凯式定氮仪的校准
时间：2023-06-12 19:30:15 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
殷春前
（宣城市标准计量所，安徽宣城 242000）
凯氏定氮法是测定化合物或混合物中氮含量的一种方法。在催化剂作用下，用浓硫酸消解样品，使氮化合物转变为铵盐，在碱性条件下蒸馏，将铵盐转化为氨气，随水蒸气被冷凝，并用过量的硼酸溶液吸收，以酸标准溶液滴定，用酸标准溶液的消耗量计算出样品中的氮含量[1]。凯式定氮仪是根据凯氏定氮法进行氮含量测定的仪器，分为全自动和半自动两类。由于其安全可靠，根据样品不同可选择蒸馏速度，操作简便，近些年来广泛应用于检测谷物、食品、饲料、水、土壤、淤泥、沉淀物和化学品中的氨、蛋白质氮含量。
目前，我国尚未对凯氏定氮仪制订统一的检定规程或校准规范，对于该类计量仪器，至今尚无进行量值溯源可依据的国家计量检定规程和校准规范，也无一个全面、具体的参考依据。在具体工作实践中，大部分是参照JJF 1321—2011《元素分析仪校准规范》对该类仪器进行校准。由于JJF 1321—2011是一个通用的元素分析仪校准规范，未针对凯氏定氮法消化、滴定做出具体规定，实际操作中结果差异很大[2-3]。为更好地解决当前凯氏定氮仪校准溯源问题，服务于相关生产企业及使用单位，使该类仪器生产、溯源更加科学和规范，根据有关国家标准及计量技术规范并结合工作中的实际情况，笔者探讨了凯式定氮仪的校准方法，并在此基础上主持起草了安徽省地方计量技术规范JJF(皖)127—2022《全自动凯氏定氮仪校准规范》，该规范已于2022年1月发布实施[4-5]。
凯式定氮仪作为一种依照凯式定氮法基础上所设计的仪器，用于对混合物、化合物内总氮含量的测量，主要由消解、蒸馏、滴定装置组成[6]。常见凯氏定氮仪的消解和蒸馏装置见图1。在有催化剂的条件下，用浓硫酸消解样品，转变有机氮成为无机铵盐，之后碱化并蒸馏处理游离氨，用硼酸吸收蒸馏出的水蒸气，再以盐酸、硫酸等标准溶液滴定，根据酸的消耗量计算样品中的氮含量。由于蛋白质的含氮量系数较为恒定，该方法可作为定量测定蛋白质的经典方法[7-10]。
图1 常见凯氏定氮消解和蒸馏装置
2.1 校准项目的确立
凯氏定氮仪通常分为全自动凯氏定氮仪和半动凯氏定氮仪，均依据凯氏定氮法原理设计制造。全自动凯氏定氮仪对消解后的样品进行自动定量添加试剂、蒸馏、吸收、滴定并输出测试结果；
而半自动凯氏定氮仪对消解后的样品进行自动定量添加试剂、蒸馏、吸收，仅滴定步骤需要人工操作[11]。
根据GB/T 33862—2017《全(半)自动凯氏定氮仪》中4.4条的规定：“全自动仪器示值误差应不超过1%”，仪器示值误差是保证检测结果是否准确可靠的一个重要参数。
根据GB/T 33862—2017《全(半)自动凯氏定氮仪》中4.5条的规定：“半自动仪器的回收率应在99%～101%之间”，仪器回收率是确保检测结果准确可靠的重要技术指标。
根据GB/T 33862—2017《全(半)自动凯氏定氮仪》中4.6条的规定：“仪器的相对标准偏差应不大于0.5%”，仪器重复性采用测量值的相对标准偏差表示，其结果应不大于0.5%。
综上所述，凯氏定氮仪校准的主要参数确定为示值误差、回收率、测量重复性。
2.2 主要计量性能指标
根据仪器的组成和工作原理，以及GB/T 33862—2017《全(半)自动凯氏定氮仪》对该类仪器的具体要求，凯氏定氮仪测量氮元素质量为0.1～210 mg，其主要计量性能指标见表1。
表1 凯氏定氮仪主要计量性能指标
3.1 环境条件
