2019-07-18
作者Dominique Chevalier,1Francesco Leone, 2Liliana Krotz2and Guido Giazzi2
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(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)過文章作者授權(quán)轉(zhuǎn)譯
前言：
以燃燒法測(cè)定土壤、植物、樹葉、濾料、動(dòng)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(cè)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(cè)試費(fèi)用、小化人為誤差等需求急劇增加，一種簡單自、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)，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*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。混合氣通過GC分離，通過熱導(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?/span> | 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(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 | 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(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 | 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(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 | 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(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
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(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。
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