凯氏定氮法的优化--不同滴定技术对凯氏定氮法的影响

摘要

影响凯氏定氮仪的性能的几个因素，即凯氏定氮仪自动蒸馏并滴定样品以确定蛋白质的性能。OPSIS凯氏定氮仪旨在通过颜色滴定，独特的滴定算法（预测性滴定）和多种设计选择来实现此分析的最高性能，残留效应和气泡的产生影响最小化。

本文档将描述这些选项以及它们如何影响分析的最终结果。注意，凯氏定氮法在本文件中未作解释。有关消化炉的更多信息，请参见《针对OPSIS凯氏定氮仪应用指南》

1-凯氏定氮法

凯氏定氮法是测定不同样品中蛋白质的参考标准，通常称为TKN分析(Total Kjeldahl Nitrogen)。凯氏定氮法规定消化，蒸馏和滴定样品三步骤。

最初，一个世纪以前，滴定是用滴定管手工完成的。这很耗时，出错的风险很高，而且需要良好的分析技巧。因此，在20世纪80年代发展了一些仪器来简化和自动化滴定。凯氏定氮分析仪现在可以自动进行蒸馏和滴定。

2-凯氏定氮仪功能

凯氏定氮法描述了将水和碱分配到样品管中，然后开始蒸馏。通常用蒸汽发生器产生的蒸汽进行蒸馏。释放出的氨气收集在接收器溶液（通常为1％的硼酸）中，然后进行滴定。根据终点，仪器可以计算出结果。化学过程可以通过以下化学反应来描述：

加入氢氧化钠使样品管中的溶液呈碱性，然后将硫酸铵转化为氨气：

（NH₄）₂SO₄ + 2NaOH-> 2NH₃ + 2H₂O + Na₂SO₄

形成的氨气从溶液中释放出来，从消化管中移出，进入含有过量硼酸的接收容器(接收溶液)。接收瓶中溶液的低pH值将氨气转化为铵离子，同时将硼酸转化为硼酸离子:

NH₃ + H₃BO₃（硼酸）- > NH₄ + + H₂BO ₃ -(硼酸离子)

凯氏定氮和滴定法：

用蒸汽发生器产生的蒸汽蒸馏样品，冷却氨气并收集在接收容器中。

通过滴定由标准硫酸或盐酸制成的硼酸铵，并使用合适的指示剂确定反应的终点，来估算氮含量：

H₂BO₃ - + Н+ -> H₃BO₃

对于执行凯氏定氮分析的所有仪器，此分步过程均相同结果的精度将取决于分析化学家在处理和移动样品时，称量程序，滴定剂的制备，分析变化以及最终仪器引入的变化。

3-滴定技术

能够自动滴定的仪器通常使用pH电极直接测量pH值，或使用颜色传感器来检测指示溶液的变化。 两种方法都有一定的优点和缺点。

pH电极滴定：

只要正确校准，pH电极就可以准确检测溶液中的pH值。该技术基于电流差异，因此需要定期校准。如果没有根据已知解决方案进行重复校准，就不可能知道测量结果是正确的。

pH电极也可能很慢，无法识别pH值的变化。因此，更适合在开始用电极测量pH值之前完成凯氏蒸馏，即分开蒸馏和滴定。pH电极的使用寿命有限，通常为几年。

颜色滴定法

颜色滴定还可以准确检测溶液中的特定pH值。

颜色滴定基于指示剂溶液中的颜色变化，因此取决于指示剂的选择。由于颜色变化与NH₃滴定的理论pH值匹配，因此经常使用溴甲酚绿和甲基红。颜色滴定不需要任何校准，因为指示剂将始终在相同的pH值下改变颜色。

