元素分析仪测定牧草样品适宜称样量的确定

常生华 袁 航 王召锋 侯扶江

（兰州大学草地农业生态系统国家重点实验室/草业科学国家实验教学中心/兰州大学草地农业科技学院，兰州 730020）

元素分析是一种常见的分析手段，在农业、工业、地质、石油、化工、环保等众多领域，能反映物质元素分布特征等基本信息［1］。随着高校基本建设和实验室设施投入的增加，元素分析仪广泛进入实验室，为固体和液体样品中的元素含量分析提供了方便快捷的服务。目前高校科研实验室使用较多的元素分析仪主要德国的Elementar、美国PerinElmer、美国Thermo Fishier Scientific等公司生产的系列产品，分别针对测定对象、元素含量大小和样品采样量多少以及精准度等因素配置不同厂家不同型号产品［2］。元素分析仪的原理就是使用燃烧法，通过氧化还原分离不同的元素［3］。本研究中使用的元素分析仪为德国Elementar vario MACRO CUBE，主要是将样品在装填催化剂的管中燃烧分解，排除杂质气体，将需要测试的各元素组分气体分离，采用热导检测器对相关气体进行检测［4］。

土-草-畜系统是草学、生态学和畜牧学研究中最常见的元素循环系统，对该系统中的营养元素评价是草学、生态学和畜牧学研究的主要内容和基础性研究，主要测定的常用评价指标有C、H、N、S元素含量与营养元素的流动过程［5］。土-草-畜系统元素循环过程复杂，样品多且数量大，并且各项元素的含量随着样品分布区域和自身因素其含量差别较大［6］。因此，在通常的测定中，称样量的大小直接影响测定结果和测样的成本［7］。通过探究利用元素分析仪测定植物样品过程中，样品称样量与测试准确率以及测样时间和成本等之间的关系，确定精准测定下适宜的样品称取量，为科研工作者样品采集、数据分析提供依据和参考。

1 材料与方法

1.1 样品

植物样品选取1年生饲用玉米秸秆，样品采集于甘肃民勤绿洲灌溉大田饲用玉米种植基地，采样时间2018年10月底，玉米完熟期，采集有代表性的全株玉米地上部分，用剪刀剪切为5 cm左右小截，置阴凉通风处，自然风干后，在实验室用植物样品粉碎机进行粉碎，然后过40目筛，将过筛后的样品放在玻璃板上，用分样板反复前后左右翻动，充分混合。将混合好的样品摊成等厚度的正方形，用分样板从样品上沿对角线划下，分成4个对顶角的三角形，任取两个对顶三角形为样本，将两外两个对顶三角形的样品移走，将剩下的样品在混合，按照上述方法反复分取，直到接近所需样品重量为止，装入封口袋，备用。

1.2 仪器

仪器使用德国Elementar vario MACRO CUBE-CHNS mode；电 子 天 平 用RADWAG AS110.R1，最大称样量110 g，可读性0.1 mg。

1.3 操作步骤与分析条件

设置7个不同的样品称量梯度，分别为20 mg、30 mg、40 mg、50 mg、60 mg、70 mg、80 mg（精确至0.1 mg），标准品用磺胺，重复6次。称取制备好的玉米秸秆样品，按照包裹要求，将样品紧密包裹于锡箔纸中，放入60位的自动进样盘中，选择自动进样。

将元素分析仪的模式选为CHNS模式；载气用He气，纯度≥99.996%；气瓶减压阀设置0.16～0.17MPa；燃气为O2，纯度≥99.995%；气减压的输出压力在0.20～0.22 MPa。石英燃烧管中催化剂为WO3，纯度99.9%，加热温度1150℃；还原管中还原剂为Cu丝，纯度99.9%，加热温度850℃。

1.4 统计分析方法

每个样品重复测定6次，样品中C、H、N、S含量用元素质量分数（以干基为基础）表示。6次测量值的算术平均值为样品元素含量的测量结果，用SPSS19.0软件进行数据统计并作图。

重复性分析采用以下公式进行重复性计算［8］：

式中：Xi—每次测定数值，%；

N—测定次数。

参考依据：JJF1321-2011《元素分析仪校准规范》，RSD≤2%。

2 结果与分析

2.1 不同称样量对标准品磺胺中元素含量测定值的影响

用元素分析仪测定标准品磺胺中元素含量，不同的称量梯度间C、H、N、S 4种元素含量以及C/N、C/H值的响应不同（图1）。随标准品磺胺称样量的增加，磺胺中C、H、N、S元素含量测定值有上升也有下降，不同称样量间磺胺各元素含量测定值差异显著（P＜0.05）。

图1 不同称样量下的磺胺测定值

标准品磺胺中N元素含量测定值随着称样量的增加呈下降趋势，不同称样量间标准品磺胺N含量测定值差异显著（P＜0.05）。标准品磺胺称样量在30 mg时，标准品磺胺中N含量和标准值相比有差异，但差异不明显。标准品磺胺称样量40 mg～80 mg时，随称样量增加，标准品磺胺中N含量测定值呈下降趋势。标准品磺胺称样量在20 mg～50 mg之间C含量测定值变化不大，标准品磺胺称样量大于50 mg之后，C含量测定值急剧下降，差异显著（P＜0.05）。标准品磺胺中H含量测定值在称样量20 mg时差异显著（P＜0.05），称样量大于30 mg之后，标准品磺胺中H含量测定值相互之间差异不显著。标准品磺胺中S元素含量测定值随着称样量的增加而变化不同，称样量20 mg～30 mg差异明显，称样量30 mg～40 mg对标准品磺胺中S元素含量影响不明显，当标准品磺胺称样量50 mg～80 mg时，称样量对标准品磺胺中S元素含量测定值影响显著（P＜0.05）。

