盧麗娟，趙曉蕊，于佳偉，唐君偉，陳嵐*

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 園藝學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 理工學(xué)院，河北 滄州 061100）

植物鉀含量是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究的常規(guī)檢測(cè)項(xiàng)目，同時(shí)，鉀含量也是園藝產(chǎn)品營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的重要特征[1-5]。植物總鉀的測(cè)定由樣品前處理和儀器檢測(cè)兩個(gè)步驟組成。前處理通常采用硫酸-過氧化氫消解、高氯酸-濃硝酸消解、微波消解等濕法消解或干式消解等[6-8]。檢測(cè)方法主要有化學(xué)法（如四苯硼鈉重量法、冠醚測(cè)定法等）、電解質(zhì)分析儀法、X射線熒光分析（X-ray fluorescence spectrometry，XRF）法、原子吸收分光光度計(jì) （atomic absorption spectrophotometer，AAS）法、火焰光度計(jì)（flame photometer，F(xiàn)P）法、Cardy Meter速測(cè)儀和電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（inductively coupled plasma atomic emission spectro，ICP-AES） 法和連續(xù)流動(dòng)分析法等[9-15]。這其中，以連續(xù)流動(dòng)分析法最為成熟，且測(cè)定速度快、成本適中，更適合大批量樣品的分析檢測(cè)[16]。

連續(xù)流動(dòng)分析儀配置測(cè)鉀用的檢測(cè)系統(tǒng)為火焰光度計(jì)，通常以石油液化氣為燃?xì)?。?shí)驗(yàn)室中存放石油液化氣具有一定的安全隱患，但更為重要的是，在測(cè)試植物樣品鉀含量的實(shí)踐中，我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)室內(nèi)氣溫較低時(shí)，火焰不易引燃，或者引燃后火焰不穩(wěn)定，這嚴(yán)重影響測(cè)量的準(zhǔn)確度，另外，何光澤[17]的研究也發(fā)現(xiàn)消解液酸度也會(huì)影響鉀測(cè)量的準(zhǔn)確度。

以蘋果、番茄、黃瓜的葉片為試材，采用連續(xù)流動(dòng)分析法，分別從燃?xì)忸愋?、燃?xì)夂椭細(xì)鈮毫?、消解液酸度、吸樣時(shí)間、清洗時(shí)間等方面進(jìn)行了研究，擬為植物中總鉀含量的測(cè)定提供安全、精確、快速、自動(dòng)化的分析方法。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 樣品

蘋果葉片、番茄葉片、黃瓜葉片（隨機(jī)采摘）：西北農(nóng)林科技大學(xué)試驗(yàn)示范站。

1.1.2 主要試劑

硫酸鉀（優(yōu)級(jí)純）：國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；硫酸、鹽酸、硝酸、H2O2（均為分析純）：上海源葉生物科技有限公司。

1.1.3 主要儀器

連續(xù)流動(dòng)分析儀（FLOWSYS型）：意大利Systea公司；火焰光度計(jì)（M410型）：英國(guó)Sherwood公司；電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（DHG-9076A）：上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；高通量組織研磨儀（MM400型）：德國(guó)Retsch公司；消化爐（AED-IV型）：北京核工業(yè)部研究所；微波消解儀（MultiwavePRO型）：奧地利安東帕有限公司；超純水系統(tǒng)（Milli-Q Reference）：德國(guó) Merck millipore公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 樣品前處理

供試植物樣品為蘋果、番茄、黃瓜的葉片，經(jīng)殺青、烘干、粉碎后過60目篩，干粉備用。

1.2.2 標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制

精密稱取已在105℃電烘箱中干燥至恒重的工作基準(zhǔn)試劑硫酸鉀4.4565g，加入5%硫酸溶液（體積分?jǐn)?shù)）溶解并定容至1000mL。此溶液為標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液，含鉀濃度為 2000mg/L。依次吸取標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液 0、0.5、1、2、3、4、5 mL，加入5%硫酸溶液（體積分?jǐn)?shù)）定容至100 mL，得到鉀濃度為 0、10、20、40、60、80、100 mg/L 的系列標(biāo)準(zhǔn)溶液。采用連續(xù)流動(dòng)分析儀進(jìn)樣繪制標(biāo)準(zhǔn)工作曲線。

