應(yīng)用元素分析法快速測(cè)定卷煙總氮含量的研究

(廣東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，廣州 510385)

煙草是我國(guó)重要的經(jīng)濟(jì)作物，煙葉含碳量和含氮量是碳代謝和氮代謝產(chǎn)物的集中體現(xiàn)?？偟康偷木頍煶晕镀降?，而含量高則有較大刺激性，燃燒時(shí)產(chǎn)生濃烈辛辣的煙氣[1]。在合適的含氮比例下，煙葉不僅香味和吸味最優(yōu)，化學(xué)成分也比較協(xié)調(diào)。因此測(cè)定煙草中的總氮含量對(duì)監(jiān)控卷煙品質(zhì)有重要意義[2]。

目前測(cè)定煙草中含氮量的方法有克達(dá)爾法[3，4]、凱氏定氮法[5]、近紅外光譜(NIRS)、傅里葉變換近紅外光譜法(FT-NIR)[6，7]、間接連續(xù)流動(dòng)法[8]、電感耦合等離子發(fā)射光譜法(ICP-AES)[9，10]、納氏試劑分光光度法[11]、連續(xù)流動(dòng)分析法(CFA)[12，13]、元素分析法(EA)[14]等。常用的方法主要分兩類：干燒法和濕燒法[15，16]，其代表方法為杜馬法和凱氏法。

元素分析法測(cè)定總氮含量實(shí)用性高，具有推廣價(jià)值，在農(nóng)業(yè)、食品業(yè)、礦業(yè)、煤炭、石油化工等行業(yè)已被廣泛應(yīng)用[17-22]，本工作主要研究目標(biāo)為，分析同一批卷煙樣品采用元素分析法和連續(xù)流動(dòng)分析法檢測(cè)出的總氮含量數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，建立總氮含量關(guān)系的數(shù)學(xué)模型最終達(dá)到運(yùn)用元素分析法替代連續(xù)流動(dòng)分析法檢測(cè)總氮，進(jìn)而符合國(guó)內(nèi)煙草行業(yè)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 樣品的采集

2016～2017年卷煙樣品811個(gè)，其中含一類卷煙數(shù)目占20.6%，二類卷煙占12.7%，三類卷煙占53.4%，四類卷煙占5.7%，五類卷煙占7.6%，700個(gè)卷煙樣品作為建模樣品，111個(gè)卷煙樣品作為驗(yàn)證樣品。

1.2 儀器與試劑

MarcoCube元素分析儀(德國(guó)Elementar公司)；BT25S電子天平(感量：0.01 mg，最大量程：21g，德國(guó)賽多利斯科學(xué)儀器有限公司)；AutoAnalyzer 3連續(xù)流動(dòng)分析儀(簡(jiǎn)稱：AA3，德國(guó)SEALANALYTICALGMBH公司)；消化器(VELP5600，香港嘉盛科技有限公司)

硫酸銨(純度≥99.999%，Aldrich 公司)；磺胺(N 含量16.25 %，標(biāo)準(zhǔn)樣品)；銀絲(純度≥99 %，德國(guó)Elementar 公司)；三氧化鎢(純度≥99.9%)；線狀銅(純度≥99 %)；錫箔舟(4 mm×4 mm×11mm，山西洽諾斯科技有限公司)；氦氣(純度≥99.999 %，佛山市科的氣體化工有限公司)；氧氣(純度≥99.995 %，佛山市科的氣體化工有限公司)。

次氯酸鈉(活性氯含量≥7.50%，廣州化學(xué)試劑廠)；氯化鈉(純度≥99.5%，廣州化學(xué)試劑廠)；水楊酸鈉(純度≥99.5%，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)；亞硝基鐵氰化鈉(純度≥99.0%，北京劉李點(diǎn)福利化工廠)；L-(+)-酒石酸鉀鈉四水化合物(純度≥99.0%，CNW)；氫氧化鈉(純度≥96.0%，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)；硫酸(純度≥95.0%，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)；硫酸鉀(純度≥99.0%，廣州化學(xué)試劑廠)；氧化汞(純度≥99.5 %，姜堰市環(huán)球試劑廠)；十二水合磷酸氫二鈉(純度≥99.0%，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1對(duì)卷煙制品進(jìn)行處理及水分測(cè)定。

按YC/T31-1996《煙草及煙制品 試樣的制備和水分測(cè)定 烘箱法》[23]的方法將卷煙樣品剖開(kāi)，取出煙絲制備成煙末試樣，并測(cè)定樣品中的水分含量。

