石墨消解-氣相分子吸收光譜法用于土壤全氮快速測定

梁炬榮,陸金丹,楊偉明

(廣東省科學院測試分析研究所(中國廣州分析測試中心),廣東省化學測量與應急檢測技術重點實驗室,廣東 廣州 510070)

氮元素是動植物生長過程中必不可少的營養元素之一,其中氮元素更是影響植物生長和導致其產量多少的首要元素,因此,若能對土壤中氮元素進行快速、準確地分析,對于農業的生產過程中氮元素的綜合合理利用具有非常重要的意義。目前測定土壤中全氮最常用的檢測方法是傳統的凱氏定氮法,該方法準確度高,重現性好,但是其檢測步驟操作過程繁瑣復雜,分析檢測速度較慢,而且實驗過程中容易導致氮元素被污染或者因氣密性不好導致其損失,所以凱氏定氮法不適用于大批量土壤樣品中全氮的測定。因此,在農業生產過程中為了能夠快速對土壤中的全氮進行準確分析并進行合理的利用,通過用石墨消解來對土壤樣品進行消解,土壤樣品經過快速消解后定容取濾液即可直接在氣相分析吸收光譜儀上進行定量分析,按照此方法進行大批量的土壤樣品進行測定,實踐得出每小時能測定15個土壤樣品,結果表明檢測結果準確可靠。

測定的全氮是包括部分聯氨、疊氮和偶氮等含氮元素的化合物,還包括有機氮,如氨基酸、蛋白質、尿素等。

1 實驗部分

1.1 實驗原理

1.1.1 凱氏定氮法

土壤中的全氮在高氯酸、硫代硫酸鈉、濃硫酸和催化劑在高溫消解的作用下,經氧化還原反應全部轉化為以銨根形式存在的氮。將消解后的溶液加入氫氧化鈉溶液堿化后,于蒸餾儀上蒸餾出的氨被硼酸吸收,用鹽酸標準溶液滴定,根據標準鹽酸溶液的消耗量來計算土壤中全氮含量。

1.1.2 氣相分子吸收光譜法

水樣經氧化劑酸化后,在氣相分子吸收光譜儀的反應池中注入氧化劑,經過煮沸使得無水乙醇除去亞硝酸鹽等干擾,并在試劑次溴酸鹽氧化劑將銨態形式的氮轉化成亞硝酸鹽氮,檢測系統以測定亞硝酸鹽氮的形式采用氣相分子吸收光譜法測定氨氮(以N計)的含量,通過計算得出土壤全氮含量。

1.2 儀器與試劑

1.2.1 儀器

石墨消解儀(DS-360),GMA3386 氣相分子吸收光譜儀,JP-100S超聲波清洗器,25 mL 酸式滴定管,一體化智能蒸餾儀,分析天平(萬分之一、十萬分之一),電爐。

1.2.2 試劑:(均為分析純)

(1)重鉻酸鉀,硫酸鉀,氫氧化鈉,五水硫酸銅,五水硫代硫酸鈉,二氧化鈦,硼酸,溴酸鉀,無水乙醇,濃硫酸,高氯酸,濃鹽酸,溴化鉀;

(2)氫氧化鈉溶液(400 g/L);

(3)硼酸溶液(20 g/L);

(4)重鉻酸鉀—硫酸溶液(0.4 mol/L);

(5)催化劑:200 g硫酸鉀、6 g五水硫酸銅和6 g二氧化鈦于玻璃研缽中混勻,研細,貯于試劑瓶中保存;

(6)還原劑:五水合硫代硫酸鈉研磨后過孔徑0.25 mm篩(臨用現配);

(7)25%鹽酸+30%乙醇混合溶液;

(8)次溴酸鹽氧化劑:取9.0 mL溴酸鹽混合儲備液(儲備液配制:稱取30 g溴化鉀及2.81 g溴酸鉀,溶于500 mL水,于棕色玻璃瓶保存)于棕色帶塞試劑瓶中,加入18 mL鹽酸(1+1)及300 mL蒸餾水,馬上密塞搖勻后于暗處放置5 min,然后加入100 mL氫氧化鈉溶液(400 g/L),搖勻即可,避光保存;

(9)混合指示劑:將0.1 g 溴甲酚綠和0.02 g甲基紅溶解于100 mL 無水乙醇中;

(10)標準物質:0.100 0 mol/L 鹽酸標準溶液(深圳市博林達科技有限公司);GBW07XXX(GSS-31)、GBW07388(GSS-32)、GBW07401a(GSS-1a)(中國地質科學院地球物理地球化學勘查研究所)。

1.3 實驗方法

1.3.1 凱氏定氮法

稱適量試樣0.200 0～1.000 0 g,精確到0.000 1 g,放入150 mL錐形瓶,加少量水濕潤,加入4 mL濃硫酸,瓶口上蓋曲頸小漏斗,轉動150 mL錐形瓶,使其充分混合后,浸泡8 h以上。使用干燥的長頸漏斗將0.5 g五水合硫代硫酸鈉加到150 mL錐形瓶底部,置于電熱板上加熱,待冒白色煙霧后停止加熱,待冷卻后。加入1.1 g混合催化劑,搖勻,繼續在電熱板上進行消煮。消煮時保持微沸狀態。待消解液和土樣全部變成灰白色稍帶綠色后,表明消解完全,再繼續消煮1 h,待消煮液完全冷卻,加入氫氧化鈉溶液堿化后,于蒸餾儀上蒸餾出的氨被硼酸吸收,用鹽酸標準溶液滴定,根據標準鹽酸溶液的消耗量來計算土壤中全氮含量。

