元素分析：单反应炉的土壤和植物碳、氮分析

作者Dominique Chevalier,¹Francesco Leone, ²Liliana Krotz²and Guido Giazzi^2
1赛默飞-法国（Courtaboeuf）实验室; ²赛默飞-意大利（Milan）实验室
 
关键词：碳元素、氮元素、燃烧法、植物、土壤
 
目标：该应用文献为使用FlashSmart™元素分析仪测定氮元素和碳元素。本方法中使用了单燃烧/还原炉结构。

注：该文章已经过文章作者授权转译

前言：
以燃烧法测定土壤、植物、树叶、滤料、动物组织中氮元素和碳元素是十分常见的。碳元素和氮元素为农业和环境领域研究提供了非常重要的信息。
近些年土壤和植物的测试开始变得重要。许多传统方法因样品制备时间长，需使用危险化学试剂等诸多因素已经不再适于日常分析。因此，一个有效的分析技术变得至关重要。由于样品处理量增加、减少测试费用、最小化人为误差等需求急剧增加，一种简单自、动化并且具有高重复性的快速碳氮分析技术十分重要。
赛默飞™ FlashSmart™元素分析仪（图1）使用动态闪烧技术，满足了现代实验室需求。该仪器标准结构是基于双反应器系统，第一个反应器用于燃烧和催化氧化样品，第二个反应器是用于将氮氧化物还原为氮气。FlashSmart™元素分析仪能为碳氮测定减少催化剂的使用量，从而使得仅使用一个燃烧还/原管（直径25mm）即可完成分析。反应器中填装有催化剂和还原铜确保能够完全转化燃烧产物。这篇应用文献给出了FlashSmart™元素分析仪在使用单反应炉结构分析碳氮时的性能表现。

图1  FlashSmart  元素分析仪.
方法：
FlashSmart™元素分析仪使用的是动态燃烧法。样品用锡纸包装，再由MAS Plus 自动进样器送入反应器内，由适量的氧气进行燃烧。对于单炉碳氮在单个反应器结构中，在燃烧后，燃烧产生的气体以氦气作为载气通过催化氧化剂和还原铜，气体通过位于反应器内的卤素和硫吸收管。在反应管后，水被脱除。混合气通过GC分离，通过热导检测器（TCD）检测，图2。全部的数据及报告由精心研发的EagerSmart™工作站分析处理.
图2：碳氮检测结构简图
分析条件
对于高含量碳氮元素分析测定使用3米长的色谱柱。图3给出了典型的碳氮测定图谱。
三个实验表明了单炉结构中不同质量下的土壤和植物样品的仪器性能表现。在测试A、B中样品称样重和双炉结构一致，但在使用B的参数时分析时间更加短。测试C是为了更高的进样量而设计，测定条件如表1。


图3. 典型的碳氮图谱
 

 
 
表1.测定条件
 

测试	测试 A	测试  B “闪电模式”	测试  C
样品称重	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	约20 mg 植物
反应炉炉温	950 °C	950 °C	950 °C
柱温	50 °C	65 °C	50 °C
载气流速	200 mL/min	200 mL/min	170 mlL/min
参考气流速	40 mL/min	40 mL/min	40 mL/min
氧气流速	160 mL/min	160 mL/min	300 mL/min
分析时间	330 s	270 s	420 s
氧气注入时间	12 s	12 s	9 s
样品延迟	20 s	20 s	17 s

 
结果
分析不同浓度碳氮土壤、植物标准品用来评估单炉测试A、B、C条件下的仪器性能。表2为碳氮标准物质浓度及其不确定度。
 
表2碳氮元素标准物质参数.
 

