连续流动分析法测定果蔬叶片中钾的条件优化

卢丽娟，赵晓蕊，于佳伟，唐君伟，陈岚*

（1.西北农林科技大学 园艺学院，陕西 杨凌 712100；2.河北农业大学 理工学院，河北 沧州 061100）

植物钾含量是现代农业生产和科学研究的常规检测项目，同时，钾含量也是园艺产品营养价值的重要特征[1-5]。植物总钾的测定由样品前处理和仪器检测两个步骤组成。前处理通常采用硫酸-过氧化氢消解、高氯酸-浓硝酸消解、微波消解等湿法消解或干式消解等[6-8]。检测方法主要有化学法（如四苯硼钠重量法、冠醚测定法等）、电解质分析仪法、X射线荧光分析（X-ray fluorescence spectrometry，XRF）法、原子吸收分光光度计 （atomic absorption spectrophotometer，AAS）法、火焰光度计（flame photometer，FP）法、Cardy Meter速测仪和电感耦合等离子体发射光谱仪（inductively coupled plasma atomic emission spectro，ICP-AES） 法和连续流动分析法等[9-15]。这其中，以连续流动分析法最为成熟，且测定速度快、成本适中，更适合大批量样品的分析检测[16]。

连续流动分析仪配置测钾用的检测系统为火焰光度计，通常以石油液化气为燃气。实验室中存放石油液化气具有一定的安全隐患，但更为重要的是，在测试植物样品钾含量的实践中，我们发现当室内气温较低时，火焰不易引燃，或者引燃后火焰不稳定，这严重影响测量的准确度，另外，何光泽[17]的研究也发现消解液酸度也会影响钾测量的准确度。

以苹果、番茄、黄瓜的叶片为试材，采用连续流动分析法，分别从燃气类型、燃气和助燃气压力、消解液酸度、吸样时间、清洗时间等方面进行了研究，拟为植物中总钾含量的测定提供安全、精确、快速、自动化的分析方法。

1 材料和方法

1.1 试验材料

1.1.1 样品

苹果叶片、番茄叶片、黄瓜叶片（随机采摘）：西北农林科技大学试验示范站。

1.1.2 主要试剂

硫酸钾（优级纯）：国药集团化学试剂有限公司；硫酸、盐酸、硝酸、H2O2（均为分析纯）：上海源叶生物科技有限公司。

1.1.3 主要仪器

连续流动分析仪（FLOWSYS型）：意大利Systea公司；火焰光度计（M410型）：英国Sherwood公司；电热恒温鼓风干燥箱（DHG-9076A）：上海精宏实验设备有限公司；高通量组织研磨仪（MM400型）：德国Retsch公司；消化炉（AED-IV型）：北京核工业部研究所；微波消解仪（MultiwavePRO型）：奥地利安东帕有限公司；超纯水系统（Milli-Q Reference）：德国 Merck millipore公司。

1.2 试验方法

1.2.1 样品前处理

供试植物样品为苹果、番茄、黄瓜的叶片，经杀青、烘干、粉碎后过60目筛，干粉备用。

1.2.2 标准曲线绘制

精密称取已在105℃电烘箱中干燥至恒重的工作基准试剂硫酸钾4.4565g，加入5%硫酸溶液（体积分数）溶解并定容至1000mL。此溶液为标准储备液，含钾浓度为 2000mg/L。依次吸取标准储备液 0、0.5、1、2、3、4、5 mL，加入5%硫酸溶液（体积分数）定容至100 mL，得到钾浓度为 0、10、20、40、60、80、100 mg/L 的系列标准溶液。采用连续流动分析仪进样绘制标准工作曲线。

1.2.3 植物中总钾的提取

1.2.3.1 硫酸-过氧化氢消解法

称取0.1 g（精确至0.000 1 g）样品于消化管底部，加5 mL浓H2SO4，摇匀后静置处理12 h。随后，将样品在消化炉上消解，并少量多次添加H2O2，H2O2总量为8 mL～10 mL。消煮至溶液呈无色或清亮后，再加热10 min，除去剩余的H2O2。将消煮液无损地转移入100 mL容量瓶中，冷却至室温（25℃）加入超纯水定容。用无钾的干滤纸过滤，或放置澄清后吸取上清液进行连续流动分析测定总钾含量。