1.3.2元素分析法測(cè)定卷煙樣品中的總氮含量。

稱取50mg的待測(cè)樣品，精確至0.01mg，用錫箔舟緊密包裹后排空放入自動(dòng)進(jìn)樣盤中進(jìn)樣，其檢測(cè)條件為：氦氣壓力設(shè)置為：0.16MPa；氦氣流量：600mL/min；氧氣壓力設(shè)置為0.2MPa；氧氣流量：60 mL/min；石英燃燒管中催化劑為純度99.9%的三氧化鎢，燃燒爐溫度：1150℃；還原管中放置線狀銅和銀絲，還原爐溫度：850℃；第1次加氧時(shí)間：50s；第2次加氧時(shí)間：100s[14]。

當(dāng)每批樣品進(jìn)行檢測(cè)前，準(zhǔn)確稱取5.00～6.00mg磺胺4個(gè)，采用元素分析儀連續(xù)測(cè)定磺胺4次，獲得總氮日校正系數(shù)。每檢測(cè)20次樣品后應(yīng)測(cè)定1～2次磺胺，用以檢測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并及時(shí)調(diào)整日校正系數(shù)。

校準(zhǔn)曲線的制作：用磺胺建立儀器總氮的校準(zhǔn)曲線(20～25個(gè)點(diǎn))，該曲線通常3～6個(gè)月后需要重新繪制1次，保存于工作站中。

1.3.3 連續(xù)流動(dòng)分析法測(cè)定卷煙樣品中的總氮含量。

稱取0.1g待測(cè)樣品煙末于消化管中，精確至0.0001g，加入氧化汞0.1g，硫酸鉀1.0g，濃硫酸5.0 mL。消化器條件為：150℃ 1h，370℃ 1h。消化后冷卻到一定溫度，加入少量的水，冷卻至室溫，用水定容至刻度，搖勻。采用連續(xù)流動(dòng)分析儀對(duì)標(biāo)準(zhǔn)液和樣品液進(jìn)行總氮含量的檢測(cè)[13]。

2 結(jié)果與討論

2.1 元素分析法和連續(xù)流動(dòng)分析法兩種方法測(cè)定總氮的比較

元素分析法測(cè)定總氮只需要把卷煙樣品磨成一定目數(shù)的粉末，然后包裹在鋁箔舟中，放入元素分析儀的樣品盤中即可直接測(cè)定。檢測(cè)樣品時(shí)間遠(yuǎn)高于稱取樣品的時(shí)間(樣品前處理)，因此稱樣的時(shí)間和速度并不影響測(cè)樣效率，樣品按順序放進(jìn)樣品孔后，把儀器設(shè)置自動(dòng)運(yùn)行，完成測(cè)試儀器將自動(dòng)進(jìn)入休眠狀態(tài)。連續(xù)流動(dòng)分析法測(cè)總氮的前處理時(shí)間較長(zhǎng)，其操作步驟包括稱取樣品、配制試劑、樣品消化和連續(xù)流動(dòng)分析儀檢測(cè)等步驟，過(guò)程繁瑣，需要大量的酸堿、劇毒品和高溫下操作等條件，其中包括硫酸和氧化汞等，存在一定危險(xiǎn)性。在樣品消化的過(guò)程中酸會(huì)揮發(fā)，具有一定刺激性氣味。元素分析法的前處理過(guò)程中無(wú)需配制試劑、樣品消化、樣品冷卻和定容等步驟，儀器分析時(shí)間明顯優(yōu)于連續(xù)流動(dòng)分析法。此外，元素分析法節(jié)約大量試劑和人力資源的成本，自動(dòng)化程度高，檢測(cè)的安全系數(shù)高，工作環(huán)境無(wú)污染，已被越來(lái)越多國(guó)家[24]和專業(yè)組織機(jī)構(gòu)[25-29]所采用，適合大批樣品的測(cè)定，更能滿足測(cè)試高峰期的測(cè)樣需求[30]。為此，元素分析法相對(duì)于連續(xù)流動(dòng)分析，為一種更綠色環(huán)保高效的檢測(cè)方法。