1.2.3 植物中總鉀的提取

1.2.3.1 硫酸-過氧化氫消解法

稱取0.1 g（精確至0.000 1 g）樣品于消化管底部，加5 mL濃H2SO4，搖勻后靜置處理12 h。隨后，將樣品在消化爐上消解，并少量多次添加H2O2，H2O2總量為8 mL～10 mL。消煮至溶液呈無色或清亮后，再加熱10 min，除去剩余的H2O2。將消煮液無損地轉(zhuǎn)移入100 mL容量瓶中，冷卻至室溫（25℃）加入超純水定容。用無鉀的干濾紙過濾，或放置澄清后吸取上清液進(jìn)行連續(xù)流動(dòng)分析測(cè)定總鉀含量。

1.2.3.2 鹽酸提取法

稱取0.1 g（精確至0.000 1 g）樣品，置于250 mL磨口錐形瓶中，加入0.5 mol/L鹽酸15 mL，室溫（25℃）振蕩20 min，用超純水定容至100 mL容量瓶并搖勻，隨即過濾到烘干帶刻度的試管中（棄去前20 mL），備用。

1.2.3.3 硝酸消解法

稱取試樣0.1 g（精確至0.000 1 g）于消解管底部，加入7 mL硝酸，在微波消解儀上消解[參考條件：升溫120℃（爬坡 10 min，保持 5 min）、升溫 160℃（爬坡5 min，保持 5 min）、升溫 180 ℃（爬坡 5 min，保持50 min）、降溫60℃]。消解結(jié)束開始趕酸，將消解管放置于電熱板上160℃加熱，直至溶液變?yōu)榍辶翢o色并伴有白煙出現(xiàn)，繼續(xù)加熱至近干，約留1 mL～2 mL透明無色溶液（不可蒸干）冷卻，轉(zhuǎn)移至100 mL容量瓶中，用超純水定容，混勻待測(cè)，同時(shí)做試劑空白試驗(yàn)。

1.2.4 連續(xù)流動(dòng)儀分析條件

連續(xù)流動(dòng)分析儀主要組成為自動(dòng)進(jìn)樣器、鉀分析通道（觸摸式液晶顯示屏、蠕動(dòng)泵、分析模塊）、檢測(cè)系統(tǒng)（火焰光度計(jì)）和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

待測(cè)液通過取樣器被蠕動(dòng)泵吸入，流過整個(gè)系統(tǒng)。同時(shí)，鉀分析通道的蠕動(dòng)泵連續(xù)不斷地輸送反應(yīng)所需的試劑，并吸入空氣，將流體分割成片段。每個(gè)片段中的試劑和樣品（或標(biāo)準(zhǔn)溶液）經(jīng)混合圈在同樣條件下（包括反應(yīng)時(shí)間、流動(dòng)速度、溫度）充分混合。樣品量和試劑量由不同流速的泵管精確控制。樣品混合均勻經(jīng)火焰光度檢測(cè)器測(cè)定發(fā)射強(qiáng)度，發(fā)射的光強(qiáng)度與物質(zhì)含量成正比。由計(jì)算機(jī)自動(dòng)分析并輸出數(shù)據(jù)結(jié)果[18]。

儀器工作參數(shù)：清洗液為5%硫酸，檢測(cè)器為M410火焰光度計(jì)，燃?xì)鉃橐夯瘹猓細(xì)鉃榭諝?，進(jìn)樣速率30樣/h（進(jìn)樣時(shí)間50 s、進(jìn)樣清洗時(shí)間65 s），主峰高度85%左右（增益調(diào)節(jié)）。

1.3 數(shù)據(jù)分析

總鉀含量由連續(xù)流動(dòng)分析儀測(cè)定得出。

帶過可以反映高濃度樣品對(duì)其后低濃度樣品的污染或干擾情況，利用公式（2）計(jì)算帶過。

式中：a為高濃度樣品，mg/L；b和c為低濃度樣品（b＞c），mg/L。

數(shù)據(jù)分析和作圖使用Excel、Origin 2019b進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 植物樣品消解用酸對(duì)樣品鉀含量的影響

植物樣品消解用酸對(duì)樣品鉀含量的影響如圖1所示。

圖1 不同酸對(duì)樣品鉀含量的影響Fig.1 Influence of different acids on potassium content of the sample

