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Nov 17, 2023

TKN、CHNS、手による尿素およびその誘導品中の窒素の比較推定

Rapporti scientifici Volume 12,

Scientific Reports volume 12、記事番号: 11704 (2022) この記事を引用

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この記事に対する著者の訂正は 2022 年 7 月 19 日に公開されました

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この論文では、尿素、ナノ尿素肥料、およびディーゼル排気液 (DEF) 溶液中の窒素割合 (N%) を推定するために、手持ち式屈折計と他の方法 (TKN および CHNS) との比較分析が行われました。 すべての方法/デバイスのパフォーマンスを比較するために、さまざまな濃度の尿素、ナノ尿素、および DEF での N% の検出を直線性の観点から評価しました。 この研究の最も重要な発見は、他のアプローチの中でも、屈折計ベースのデバイスが最大 40% 尿素溶液まで良好な線形係数 (R2 = 0.99918) を示したことであり、これは N% の推定値が理論値により近いことを意味します。 さらに、屈折計は尿素、ナノ尿素、および DEF サンプルを 3 秒以内に検出しました。これは、他のテストされた方法と比較して非常に高速であり、サンプルの準備と分析中に化学物質を必要としませんでした。 したがって、この研究の結果は、手持ち式尿素屈折計ベースのポータブルデバイスが、その低コスト、低電力要件、信頼性の高い推定により、肥料および DEF 製造業界とその顧客による現場での N% 測定に使用できることを示唆しています。迅速な N% 検出とその環境適合性。

尿素の使用は、従来の肥料としての使用に加えて、ディーゼル排気液 (DEF) やナノ尿素などの派生製品を開発するために増加しています1、2、3、4。 尿素とその派生製品の主な品質は、窒素の割合 (N%) によって決まります。 通常、窒素は品質の確保、使用目的の合理化、または同化効率の測定を目的として測定されます。

全ケルダール窒素 (TKN) 法は、有機および無機物質中にアンモニア (NH3) またはアンモニウム イオンの形で存在する N% の定量的な含有量を検出する最も一般的な方法の 1 つです5、6。 この技術では、硫酸銅、濃硫酸 (H2SO4)、および溶液の沸点を高めるための添加物による尿素の消化後にアンモニア含有量が分析されます。 NH3 が形成されると、アルカリの存在下でさらに蒸留されてホウ酸溶液になります。 したがって、ホウ酸陰イオンの形成は塩酸で滴定されます。 その結果、尿素中の N% 含有量を推定することができます 7,8。

同様に、燃焼法としても知られるデュマ法は、尿素中の N% 含有量を測定するための従来の TKN 法と比較して、腐食性化学物質の使用やあらゆる形態の窒素の分析を必要としないため、より信頼性が高く、比較的安全であると考えられています9,10。 、11． デュマ法に基づき、物質中のC、H、S含有量とN%を同時に高精度に検出する炭素、水素、窒素、硫黄（CHNS）分析計共通の装置です。 この方法では、すべての窒素化合物は、加熱された銅 (Cu) と酸化タングステン (WO3) を介して流動中に N2 に還元される酸素ガスの存在下、800 ～ 1000 °C での燃焼によって二酸化窒素 (NO2) に変換されます。 このステップでは酸素と硫黄が除去されますが、二酸化炭素 (CO2) と水 (H2O) は、カーボソーブおよび過塩素酸マグネシウム (Mg(ClO4)2) との相互作用中に除去できます。 したがって、熱伝導率検出器を使用して窒素を測定します。 さらに、CHNS は、通常 TKN12 では検出できない尿素中のあらゆる種類の窒素含有量を検出します。

たとえば、Etheridge et al. は、燃焼とケルダール法を使用して、土壌、植物製品、および動物栄養研究所のサンプルの窒素分析を調査しました7。 すべてのサンプルを分析した後、ケルダール法は燃焼法と比較してわずかに低い N 値を示したと結論付けました。 同様に、マルコら。 ケルダール法と燃焼法を採用して、動物飼料中に含まれる全窒素を分析しました9。 彼らの分析では、再現性と再現性テストの点で両方の方法でほぼ同様の結果が得られたことが示されました。 さらに、コスト、分析時間、環境への適合性などの観点から、ケルダール法と比較して燃焼法が飼料中のタンパク質分析に適していると結論付けた。

