盘点氮的测定技术一个长盛不衰的分析技术

  我们既然熟知定氮分析，怎么又有那么多可以纠结的事情？如：这个结果可信吗？这个仪器好吗？这个标准怎么这样的？……

  n现代的杜氏定氮仪，3-5分钟完成一个样品的分析，结果精度比凯氏定氮高一个数量级

  这是大自然活动的基本循环，周而复始，生生不息，一图尽述，搞定氮者不可不知。

  年，他与其老师做了一个实验：在一个密封容器中放进老鼠和蜡烛，一段时间后蜡烛熄灭，老鼠死亡（我们现在都很清楚是怎回事），但容器还有很多气体残留，他用石灰水吸收了已知的一种燃烧后的气体（我们现在都知道是二氧化碳）后还有很多气体。本来这个结果是与“燃素论”很不相符的结果，可他们那时就没有正确认知，一起受“燃素论”错误引导，认定是“燃烧剩余的废气或者有害毒气”。

  卢瑟福重新认定，原来以为的“废气”是空气中一种可以分离的成分，而不是燃烧后的废气。但是，他那时候还不知道是什么气体，只能对其性质做个描述：不能维持动物的生命，既不能被石灰水吸收，又不能被碱吸收，还不支持燃烧，并把这种物质定义为“浊气”。250年前就有这么深奥的研究，我们确实应该纪念，卢瑟福是第一个确定氮这种物质的先辈。

  ，历史上最伟大化学家之一）首先给“浊气”定义为一种“无活性气体”的元素“

  拉瓦锡除了给元素命名，更重要的是提出“质量守恒定律”而开创了定量化学。这里我们特别要提他，还在于他提出的“燃烧氧化学说”。这个学说可是现代化学研究的基础方法，我们第一个定氮技术就是燃烧氧化学说引发而来的。1777年拉瓦锡发现了Oxygen（氧，酸素），继而发现“水”不是元素，是氧元素和另一种“成水素”Hydrogen（氢）所构成，因此有了“通过氧气燃烧的方法形成氧化物，然后再分析氧化物”这样的化学研究方法，并且发现了物质是元素的不同组合转化，其总质量是不变的。他也因而想到：植物是以空气和水为生，动物是以植物或素食动物为生，而每一种生物最后仍把吸收的东西归还尘土。发酵，腐败，以及燃烧，是一切东西归还尘土的过程。生命是循环不已而前进的。

  ，历史上最伟大化学家之一）沿着拉瓦锡（见上）的推断，优化了燃烧实验设备，形成了燃烧法分析的基本设备，研究有机物的燃烧产物。那时侯，大家认为这类物质是，而组成比例的不同，物质的性质就不同。拉瓦锡是第一个开展有机物研究的科学家，他用测量燃烧产生的气体的体积，然后通过冷却的水分和吸收了二氧化碳后体积的减少等办法，测定出有机物含有碳氢的比例，并测算出有机物的组成。

  1831年，李比希根据产生的二氧化碳和水的量能够精确的确定碳和氢的含量，发明了用固体吸附剂吸收燃烧后的水分和二氧化碳，而用重量变化代替气体检测，李比希发明了5联瓶的燃烧装置成了研究有机物成分的基本设备。

  人们在应用李比希的燃烧法测定有机物的碳、氢、氧比例时，发现经常有些误差，尤其是存在一些意外的气体，人们因此开始发现有些有机物还含有氮。

  ）在李比希的燃烧装置中加入铜粉烧红以使氮氧化物还原成氮，然后在后面连接了一个集气量筒，量取集气量筒中收集的气体就知道有多少氮气产生，因此建立了世界上首个氮的测定方法——）。杜马斯定氮法的基础原理，到今天都没有变化，只是设备化并应用了各种新的处理技术、检测技术来实现，并且发展成为五大有机元素

  发明这个定氮方法的时候，人们还没有认识蛋白质。这样一个时间段，人们仅认识几种含氮的有机酸——氨基酸，但已经知道自然界的生物样品中含有氮。经过系列研究，人们发现碳氢比、碳氧比、乃至碳氮比对某些具体的物质其比例基本一定，并与某些物质有很好的相关性，这些发现大大地加快了人们研究生物物质的进度。化学界在之后的近百年间，几乎都是围绕着氮这个元素发展的，人们发现了蛋白质，发现了生命的基本物质，进而发现了生命的遗传物质，进而开始了维持生命生活的营养，定氮技术也就成为了研究生命活动的重要手段。