連續(xù)流動(dòng)分析法測(cè)定總氮并不包括硝態(tài)氮。卷煙中硝態(tài)氮含量的差異與卷煙類型[31-32]、煙葉產(chǎn)地[33]、調(diào)制過(guò)程[34]、配方等有一定關(guān)系。江偉等人研究[35]發(fā)現(xiàn)在樣品硝態(tài)氮含量較高時(shí)，連續(xù)流動(dòng)分析測(cè)氮法所測(cè)結(jié)果低于元素分析法，對(duì)硝態(tài)氮含量低的樣品，兩種方法測(cè)定結(jié)果沒(méi)有顯著差異。周冰群等人研究[36]發(fā)現(xiàn)運(yùn)用元素分析法測(cè)定再造煙葉中總氮含量結(jié)果應(yīng)用比值系數(shù)K(K=DN/LN)進(jìn)行換算即可代替連續(xù)流動(dòng)分析法結(jié)果。國(guó)內(nèi)煙草行業(yè)主要采用連續(xù)流動(dòng)分析法測(cè)定煙草的總氮含量，原因有三點(diǎn)：(1)部分煙草單位僅擁有連續(xù)流動(dòng)分析儀而沒(méi)有元素分析儀，因此沒(méi)有開(kāi)展元素分析法的條件，只能采用連續(xù)流動(dòng)分析法測(cè)總氮；(2)連續(xù)流動(dòng)分析法所測(cè)定的總氮指標(biāo)已成為保障原料和成品煙質(zhì)量穩(wěn)定的重要參考；(3)在年度煙草行業(yè)能力驗(yàn)證等共同實(shí)驗(yàn)中，各單位需要在同一個(gè)水平，用同一種方法測(cè)定總氮含量數(shù)據(jù)，通過(guò)比對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)掌握各實(shí)驗(yàn)室對(duì)該方法的測(cè)試分析技術(shù)水平。

2.2 兩種趨勢(shì)預(yù)測(cè)方法的比較，建立相關(guān)性較好的模型

回歸分析是一種統(tǒng)計(jì)分析方法，它可以對(duì)具有相互聯(lián)系的數(shù)據(jù)，根據(jù)其關(guān)系形態(tài)，研究變量之間相關(guān)關(guān)系，建立一個(gè)合適的數(shù)學(xué)模型，用于預(yù)測(cè)和控制的作用[37]。本實(shí)驗(yàn)所用的兩種不同的測(cè)氮法所得的數(shù)據(jù)間雖然不能找到它們之間的精確表達(dá)式，但是通過(guò)大量的總氮含量數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)它們之間存在著一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律性，建立線性回歸一次表達(dá)方程為：y=0.8489x+0.1659，R2=0.8215，而多項(xiàng)式二次擬合表達(dá)方程為：y=0.2369x2-0.3988x+1.7971，R2=0.8292； 兩種方式的表達(dá)所建立模型的相關(guān)性較為接近，采用元素分析法檢測(cè)111個(gè)卷煙的總氮數(shù)據(jù)代入模型，結(jié)果(表1)顯示，線性回歸一次模型總氮預(yù)測(cè)值與連續(xù)流動(dòng)法總氮測(cè)定值絕對(duì)值之差在5%以內(nèi)的卷煙樣品有69個(gè)，而二次擬合模型的數(shù)量為75個(gè)。說(shuō)明二次擬合模型(圖1)中元素分析法所預(yù)測(cè)的總氮值能較好地表示連續(xù)流動(dòng)分析法所測(cè)的總氮指標(biāo)化學(xué)值。

表1 線性一次方程和二次擬合方程兩種趨勢(shì)預(yù)測(cè)方法的比較

圖1 元素分析法和連續(xù)流動(dòng)分析法兩者之間測(cè)總氮含量的相關(guān)曲線圖

2.3 模型的預(yù)測(cè)效果

2.3.1模型預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性

為了檢驗(yàn)所建模型預(yù)測(cè)值的準(zhǔn)確性，通過(guò)111個(gè)卷煙對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，將卷煙樣品用元素分析法測(cè)出總氮數(shù)據(jù)代入模型，預(yù)測(cè)連續(xù)流動(dòng)分析法測(cè)出總氮的含量，并與連續(xù)流動(dòng)分析法總氮測(cè)定值進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果(表2)顯示，模型總氮預(yù)測(cè)值與連續(xù)流動(dòng)分析法總氮測(cè)定值基本一致，兩者相對(duì)偏差在4%以內(nèi)，利用同一牌號(hào)不同批次生產(chǎn)的卷煙為驗(yàn)證樣品，通過(guò)SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)分析軟件配對(duì)樣品T檢驗(yàn)[38]進(jìn)一步驗(yàn)證，由(表3)數(shù)據(jù)計(jì)算求得t值，在顯著性水平大于0.05時(shí)，兩種方法不存在顯著性差異(查ta，f值表，當(dāng)顯著水平a=0.05時(shí)，自由度f(wàn)=6，t0.05，6=2.45)，即沒(méi)有系統(tǒng)誤差，說(shuō)明所建模型的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性較高，適合用于卷煙樣品中連續(xù)流動(dòng)分析法總氮含量的預(yù)測(cè)。

