硫酸-高氯酸消解植物樣品的氮損失研究

張仁懿, 史小明, 盧月婭, 袁建立

(蘭州大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院,草地與農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 甘肅 蘭州　730000)

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硫酸-高氯酸消解植物樣品的氮損失研究

張仁懿, 史小明, 盧月婭, 袁建立

(蘭州大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院,草地與農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 甘肅 蘭州730000)

通過(guò)控制高氯酸加入濃度及消解溫度, 探討硫酸-高氯酸消解法的氮損失過(guò)程,探索其最佳的消解條件。結(jié)果表明:消解溫度是決定植物樣品氮損失的關(guān)鍵因素,而銨離子形態(tài)的氮損失受高氯酸加入濃度、消解溫度的影響顯著；高氯酸加入濃度與高溫消解溫度共同影響植物樣品消解的完成時(shí)間;0.30 mL的蒸餾水加入量、低溫120 ℃、高溫260 ℃的消解條件,能夠在獲得較快消解速率的同時(shí),有效地控制氮的損失。

植物; 氮損失; 硫酸-高氯酸消解

近年來(lái),消解設(shè)備不斷升級(jí),對(duì)消解條件的控制日益精確。然而,當(dāng)前植物樣品的電熱消解仍舊采用上個(gè)世紀(jì)的方法[1-2],消解條件粗放和實(shí)驗(yàn)人員的頻繁介入,極大影響了實(shí)驗(yàn)的可靠性及工作效率。微波消解方法的發(fā)展,雖然能夠縮短消解時(shí)間,提高工作效率[3-5],但微波消解主要使用低沸點(diǎn)的硝酸,帶入的氮源使其不能用于含氮的植物樣品消解。因此,含氮的植物樣品消解成為當(dāng)前樣品分析過(guò)程的瓶頸,為了滿足自動(dòng)化設(shè)備大批量上樣的需求,亟需發(fā)展快速、可靠的多元素聯(lián)合消解方法。

用于植物多元素聯(lián)合消解常用的方法為硫酸-氧化劑消解法,其中氧化劑一般選擇過(guò)氧化氫或高氯酸[1,6]。相比傳統(tǒng)的凱氏消煮法(Kjedahl),硫酸-氧化劑消解法具有以下優(yōu)點(diǎn):消解過(guò)程中不帶入金屬離子,在濃硫酸脫水的環(huán)境中,過(guò)量的氧化劑高溫加熱后分解,不影響多元素(如氮、磷、鉀等)的聯(lián)合測(cè)定。然而,過(guò)氧化氫受熱不穩(wěn)定,消解過(guò)程中需多次中斷消解、補(bǔ)加過(guò)氧化氫,耗時(shí)耗力[7-8]。小于72%的低濃度高氯酸在常溫下主要表現(xiàn)為酸性,其氧化能力較弱,而高于150 ℃時(shí)表現(xiàn)出強(qiáng)氧化性[9]。樣品消解過(guò)程中,高氯酸將易消解成分先氧化,留下較難消解的成分；而隨著體系中水分的蒸發(fā),高氯酸濃度及氧化性也表現(xiàn)出上升趨勢(shì)。高氯酸溶液的共沸點(diǎn)為203 ℃,可在高于此溫度下將剩余的高氯酸趕除[10]。

本研究通過(guò)精確控制高氯酸的加入濃度及消解溫度,控制高氯酸的氧化能力和反應(yīng)的激烈程度,以期在實(shí)現(xiàn)快速多元素聯(lián)合消解的同時(shí),有效控制消解過(guò)程中的氮損失。

1　實(shí)驗(yàn)

1.1設(shè)備與試劑

設(shè)備:程序式全自動(dòng)消解爐(型號(hào)DK20,功率2.3 kW,意大利VELP)；全自動(dòng)化學(xué)分析儀(Smartchem 200,法國(guó),AMS)；全自動(dòng)凱氏定氮儀(VAPODEST 50,德國(guó)Gerhardt)。