TKN および Dumas 法による N% 推定プロセスは信頼性がありますが、結果を得るまでに約 3 ～ 4 時間を要し、さらに、危険な化学物質の取り扱い、高温、高価な機器のセットアップ、オフラインが必要です。 /オフサイトタイプの分析テストと廃棄物の生成。 したがって、TKN と CHNS は、機器の設置費用を負担でき、発生した廃棄物を適切に処理できる、熟練した個人の設備の整った研究室でのみ実行可能です。

最近、屈折計に基づく尿素検出は、その簡単な操作、高速応答、正確な測定、および操作中に化学物質を使用しないため、肥料業界で普及しています13。

報告された文献を通じて著者が知る限り、尿素およびナノ尿素（3 つの異なる方法による作物への窒素施肥に使用されるナノテクノロジーベースの製品）の N% 検出とそれらの相関に基づいたそのような研究は存在しません。 このレポートでは、従来の尿素とナノ尿素に含まれる N% 含有量を検出するためのさまざまな手法を調査します。 主に、N% 検出に使用された全ケルダール窒素 (TKN)、CHNS、手持ち屈折計などの 3 種類の技術とその後の比較について説明します。 その後、さまざまな手法で推定された尿素とナノ尿素の理論値と実験値を相関させます。 最後に、曲線フィッティングおよびその他の検出パラメーターによる直線性に基づいて結果を結論付けます。

8 本の 250 ml チューブを 370 ～ 395 °C まで加熱できるケルダール蒸留装置 (ケルダーテルム、ゲルハルト分析システム) とケルダール蒸留滴定ユニット (Vapodest 500、ゲルハルト分析システム) を使用しました。

Thermo Fisher Scientific の FlashSmart 元素分析装置 (EA) は、燃焼、分離、検出の目的で利用されました。 この装置には、オートサンプラー、酸化銅、ソーダ石灰、過塩素酸マグネシウム（アンヒドロン）を含む還元オーブン、燃焼オーブン（酸化触媒を含む）、活性炭を充填したガスクロマトグラフィー（GC）カラム、およびサーマルフィルターが取り付けられていました。導電率検出器 (TCD)。

デジタルハンドヘルド「ポケット」尿素水屈折計 (ATAGO) をすべてのサンプル (尿素およびナノ尿素) の測定に使用しました。 すべての測定は周囲温度で実行されました。 屈折計の測定範囲はBrix 0.0～55.0%、周囲温度範囲は10.0～100℃、自動温度補正は10～40℃です。 さらに、屈折計の精度と分解能は、それぞれ ± 0.2% Brix/± 1 °C、および 0.1% Brix/0.1 °C です。

硫酸カリウム、硫酸 (95%)、ホウ酸などの TKN 分析に必要な化学薬品は、インドの Central Drug House Ltd (CDH) から入手しました。 硫酸銅五水和物、塩酸、および水酸化ナトリウムのペレットをインドのメルクから入手した。

CHNS 分析装置に必要なガスと装置、ヘリウム (He) (99.999%)、O2 (99.999%) は、超高純度ガス (インド、グジャラート) から入手しました。 錫容器（高さ 8 mm、直径 5 mm、重さ 19 mg）、石英ウール、石英リアクター、電解銅、これらはすべて Thermo Fisher Scientific Inc, (USA) 製です。

Sigma Aldrich の標準品として硫酸アンモニウムをケルダール法に使用しました。 元素分析用のスルファニルアミド標準 (16.30% N) は、Thermo Fisher Scientific によって提供されました。 従来の顆粒尿素、液体ナノ尿素、およびインドの Indian Farmers Fertilizer Cooperative Ltd (IFFCO) から入手した DEF 溶液。

さまざまな量の尿素顆粒を採取し、脱イオン (DI) 水に溶解して、0.25、0.5、1.0、2.5、5.0、7.5、10、15、25、32.5、および 40% の尿素溶液を調製しました。 一方、異なる濃度の液体ナノ尿素を脱イオン水に溶解して、１～１０％のナノ尿素溶液を調製した。 さらに、溶液が適切に混合されることを保証するために、すべてのサンプルに対して超音波処理が実行されました。 さらに、３２．５％の尿素および６７．５％のＤＩ水を含むＤＥＦ溶液も得られた。 さらに、異なる技術による分析中に、すべてのサンプル (尿素、ナノ尿素、および DEF) に対して 2 つの複製が使用されました。