表2 111個(gè)卷煙樣品中部分樣品連續(xù)流動(dòng)分析法總氮預(yù)測(cè)值與其化學(xué)測(cè)定值的比較 %

續(xù)表2

表3 不同價(jià)類卷煙樣品連續(xù)流動(dòng)分析法總氮含量與模型預(yù)測(cè)值的比較 %

2.3.2模型預(yù)測(cè)的重復(fù)性和靈敏度的比較

隨機(jī)抽取5個(gè)卷煙樣品，每個(gè)樣品分別用兩種方法各進(jìn)行6次檢測(cè)，結(jié)果(表4)得出通過(guò)模型算出總氮值標(biāo)準(zhǔn)偏差小于2.2%；而連續(xù)流動(dòng)法測(cè)出總氮值標(biāo)準(zhǔn)偏差小于4.9%。數(shù)據(jù)表示，兩種方法測(cè)定卷煙總氮的精密度高，穩(wěn)定性好。相比之下，前者具有更好的穩(wěn)定性?？赡苡捎谶B續(xù)流動(dòng)分析法在消化過(guò)程中氮元素轉(zhuǎn)化成氨氣造成流失，導(dǎo)致連續(xù)流動(dòng)分析法測(cè)定總氮結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差較大。

檢出限是評(píng)價(jià)分析方法的重要指標(biāo)，可用于評(píng)估檢測(cè)方法的優(yōu)劣[39]。采用不同含量標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)多次檢測(cè)結(jié)果，以標(biāo)準(zhǔn)偏差對(duì)含量作關(guān)系曲線，通過(guò)該曲線外推計(jì)算出方法的檢出限[40，41]。利用元素分析法測(cè)定5mg的磺胺(最低標(biāo)準(zhǔn)含量)10次，用3倍測(cè)量值標(biāo)準(zhǔn)偏差對(duì)應(yīng)的濃度作為檢出限，用10倍測(cè)量值標(biāo)準(zhǔn)偏差對(duì)應(yīng)的濃度作為定量限，得出元素分析法測(cè)總氮的檢出限和定量限分別是19.14 μg和63.81μg；采用連續(xù)流動(dòng)分析法對(duì)含氮量為0.8mg的硫酸銨溶液(最低標(biāo)準(zhǔn)濃度)檢出10次，用3倍測(cè)量值標(biāo)準(zhǔn)偏差對(duì)應(yīng)的濃度作為檢出限，用10倍測(cè)量值標(biāo)準(zhǔn)偏差對(duì)應(yīng)的濃度作為定量限，得出連續(xù)流動(dòng)法測(cè)總氮的檢出限為228.99 μg，定量限為763.32 μg，數(shù)據(jù)表明，元素分析法具有更好的靈敏度。

表4 連續(xù)流動(dòng)分析法與模型預(yù)測(cè)值重復(fù)性數(shù)據(jù)的比較 %

續(xù)表4

3 結(jié)論

元素分析法是一種相對(duì)簡(jiǎn)便、快速、穩(wěn)定性好、靈敏度高、試劑用量少、綠色環(huán)保的檢測(cè)方法，還能通過(guò)觀察儀器軟件的相關(guān)參數(shù)判斷吸收劑或其它耗材的使用情況并及時(shí)更換相應(yīng)的填充物質(zhì)，避免資源浪費(fèi)，適用于快速批量測(cè)定卷煙中總氮含量。

將元素分析法與連續(xù)流動(dòng)分析法測(cè)定卷煙樣品中總氮含量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，建立兩種方法的關(guān)聯(lián)，得到多項(xiàng)式二次擬合表達(dá)方程：y=0.2369x2-0.3988x+1.7971，R2=0.8292的模型公式，并對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表示，利用所建模型得出連續(xù)流動(dòng)分析法總氮的預(yù)測(cè)結(jié)果與煙草行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方法的檢測(cè)結(jié)果較為接近，準(zhǔn)確度高、重復(fù)性好，該預(yù)測(cè)模型可以快速檢測(cè)卷煙中的總氮含量，提高檢測(cè)效率，為卷煙品質(zhì)的評(píng)價(jià)提供一種新的方法，對(duì)于元素分析法廣泛應(yīng)用于卷煙中總氮含量的檢測(cè)分析提供重要的技術(shù)依據(jù)。