Organiczna Analiza Elementarna gleb i materiałów - Spectro-Lab

Organiczna Analiza Elementarna gleb i materiałów - Spectro-Lab

Organiczna Analiza Elementarna gleb i materiałów roślinnych
z wykorzystaniem aparatu Flash 2000 Thermo Scientific
Dr Liliana Krotz, Specjalista produktów OEA, oraz Dr Guido Giazzi, Menadżer produktów OEA, Thermo Fisher
Scientific inc., Mediolan, Włochy
Słowa kluczowe
Flash 2000, CNS,
elementarna
TOC,
gleby,
osady,
analiza
Wstęp
Charakterystyka elementarna i analiza środowiskowa
dostarczają kluczowych informacji na temat obiegu
pierwiastków oraz umożliwiają kontrolę i projektowanie
procesów związanych z produkcją rolną. Analiza
zawartości azotu jest niezbędna do określenia m. in.
jakości żywności i plonów rolniczych, dostarcza też
informacji potrzebnych przy planowaniu nawożenia.
Analizy zawartości azotu i węgla w glebach pozwala na
określenie, czy podstawowe pierwiastki odżywcze
znajdują się w nadmiarze czy niedomiarze. Z kolei
rozróżnienie zawartości całkowitej węgla (TC) oraz
zawartości węgla organicznego (TOC) umożliwia szybkie
rozpoznanie jakości gleby. Z drugiej strony obserwuje się
znaczny wzorst zainteresowania oznaczaniem także
siarki, będący następstwem niedoboru tego pierwiastka
w glebach piaszczystych, występujących w wielu
rejonach
świata.
Siarka
jest
kluczowym
makroelementem dla wszystkich organizmów. Niedobór
siarki ma niekorzystny wpływ na wzrost warzyw oraz na
jakość znajdujących się w nich witamin i białek,
w wyniku zaburzonych procesów syntezy aminokwasów
takich jak metionina, cysteina i cystyna.
Obecnie przykłada się coraz większą wagę do metod
badania gleb i roślin, ponieważ wiele klasycznych technik
nie nadaje się do rutynowych analiz ze względu na długi
czas przygotowania próbki i stosowanie szkodliwych
odczynników. Z tego powodu istnieje potrzeba
stosowania technik instrumentalnych, które pozwalają
na szybką i powtarzalną analizę. Analizator elementarny
Thermo Scientific bazuje na dynamicznym spaleniu
próbki, dzięki czemu nie wymaga stosowania
toksycznych
odczynników
oraz
czasochłonnego
przygotowania próbki, jednocześnie zapewniając
ilościową analizę w szerokim zakresie stężeń. Analizator
Flash 2000 w wersji NC Soil (Rysunek 1), pozwala na
analizę azotu oraz węgla w próbkach gleb i roślin. Przy
stosowaniu techniki dodatku kwasu, ta sama
konfiguracja może być wykorzystana do rozróżnienia
zawartości całkowitej węgla oraz węgla organicznego.
Aparat umożliwia jednoczesną analizę NCS lub analizę
siarki na poziomie śladowym z wykorzystaniem
dodatkowego detektora płomieniowego (FPD).
Rysunek 1 – Analizator Flash 2000 w konfiguracji NC Soil
Postępowanie
Analizator Flash 2000 bazuje na technice dynamicznego
spalania. Na początku próbki są ważone w cynowych
kapsułkach i wprowadzane do pieca za pomocą
autosamplera MAS 200R produkcji Thermo Scientific
razem z odpowiednią, ściśle określoną porcją tlenu.
W konfiguracji NC, po spaleniu, gazy spalinowe są
transportowanie w przepływie helu do drugiego pieca
reaktora wypełnionego miedzią, a następnie przez
pułapkę wodną na kolumnę chromatograficzną, która
oddziela od siebie poszczególne produkty. Ostatecznie
rozdzielone gazy wykrywane są przez detektor
przewodności cieplnej (TCD – ang. Thermal Conductivity
Detector).
Wyniki
Analizowane próbki gleb i roślin zostały wybrane pod
kątem dużej różnorodności oraz różnych zawartości
azotu, węgla i siarki. Otrzymane wyniki wykazały brak
występowania efektów matrycowych, co potwierdza
całkowite spalenie próbek w piecu.