1.2.3.2 盐酸提取法

称取0.1 g（精确至0.000 1 g）样品，置于250 mL磨口锥形瓶中，加入0.5 mol/L盐酸15 mL，室温（25℃）振荡20 min，用超纯水定容至100 mL容量瓶并摇匀，随即过滤到烘干带刻度的试管中（弃去前20 mL），备用。

1.2.3.3 硝酸消解法

称取试样0.1 g（精确至0.000 1 g）于消解管底部，加入7 mL硝酸，在微波消解仪上消解[参考条件：升温120℃（爬坡 10 min，保持 5 min）、升温 160℃（爬坡5 min，保持 5 min）、升温 180 ℃（爬坡 5 min，保持50 min）、降温60℃]。消解结束开始赶酸，将消解管放置于电热板上160℃加热，直至溶液变为清亮无色并伴有白烟出现，继续加热至近干，约留1 mL～2 mL透明无色溶液（不可蒸干）冷却，转移至100 mL容量瓶中，用超纯水定容，混匀待测，同时做试剂空白试验。

1.2.4 连续流动仪分析条件

连续流动分析仪主要组成为自动进样器、钾分析通道（触摸式液晶显示屏、蠕动泵、分析模块）、检测系统（火焰光度计）和数据处理系统。

待测液通过取样器被蠕动泵吸入，流过整个系统。同时，钾分析通道的蠕动泵连续不断地输送反应所需的试剂，并吸入空气，将流体分割成片段。每个片段中的试剂和样品（或标准溶液）经混合圈在同样条件下（包括反应时间、流动速度、温度）充分混合。样品量和试剂量由不同流速的泵管精确控制。样品混合均匀经火焰光度检测器测定发射强度，发射的光强度与物质含量成正比。由计算机自动分析并输出数据结果[18]。

仪器工作参数：清洗液为5%硫酸，检测器为M410火焰光度计，燃气为液化气，助燃气为空气，进样速率30样/h（进样时间50 s、进样清洗时间65 s），主峰高度85%左右（增益调节）。

1.3 数据分析

总钾含量由连续流动分析仪测定得出。

带过可以反映高浓度样品对其后低浓度样品的污染或干扰情况，利用公式（2）计算带过。

式中：a为高浓度样品，mg/L；b和c为低浓度样品（b＞c），mg/L。

数据分析和作图使用Excel、Origin 2019b进行。

2 结果与分析

2.1 植物样品消解用酸对样品钾含量的影响

植物样品消解用酸对样品钾含量的影响如图1所示。

图1 不同酸对样品钾含量的影响Fig.1 Influence of different acids on potassium content of the sample

通常植物样品经过酸处理再上机测定总钾含量，有研究认为采用火焰光度计测定钾离子时，硫酸、盐酸、硝酸、高氯酸对测定结果存在干扰[17]。选用前处理常用的3种无机酸（硫酸、盐酸和硝酸），按照1.2.3步骤处理样品，流动分析仪进样，分析其对钾含量测定结果的影响。随着酸度的增加，样品中总钾含量基本不变（图1A）这是由于在测定时，确认方法中规定标准工作液、样品测试液、基线液溶剂要保持一致，有效地减少了酸度干扰。但是考虑酸度对雾化器的腐蚀作用，一般酸度应控制在5%以内。采用硫酸、盐酸和硝酸提取对钾的测定结果的影响均不显著（图1B），因为植物中的钾是以盐的形式存在的，说明3种酸都能将植物完全氧化分解，钾全部以离子态溶于酸溶液。

2.2 燃气和助燃气对样品钾含量检测结果的影响

M410型火焰光度计以石油液化气为燃气，但是当室内气温较低时，火焰不易引燃，或引燃后火焰不稳定；同时，为增加燃气压力，使用液化石油气时没有配置减压阀，气瓶出气口与连续流动分析仪进气口直接相连，存在燃气泄露的风险，此外，也无法实时监测气体流量大小，容易因流量不足自动熄火。为了有效解决上述问题，更准确地测定总钾含量，研究使用丙烷代替石油液化气作为燃气，丙烷是低温贫燃燃气，并且丙烷通常被压缩成液态储存和运输，较为安全[19]；此外，在仪器进气口前加装二次压力表控制燃气输出流量，同时优化空气压力和燃气压力。