通常植物樣品經(jīng)過酸處理再上機(jī)測(cè)定總鉀含量，有研究認(rèn)為采用火焰光度計(jì)測(cè)定鉀離子時(shí)，硫酸、鹽酸、硝酸、高氯酸對(duì)測(cè)定結(jié)果存在干擾[17]。選用前處理常用的3種無機(jī)酸（硫酸、鹽酸和硝酸），按照1.2.3步驟處理樣品，流動(dòng)分析儀進(jìn)樣，分析其對(duì)鉀含量測(cè)定結(jié)果的影響。隨著酸度的增加，樣品中總鉀含量基本不變（圖1A）這是由于在測(cè)定時(shí)，確認(rèn)方法中規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)工作液、樣品測(cè)試液、基線液溶劑要保持一致，有效地減少了酸度干擾。但是考慮酸度對(duì)霧化器的腐蝕作用，一般酸度應(yīng)控制在5%以內(nèi)。采用硫酸、鹽酸和硝酸提取對(duì)鉀的測(cè)定結(jié)果的影響均不顯著（圖1B），因?yàn)橹参镏械拟浭且喳}的形式存在的，說明3種酸都能將植物完全氧化分解，鉀全部以離子態(tài)溶于酸溶液。

2.2 燃?xì)夂椭細(xì)鈱?duì)樣品鉀含量檢測(cè)結(jié)果的影響

M410型火焰光度計(jì)以石油液化氣為燃?xì)猓钱?dāng)室內(nèi)氣溫較低時(shí)，火焰不易引燃，或引燃后火焰不穩(wěn)定；同時(shí)，為增加燃?xì)鈮毫?，使用液化石油氣時(shí)沒有配置減壓閥，氣瓶出氣口與連續(xù)流動(dòng)分析儀進(jìn)氣口直接相連，存在燃?xì)庑孤兜娘L(fēng)險(xiǎn)，此外，也無法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氣體流量大小，容易因流量不足自動(dòng)熄火。為了有效解決上述問題，更準(zhǔn)確地測(cè)定總鉀含量，研究使用丙烷代替石油液化氣作為燃?xì)?，丙烷是低溫貧燃燃?xì)猓⑶冶橥ǔ１粔嚎s成液態(tài)儲(chǔ)存和運(yùn)輸，較為安全[19]；此外，在儀器進(jìn)氣口前加裝二次壓力表控制燃?xì)廨敵隽髁浚瑫r(shí)優(yōu)化空氣壓力和燃?xì)鈮毫Α?/p>

2.2.1 燃?xì)獗閷?duì)鉀測(cè)定穩(wěn)定性的影響

通過對(duì)液化氣和丙烷這兩種燃?xì)獾谋容^，探究72 h內(nèi)鉀含量的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（relative standard deviation，RSD）值，判斷燃?xì)忸愋蛯?duì)鉀測(cè)定穩(wěn)定性的影響如圖2所示。

圖2 不同燃?xì)鈱?duì)鉀含量檢測(cè)穩(wěn)定性的影響Fig.2 Influence of different gas on the stability of potassium content

計(jì)算石油液化氣和丙烷作為燃?xì)鈺r(shí)，72 h內(nèi)鉀含量測(cè)定結(jié)果的RSD，發(fā)現(xiàn)使用丙烷的測(cè)量值RSD值較?。ㄗ畲鬄?.54%～1.05%）（圖2），表明在長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量過程中測(cè)量值間的精密度高，相對(duì)誤差小，儀器的穩(wěn)定性能好，這與儀器測(cè)量過程中丙烷燃料純度高，流量控制穩(wěn)定等因素有關(guān)。使用石油液化氣時(shí)，3 h內(nèi)測(cè)量值的RSD為1.03%，但是當(dāng)測(cè)量時(shí)間增加到72 h后，RSD則會(huì)增大至1.83%（圖2）。這是由于液化氣燃料純度不高，流量無法精確控制，在長(zhǎng)時(shí)間（72 h）測(cè)量過程中受這些因素波動(dòng)的影響較大，導(dǎo)致測(cè)量值漂移量大，鉀的測(cè)量值穩(wěn)定性稍差。

2.2.2 燃?xì)鈮毫?duì)鉀含量檢測(cè)穩(wěn)定性的影響

不同的燃?xì)鈮毫?duì)鉀的含量有著不同的影響，蘋果葉片在不同燃?xì)鈮毫ο骡浀暮咳鐖D3所示。

圖3 不同燃?xì)鈮毫?duì)樣品鉀含量的影響Fig.3 Influence of different gas pressures on potassium content of the sample

在設(shè)備進(jìn)氣口前加裝丙烷減壓閥和二次壓力表，實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣壓力可控。由圖3可知，當(dāng)丙烷燃?xì)鈮毫μ幱?0.065、0.07、0.08、0.09、0.10 MPa 5 個(gè)水平時(shí)，樣品鉀含量測(cè)定結(jié)果的精密度在1.75%以內(nèi)。通過氣瓶加裝減壓閥，并將丙烷二次壓力設(shè)為0.07 MPa時(shí)，既避免了誤觸流動(dòng)分析儀檢測(cè)器的燃?xì)饬髁靠刂菩o，而引起的燃?xì)饬髁扛淖?、甚至熄火，也可在?jié)約燃?xì)獬杀镜幕A(chǔ)上保證了數(shù)據(jù)測(cè)定的穩(wěn)定性。