  ）等就从动植物材料中发现了一类独特的生物分子，用酸处理能够使其凝结或絮凝，但还不知道是什么东西。

  年法国H.布拉孔诺(H.Braconnot)发现甘氨酸和亮氨酸，这是最初被鉴定为蛋白质成分的氨基酸，以后又陆续发现了其他的氨基酸。

  蛋白质的组成中大约为：碳50%，氢7%，氧23%，氮16%，硫0~3%，其他元素很少，这个比例对于所有蛋白质都基本一致，且都含有NH2这个基团。伟大的化学家李比希是首先认定这类天然物质是由碳氢氧元素组成的，但他当初并不认为那是一类化合物。1814年伟大的化学家贝采利乌斯命名“有机物”时的定义也只是一类来自于生物体的“有生机的物质”，并不认为是自然界的一大类物质。

  首先破除的，他是首先提出“基团论”，并形成“结构化学”学科和有机化学学科奠基人。他发现“有机物”并非李比希等所认为的“物质都是矿物质为基本组成而具有相关元素相关的性质”，而是另外的一类物质，多个元素组成“基团”，而产生完全不同于元素所具有的性质这个“有机物的真谛”，那是有机化学，乃至生物化学的重大发现，他的“反动发现”（他作为一个年轻人挑战李比希等权威专家）和研究，后来都证明是对的。他于

  ）——一个有活性的基团。所以我们说李比希是有机化学之父，而杜马斯是有机化学的奠基人，甚至是“有机化学学科的创始人”——

  有一类有机物不仅含有碳、氢、氧，还含有氮，而且是所有生物都具有的活性物质”这样的结果，在化学界、科学界乃至人类史上具有非常非常重要的意义。因此，荷兰科学家格利特有生命的东西离开了蛋白质就不能生存，蛋白质是生物体内一种极重要的高分子有机物，占人体干重的。后来的研究才发现蛋白质主要由氨基酸组成，因氨基酸的组合排列不同而组成很多类型的蛋白质，光人体内估计就有。这个结果也引发了李比希、杜马斯等有机化学科学家为首的大批人对蛋白质含量分析的研究。

  杜马斯定氮法（Dumas Nitrogen Method）无疑是最重要的分析手段，但当时燃烧法是极其麻烦和耗时且很难做好的方法。1841年之后的很多年，杜马斯等都在开发化学的方法，他是首先提出把有机物中的氮转变成氨来测定的，但他和其他多个同行试验了很多年，未能找到比较合适的方法，他们的实验思路绝大多数都是用碱法处理样品，把燃烧后的氧化氮用碱还原成为氨，这是一条非常麻烦的思路，方法上就没有对路。杜马斯等的化学定氮方法探索，包括“Nessler试剂法”、“Biuret法”、“Berthelot法”等蛋白质测定方法的开发，更有后来对非蛋白质氮的研究并产生出“氮转换因子”NCF（Nitrogen Conversion Factor）等，都可能是凯道尔提出“酸消化方法”的前期基础。

  ），著名的瑞典生理生化学家，数十年研究酶和蛋白质的作用，尤其是系统的研究了蛋白质的组成，非蛋白氮和总氮的关系，基本形成了通过蛋白质中氮含量的相对来说比较稳定比例，提出了用定氮方法，用O. Hammarsten,“Zur Frage ob das Casein ein einheitlicher Stoff sei”span style=font-family:times new roman,serif>

  span style=font-family:times new roman,serif，这给同年凯道尔报告他的定氮方法在啤酒发酵上的蛋白质定量分析，提供了计算依据。把

  ）在丹麦化学学会年度会议上，邀请其引以为荣的嘉士伯基金会实验室化学部主任，约翰）博士介绍其在嘉士伯啤酒厂搞的科研成果，利用“酸消化后蒸馏滴定”检测啤酒酿造过程中跟踪发芽期间谷物中蛋白质的变化的技术方法。

  Neue methode zur Bestimmung des Stickstoffs in organischen Körpern首创用于解决啤酒变酸问题的办法），以及他为法国葡萄酒行业所做的贡献，法国人也大量发表了“嘉士伯论文”的摘要。在New method for the determination of nitrogen