校准的环境条件应确保仪器正常稳定的工作，采用GB/T 33862—2017《全(半)自动凯氏定氮仪》规定的工作条件作为校准的环境条件。环境温度：15～35 ℃；
相对湿度：不大于85%；
电源：额定交流电压为(220±20) V，频率为(50±0.5) Hz，仪器接地良好；
无易燃易爆和腐蚀性气体；
设备周围应无强烈振动及影响仪器正常工作的外磁场，应避免其它冷、热源影响。
3.2 校准用标准物质
凯氏定氮仪测定氮含量的三个步骤为消化、蒸馏、自动滴定。其工作原理表明，可选择含铵根离子的化合物标准样品作为标准物质进行校准。常见的含铵根离子的化合物有尿素、硫酸铵、氯化铵、硝酸铵和碳酸铵等。校准过程中标准物质需经烘干、称量、溶解后再进行后续的测量，要求校准用标准物质必须具备高温稳定以及吸湿点相对较高的特点。硝酸铵易吸湿结块和受热爆炸性分解，碳酸铵对光和热均不稳定，因此这两种物质不适于作为选择对象。分别选择尿素、硫酸铵、氯化铵三种标准物质开展校准工作[12-14]，配制后的标准溶液含氮质量和不确定度列于表2。
表2 标准溶液的含氮质量及其不确定度
3.3 主要仪器与试剂
全自动凯氏定氮仪：VELP UDK-159型，意大利威尔普公司。
电子分析天平：ATX224R型，感量0.1 mg，岛津企业管理(中国)有限公司。
尿素溶液：(1)A 溶液。0.014 0 g/mL(以氮质量计)，用天平称取3.003 0 g 尿素标准物质，用水溶解定容于100 mL 容量瓶中，摇匀；
(2)B 溶液。0.001 4 g/mL(以氮质量计)，取10 mL的A溶液，用水定容于100 mL容量瓶中，摇匀。
硫酸铵溶液：(1)A 溶液。0.014 0 g/mL(以氮质量计)。用天平称取6.606 5 g硫酸铵标准物质，用水溶解定容于100 mL 容量瓶中，摇匀；
(2)B 溶液。0.000 14 g/mL(以氮质量计)，取10 mL 的A 溶液用水定容于100 mL容量瓶中，摇匀。
氯化铵溶液：(1)A 溶液。0.014 0 g/mL(以氮质量计)，用天平称取5.349 0 g 氯化铵标准物质，用水溶解定容于100 mL 容量瓶中，摇匀；
(2)B 溶液。0.001 4 g/mL，取10 mL 的A 溶液用水定容于100 mL容量瓶中，摇匀备用。
硫酸标准溶液：0.05 mol/L，0.25 mol/L。
盐酸标准溶液：0.1 mol/L，0.5 mmol/L。
甲基红指示剂、溴甲酚绿指示剂、乙醇、硼酸、氢氧 化 钠、硫 酸、硫 酸 铜(CuSO4·5H2O)、硫 酸 钾(K2SO4)：分析纯。
甲基红乙醇溶液：1 g/L，称取0.1 g甲基红，溶于95%乙醇，用95%乙醇稀释至100 mL。
溴甲酚绿乙醇溶液：1 g/L，称取0.1 g溴甲酚绿，溶于95%乙醇，用95%乙醇稀释至100 mL。
混合指示剂：1份甲基红乙醇溶液与5份溴甲酚绿乙醇溶液临使用时混合。
氢氧化钠溶液：称取400 g 氢氧化钠于500 mL烧杯中，用水溶解，冷却至室温，转移至1 000 mL容量瓶中，定容至标线，摇匀。
硼酸溶液：称取20.00 g 硼酸，用水溶解并定容至1 000 mL容量瓶中，摇匀，转移至试剂瓶中，按体积比100∶1 加入甲基红-溴甲酚绿混合指示剂，混匀。
硫酸钾-硫酸铜混合催化剂：将1 000 g硫酸钾和50 g硫酸铜充分混合并仔细研磨。
校准用标准溶液使用浓度及其参数见表3。
表3 校准用标准溶液使用浓度及其参数
实验用水为二次蒸馏水或去离子水。
3.4 校准方法
按照仪器使用说明书操作要求，将仪器调至正常工作状态。检查仪器外观是否整洁，不应有刻痕和脱漆，主机箱体、连接线、玻璃部件等应无划痕或破损，各控制调整开关和旋钮等应操作灵活，零件表面不得锈蚀，产品铭牌及标志应耐久和清楚[15]。