2.2.3 助燃?xì)猓▔嚎s空氣）壓力對(duì)樣品鉀含量的影響

保持燃?xì)鈮毫?、消煮液酸度不變，考察助燃?xì)猓▔嚎s空氣）壓力在8、10、13、15、19、20 psi（1 psi=6 897 Pa）6個(gè)水平下，對(duì)樣品鉀含量的影響，結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同助燃?xì)鈮毫?duì)樣品鉀含量的影響Fig.4 Influence of different auxiliary gas pressures on potassium content of the sample

空氣壓縮機(jī)將空氣中的灰塵、水汽凈化，提供氧氣助燃，同時(shí)通過伯努利原理對(duì)霧化室產(chǎn)生負(fù)壓，改變待測(cè)液的提升量。樣品提升量小，鉀元素發(fā)射信號(hào)低；樣品提升量大，氣溶膠顆粒變大，噪聲增加，背景信號(hào)加大，信噪比變差，同時(shí)浪費(fèi)樣品。從圖4可以看出，當(dāng)空氣壓力在15 psi以下時(shí)，隨著壓力增大，待測(cè)液的提升量增加，霧化效率高，即到達(dá)燃燒室的有效鉀原子多，激發(fā)的鉀原子數(shù)也多，故譜線的強(qiáng)度增加，測(cè)定樣品鉀含量也隨之增大；而當(dāng)助燃?xì)鈮毫Υ笥?5 psi時(shí)，提升量過大，但在霧化器中心管口待測(cè)液噴出的速度也將加快，在燃燒室停留的時(shí)間減少，導(dǎo)致來不及激發(fā)。同時(shí)助燃?xì)饬髁看?，火焰光度?jì)溫度也將降低，譜線強(qiáng)度反而降低，樣品鉀含量下降。因此，助燃?xì)饪諝鈮毫?5 psi較為合適。

2.3 不同吸樣時(shí)間對(duì)樣品鉀含量的影響

連續(xù)流動(dòng)分析儀取樣器的吸樣時(shí)間影響著參加反應(yīng)的樣品量，進(jìn)而影響樣品鉀的含量，不同吸樣時(shí)間對(duì)樣品鉀含量的影響如圖5所示。

圖5 不同吸樣時(shí)間對(duì)樣品鉀含量的影響Fig.5 Influence of different sampling time on potassium content of the sample

參與反應(yīng)的樣品量由連續(xù)流動(dòng)分析儀取樣器的吸樣時(shí)間決定。吸樣時(shí)間短，到達(dá)檢測(cè)器的樣品量少，其中的鉀元素激發(fā)的能量就越小，隨著吸樣時(shí)間增加，到達(dá)火焰光度計(jì)檢測(cè)器的樣品量越多，其中的鉀元素激發(fā)的能量就越大。吸樣時(shí)間40 s以下，隨著吸樣時(shí)間增加，被提升的待測(cè)液體積增大，樣品鉀含量也隨之增大；而吸樣時(shí)間大于40 s，樣品鉀含量基本穩(wěn)定不變。這是因?yàn)槿鋭?dòng)泵精確控制樣品和試劑吸入量，氣動(dòng)霧化噴出的液體量不變，可以實(shí)現(xiàn)液體破碎的量不變，所以靈敏度沒有發(fā)生顯著變化。綜合考慮，吸樣時(shí)間設(shè)置為40 s較為合適。

2.4 不同清洗時(shí)間對(duì)樣品鉀含量的影響

選取3個(gè)鉀含量不同的蘋果葉片（其中，鉀含量高的樣品為a，鉀含量低的樣品為b和c，b＞c），考察清洗時(shí)間對(duì)鉀檢測(cè)結(jié)果的影響，結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同清洗時(shí)間對(duì)樣品鉀含量的影響Fig.6 Influence of different cleaning time on potassium content of the sample

連續(xù)流動(dòng)分析過程中，管道中部的流速比邊緣的快，會(huì)產(chǎn)生擴(kuò)散與帶過。通過加入氣泡可以降低擴(kuò)散，而對(duì)于帶過，則可以通過設(shè)定恰當(dāng)?shù)倪M(jìn)樣清洗比，即延長(zhǎng)每個(gè)樣品檢測(cè)后的清洗時(shí)間來減少帶過，也即減少高濃度樣品在系統(tǒng)中殘留對(duì)低濃度樣品的影響。通常認(rèn)為帶過值小于2%是符合要求的，而且可以通過帶過方程進(jìn)行補(bǔ)償。