試劑:硫酸銨溶液(含1% 氮)；濃硫酸(98%)；高氯酸(60%)；混合催化劑的硫酸鉀含量∶五水硫酸銅含量∶硒粉含量=100∶10∶1。

1.2實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)材料為青藏高原亞高寒草甸施氮處理的地上混合樣品,烘干粉碎后過(guò)80目篩。稱取0.200 0 g±0.000 5 g植物樣品至消解管,以0.30 mL蒸餾水潤(rùn)濕,加入5.00 mL濃硫酸脫水碳化30 min,先后加入適量的蒸餾水及0.50 mL高氯酸(60%),充分搖勻后低溫t1下消解30 min,不取出消解管升至高溫t2下消解至清亮后繼續(xù)消解10 min,記錄總耗時(shí)。消解液定容至500 mL,用全自動(dòng)化學(xué)分析儀測(cè)定其氮含量。

實(shí)驗(yàn)設(shè)置蒸餾水加入量(含最先加入的0.30 mL蒸餾水)、低溫消解溫度t1、高溫消解溫度t23個(gè)因素,各取3水平,按正交表L9(34)設(shè)計(jì),以凱氏法為對(duì)照[8]。以硫酸銨溶液為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(相當(dāng)于植物樣品含氮量1.5%),計(jì)算加標(biāo)回收率。每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)10次。

1.3分析方法

不同實(shí)驗(yàn)組間的氮含量及加標(biāo)回收率比較以用LSD多重比較進(jìn)行檢驗(yàn)；各因子對(duì)氮含量、加標(biāo)回收率及消解時(shí)間的影響以一般線性模型(GLM)分析。分析過(guò)程均在SPSS 18.0中(IBM公司)完成。氮率損失計(jì)算如下:

氮損失率=[(凱氏法氮含量-高氯酸法氮含量)/凱氏法氮含量]×100%

2　結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)設(shè)置及消解結(jié)果見(jiàn)表1。表1結(jié)果顯示,硫酸-高氯酸法消解測(cè)得樣品氮含量均低于凱氏法,各實(shí)驗(yàn)組消解條件下均存在不同程度的氮損失,氮損失范圍為1.29%～28.66%。植物樣品氮含量多重比較結(jié)果顯示,實(shí)驗(yàn)組1、2、4、6、7、8與凱氏法的測(cè)量結(jié)果差異不顯著,然而加標(biāo)回收率的分析結(jié)果顯示,僅有實(shí)驗(yàn)組1與凱氏法差異不顯著,達(dá)到了95.16%。已有研究表明,消解0.20 g植物樣品大約需要消耗高氯酸0.3 g[11]。本研究的植物樣品消解過(guò)程,0.30 g的高氯酸基本被消耗；而加入標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)硫酸銨時(shí),高氯酸在整個(gè)消解體系中保持較高水平,高氯酸表現(xiàn)出較強(qiáng)的氧化性,將部分銨態(tài)氮氧化成氮?dú)舛莩鯷12]。因此,高氯酸消解植物樣品的氮損失包括氧化有機(jī)物時(shí)有機(jī)態(tài)氮的損失及消解完成后體系中無(wú)機(jī)態(tài)氮(銨離子)的損失。加入高氯酸濃度或殘留高氯酸濃度較高的情況下,以上兩方面的氮損失都易發(fā)生,因此使用高氯酸法消解需嚴(yán)格控制高氯酸的加入量。

表1　實(shí)驗(yàn)設(shè)置及消解結(jié)果

注:同一列不同小寫字母代表差異顯著(P< 0.05)。

GLM分析結(jié)果表明,t1和t2均對(duì)植物樣品的氮含量有極顯著的影響(P<0.001),而加入的蒸餾水量對(duì)樣品氮含量的影響不顯著(見(jiàn)表2,表2中df為自由度),意味著不管是消解前期還是后期,溫度都是硫酸-高氯酸法消解植物樣品控制氮損失的最關(guān)鍵因素[11]。除了消解溫度,加標(biāo)回收率還受加入蒸餾水量(高氯酸

