1.材料與方法

(1)主要儀器

全自動凱氏定氮儀（山東海能K1160），石墨消解儀（山東海能SH420F），電子天平（德國賽多利斯BSA124S-CW）。

(2)主要試劑與標準物質

濃硫酸（1.84g/cm3），硫酸鉀，硫酸銅，硼酸溶液（20g/L），氫氧化鈉溶液（400g/L），鹽酸標準溶液（0.02mol/L），高錳酸鉀，辛醇，鐵粉，甲基紅-溴甲酚綠聯合指示劑（0.1g甲基紅與0.5g溴甲酚綠于研缽中研磨，加無水乙醇溶解，最后定容至100mL）。所用試劑均為分析純。水系沉積物、土壤、巖石成分分析標準物質GSD-9，GSD-5a，GSD-17，GSS-36，GSS-39，GSS-41，GSS-44，GSR-5，GSR-20，ASA-1acz，ASA-8a-cz，ASA-9a-cz，ASA-10a-cz，實驗所用水為二級水。

(3)實驗方法

用電子天平準確稱取標準物質樣品1.0000g，將其送入儀器配套消化管底部，用少量二級水潤濕，然后根據實驗條件加入硫酸鉀與五水硫酸銅（其質量比分別為5:1、7:1、8:1、9:1、10:1）混合的消化催化劑2g和4g，辛醇滴入量以及消化催化劑配比情況，再根據實驗條件依次加入濃硫酸3～12mL，轉動消化管，使其充分混勻后將其放入石墨消解儀上進行加熱消煮。選擇曲線升溫，先將溫度升至220℃保持20min后再升溫至375℃保持2h。樣品消解后變為藍綠色或灰白色即表明消解完全。取下冷卻后，將其放入選定方法和參數的全自動凱氏定氮儀中進行自動蒸餾分析測定，并做試劑空白。

2.結果與分析

(1)辛醇加入量的選擇

通過實驗觀察發現，有的樣品會出現少量氣泡，有的樣品氣泡較多，且經過消煮后，消化管壁或多或少會殘留著與被測樣品同顏色的物體，考慮在實際升溫過程中，由于樣品溶液表面張力的作用，會形成氣泡，當氣泡破裂時，少量樣品會隨著氣泡的液膜噴出粘附在消化管壁，造成少量樣品與濃硫酸接觸不完全而不能消解完全，對測試結果造成誤差。尤其是在含碳酸根以及有機質較多的樣品中表現明顯。以ASA做全氮（不含硝態氮和亞硝態氮）為例，ASA-1a-cz的值明顯比推薦值低一些，因為在實驗過程中其加入濃硫酸后，大量氣泡冒出，導致部分未消解的樣品被氣泡液膜噴出粘附在杯壁。

以GSS、GSD、GSR做全氮（含硝態氮和亞硝態氮）為例，樣品在經高錳酸鉀和1:1濃硫酸處理后，一部分樣品反應較小，只有少量氣泡冒出，另一部分樣品反應劇烈，大量氣泡冒出，待加入辛醇后氣泡消失，由實驗可知。

①在加入高錳酸鉀后加入辛醇，測試值含量比推薦值普遍要低一些，考慮為辛醇加入后與高錳酸鉀反應，喪失了除泡劑的功能，導致后面有的樣品氣泡較多，無法去除。

②在加入1:1硫酸后立即加入辛醇，和反應一段時間后加入辛醇無本質區別，但若遇見樣品有機質過多時，整個消化管已沒有液體，辛醇加入與否已不能起作用。

③辛醇的加入量2滴最適宜，1滴有時效果不佳，2滴以上浪費試劑，且過多的辛醇若未能在后續清除，上機測試時容易對全自動凱氏定氮儀蒸餾隔液層的有機層造成不可逆的損傷。

(2)硫酸加入量的選擇

選擇標準物質ASA-10a-cz進行硫酸用量實驗。結果顯示，當硫酸用量小于4mL時，升溫加熱，硫酸被蒸干，樣品未消解完全。隨著硫酸用量的增加，全氮含量的測試值逐漸增大，當硫酸用量為6mL后，全氮含量隨硫酸用量的增大，不再增加。因此本方法選擇硫酸用量為6mL。標準值始終大于測試值，可知表面張力的作用，消化管中的少量樣品會隨著氣泡的液膜噴出附著于杯壁從而造成樣品的少量損失。