2.2.1 燃气丙烷对钾测定稳定性的影响

通过对液化气和丙烷这两种燃气的比较，探究72 h内钾含量的相对标准偏差（relative standard deviation，RSD）值，判断燃气类型对钾测定稳定性的影响如图2所示。

图2 不同燃气对钾含量检测稳定性的影响Fig.2 Influence of different gas on the stability of potassium content

计算石油液化气和丙烷作为燃气时，72 h内钾含量测定结果的RSD，发现使用丙烷的测量值RSD值较小（最大为0.54%～1.05%）（图2），表明在长时间测量过程中测量值间的精密度高，相对误差小，仪器的稳定性能好，这与仪器测量过程中丙烷燃料纯度高，流量控制稳定等因素有关。使用石油液化气时，3 h内测量值的RSD为1.03%，但是当测量时间增加到72 h后，RSD则会增大至1.83%（图2）。这是由于液化气燃料纯度不高，流量无法精确控制，在长时间（72 h）测量过程中受这些因素波动的影响较大，导致测量值漂移量大，钾的测量值稳定性稍差。

2.2.2 燃气压力对钾含量检测稳定性的影响

不同的燃气压力对钾的含量有着不同的影响，苹果叶片在不同燃气压力下钾的含量如图3所示。

图3 不同燃气压力对样品钾含量的影响Fig.3 Influence of different gas pressures on potassium content of the sample

在设备进气口前加装丙烷减压阀和二次压力表，实现进气压力可控。由图3可知，当丙烷燃气压力处于 0.065、0.07、0.08、0.09、0.10 MPa 5 个水平时，样品钾含量测定结果的精密度在1.75%以内。通过气瓶加装减压阀，并将丙烷二次压力设为0.07 MPa时，既避免了误触流动分析仪检测器的燃气流量控制旋钮，而引起的燃气流量改变、甚至熄火，也可在节约燃气成本的基础上保证了数据测定的稳定性。

2.2.3 助燃气（压缩空气）压力对样品钾含量的影响

保持燃气压力、消煮液酸度不变，考察助燃气（压缩空气）压力在8、10、13、15、19、20 psi（1 psi=6 897 Pa）6个水平下，对样品钾含量的影响，结果如图4所示。

图4 不同助燃气压力对样品钾含量的影响Fig.4 Influence of different auxiliary gas pressures on potassium content of the sample

空气压缩机将空气中的灰尘、水汽净化，提供氧气助燃，同时通过伯努利原理对雾化室产生负压，改变待测液的提升量。样品提升量小，钾元素发射信号低；样品提升量大，气溶胶颗粒变大，噪声增加，背景信号加大，信噪比变差，同时浪费样品。从图4可以看出，当空气压力在15 psi以下时，随着压力增大，待测液的提升量增加，雾化效率高，即到达燃烧室的有效钾原子多，激发的钾原子数也多，故谱线的强度增加，测定样品钾含量也随之增大；而当助燃气压力大于15 psi时，提升量过大，但在雾化器中心管口待测液喷出的速度也将加快，在燃烧室停留的时间减少，导致来不及激发。同时助燃气流量大，火焰光度计温度也将降低，谱线强度反而降低，样品钾含量下降。因此，助燃气空气压力为15 psi较为合适。

2.3 不同吸样时间对样品钾含量的影响

连续流动分析仪取样器的吸样时间影响着参加反应的样品量，进而影响样品钾的含量，不同吸样时间对样品钾含量的影响如图5所示。

图5 不同吸样时间对样品钾含量的影响Fig.5 Influence of different sampling time on potassium content of the sample