  布莱思（Blyth）曾简要提到过该方法，但给出的凯氏定氮法名称错误地称为Vijeldahl[Blyth AW.A method of determining organic nitrogen in liquids.Analyst. 1884;9(7):115–116]，凯道尔实则在1885年首次在《分析家》[Analyst Ed.On Kjeldahl method for determination of nitrogen.Analyst. 1885;10(6):127–128]和《分析学报》给出了该方法的细节。在极短的时间内，凯氏定氮法在欧洲和美国众多新闻出版物上转载了这一主题。在如此惊人短暂的时间内，没有一种分析方法像这种评价氮的“凯氏定氮法”那样被广泛选用。“凯氏定氮法”造就了凯道尔，一个化学家的名字能够流芳千古并且其方法能够用其名字来冠名已经少见，而可成为一个动词使用，如“这个样品凯氏一下”、“这个结果是凯氏来的”这样的表述，后来更是成为一门“学科”，凯道尔时代是绝无仅有的。

  ”，他从纯粹化学处理的方面出发，采用加热浓硫酸消煮样品直至样品澄清，此时样品中的蛋白质被消煮为留在硫酸中的硫酸铵，而碳被消煮为二氧化碳、氢和氧被消煮为水，后两者都变成气体跑掉，可能含有的硫、磷等其他元素不是变成可溶物就是气化掉，然后硫酸铵就被“凯氏定氮装置”加上苛性钠变为碱性环境，硫酸铵就变成氨（气），非常容易就被加热用的蒸汽“蒸馏”带出来，氨和水蒸汽形成氨水是碱性，用一个定量的酸（硫酸溶液）就可以收集，再检测酸溶液残余的浓度（用准确的碱来滴定），就可以计算出含氮量。

  NCF=6.25折算就能够得到蛋白质含量），自己在实验室就能够实现。世界顿时沸腾。

  因为凯道尔的方法还很原始，工作效率很低，最长的消化时间可能达到两周时间（消化“焦煤”样品），蒸馏滴定需要两种标准溶液的操作，和现代的方法先比较，还是费时繁琐，但原理清晰，方法可靠，随后数十年，科学界（不单单是化学界，物理学界、仪器界等都加入）把凯氏定氮法变成一门“学科”——

  ，并盛行至今不衰，“凯氏粗蛋白含量”也成为不二的参比方法结果。随着现代仪器科技的发展，古老的凯氏定氮法“脱胎换骨”成为当今近乎“傻瓜式”的定氮方法，一般样品基本一个多小时（批量样品分钟左右）就能够得到确切的结果，越来越受青睐。定氮技术毫无疑问，是人类化学史乃至生物科学史最伟大的技术方法。

  分析方法算是专业技术，和我们这样的科普性内容有点相悖，因此这里尽量不讲述得太专业和太细致。若需要进一步探索，我这里欢迎各位随时随地的联系我，或者中国格哈特仪器公司，这是一家拥有

  年本地服务经验，格哈特见证了凯氏定氮技术发展的全过程，参与了凯氏定氮技术发展的全过程，同时拥有最顶级凯氏定氮分析仪器和杜氏定氮分析仪器，相信能解决目前社会上遇到的所有相关定氮的问题。如果大家对技术概要都没有兴趣了解，这一段内容其实是可以不费精神的。

  小时加热消化，可以全自动完成；蒸馏分析采用硼酸做吸收液，仅需一种标准溶液，

  凯氏定氮，也早已变成万用的定氮方法，不仅是测定蛋白质，所有需要定氮分析的样品，全都可以按凯氏定氮的法定标准方法。如果任何其它直接或者间接的定氮分析方法有任何争议，最终以“直接法测定”的凯氏定氮为仲裁。近140年的凯氏定氮发展，NCF（氮的转换因子）也变成了“凯氏因子”，在精细测定蛋白质含量是还可以有多种和凯氏定氮相对应的NCF（需要明示），获得更精准的蛋白质评价。所有的分析过程产生的废气废物都可以有合理简单的处理防范措施，仪器设施技术越来越精准、可靠，最精准的仪器技术已可以很精确的测定精准到0.05mgN的水平（一般要求达到0.1mgN以下）。仪器维护技术和服务方案更能做到“给您一个无忧无虑实验家园”的水平，服务的品质能做到7x24小时在线、视频指导、微信服务等及时到位的本地服务质量……

  多年已经定型无疑的原理和技术方案。所以如果有谁告诉你他的定氮仪技术多先进，能够做得更好，那一定是不懂凯氏定氮的技术。凯氏定氮方法，不管是最简单的纯手动纯手工搭建的定氮装置，抑或是最高级的最专业的系统，所得到的结果必须都是一样准确，一样稳定，一样的好，那才叫合格的做凯氏定氮，这一点我希望可以获得大家的共鸣。