既知量のサンプル (1.0 g) を 50 ml のメスフラスコに入れ、その後、溶液を脱イオン水で 50 ml にしました。 次いで、調製した溶液から５mlの溶液を取り出し、ケルダール消化管に移した。 その後、２ｇの触媒（１０ｇの硫酸カリウムと混合した１ｇの硫酸銅）および２０ｍｌの濃硫酸をケルダール管に加え、完全に混合した。 その間、ブランクサンプルも準備し、すべてのサンプルと一緒に消化ブロックに置き、その後390℃で2時間加熱しました。 最終溶液を周囲温度まで冷却し、１０ｍｌの脱イオン水の添加によりさらに希釈した。 その後、すべてのケルダール管を 1 本ずつ蒸留滴定装置に設置しました。 その後、既知量の水酸化ナトリウム (32%) 溶液が自動的に添加され、溶液はさらに 6 分間蒸留されました。 その結果、アンモニアは 2% ホウ酸溶液に自動的に収集され、終点検出まで標準化塩酸 (0.1 M) に対して滴定されました。 滴定液の内容を確認するために、標準として硫酸アンモニウムを使用しました。

CHNS による N% 分析を実行するには、異なる濃度の従来の尿素およびナノ尿素サンプル 2 mg をブリキ製容器に入れ、オートサンプラーを介して燃焼反応器に導入しました。 連続的なヘリウムガス流 (140 ml/分) がチャンバー内に入りました。 分析サイクル中に酸素流量 (250 ml/分) を 5 秒間測定しました。 さらに、分析中、燃焼反応器の温度は 950 °C に維持されました。 石英燃焼反応管を以下のように下から上に充填した。 石英ウール 20 mm、電解銅 140 mm、石英ウール 20 mm、酸化銅 50 mm、石英ウール 10 mm。 燃焼後、発生したガスは銅が充填された還元反応器を介して He 流によって輸送されました。 その後、発生したガスは CO2、水トラップを通過して GC カラムに到達し、TCD で検出されました。 全分析サイクルは 10 分以内に完了しました。 スルファニルアミドは、機器の校正用の標準として使用されました。

デジタル手持ち式「ポケット」屈折計も、さまざまな濃度の尿素 (0.25 ～ 40%) およびナノ尿素 (1 ～ 10%) サンプルの測定に使用されました。 最初に、デバイスは使用前に画面にゼロ値を示す脱イオン水で校正されました。 その後、異なる濃度の尿素/ナノ尿素溶液の数滴を屈折計のプリズム表面に置きました。 したがって、任意のサンプルの尿素% を屈折計のディスプレイに 3 秒以内に表示できます。 したがって、N%測定値は、尿素%の形式で屈折計によって取得された結果に0.46を乗算することによって推定されました。

統計解析は、OriginPro 8.5 (Origin Lab Corporation) の一般線形モデルを使用して実行されました。 さまざまな分析手法 (TKN、CHNS、屈折計など) を使用して、さまざまなサンプルの N% の相関関係を評価するために、線形回帰分析を実行しました。

ハンドヘルド屈折計ベースの検出器の利用は、小型、低コスト、ポータブル、熟練者不要、リアルタイム検出などの理由から、大きな注目を集めています。 この装置では、尿素を含む懸濁液を数滴プリズム上に置くことができるため、測定値は 3 秒以内に画面に表示されます。 この手持ち式機器は、屈折率の原理に基づいて動作します。 液体サンプルがプリズム表面に置かれると、光は溶液を介して透過され、光の一部は反射されてフォトダイオードによって検出されます。 その結果、溶液の屈折率に密接に関係した位置に影の線が作成されます。 したがって、屈折率または屈折率に基づく別の測定単位は、機器を使用して影の線の位置を決定した後、内部ソフトウェアによって相関付けされます。 したがって、液体の最終濃度は屈折計のディスプレイで確認できます。 この装置は、液体標準水または蒸留水を数滴プリズムの表面に滴下するだけで簡単に校正できます。

従来の尿素およびナノ尿素肥料のN%推定に屈折計がTKNおよびCHNSの代替方法であるかどうかを判断するために、3つの技術すべてを直線性の観点から体系的に比較し、コストなどの他の性能に基づいて、サンプルのスループット、環境への適合性、自動化機能。 異なる濃度の尿素およびナノ尿素における N% の計算を TKN、CHNS、および屈折計によって分析し、比較しました。 表 1 は、さまざまな方法を使用して N% 分析を比較するために利用したデータの記述統計を示しています (各サンプルについて重複して取得した; n = 2)。

