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
A.3种酸前处理样品对钾含量的影响；B.流动分析仪进样中不同酸处理对钾含量影响；ns.差异不显著。
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
样品钾含量/（mg/L）RSD/%1 2 3 4 5 6 7 8 9 10苹果叶片 29.33 28.56 29.36 29.31 28.98 29.13 29.22 29.14 29.52 28.79 0.99苹果叶片 50.32 50.16 50.42 49.86 50.86 50.21 50.23 50.19 49.79 51.00 0.76番茄叶片 25.11 25.08 25.05 25.13 25.17 25.07 25.1 25.13 25.12 25.13 0.14黄瓜叶片 50.02 50.05 49.95 50.04 49.96 50.06 50.07 49.97 49.97 50.12 0.11
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。
[1] TRIPLER C E,KAUSHAL S S,LIKENS G E,et al.Patterns in potassium dynamics in forest ecosystems[J].Ecology Letters,2006,9(4):451-466.
[2]MARKOVA I V,BATOV A Y,MOSHKOV A V.Calcium-transport－ing systems in the plasmalemma of maize coleoptiles[J].Russian Journal Plant Physiology,1995,42(2):231-233.
[3] TESTER M,BLATT M R.Direct measurement of K+channels in thylakoid membranes by incorporation of vesicles into planar lipid bilayers[J].Plant Physiology,1989,91(1):249-252.
[4]VAN BEUSICHEM M L,KIRKBY E A,BAAS R.Influence of nitrate and ammonium nutrition on the uptake,assimilation,and distribution of nutrients in Ricinus communis[J].Plant Physiology,1988,86(3):914-921.
[5] ASSMANN S M.Signal transduction in guard cells[J].Annual Review of Cell Biology,1993,9(1):345-375.
[6] 李晓艳,孙立,吴良欢.不同吸硅型植物各器官硅素及氮、磷、钾素分布特征[J].土壤通报,2014,45(1):193-198.LI Xiaoyan,SUN Li,WU Lianghuan.The distribution of silicon,nitrogen,phosphorus and potassium in the organs of different siliconabsorbing plants[J].Chinese Journal of Soil Science,2014,45(1):193-198.
[7] 郭楠楠,段秋虹.微波消解-浓度直读法快速测定马兰中的4种阳离子[J].食品工业,2020,41(2):292-295.GUO Nannan,DUAN Qiuhong.Rapid determination of four cations in Malan by microwave digestion-direct reading concentration method[J].The Food Industry,2020,41(2):292-295.
[8] 刘智强,赵正雄.烤烟全钾含量测定方法研究[J].中国农学通报,2020,36(15):147-151.LIU Zhiqiang,ZHAO Zhengxiong.Study on determination method of total potassium in flue-cured tobacco[J].Chinese Agricultural Science Bulletin,2020,36(15):147-151.
[9] 束家有,李彤,黄平,等.冠醚络合萃取光度法测定钾的研究[J].化学试剂,1994,16(5):266-268.SHU Jiayou,LI Tong,HUANG Ping,et al.Extraction photometric determination of potassium with DSU18-C-6 and dipicrylamine[J].Chemical Reagents,1994,16(5):266-268.
[10]王艺舟,曲国峰,李敏,等.六种常见中药材钾、硫、铬、锰、钒、锆元素含量的研究[J].核技术,2019,42(6):51-59.WANG Yizhou,QU Guofeng,LI Min,et al.Potassium,sulfur,chromium,manganese,vanadium and zircon content in six species of Chinese traditional medicines[J].Nuclear Techniques,2019,42(6):51-59.
[11]苏超,蒋衍钜.火焰光度计法测试卷烟纸中钾(钠)含量[J].中华纸业,2019,40(12):36-39.SU Chao,JIANG Yanju.Determination of the kalium and sodium contents in cigarette paper through flame photometry[J].China Pulp&Paper Industry,2019,40(12):36-39.
[12]任嘉欣,杨文娜,李忠意,等.基体效应对火焰光度计测定土壤和植株钾素含量准确性的影响[J].浙江农业学报,2019,31(6):955-962.REN Jiaxin,YANG Wenna,LI Zhongyi,et al.Influence of matrix effect on determination accuracy of potassium content in soil and plant samples by flame photometer[J].Acta Agriculturae Zhejiangensis,2019,31(6):955-962.
[13]李付国,周丽群,陈清,等.Cardy meter速测仪快速测定土壤和植株NO3-和K+含量的研究[J].北方园艺,2013(12):169-171.LI Fuguo,ZHOU Liqun,CHEN Qing,et al.Study on quick test of NO3-and K+content in soil and plant tissue made by cardy meter[J].Northern Horticulture,2013(12):169-171.
[14]王敬,王火焰,周健民,等.不同仪器测钾性能及优缺点比较研究[J].土壤学报,2013,50(2):340-348.WANG Jing,WANG Huoyan,ZHOU Jianmin,et al.Comparison between different instruments in potassium determination performance[J].Acta Pedologica Sinica,2013,50(2):340-348.
[15]谢玉俊,李燕猛,魏建强.振荡浸提电感耦合等离子体发射光谱法同时测定土壤中速效钾及交换性钙、镁[J].中国土壤与肥料,2020(3):224-227.XIE Yujun,LI Yanmeng,WEI Jianqiang.Simultaneous determination of soil available potassium and exchangeable calcium and magnesium by inductively coupled plasma emission spectrometry with oscillating extraction[J].Soil and Fertilizer Sciences in China,2020(3):224-227.
[16]李立平,张佳宝,邢维芹,等.土壤养分分析的现代化[J].土壤,2004,36(3):243-250.LI Liping,ZHANG Jiabao,XING Weiqin,et al.Modernization of soil nutrient analysis[J].Soils,2004,36(3):243-250.
[17]何光泽.火焰光度计测钾过程中酸度影响的探讨[J].土壤通报,1991,22(3):141-143.HE Guangze.Discussion on the effect of acidity on the determination of potassium by flame photometer[J].Chinese Journal of Soil Science,1991,22(3):141-143.
[18]许永,李超,杨乾栩,等.连续流动法测定烟草中总糖、还原糖、氯、钾含量的不确定度评定[J].食品与机械,2017,33(12):61-64,75.XU Yong,LI Chao,YANG Qianxu,et al.Uncertainty evaluation of the determination of total sugar,reducing sugar,chlorine,potassium in tobacco[J].Food&Machinery,2017,33(12):61-64,75.
[19]胡丰.火焰分析法测定碱金属和碱土金属及其新进展(一)[J].盐湖科技资料,1977(Z1):97-116.HU Feng.Determination of alkali metals and alkaline earth metals by flame analysis and its new progress(1)[J].Salt Lake Science and technoly，1977(Z1):97-116.