  当然，一分钱可能就有一分价值，可一定不是在结果的准确性和精确性上（那不可能差异太大），最多就是稍微稳定、重现性好点，例如能够控制到

  的检测精度（凯氏法综合测定已经不可能低于这样的检测限，除非是直接测定标准品并且是不做消化过程的。这个只要懂得凯氏定氮的方法原理，就必须懂得这一个道理！），检测误差或者重现性低到相对误差（这个也是直接标准品测试的结果），正常化学分析的有机样品是基本不能够确保低于这样的误差的，因为那是全过程的操作基本误差，化学分析技术告诉我们，不高于的误差（普通含量的样品）那是合理的操作误差，凯氏定氮因为有人工操作的部分，非常专业的水平和非常专注的操作，才能控制在低至的水平就可以。如果确实需要更高的检测误差，那就应该采用检测精度高一个数量级以上，大部分都是仪器自己完成的杜马斯燃烧法定氮，而不要对凯氏定氮做这种无知的要求。

  那现在的凯氏定氮，有什么技术上的差别？严格来说就两个方面：一是持续稳定性，二是操控便利性，当然可以有一些细微的技术应用，但对价值不会有太大影响。这一个方面要论述可能太长篇，也不适宜，这里只是给大家伙儿一起来分享一点常识性知识。

  是现代仪器品质、档次的基本表现，实际上的意思就是仪器硬件综合性能的表现。调试好的仪器，都必须是精准的，但能够持续稳定较长久的保持精准，那就是技术、品质的保障，这样一些方面千万小心明辨，有一点能清楚的是凯氏定氮的仪器接触的是高温、高腐蚀性、“高压”的环境，处理强酸强碱高盐试剂，要说明技术上的支持？要说明品质要求？这样一些方面不难鉴别，其它就不容易说清楚了。

  l使用便利性，这个包括容易维护保养性，操作简便性，应用灵活性，适应性等方面，也好辨别也不好说清。

  现代的杜氏定氮仪，3-5分钟完成一个样品的分析，结果精度比凯氏定氮高一个数量级：

  现代的杜氏定氮法：已不再是元素分析仪的简化版，专业的杜马斯燃烧法定氮仪已经面世10多年。

  专业的杜氏定氮仪，基本实现“傻瓜式”——我们用过傻瓜式照相机吧，傻瓜式就是那么傻，全自动分析，数小时乃至全天可以无人看管自动分析，操作人员的任务就是准备样品和称样。当然，其结果是标准“参比级”的，也算是直接法测定。

  专业的杜氏定氮仪，其分析成本已经与凯氏定氮相当。当然，要说杜氏定氮仪，其分析成本比凯氏定氮还低，那多数都是不计成本的，有没有可以不计成本的成本核算，我们大家都明白。

  专业的燃烧法定氮仪，必定是是很节省的空气吹扫。因为空气中含有78%的氮，一点点空气的残留，必定给超精密的分析结果带来明显的误差。样品包裹除掉空气，周围的空气自然容易排除，这不是什么高深的法门；

  专业的杜马斯定氮仪，必定精准控制载气。载气都是钱买来的。载气可以是比较便宜的二氧化碳，或者氩气，当然牺牲的必定是分析精度。因为现代仪器都是使用TCD（热导检测器），这种超级灵敏到可以分辨0.001mgN的灵敏度，却因为没有办法有效的分辨热导性质差不多的氮气、二氧化碳或者氩气，而丢失了灵敏度的优势，值得吗？专业的载气必定是氦气，因为那是可用载气中热导值最高的气体，与氮及其它系统中的气体都有2个数量级的差别，系统中有一点气体异常，非常容易就会被发现，这才是“灵敏”的意义。有一个很有趣的问题，有台仪器，你的条件很多变化，仪器依然故我，好像稳定的很，另一台仪器，你的条件稍微变化一下，他就立即变化，很不稳定，我们选哪台？很惭愧，格哈特的仪器都是后者；

  。燃烧法定氮，自然要求完全的燃烧样品，氧气不充分肯定有问题，可氧气多了一点点，不单单是浪费的，更恐怖的是它直接“燃烧”了用于还原氧化了的氮所必需的还原剂，那可是双倍甚至多倍的耗钱呀！。我们要燃烧尽可能少的样品，因为检测器那么精准灵敏，多烧样品只是耗氧气和时间，还会降低检测器的响应线性。因为“技术”决定了检测器必定有一些线性范围的限制，搞化学分析或者物理化学的都知道，不在线性区间做检测，可靠性是基本无法保障的，不管多么高超的硬件处理技术；如果燃烧了一大堆样品，然后只取一点点来分析，那是几十年前的思维。现在的称量技术，万分之一级的天平（杜氏定氮一般只需万分之一级）已经是在实验室随便摆放的基础设备，不是几十年前需要专门的天平室来配套的技术。钱多就多烧点，再用精度要求很高的分气系统来定量均质的分取燃烧后的一大堆气体，也无所谓。否则，一定是用尽可能少的样品去燃烧，自然消化的氧气就少点，燃烧也容易完全点。专业的杜氏定氮仪，为了确认和保证不多用氧气而又能保证燃烧完全，

