碳氮元素分析仪测试土壤与植物样品的流程优化

陈雅涵，谢宗强*，薛丽萍

 （植被与环境变化国家重点实验室，中国科学院植物研究所，北京100093）

 摘要：对vario MACRO cube元素分析仪测试土壤与植物样品碳氮质量分数的各环节进行效率分析，找出测试瓶颈，改进测试流程，提高了碳氮元素分析仪的分析效率，同时降低了单位测试成本。通过调整反应管填充量，规划反应管更换时间，充分利用仪器的自动进样、自动测试功能，将测样效率从每天50~ 60样提高至120～150样。测试流程的优化对大型科研仪器的有效利用具有积极意义。

 关键词：元素分析；碳氮循环；效率分析；成本控制

 中图分类号：06 - 33 文章编号：0253 - 4320( 2016) 04 - 0185 - 03

 DOI:10. 16606/j. cnki. issn 0253 - 4320. 2016. 04. 047

 元素分析仪作为一种实验室常规仪器可同时对样品中的碳、氢、氮、氧、硫等元素进行定量分析测定，在基础科学研究及农业、食品业、矿业、煤炭、石油化工等行业均有广泛应用。根据需要定量测试的元素种类，元素分析仪包括多种分析模式，其中碳氮分析模式在环境科学、生态学研究中应用尤为广泛。作为植物生长必需的碳和氮在植物体内和大气、水、土壤等环境中大量存在，构成重要的生物地球化学循环。近年来，随着对环境问题的日益关注，温室气体排放与吸收，氮沉降等与全球碳氮循环相关问题也成为研究热点，从而导致碳氮元素分析仪的大量使用。

 在宏观尺度进行的环境科学、生态学研究需要采集大量的土壤与植物样品，元素分析仪的测试压力较大。笔者以德国Elementar公司vario MACROcube元素分析仪的碳氮分析模式为例，对元素分析仪的各个操作步骤进行统计分析，比较各个步骤的工作效率，找出测试瓶颈，并进行流程优化设计，从而提高测试效率，同时降低单位测试成本。

1  元素分析仪分析原理与操作步骤

1.1  分析原理

 vario MACRO cube元素分析仪采用燃烧法对样品元素组成进行分析。碳氮分析模式下，样品在灰分管内通氧燃烧，生成的反应气体依次通过一级氧化管、二级氧化管进一步氧化得到二氧化碳、氮氧化物、二氧化硫、水等氧化产物，然后通过还原管将氮氧化物还原为氮气，吸收卤素、硫化物等杂质，通过干燥管吸收水分，最后得到氮气与二氧化碳。2种气体组分分离后，依次通过热导检测器检测生成量，从而得到样品中碳、氮元素的质量分数。氧化管的主要填充物（氧化剂）为氧化铜，还原管的主要填充物（还原剂）为钨粒，干燥管的填充物为五氧化二磷。

1.2基本操作步骤

 vario MACRO cube元素分析仪基本操作流程如图1所示。仪器开机前需称取一定质量的待测样品（植物样品30～50 mg，土壤样品100~ 200 mg），装填各反应管（氧化管、还原管与干燥管）填充物，或检查上次测试剩余填充物是否能满足此次测试。

 开机后仪器开始升温，在测试软件中输入样品名称（包括空白、标样、待测样品）、测试方法、样品质量，并在加样盘中按输入顺序依次放人标样与待测样品，仪器自动按顺序进行测试。样品自动分析结束后，待3个反应管（一级氧化管、二级氧化管、还原管）都降温至100℃以下，退出软件，关闭主机电源。

2  元素分析仪通用测试流程的效率分析

2.1数据来源

 元素分析仪测试流程分析的数据来自于2012年2月至2015年6月，3台vario MACRO cube元素分析仪积累的测试记录包括25万样次的植物与土壤样品测试，3万样次的空白、标样与条件化测试，以及仪器配件与耗材的使用、更换记录等。

2.2通用测试流程效率

 元素分析仪各操作流程中最核心的是测样步骤，其他步骤都是为测样步骤进行准备、调试等。不同样品的质地、碳氮质量分数不同，测试时间略有差异，但98.1%的样品都在6～9 min的范围内。各类样品（包括植物、土壤、空白、标样与条件化测试）的测试时间统计表明，空白的测试时间最短，平均为7. 15 min，植物样品测试时间长于土壤样品，两者分别为7. 60 min与7.37 min，标样与条件化测试平均为7. 70 min。所有类型测试样品汇总的平均测试时间为7. 50 min。

 单位样品的测样时间反映了仪器理论的最大产能，按平均测样时间7. 50 min来计算，实验员每天8h的工作时间理论上可测试64个样品，但由于测样前的准备工作、反应管失效后更换以及仪器状态调试等，实际每天测试样品数量仅为50~ 60个。