當(dāng)清洗時(shí)間小于50 s時(shí)，隨著清洗時(shí)間的增加，管路中因蘋果葉片a帶過殘留的鉀離子被逐漸清洗掉，從而表現(xiàn)出蘋果葉片b和蘋果葉片c的鉀含量檢測(cè)值逐漸降低；而當(dāng)清洗時(shí)間大于50 s后，管路中殘留的鉀離子被清洗干凈，前序樣品對(duì)后序樣品的影響基本可以忽略。隨著清洗時(shí)間的延長(zhǎng)，帶過值不斷降低，清洗50 s時(shí)帶過值為1.99%。因此，吸樣時(shí)間設(shè)置為40 s，清洗時(shí)間50 s，可以消除帶過的影響。

2.5 條件優(yōu)化后的樣品鉀含量檢測(cè)的重復(fù)性考察

在上述優(yōu)化出的最佳條件下，吸取標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行測(cè)試，鉀的質(zhì)量濃度在0～100 mg/L與發(fā)射強(qiáng)度呈線性關(guān)系（y=693.1x-8.955，R2=0.999），標(biāo)準(zhǔn)曲線峰型良好，平滑規(guī)整，無雜峰和鋸齒峰，說明反應(yīng)條件均在適宜的范圍內(nèi)，符合試驗(yàn)穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性要求。

分別取2個(gè)蘋果葉片，1個(gè)番茄葉片和1個(gè)黃瓜葉片，利用優(yōu)化后的方法進(jìn)行了10次平行測(cè)定，結(jié)果見表1。

表1 連續(xù)流動(dòng)分析儀測(cè)定鉀含量的重復(fù)性Table 1 Reproducibility of potassium determination by continuous flow analyzer

從表1可以看出，4個(gè)樣品鉀含量的RSD均小于2%，表明優(yōu)化后的測(cè)試方法重復(fù)性較好，適合于果蔬葉片中鉀的快速測(cè)定。

3 討論與結(jié)論

采用連續(xù)流動(dòng)分析法測(cè)定果蔬葉片鉀含量，研究了消煮液酸的種類和酸度、燃?xì)夥N類及燃?xì)夂椭細(xì)鈮毫?、吸樣時(shí)間、清洗時(shí)間對(duì)樣品鉀含量的影響，并優(yōu)化了影響因素。植物樣品的前處理一般采用濕法消解。通過對(duì)濕法消解選擇的酸以及酸度的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)硫酸、鹽酸和硝酸這3種無機(jī)酸對(duì)鉀測(cè)定結(jié)果的影響均不大，酸度的變化對(duì)鉀測(cè)定結(jié)果的影響也不大。但是要保證標(biāo)準(zhǔn)曲線、樣品測(cè)試液、基線液酸度要匹配。連續(xù)流動(dòng)分析法測(cè)定總鉀時(shí)，選用不同的燃?xì)庵苯佑绊憸y(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確性。在選用燃?xì)獾倪^程中，研究了石油液化氣和丙烷對(duì)鉀含量的影響，丙烷較為安全，測(cè)量精密度高，相對(duì)誤差小，有利于提高檢測(cè)靈敏度，是精確測(cè)量鉀含量的優(yōu)質(zhì)燃?xì)?。此外，發(fā)現(xiàn)使用乙炔作為燃?xì)鈺r(shí)，即使壓力為0.02 MPa，點(diǎn)火時(shí)也會(huì)導(dǎo)致回火，原因是空氣-乙炔火焰溫度太高，因此使用M410型火焰光度計(jì)時(shí)切勿使用乙炔作為燃?xì)狻?/p>

綜上，利用連續(xù)流動(dòng)分析儀分析果蔬葉片總鉀含量，較優(yōu)的方法為樣品消煮液酸度控制在5%以內(nèi)，丙烷作為燃?xì)?，燃?xì)鈮毫?.07 MPa，助燃?xì)鈮毫?5 psi，吸樣時(shí)間40 s，清洗時(shí)間50 s。在此條件下，鉀的檢測(cè)結(jié)果相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差小于2%，測(cè)試結(jié)果的重復(fù)性較好。

此外，通過對(duì)吸樣時(shí)間、進(jìn)樣清洗時(shí)間的優(yōu)化，每小時(shí)可以測(cè)定40個(gè)樣品，檢測(cè)速率提高了32%，從而使得連續(xù)流動(dòng)分析法可適用于果蔬葉片總鉀的快速測(cè)定。