标物种类	规格参数
	N%	不确定度 (± %)	C%	不确定度 (± %)
赛默飞制标准土	0.21	0.01	2.29	0.07
低有机含量土	0.133	0.023	1.61	0.09
中等有机含量土	0.27	0.02	3.19	0.07
壤质土	0.27	0.02	2.75	0.12
白垩土	0.35	0.02	5.39	0.09
沙质土	0.07	0.01	0.83	0.05
白桦树叶	2.12	0.06	48.09	0.51
果园叶子	2.28	0.04	50.40	0.40
苜蓿	3.01	0.20	na	na
燕麦片	1.90	0.10	45.51	0.17

 

 
测试A
 
标曲分析序列在表3列出，表4给出了用二次拟合或线性拟合作为标定方法所分析标准物质的实验结果和测定方法。
表3 测试A标线序列

编号	标准品名称	样品类型	样品重量 (mg)	理论值
				N%	C%
1	苯甲酸	标样	5.974	–	68.85
2	苯甲酸	标样	6.455	–	68.85
3	天冬氨酸	标样	6.548	10.52	36.09
4	天冬氨酸	标样	5.799	10.52	36.09
5	天冬氨酸	标样	2.528	10.52	36.09
6	天冬氨酸	标样	2.092	10.52	36.09
7	土壤标准品	标样	6.288	0.21	2.29
8	土壤标准品	标样	8.467	0.21	2.29

表4给出了标注物质称样量和用二次或线性拟合得到的实验结果。
 

 
表4碳氮标准品实验结果
 

样品信息		二次曲线方法				一次曲线方法
参考物	W (mg)	N%	RSD%	C%	RSD%	N%	RSD%	C%	RSD%
赛默飞制标准土	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
低有机含量土	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
中等有机含量土	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
壤质土	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
白垩土	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
沙质土	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
白桦树叶	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
果园叶子	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
燕麦	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中给出了标曲分析序列。表6中给出了标注物质称样量和用二次或线性拟合得到的实验结果。所有的结果均有很好的重复性，均在标准范围内。表7给出了其他情况下测定碳氮的数据，其数据均展现了良好的重复性。
 
 
测试B标准曲线测定序列

编号	标准品名称	样品类型	样品重量 (mg)	理论值
				N%	C%
1	苯甲酸	标样	5.977	–	68.85
2	苯甲酸	标样	6.554	–	68.85
3	天冬氨酸	标样	7.222	10.52	36.09
4	天冬氨酸	标样	6.617	10.52	36.09
5	天冬氨酸	标样	2.799	10.52	36.09
6	天冬氨酸	标样	2.108	10.52	36.09
7	土壤标准品	标样	6.688	0.21	2.29
8	土壤标准品	标样	8.467	0.21	2.29

 

 
表6 碳氮元素标物实验结果

样品信息	二次校准曲线方法				直线校准方法
标准物质	W (mg)	N%	RSD%	C%	RSD%	N%	RSD%	C%	RSD%
赛默飞制土	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
低有机含量土	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
中等有机含量土	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
壤质土	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
白垩土	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
沙质土	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
白桦树叶	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
果园叶子	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
燕麦	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. 其他碳氮测定数据
 

样品	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
大麦粉	5.900	1.81	0.63	41.37	0.04
	5.877	1.81		41.33
	6.069	1.38		39.78
小麦粉	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

 
测试C
 
表8中给出了标曲分析序列。表9中给出了标注物质称
样量和用二次或线性拟合得到的实验结果。表10中给出了其他物质的测定数据，同样展示了结果的重复性与传统的土壤和植物氮碳测定方法相比，FlashSmart™元素分析仪具有巨大的优势。仪器可分析大进样量的有机物（如土壤、植物）。使用简化的结构依旧能够提供高准确性的测试结果。
表8测试C标准品序列

序号	标准品	类型   重量 (mg)		理论值
				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碳氮标准物质测定结果

样品信息		二次曲线校准方法				直线校准方法
标准物质	W (mg)	N%	RSD%	C%	RSD%	N%	RSD%	C%	RSD%
桦树叶	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
果园页	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其他样品碳氮实验结果

样品	W (mg)		N%		RSD%	C%			RSD%
法国玉米	19.393		1.21			42.02
	19.908		1.21		0	41.96			0.18
	20.273		1.21			41.87
俄罗斯玉米	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
大麦粉	20.349	1.81		1.09			41.55	0.06
	20.119	1.85					41.60
	20.441	1.37					40.00
小麦粉	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

结论
 
由于FlashSmart™元素分析仪使用双反应器结构，他可以用一个系统实现碳氮/碳氮、碳氮/硫的测定而不需要做任何硬件改变。
现代实验室可以完成碳氮/碳氮、碳氮/硫的测定，同时满足实验室降低操作升本和减少每个样品测定花费的需求。