さらに、それらの比較は、別の手法によって得られた結果の相関関係の観点から評価されています。 図 1a ～ d は、TKN、CHNS、屈折計の推定窒素 (%) と 0.25 ～ 10% の範囲のさまざまな尿素濃度の間の直線フィッティング、および予想される N% の理論値を示しています。

(a) TKN、(b) CHNS、(c) 屈折計、(d) 理論的 N% に対する窒素 (%) と 0.25 ～ 10% のさまざまな濃度の尿素の間の線形フィッティング。 (CHNS と屈折計の両方で、R2 値が尿素分析の理論値に近いことが示されました)。

興味深いことに、この屈折計は尿素の下限値 0.25% (0.11% N) を検出でき、0.092% N を表示しました。さらに、TKN で検出された N% は最低の R2 (0.98879) の直線を示すことが観察されました。他の技術と比較した価値。 一方、CHNS と屈折計の両方は、R2 値が N% の理論値に近いため、異なる濃度の尿素を検出しました。 さらに、ナノ尿素中の N% の推定は、直線性の観点から機器の性能を評価するためのあらゆる手法を使用して実行されました。 TKN、CHNS、および屈折計の測定された N (%) と 1 ～ 10% の範囲のさまざまな濃度のナノ尿素の間の直線フィッティングが図 2a ～ d に見られます。

(a) TKN、(b) CHNS、(c) 屈折計、および (d) 理論的 N% の窒素 (%) とさまざまな濃度のナノ尿素 (1 ～ 10%) の間の線形フィッティング。 (屈折計は、R2 値がナノ尿素分析の理論値に近いことを示しました)。

これらの結果は、屈折計ベースのデバイスが R2 = 0.99935、切片が - 0.04667 ± 0.02455、傾きが 0.46667 ± 0.00396 であることを示しました。 屈折計によるナノ尿素の N% 推定の線形フィッティングは、他の方法と比較して N% の理論値により近いと結論付けることができます。 さらに、大気汚染防止のためのディーゼルエンジンにおける DEF 溶液の重要性を考慮して、最大 40% までの高濃度の尿素が分析に利用されました。 窒素（％）と、TKN、CHNS、屈折計の0.25〜40％の範囲の異なる尿素濃度との間の線形フィッティング、および理論上のN％が図3a〜dに表示されています。 これらの濃度では、屈折計ベースのデバイスは他の技術と比較して R2 (0.99918) に関して優れた結果をもたらしました。これは、屈折計が DEF 溶液の分析にも使用できることを示しています。

(a) TKN、(b) CHNS、(c) 屈折計、および (d) 理論上の N% (屈折計) について、窒素 (%) と 0.25 ～ 40% の範囲の異なる尿素濃度 (32.5% 尿素での DEF を含む) の間の線形フィッティングR2 値が尿素分析の理論値に近いことが示されました)。

表 2 は、最大 10% の濃度を含む尿素およびナノ尿素サンプルを測定するためのさまざまな手法と、線形フィッティングによって抽出された R2、切片、傾きなどのそれぞれの値を示しています。

さらに評価するために、さまざまな濃度の尿素およびナノ尿素（1、5、および10％）の測定N％をすべての方法で抽出し、図4a、bに示すように比較しました。

さまざまな技術を使用した N% の検出と、(a) 尿素および (b) ナノ尿素のさまざまな濃度の理論値との比較 (c) さまざまな方法 (屈折計、屈折計、 CHNS、TKN）を使用し、N%の理論値と比較しました。 (屈折計ベースのデバイスは、DEF 溶液の場合、他の技術と比較して、理論値との偏差が 1.53% 未満であることを示しました)。