  高效容量还原剂（减少相关成本的另外一个技术关键点，太专业，这里就不多说）还原为稳定的氮气（TCD要检测的就是它！），那已经是一种惰性气体，检测就是。可燃烧还产生二氧化碳和水分，检测器可分不出来，却会灵敏的响应，那自然就是给你一个虚假的结果。所以必须先行除去，这就是燃烧法定氮的技术核心。用什么技术除去水分，不仅决定了仪器的分析速度、分析可靠性，还有分析成本。若能够采用基本不消耗却能高效除水的技术，必定是首选。当然并非是一种两种办法就能解决好，通常都是多种除水方法连用才行，现在高效宽范围的除水效果通常都是三级除水。好的技术方案，通常是用冷阱除去大部分能够被冷凝的水分（冷阱除了用一点电给风扇基本没其它成本），接下来使用膜除水技术除去无法冷凝的微量水分，这个通常就用点便宜的氮气或者干燥的空气，同样没有其它成本。若不是用这两种办法，基本都会有额外的成本产生。最后的三级除水一般只是起保险作用，仅在前面两级未能彻底发挥性能的情况下做最后的保护（谁又能保证不出意外！），这通常就是化学吸水剂，如果它用上了，就有成本产生。好的除水技术方案，也显而易见，仪器是否适用固体和液体样品，大概就清楚了。除水后的干燥气体（包含氮气和二氧化碳），杜马斯法必定采用吸附/脱附这种物理方法来脱二氧化碳，一种很奇妙高效的材料（实际上的意思就是分子筛！）能够完全的把流过的二氧化碳给吸附住，然后移出气路稍微加点热就完完全全的分离出来排掉，绝对没有残留的问题（不像气相色谱柱——常用的气体层析分析设备，吸附的能力会随时在变化的！），当然能够逐个样品的吸附和脱附，必然比吸附一堆后一起脱附的系统更加没有可疑之处（现在分析方法不是要考虑不确定度吗？），当然要考虑的技术复杂性不是一个级别。

  ！），经过燃烧变成气体，被载气携带一路进行还原、除水、脱二氧化碳，这时就只剩纯净的氮气要经过最后“测定”了。这个任务交给了：简单的说就是一条或者一组烧红的电热电阻丝，其温度高低电阻值就会变化而响应出来。这时载气和氮气经过，不就是“风”吹过吗？电阻丝必然有感觉！）。，肯定要调整好稳定的通气量，否则一会“风”大一会“风”小，怎会是检测到气体的差别？，都是要用两个气路来获得参比平衡，其中一路有了氮气经过才能感觉差异而监测到，这当然通气量（用氦气做载气消耗量都是钱的差别，而且不是一般的差别）会比较大，因为要双路平衡，长时间的平衡也耗钱。现代最先进的是单气路，数码响应快速敏捷，不需要气体平衡过程，响应的灵敏度还能更高一些（材料基本一样，只是电子技术先进了这种区别。形象的比喻，就是不同级别的电脑芯片技术！），载气消耗量自然明显低了好多，这都是无可置疑的硬件技术，无需多辨。

  控制软件上，这个内容就不好比较，说不清楚了。这样一个世界上，因为2005年首次有了格哈特公司的杜马森专业杜氏定氮仪，引发了一系列的技术变革（所谓变革，实际上的意思就是原来老贵的仪器一下就便宜了很多，因为原来做元素分析不在乎价格，没有它不行，而定氮有简单便宜的凯氏定氮仪）和技术改良和应用。这些年，很多专业定氮的杜氏定氮仪有点如雨后春笋般的涌现。也许以上的一些要素，可以供需求者一些选择参考。

  三聚氰胺的问题应该早就有说法了。就是如三聚氰胺测定的前处理，先做三聚氰胺分离，把分离残渣做定氮。也就是样品先除掉非蛋白氮，在做定氮，这是做凯氏定氮者都必须知道的道理呀。