Tabela 1: Powtarzalność pomiarów
Próbka
Wzorzec
gleby
Rysunek 2: Konfiguracja Azot-Węgiel (NC)
Gleba A
Humus A
Humus B
Jęczmień
Rysunek 3: Konfiguracja Azot-Węgiel-Siarka (NCS), detektor
TCD
Siano
N%
0.1846
0.1865
0.1868
0.0537
0.0543
0.0546
1.7476
1.7654
1.7663
1.4094
1.4139
1.4099
1.6988
1.6833
1.6859
1.1948
1.2057
1.1919
RSD %
0.6415
0.8455
0.5993
0.1748
0.4914
0.6076
C%
1.7000
1.7008
1.7042
1.9939
1.9932
1.9651
36.6962
36.6918
36.6194
32.5212
32.3690
32.6287
41.9268
41.9220
41.9039
41.8792
41.9459
41.9629
RSD %
0.1310
0.8281
0.1176
0.4014
0.0288
0.1055
Tabela 1 prezentuje powtarzalność oznaczeń NC przy
użyciu Flash 2000 w konfiguracji NC soil. Kalibracja
została wykonana z użyciem kwasu asparaginowego.
Sprawność systemu została potwierdzona poprzez
analizę materiału odniesienia Thermo Scientific Soil
Reference Material (0.186 %N, 1.697 %C).
Rysunek 4: Konfiguracja NCS, detektor FPD
Z kolei w konfiguracji NCS po spaleniu, gazy spalinowe są
transportowanie do złoża wypełnionego miedzią,
a następnie przez adsorber wody i kolumnę
chromatograficzną docierają do detektora TCD (Rysunek
3). W przypadku analizy zawartości siarki na poziomie
śladowym, gazy spalinowe są transportowane
w przepływie helu do złoża wypełnionego miedzią,
następnie kierowane do adsorbera wody oraz krótkiej
kolumny chromatograficznej i na końcu mierzone są
w detektorze płomieniowym FPD (Rysunek 4). Załączony
program do analizy danych - Thermo Scientic Eager
Xperience automatycznie generuje i wyświetla
kompletny raport na końcu każdego cyklu pomiarowego.
Tabela 2: Powtarzalność oznaczania NCS w próbkach gleb i
roślin
Próbka
Wzorzec
gleby
Gleba B
Gleba C
Roślina 1
Roślina 2
Roślina 3
N%
0.2027
0.2006
0.2038
0.2301
0.2320
0.2313
0.0894
0.0875
0.0894
1.0512
1.0323
1.0569
0.3594
0.3634
0.3644
2.1075
2.0897
2.1090
RSD%
0.3828
0.4157
1.2358
0.3824
0.9769
0.5107
C%
2.0451
2.0513
2.0316
4.6274
4.6278
4.6144
1.0176
1.0421
1.0096
49.5572
49.6275
49.5129
44.7434
44.2922
44.5536
47.7879
47.8755
47.7775
RSD%
0.4673
0.1649
1.6551
0.1166
0.5088
0.1126
S%
0.0313
0.0309
0.0318
0.2062
0.2091
0.2026
0.0195
0.0185
0.0194
0.1823
0.1878
0.1819
0.0359
0.0343
0.0367
0.1084
0.1052
0.1056
RSD%
1.1300
1.5810
2.8785
0.1553
1.5584
1.6387
Tabela 2 prezentuje powtarzalność jednoczesnego
oznaczania NCS. Kalibrację wykonano z użyciem BBOT
(2,5 bis(5-tert-butylo-benzooksyazol-2-yl) tiofen] jako
wzorca. Sprawność systemu potwierdzono poprzez
analizę wzorca Thermo Scientific Soil Reference Material
(0.20 %N, 2.01 %C, 0.032 %S).
Dodatkowo w tabeli 4 zamieszczono wyniki z analizy
siarki techniką detekcji FPD. Do kalibracji użyto wzorca
Thermo Scientific Soil Reference Material (0.032 %S).
Tabela 4: Powtarzalność oznaczania siarki z wykorzystaniem
detektora FPD
Próbka
Gleba F
Gleba G
Rysunek 5: Przygotowanie próbki do analizy TOC
Gleba H
Gleba I
Gleba J
Zawartość siarki oznaczona
techniką FPD / ppm
31
30
27
30
42
44
41
42
42
42
138
129
129
137
129
272
269
264
661
637
660
RSD %
6.24
2.60
3.53
1.51
2.08
Zestaw do analizy TOC dla próbek stałych (PN 190 041 28)
Osobne
oznaczenia
węgla
całkowitego
(TC)
i
organicznego
(TOC)
były
możliwe
dzięki
odpowiedniemu przygotowaniu próbki. Zawartość TOC
została wyznaczona po usunięciu węglanów poprzez
zakwaszenie próbki kwasem chlorowodorowym
w proporcji 1:1. Obie analizy TC i TOC przeprowadzono
w tych samych warunkach pomiarowych. Technikę
przygotowania próbki do oznaczania TOC przedstawiono
na rysunku 5. Z kolei Tabela 3 zawiera wyniki oznaczenia
TC i odpowiadające im oznaczenia TOC po zakwaszeniu
próbek.