 各操作步骤的工作频度和单位操作耗费的时间如表1所示，其中样品称样时间远低于测样时间，因此称样的速度并不影响整体的测样效率；装填、更换各类反应管每次所占用的时间均在5 min以内，且可使用备用管提前进行装填，需要时仅更换即可，耗费时间对测样效率的影响可忽略不计。耗费时间最长的步骤是仪器升温与降温，其中降温长达4~5 h，是对测试效率影响最大的步骤。此外降温、升温分别在更换反应管前后进行，尽管更换反应管本身耗时极短，但由此需要进行的降温、升温步骤极大影响了测试效率。

3  元素分析仪测试流程优化

3.1优化的技术环节

 按照基本操作步骤，同时考虑实验员的每日工作时间，每天的测试样品数量仅为50~ 60个，不能满足测试高峰期的测样需求，需要提高仪器的测试效率。

 效率分析结果表明，降温、升温是影响仪器测试效率的瓶颈环节，而降温、升温与更换反应管有关，为提高仪器的测试效率，应尽量减少更换反应管的次数。据此对元素分析仪的测试流程进行了优化设计，以24 h为循环周期，使所有反应管的更换在每天同一时间进行，每天只需进行1次升温、降温，测试样品数量可达到每天120~150个。具体的测试流程如图2所示，矩形框表示仪器的工作步骤，圆角矩形框表示实验员进行的操作步骤：

 (1)早上8：00开机或设置仪器叫醒。

 (2)实验员更换所有需要更换的反应管，包括：①还原管。每天更换1次，因每天测试样品为120～150个，而还原管按说明书填充可测试200~300个样品，根据当天计划测试的样品数量，相应地按比例减少还原管中钨粒（还原剂）的填充量。②灰分管。每天早上清理1次。③一级氧化管和二级氧化管。根据记录的已经测试的样品数量，判断是否需要更换。④干燥管。根据颜色变化判断是否需要更换。

 (3)仪器升温完成后，依次进行空白测试和标样测试。实验员观察仪器运转一切正常后，在进样盘中加入前1d称量准备好的样品50个，开始进行样品测试。

 (4)在仪器测试样品的同时称量准备下1d的样品，填充备用的反应管。

 (5)下午4:00~ 5:00，50个样品测量完成。如果是50个土壤样品，燃烧产生的灰分较多，继续测试有可能堵塞通氧管，还需要进行1次清灰。此次清灰由有经验的实验员在仪器未降温的情况下完成。

 (6)根据仪器状态，继续在进样盘添加70～100个样品以及标样（其中土壤样品不超过50个，以免灰分较多堵塞通氧管）。设置仪器自动运行，测试完成后自动休眠，实验员下班后，仪器自动连续进行测试。

 (7)测试完成后，仪器自动休眠、降温，4~5 h后，温度降至100℃以下，继续开始下1个测试循环。

3.2流程优化的成效

 与通用测试流程相比，优化测试流程主要通过规划反应管更换和清理的时间，调整反应管填充量，延长测样时间等方式，提高了元素分析仪的测试效率，同时也降低了单位测试成本，各改进步骤的优化成效如表2所示。

4结语

 通过分析元素分析仪各操作步骤的工作效率，找出影响效率的瓶颈环节，对测试流程进行了优化设计，将元素分析仪测试效率从50~60样品/d提高至120~150样品/d，同时也降低了单位测试成本。

 以上流程分析均基于仪器运转与样品测试正常的情况下，实际测试中如遇到设备故障、碳／氮峰值拖尾等情况均会影响测试效率。为保证仪器的测试效率，应注重仪器维护保养，遵守操作规程，对样品预处理做好质量控制，了解样品碳／氮质量分数范围，采样合适的通氧方法等。

 在优化流程中的高温清灰环节也需要特别注意，由于测试过程中灰分管所在的一级氧化管温度高达960℃，操作过程具有一定的危险性，仅在必需时由有经验的实验员完成，一般情况下每天至多测试50个土壤样品，尽量避免进行高温清灰。元素分析仪能够在设计上加以改进，使成为瓶颈的清灰步骤能够自动化，或在不降温的情况下能够方便操作。

 部分实验室除需要对样品直接进行上机测试之外，还需要对样品进行前期处理，如土壤需要进行风干、过筛、挑除植物残体、研磨，植物需要进行粉碎、研磨等，各个前处理步骤都有不同的处理速度。同样地，应用效率分析的基本思想，可有效安排实验人手。其他有大量样品测试需求的大型仪器，也可进行测试效率分析，提高样品的测试效率，使仪器得到有效利用。