圖1 硫酸用量實驗結果

(3)硫酸鉀與硫酸銅比例的選擇

同樣以ASA-10a-cz為例，將消化催化劑硫酸鉀和五水硫酸銅分別按照5:1、7:1、8:1、9:1和10:1的質量比用于對土壤標準物質的消解，最后用全自動凱氏定氮儀進行測定，隨著硫酸鉀和五水硫酸銅質量比例的增大，硫酸溶液中溶質的物質的量增大，消化催化劑不再被溶解，導致增大了系統誤差，故測試結果雙差偏大。從圖2可以看出，當硫酸鉀和五水硫酸銅質量比為9:1時，測試值達到頂峰，測量值與真實之間雙差最小，故本方法采用硫酸鉀和五水硫酸銅質量比為9:1。

圖2 催化劑比列

對于稀溶液而言，按照溶液具有依數性，硫酸鉀和五水硫酸銅的加入能提高濃硫酸的沸點，確保濃硫酸盡量參與樣品消解反應，而不是直接分解成三氧化硫，喪失消解功能，但硫酸鉀和五水硫酸銅加入是過量，所以消化催化劑的加入量在2g以上并無本質不同。

對于部分樣品而言如GSS-44，消化催化劑加入與否對測試結果并無本質影響，但對于GSR-5而言，消化催化劑的加入，對測試結果影響較大。因巖石樣品反應較慢，原有的時間并不能使樣品充分反應，因此，硫酸鉀和五水硫酸銅的加入能起到催化作用，加快消解反應的進行。且硫酸銅還能指示消解反應的終點。待溶液呈現清澈的藍綠色或灰白色，即消解完全。

(3)方法性能評價

①檢出限

采用質量比m(K2SO4):m(CuSO4·5H2O)=9:1的比例，按升溫至220℃保持20min后再升溫至375℃保溫2h的程序升溫條件消化，對空白樣平行測定10次，方法檢出限（MDL）:MDL=3.143×S，S為測定10次空白平行樣的標準偏差，方法檢出限低至25μg/g，達到HJ 717—2014相關標準規范的要求，適用于水系沉積物、土壤中全氮含量的測定。

②精密度和準確度

為考察方法的精密度和準確度，選取GSD-9,GSD-5a，GSD-17，GSS-36，GSS-39，GSS-41，GSS-44，GSR-5，GSR-20，ASA-1a-cz，ASA-8a-cz，ASA-9acz,ASA-10a-cz6個國家標準物質，平行測定6次。以6次平行測定結果的相對標準偏差（RSD）來表示方法的精密度，以平均值與標準值之間的相對誤差（RE）來表示方法準確度（見表1）。由表1可以看出，水系沉積物與土壤在方法的精密度和準確度方面表現皆良好，并無本質不同。該方法準確度在0.65%以內，精密度在2.2%以內，皆滿足對水系沉積物、土壤樣品中全氮含量的要求。

3.結語

K1160型全自動凱氏定氮儀在測定水系沉積物、土壤以及巖石中的全氮含量符合規定要求，批量生產可比人工更為快捷，避免傳統方法的繁雜，且有助于保護實驗者免于高溫蒸餾灼傷的意外，終點判斷由軟件控制，避免了人為干擾誤差，有效地實現了重現性。考慮成本節約和對空氣環境污染情況，濃硫酸加入量為6mL時、辛醇滴入量2滴為消解樣品的最佳加用量，硫酸鉀與五水硫酸銅比例為9:1，質量為2g時，反應適宜。方法檢出限為25μg/g，相對標準偏差小于2.2%，相對誤差小于0.65%，滿足水系沉積物、土壤、巖石中全氮含量分析的質量要求。