加入濃度)的顯著影響。相對(duì)于植物樣品,在加標(biāo)樣品的消解體系中,高氯酸消耗小而使高氯酸的加入濃度的影響較強(qiáng)。有研究表明,高氯酸法的氮損失主要發(fā)生在消解過(guò)程的前期[11],而本實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示氮損失在消解前期和后期均存在,且根據(jù)F值判斷,氮損失主要發(fā)生在后期的高溫消解過(guò)程。

蒸餾水加入量、消解溫度對(duì)消解時(shí)間的GLM分析顯示,植物樣品消解的完成時(shí)間受蒸餾水加入量(P< 0.05)、t2(P< 0.001)的影響顯著,其中t2的影響最大(見(jiàn)表2),而t1對(duì)消解時(shí)間的影響不顯著(P>0.05),這說(shuō)明消解速率主要由t2決定。加入的蒸餾水稀釋了高氯酸和硫酸的濃度,減弱了體系的氧化能力,使反應(yīng)變慢而增加了消解時(shí)間。本研究消解時(shí)間最短為1 h,均為t2=300 ℃的實(shí)驗(yàn)組,然而該條件下不管是植物樣品還是加標(biāo)樣品,氮損失率也最高。因此在包含氮的多元素消解過(guò)程中,使用高氯酸法需充分考慮快速消解帶來(lái)的氮損失。

植物樣品和加標(biāo)樣品消解的分析結(jié)果顯示,實(shí)驗(yàn)組1與凱氏法的結(jié)果均無(wú)顯著差異(見(jiàn)表1)。在蒸餾水加入量為0.3 mL、t1=120 ℃和t2=260 ℃時(shí),其測(cè)試結(jié)果達(dá)到了凱氏法的水平。該實(shí)驗(yàn)組下,整個(gè)消解過(guò)程耗時(shí)為130 min,相對(duì)于常用的硫酸-過(guò)氧化氫法(耗時(shí)一般為3～4 h)達(dá)到了省事省力的目的[7],且有效地控制了消解過(guò)程中的氮損失。

表2　蒸餾水加入量、t1及t2對(duì)分析結(jié)果和

注:*:P< 0.05；**:P< 0.01；***:P< 0.001。

3　結(jié)論

(1) 硫酸-高氯酸法消解植物樣品的氮損失包括有機(jī)質(zhì)氧化時(shí)的氮損失,以及消解成銨鹽后的氮損失。

(2) 該法的氮損失在消解初期的低溫及后期的高溫過(guò)程中均可能發(fā)生,但以高溫消解過(guò)程的氮損失為主。

(3) 在蒸餾水加入量為0.3 mL、t1=120 ℃和t2=260 ℃時(shí),與凱氏法相比,不存在顯著的氮損失。此條件下植物樣品的消解耗時(shí)為130 min,在實(shí)現(xiàn)快速消解的同時(shí)有效地控制了氮的損失。

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Study on nitrogen loss for sulfuric acid-perchioric acid digesting plant sample

Zhang Renyi, Shi Xiaoming, Lu Yueya, Yuan Jianli

(State Key Laboratory of Grassland and Agro-Ecosystems, School of Life Sciences, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China)

In order to explore the nitrogen loss and find the optimum condition for the method, a series of perchloric acid concentration and digest temperature are set. The nitrogen loss of plant sample is determined by the digest temperature, and the nitrogen loss of ammonium in the solution is affected by the perchloric acid concentration and digest temperature. The elapsed time of sample digestion is also dependent on the perchloric acid concentration and digest temperature. The digest condition with 0.30 mL distilled water, 120 ℃ initial temperature and 260 ℃ subsequent temperature, can prevent the nitrogen loss effectively and simultaneously achieve the rapid digestion.

plant; nitrogen loss; sulfuric acid-perchloric acid digestion

10.16791/j.cnki.sjg.2016.02.014

2015- 06- 17修改日期:2015- 07- 15

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41201285)

張仁懿(1983—),男,福建三明,博士,中級(jí)實(shí)驗(yàn)師,主要研究方向?yàn)樯鷳B(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué).

E-mail:zrenyi@lzu.edu.cn

Q946

A

1002-4956(2016)2- 0048- 03