连续滴定与颜色法滴定效果很好。

总结：

pH电极和颜色滴定都得到相似的可接受的结果。

OPSIS凯氏定氮仪采用颜色滴定法。

4-蒸馏滴定速度

分开蒸馏和滴定

许多实验室仍然使用两个单独的仪器，即蒸馏装置和滴定仪进行凯氏定氮分析。这意味着处理错误和结果差异风险较大。它也相对较慢，因为在滴定开始之前需要完成蒸馏。

分开蒸馏和滴定的凯氏分析仪将消除操作错误，但这仍然是一种缓慢的仪器。

连续滴定

连续滴定具有明显的固定性，如果设计正确，将获得与分离蒸馏和滴定时相似的结果。

主要挑战在于，当馏出物到达时如何快速响应，而当最终的氨气较少时仍要避免过度滴定。 一种常用的方法是测量是否已达到终点，否则，请添加更多的滴定剂直至可以检测到变化。 但是，当今的数字传感器倾向开发更精确的滴定算法。

典型的氮气/氨蒸馏； 在前半分钟没有氨气，氨迅速增加，随后缓慢减少。

总结

连续滴定速度快，可达到与分离蒸馏滴定相同的效果。

OPSIS凯氏定氮仪使用先进的颜色传感器，配备了新的，专门开发的算法来优化连续滴定。OPSIS液相线预测滴定算法允许凯氏定氮仪在任何时候准确地将实际颜色与终点进行比较。因此滴定剂的加入是非常准确的，而显著快于蒸馏和滴定分离。

5-滴定仪分辨率

操作装置

除了对滴定剂摩尔浓度的良好控制之外，具有高分辨率的定量给料装置也很重要。滴定管通常用作凯氏定氮仪的定量装置。每个加料步骤的分辨率都会影响最终结果的精度。

OPSIS凯氏定氮仪使用1.95 ul/步的小剂量步骤，可实现高精度。

仪器引入的错误

还有其他可能影响滴定和结果的错误。

气泡

凯氏定氮仪的一个常见问题是管内产生的气泡。当一段时间不移动液体时，通常是整夜不使用仪器时，会出现气泡。 如果滴定管中注入了气泡，将导致错误的结果。OPSIS凯氏定氮仪旨在通过优化滴定罐和滴定管等组件的位置来最大程度地减少气泡的产生。聚四氟乙烯（Teflon）管也用于进一步减小投加气泡的风险。

残留效应

残留效应可能也是一个问题，即先前的分析会影响后续的结果。要避免这种情况，最重要的是要有一个设计合理的喷头，该喷头可确保只有气体且碱液中没有样品被传送到冷凝器和接收瓶。在分析时候，必须用仪器彻底清洗喷头。

OPSIS凯氏定氮仪配有玻璃飞溅头，可将残留效应降至最低。

使用(NH₄)₂Fe(SO₄)₂在20种不同的凯氏定氮仪上进行回收率测试的摘要，平均值和最大值/最小值（n = 10）。这些仪器的相对标准偏差平均为0.36％

6-结论

应该分析参考样品以验证凯氏定氮仪的性能。最常见的是分析具有已知氮含量的物质，例如硫酸亚铁铵- (NH₄)₂Fe(SO₄)_2。

该分析应能完全恢复，没有残留影响，并且标准偏差（rsd）低。OPSIS凯氏定氮仪的相对标准偏差（rsd）小于0.75％。

软件中提供了一个测试性能恢复的特定程序，称为性能跟踪，该程序可用于所有仪器的生产控制中。良好的设计导致仪器的检测点非常低，样品的定量限也很低。这是由于空白的变化很小，因此在分析低含量的氮时噪声有限。OPSIS凯氏定氮仪的最低定量限（LOQ）可以低至0.013 mgN

OPSIS 凯氏定氮仪

使用技术：颜色滴定

滴定法：可预测的滴定

设计：PTFE管，防喷溅保护头，1.95 ul / 步的高精度滴定管

检测范围：0.1-225 mgN

精度：<0.75％（标准偏差）

最低检测限（LOD）：0.004 mgN

最低定量限（LOQ）：0.013 mgN