3.4.1 仪器示值误差
待仪器稳定运行后，按照覆盖仪器设定量程低、中、高范围或者根据客户要求，选择含氮质量分别为7、14、28、140、210 mg的标准物质溶液，加入消化管中，再依次加入0.5 g 硫酸钾-硫酸铜混合催化剂、10 mL 浓硫酸进行消解，同时取相同体积的水做空白对照。消解完全后，按照规定流程对仪器进行操作，每种浓度标准物质分别重复测量3次，按照式(1)计算仪器示值误差。
式中：E——仪器示值误差，%；
-X——3 次测量标准溶液含氮质量平均值，mg；
Xs——标准溶液含氮质量标称值，mg。
3.4.2 仪器回收率
仪器选定的量程范围内，选用含氮质量为14 mg 的标准溶液，或者按照客户要求选择标准溶液，加入消化管中，再依次加入0.5 g硫酸钾-硫酸铜混合催化剂、10 mL浓硫酸进行消解，同时取相同体积的水做空白对照。消解完全后，按照规定流程对仪器进行操作，根据式(2)计算氮含量m，连续测量3次，按照式(3)计算仪器回收率：
式中：m——含氮质量，mg；
V1——滴定消耗的硫酸标准溶液的体积，mL；
V2——滴定空白时消耗的硫酸标准溶液的体积，mL；
c——硫酸或盐酸标准滴定溶液浓度，mol/L；
14.01——氮的摩尔质量；
K——回收率，%；
-m——3 次测量标准溶液含氮质量的平均值，mg；
ms——标准溶液含氮质量，ms=14 mg。
3.4.3 仪器重复性
在3.4.1的测量条件下，选用含氮质量为140 mg的标准溶液，重复测量6 次，按照式(4)计算仪器重复性。
式中：Sr——相对标准偏差，%；
mi——第i次测量值，mg；
n——测量次数，n=6。
选取常见的意大利威尔普公司VELP UDK-159型全自动凯氏定氮仪，按照上述校准方法，采用氯化铵、硫酸铵、尿素3种标准物质分别进行校准。
4.1 验证用标准物质
表4 验证用标准物质一览表
因市场上暂时无法购买到国家级标准物质的硫酸铵，以硫酸铵基准试剂代替。
4.2 校准试验结果
4.2.1 仪器示值误差
按照3.4.1方法，仪器示值误差试验结果见表5。由表5可知，仪器示值误差均不超过±1%，满足正常使用要求。
表5 仪器示值误差试验结果
4.2.2 仪器回收率
按照3.4.2 方法，采用氯化铵标准物质[16]，吸取10 mL氯化铵基准试剂溶液于凯氏定氮仪中进行校准测试，测量10 次，结果见表6。由表6 可见，仪器回收率为99.31%～101.38%，平均回收率为100.21%，试验结果理想。
表6 采用氯化铵标准物质时仪器回收率试验数据
分别采用硫酸铵基准试剂[17]、尿素为标准物质进行校准测试，所得仪器回收率分别为99.67%～100.88%、98.66%～99.32%，平均回收率分别为100.32%、99.02%。结果表明，使用氯化铵、硫酸铵校准结果较好，使用尿素校准结果一般。
4.2.3 仪器测量重复性
按照3.4.3方法，仪器测量重复性试验结果见表7。由表7 可知，仪器测量重复性不大于0.5%，满足正常使用要求。
表7 测量重复性试验结果
4.3 结果分析
结合以上数据分析，以氯化铵、硫酸铵为标准物质用于计量校准，示值误差、回收率和重复性均优于尿素[18]。究其原因，硫酸铵和氯化铵中氮元素均为铵态氮，而尿素中的氮为酰胺态氮，消化过程中铵态氮更为稳定，另外尿素较氯化铵、硫酸铵更容易吸潮、水解，影响测量结果。
选取仪器示值误差、仪器回收率、仪器测量重复性3个计量特性对凯氏定氮仪进行校准。分别以氯化铵、硫酸铵、尿素3 种标准物质对仪器校准，试验结果表明氯化铵、硫酸铵更为理想。
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