参与反应的样品量由连续流动分析仪取样器的吸样时间决定。吸样时间短，到达检测器的样品量少，其中的钾元素激发的能量就越小，随着吸样时间增加，到达火焰光度计检测器的样品量越多，其中的钾元素激发的能量就越大。吸样时间40 s以下，随着吸样时间增加，被提升的待测液体积增大，样品钾含量也随之增大；而吸样时间大于40 s，样品钾含量基本稳定不变。这是因为蠕动泵精确控制样品和试剂吸入量，气动雾化喷出的液体量不变，可以实现液体破碎的量不变，所以灵敏度没有发生显著变化。综合考虑，吸样时间设置为40 s较为合适。

2.4 不同清洗时间对样品钾含量的影响

选取3个钾含量不同的苹果叶片（其中，钾含量高的样品为a，钾含量低的样品为b和c，b＞c），考察清洗时间对钾检测结果的影响，结果如图6所示。

图6 不同清洗时间对样品钾含量的影响Fig.6 Influence of different cleaning time on potassium content of the sample

连续流动分析过程中，管道中部的流速比边缘的快，会产生扩散与带过。通过加入气泡可以降低扩散，而对于带过，则可以通过设定恰当的进样清洗比，即延长每个样品检测后的清洗时间来减少带过，也即减少高浓度样品在系统中残留对低浓度样品的影响。通常认为带过值小于2%是符合要求的，而且可以通过带过方程进行补偿。

当清洗时间小于50 s时，随着清洗时间的增加，管路中因苹果叶片a带过残留的钾离子被逐渐清洗掉，从而表现出苹果叶片b和苹果叶片c的钾含量检测值逐渐降低；而当清洗时间大于50 s后，管路中残留的钾离子被清洗干净，前序样品对后序样品的影响基本可以忽略。随着清洗时间的延长，带过值不断降低，清洗50 s时带过值为1.99%。因此，吸样时间设置为40 s，清洗时间50 s，可以消除带过的影响。

2.5 条件优化后的样品钾含量检测的重复性考察

在上述优化出的最佳条件下，吸取标准溶液进行测试，钾的质量浓度在0～100 mg/L与发射强度呈线性关系（y=693.1x-8.955，R2=0.999），标准曲线峰型良好，平滑规整，无杂峰和锯齿峰，说明反应条件均在适宜的范围内，符合试验稳定性和准确性要求。

分别取2个苹果叶片，1个番茄叶片和1个黄瓜叶片，利用优化后的方法进行了10次平行测定，结果见表1。

表1 连续流动分析仪测定钾含量的重复性Table 1 Reproducibility of potassium determination by continuous flow analyzer

从表1可以看出，4个样品钾含量的RSD均小于2%，表明优化后的测试方法重复性较好，适合于果蔬叶片中钾的快速测定。

3 讨论与结论

采用连续流动分析法测定果蔬叶片钾含量，研究了消煮液酸的种类和酸度、燃气种类及燃气和助燃气压力、吸样时间、清洗时间对样品钾含量的影响，并优化了影响因素。植物样品的前处理一般采用湿法消解。通过对湿法消解选择的酸以及酸度的对比，发现硫酸、盐酸和硝酸这3种无机酸对钾测定结果的影响均不大，酸度的变化对钾测定结果的影响也不大。但是要保证标准曲线、样品测试液、基线液酸度要匹配。连续流动分析法测定总钾时，选用不同的燃气直接影响测定结果的准确性。在选用燃气的过程中，研究了石油液化气和丙烷对钾含量的影响，丙烷较为安全，测量精密度高，相对误差小，有利于提高检测灵敏度，是精确测量钾含量的优质燃气。此外，发现使用乙炔作为燃气时，即使压力为0.02 MPa，点火时也会导致回火，原因是空气-乙炔火焰温度太高，因此使用M410型火焰光度计时切勿使用乙炔作为燃气。

综上，利用连续流动分析仪分析果蔬叶片总钾含量，较优的方法为样品消煮液酸度控制在5%以内，丙烷作为燃气，燃气压力0.07 MPa，助燃气压力15 psi，吸样时间40 s，清洗时间50 s。在此条件下，钾的检测结果相对标准偏差小于2%，测试结果的重复性较好。

此外，通过对吸样时间、进样清洗时间的优化，每小时可以测定40个样品，检测速率提高了32%，从而使得连续流动分析法可适用于果蔬叶片总钾的快速测定。