1.3.2 氣相分子吸收光譜法

稱取風干樣品0.050 0～0.100 00 g(通過孔徑0.15 mm篩)(精確到0.000 1 g),加入7～10 mL 0.4 mol/L重鉻酸鉀—硫酸溶液,于超聲波清洗器中超聲直至土壤均勻不結塊,置于175±5 ℃的石墨消解儀中,待消解管出現水蒸氣時開始計時,消解8～10 min后,取出放置冷卻,轉移至250 mL容量瓶中,用蒸餾水稀釋至刻度標線,搖勻后靜置收集上清液直接上機檢測。

2 結果與討論

2.1 樣品取樣量的選擇

參考土壤有機質消解方法,石墨消解儀的硬質玻璃管允許最小取樣量為0.050 0 g,最大容量為0.500 0 g,實際取樣量大小由主要樣品的含氮量決定。樣品取樣量越大越具代表性,重現性更好,但隨著樣品量的增大,樣品中的有機物分解時間亦隨之增加,并且會導致消解不完全,導致檢測結果偏低。稱取不同樣品量,消解時間為10 min和10 mL 0.4 mol/L重鉻酸鉀-硫酸消解溶液,表1結果表明,土壤取樣量在一般在0.050 0～0.100 0 g即能滿足實驗檢測要求。

表1 不同取樣量的測定結果

2.2 樣品消解時間的選擇

從表1可以得出在消解時間為10 min時土壤已經完全消解;土壤取樣量在0.050 0～0.100 0 g之間,加入10 mL 0.4 mol/L重鉻酸鉀-硫酸消解溶液,分別在不同時間進行消解,消解時間分別是5,7,8 min,表2結果表明,土壤消解時間在一般在8～10 min即能滿足實驗檢測要求。

表2 不同消解時間的測定結果

2.3 消解液體積的選擇

從表1和表2可以得出土壤取樣量在0.0500～0.100 0 g之間,加入10 mL 0.4 mol/L重鉻酸鉀-硫酸消解溶液,在消解時間為8～10 min時土壤已經完全消解;現在分別取不同體積的0.4 mol/L重鉻酸鉀-硫酸消解溶液進行消解,分別是5,6,7 mL,表3結果表明,土壤消解時間在一般在7～10 mL即能滿足實驗檢測要求。

表3 不同消解溶液體積的測定結果

2.4 方法線性范圍和檢出限

氣相分子吸收光譜儀對4.00 mg/L氨氮標準溶液進行自動稀釋成0.100,0.200,0.400,0.800,2.00 mg/L的標準溶液系列,以質量濃度為橫坐標,測得對應質量濃度的吸光度為縱坐標繪制標準曲線,線性回歸方程為y=0.146 25x-0.000 55,相關系數r為0.999 9。

按照氣相分子吸收光譜法測定氨氮的方法檢出限為0.02 mg/L,土壤消解后消解液定量體積為250 mL,當土壤樣品質量為0.100 0 g時,檢出限為50 mg/kg。

2.5 方法準確度和精密度

土壤取樣量0.050 0～0.100 0 g,加入7～10 mL 0.4 mol/L重鉻酸鉀-硫酸消解溶液在175±5 ℃下消解時間8～10 min,在此實驗參數條件下,分3組分別準確稱取3個不同濃度土壤標準物質,分別在每組樣品中加入100 μg/mL氯化銨標準溶液(以N計)50,100,200 μL,同步進行6次平行測定,表4結果表明,在約1倍的加標濃度水平,平均回收率為89.3%～98.1%,相對標準偏差為3.8%～6.6%,方法的精密度和準確度符合HJ 717—2014的規定要求。

表4 方法回收率和相對標準偏差

2.6 方法對照實驗

為了驗證該方法的準確度,選用農業土和林業土兩個類型土壤和低、中、高3種濃度的土壤標準物質GBW07388 (GSS-32)、GBW07XXX (GSS-31)、GBW07401a(GSS-1a),分別對其進行6次重復性測定,3個土壤標準物質的兩種方法測定值均在標準值范圍內,石墨消解-氣相分子吸收光譜法的精密度在2.5%～7.8%之間,凱氏法的精密度在2.1%～5.2%之間,表5結果表明,2個土壤實際樣品和GBW07388 (GSS-32)、GBW07XXX (GSS-31)、GBW07401a(GSS-1a)土壤標準物質兩組數據間無顯著性差異。

表5 本法與凱氏法結果比較

3 結論

(1)對樣品取樣量、石墨消解時間控制、重鉻酸鉀-硫酸消解溶液用量等實驗影響要素進行了研究,得出最優實驗參數是:土壤取樣量在0.050 0～0.100 0 g、消解時間在8～10 min以及7～10 mL的重鉻酸鉀-硫酸消解溶液。

(2)在此實驗參數下,方法檢出限為50 mg/kg,方法的相對標準偏差為3.8%～6.6%,加標回收率為89.3%～98.1%;通過測量3個國家土壤標準物質,并與凱氏定氮法進行對照,結果表明兩種方法間無顯著性差異。

(3)采用石墨消解-氣相分子吸收光譜法測定土壤中的全氮,樣品前處理簡單快捷,同時測定結果與凱氏法相比無明顯差異。該方法操作簡單,結果準確度高,快速檢測,適用于大批量檢測土壤樣品中全氮含量。