2.2 不同称样量对玉米秸秆中元素含量测定值的影响

利用元素分析仪测定玉米秸秆元素含量，不同称样量对玉米秸秆中C、H、N、S 4种元素含量测定值以及C/N、C/H影响不同（图2），不同称样量处理下的玉米秸秆元素含量测定值之间差异性显著（P＜0.05）。

图2 不同称样量下玉米秸秆各元素含量

玉米秸秆中的N元素含量测定值随着玉米秸秆称样量的增加表现出先降后升的趋势。当玉米秸秆称样量在50 mg时，玉米秸秆N含量测定值最低，玉米秸秆称样量在20 mg～70 mg时，玉米秸秆N含量测定值无显著差异，玉米秸秆称样量80 mg下玉米秸秆中N含量测定值有显著差异（P＜0.05），由此，在测定玉米秸秆等植物样品N含量时，样品称取量的适宜范围是20 mg～70 mg，最经济的样品称样量应为20 mg。

玉米秸秆中C含量测定值随着玉米秸秆称样量增加呈下降趋势。当玉米秸秆称样量在20 mg～30 mg时，玉米秸秆C含量测定值最高，玉米秸秆称样量在40 mg～80 mg时玉米秸秆C含量测定值基本保持平稳，测定值之间的差异不显著，但和在玉米秸秆称样量20 mg～30 mg处理相比，玉米秸秆中的C含量测定值差异显著（P＜0.05）。在利用元素分析仪测定玉米秸秆C含量时的最佳称样量为20 mg。

玉米秸秆中H元素含量测定值随着玉米秸秆称样量增加而下降。当玉米秸秆称样量在20 mg～30 mg处理下时，玉米秸秆中H元素含量测定值下降，玉米秸秆称样量在30 mg～50 mg时，玉米秸秆中H元素含量测定值与其他处理相比差异不显著，玉米秸秆称样量在60 mg～80 mg时，各称样量之间玉米秸秆中H元素含量测定值差异不显著。相对玉米秸秆中H元素含量测定，样品称样量越大，对测定值的影响越小，最经济的样品称样量应该在30 mg～40 mg之间。

玉米秸秆中S元素含量测定值随玉米秸秆称样量增加呈先上升后下降趋势。玉米秸秆称样量对玉米秸秆S元素含量测定值有显著影响（P＜0.05）。玉米秸秆称样量在20 mg～30 mg时，玉米秸秆中S元素含量测定值上升，玉米秸秆称样量在30 mg～50 mg时，玉米秸秆中S元素含量测定值下降，称样量30 mg与60 mg时，玉米秸秆中S元素含量测定值之间差异显著（P＜0.05）。相对玉米秸秆中S元素含量的测定，最佳样品称取量是30 mg～40 mg。

用元素分析仪测定样品过程中，C/N的峰值拖尾直接影响测试效率与实验效果。用元素分析仪测定玉米秸秆过程中，随着玉米秸秆称样量增减，玉米秸秆中元素含量测定值C/N值逐渐下降，20 mg和30 mg玉米秸秆称样量之间C/N值差异不明显，与其他玉米秸秆称样量相比，测定值的C/N值有明显显著（P＜0.05）。30 mg、40 mg、50 mg玉米秸秆称样量对其测定值的C/N影响无差异，60 mg～70 mg的玉米秸秆称样量下，其测定值的C/N值无差异，但与80 mg玉米秸秆称样量相比，其测定值的C/N值差异显著（P＜0.05）。C/H测定值与称样量的关系不明显，随着玉米秸秆称样量的增减，其元素含量测定值C/H值增加，玉米秸秆称样量在20 mg与50 mg时，其元素含量测定值C/H的变化不明显，与其他称样量处理下的影响显著（P＜0.05）。

2.3 样品重复性分析

对6次重复的元素测定值进行样品重复性分析，玉米秸秆中C、H、N、S 4种元素含量用元素分析仪进行测定，其测定值的重复性较好，RSD值全部小于2%，最大的1.999%，最小值为0.363%（表1）。

表1 样品重复性

3 结语

对于元素分析仪测定植物样品的称样量，不同样品称样量对样品元素含量测定结果有影响。在测定土-草-畜系统中C、H、N、S 4种元素含量过程中，样品的采集量大小存在不可确定性，考虑时间和测定成本等因素，样品称样量要求尽量以最少量为佳。用元素分析仪测定玉米秸秆中C、N、H、S4种元素含量时，最佳称样量应该在20 mg～40 mg之间。

称样量是使用元素分析仪测定植物样品元素含量过程中的主要参数，一方面影响样品的测试结果，不同的样品在不同称样量下的元素含量测定结果有明显差异，测试元素不同，所需样品的称样量不同。相同样品，测试的主要元素不同，称样量对其的影响也不同［9］。另一方面，称样量直接作用于测试效率和测试成本。元素分析仪使用的基本的耗材有锡箔纸、燃烧管、还原管、干燥管、氧气和氦气，样品量越大，样品采集、样品处理、样品测试过程中氧化、还原等过程相对漫长，时间消耗相对较大，所需用的耗材量就会增加，测试成本上升，测试效率下降［10］。尤其相对于生态学、草学、畜牧学等样品量和样品数量等较多的科学研究中的测试，测试成本和测试效率也是研究过程中的主要考虑的因素。因此，合理的样品称取量是大数量样品测试中前期主要确定的参数之一，也是使用元素分析仪进行样品测试过程中必须明确的一项关键内容。