Tabela 3: Analiza TC i TOC w próbkach gleby i humusu
Sample
Gleba D
TC %
4.4184
4.4150
4.4366
RSD %
0.2626
TOC %
0.4119
0.4162
0.4100
RSD %
0.3269
Gleba E
0.8289
0.4573
0.5094
0.2503
0.8215
0.5089
0.8265
Humus C
Humus D
36.6962
0.5076
0.1176
34.7956
36.6918
34.5334
36.6194
34.6845
32.5212
0.4014
31.0916
32.3690
31.0238
32.6287
31.0444
0.2261
0.1074
Rysunek 6: Detektor FPD (PN 432 101 45)
Dokładność i precyzja aparatu Flash 2000 została
określona dzięki partycypacji w programie International
Round Robin Tests WEPAL (Wzorcowania dla
Laboratoriów Analitycznych, Uniwersytet Wageningen,
Holandia). Dla próbek gleb, wyniki zostały porównane
z zakresami akceptowanymi przez WEPAL, włączając
wszystkie metody oznaczania azotu, węgla i siarki. Dla
próbek roślinnych, w przypadku węgla i azotu, wyniki
porównano z zakresem akceptowanym, natomiast dla
azotu wyniki porównane były dla: metody Kjeldahla
i metody Azotu Całkowitego, które również angażują
spalenie próbki. Tabela 5 zawiera wyniki analizy NCS dla
wzorców gleby WEPAL, a Tabela 6 wyniki analizy NCS
dla wzorców roślinnych WEPAL. Wszystkie wyniki
znajdują się w zakresie stężeń akceptowanych przez
WEPAL.
Tabela 5: Analiza NCS w próbkach gleby WEPAL
Próbka
Zawartość N %
Zawartość C %
Zawartość S %
Zakres WEPAL
Flash 2000
Zakres WEPAL
Flash 2000
Zakres WEPAL
Flash 2000
Piaszczysta gleba – 90
0.200-0.242
0.216
2.41-2.85
2.43
0.0449–0.0550
0.0549
Muł rzeczny
0.158-0.195
0.177
1.66-1.80
1.68
0.0285-0.0338
0.0310
Piaszczysta gleba
0.177-0.230
0.210
3.13-3.62
3.32
0.0184-0.0252
0.0228
Wilgotna glina
0.066-0.091
0.077
0.835-0.940
0.881
0.0080-0.0120
0.0112
Glina typu Braunerde
0.174-0.195
0.185
1.72-1.89
1.80
0.0273-0.0286
0.0285
Tabela 6: Analiza NCS w próbkach roślinnych WEPAL
Próbka
Zawartość N %
Zawartość C %
Zawartość S %
Zakres WEPAL
Flash 2000
Zakres WEPAL
Flash 2000
Zakres WEPAL
Flash 2000
Liść palmy olejowej
2.59-2.93
2.71
45.1-51.3
47.3
0.1725-0.2240
0.1854
Lucerna
2.87–3.33
2.94
41.4–47.4
43.8
0.2342-0.2816
0.2512
Laurowiśnia
1.50–1.78
1.62
44.9–47.7
45.8
0.0646-0.0854
0.0709
Pieprz
1.76–2.16
1.92
38.5–43.2
39.6
0.5760–0.6912
0.5885
Goździk (łodyga)
1.55–1.94
1.73
38.1–41.5
39.5
0.2489–0.2880
0.2589
Wnioski
 Otrzymane wyniki potwierdzają wysoką powtarzalność aparatu
 Nie występują efekty pamięciowe podczas zmiany charakteru próbek, co wskazuje na całkowitą detekcję
azotu, węgla i siarki, które są obecne w próbce
 Analizatory Thermo Scietific są w stanie oznaczać zawartość azotu, węgla i siarki w szerokim zakresie od
niskich do wysokich stężeń bez efektów matrycowych
 Wyniki oznaczania azotu, węgla i siarki otrzymane z użyciem aparatu Flash 2000 znajdują się w zakresie
tolerancji akceptowanej przez grupę WEPAL International Round Robin Tests, co ostatecznie potwierdza
dokładność pomiarów aparatu.
www.thermoscientific.com
www.spectro-lab.pl
+48 22 67 525 67
[email protected]
Firma Spectro-Lab sp.z o.o. z siedzibą w Łomiankach pod Warszawą jest oficjalnym przedstawicielem Thermo Scientific w Polsce. Oferujemy
aparaturę oraz elementy wyposażenia laboratorium, między innymi spektrometry, aparaturę do analizy termicznej, analizatory do badań
powierzchni, systemy mikrofalowe, termostaty, łaźnie cyrkulacyjne, polarymetry i refraktometry, piece, inkubatory, suszarki, łaźnie
laboratoryjne, generatory H2O2, sterylizatory, systemy do dezynfekcji pomieszczeń, autoklawy, maszyny wytrzymałościowe, zrywarki,
pełzarki, komory klimatyczne i wiele innych.