TKN による N% の推定は、N% の理論値と一致しないことが観察されました。 その理由は、この技術では、サンプル中のアミノ酸、核酸、タンパク質などの有機成分のほか、アンモニウムからの窒素のみが検出されるためです。 ただし、TKN 技術を使用して亜硝酸塩および硝酸塩中に存在する他の形態の窒素を測定することはできません8。 さらに、図4に示すように、屈折計に基づく結果は、他の技術と比較してN%の理論値に近くなります。図4cは、CHNS、TKNなどのさまざまな方法を利用したDEF溶液中のN%の分析を示しています。 、および屈折計を使用し、その結果を N% の理論値と比較しました。 この分析では、TKN、CHNS、および屈折計ベースの装置は、DEF 中の N 含有量がそれぞれ 15.27、14.01、および 14.72% であることを示しました。 DEF の N% の理論値に対して、N% は TKN で約 + 6.29%、CHNS で - 2.14%、屈折計で - 1.53% ずれていることが観察されました。 したがって、屈折計ベースのデバイスは、DEF の場合、理論上の N% により近い値を示しました。

測定時間と自動化: 研究室で多数のサンプルを分析する場合、これらの特性が重大な懸念事項になります。 たとえば、TKN は、8 本のチューブに 1 つの消化ブロックと 1 つの蒸留滴定ユニットを使用して、わずか 8 つのサンプル (各サンプルの 2 つの複製と 2 つのブランクを含む) を 4 時間以内に分析できます。 CHNSの場合、同一期間に13～17件程度の解析が可能です。 対照的に、屈折計は 4 時間で約 170 ～ 180 のサンプル (サンプリング、テスト、プリズム表面の洗浄を含む) を分析できます。 したがって、このデバイスにより、尿素サンプルの N% を迅速に検出できます。

自動化機能を扱うため、TKN にはいくつかの手動ステップがあります (たとえば、消化管への試薬の挿入、消化後の化学物質の希釈、蒸留システム内での消化管の位置決め)。 さらに、CHNS によるサンプル分析は、オートサンプラーによるサンプル挿入の点でいくらか進歩しています。 一方、液体サンプルを数滴滴下した後、屈折計のボタンを押すことで結果を簡単に監視できます。

環境と安全の観点: TKN を使用する際には、有害な酸 (硫酸、水酸化ナトリウム) および触媒ベースの重金属の使用が大きな懸念事項となります。 さらに、CHNS によるサンプル分析中に重金属が少数使用されています。 それどころか、屈折計はサンプル分析中に有害な化学物質や有毒元素を必要としません。 驚くべきことに、純水は測定後のプリズム表面の洗浄にのみ使用されます。

コスト: どちらの機器 (TKN と CHNS) も高価です。 サンプル分析の価格には、固定費（機器費用）、変動費（ガラス器具、標準化学薬品、その他の化学薬品、電力、水の消費量、メンテナンス費用）、および技術者の人件費が含まれます。 一方、手持ち式屈折計は、両方の機器に比べて非常に安価です。 装置の操作は簡単で、その他のコストはかかりません。 これらすべての理由から、手持ち式屈折計をベースとした尿素検出は、肥料産業の分野で可能な技術となる可能性があります。

結論として、手持ち式屈折計およびその他の分析機器 (TKN および CHNS) を使用して尿素およびナノ尿素肥料中の N% を検出し、それらの比較研究を実施しました。 3 つの手法すべてを使用して結果を抽出した後、すべてのサンプルの線形相関が評価されました。 調査したすべての技術の中で、手持ち式屈折計ベースのデバイスは良好な直線性 (R2 = 0.99935) を示し、ナノ尿素の場合は理論値にほぼ近いことがわかりました。 さらに、手持ち式屈折計は、他の技術と比較して、DEF 溶液に対してより正確な応答を示しました。 さらに、他のパフォーマンスパラメータも、コスト、検出時間、環境安全性の問題、携帯性の観点から比較されました。 手持ち式屈折計ベースのデバイスにおける迅速な検出 (3 秒)、低消費電力、追加の化学薬品の使用なしなどの優れた機能は、肥料産業や DEF 生産における尿素およびナノ尿素の日常分析用の TKN および CHNS 機器に取って代わる可能性があります。ユニット。

現在の研究中に生成されたデータセット、および/または現在の研究中に分析されたデータセットは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。 この研究中に生成または分析されたすべてのデータは、この公開された論文 (およびその補足情報ファイル) に含まれています。

この論文の訂正が公開されました: https://doi.org/10.1038/s41598-022-16797-w

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IFFCO – ナノバイオテクノロジー研究センター、ガンディナガール、382423、グジャラート州、インド

ヴィジェンドラ・シン・バティ & ラメシュ・ラリヤ

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VSB は実験を実施し、原稿を執筆しました。 RR は貴重な提案を提供し、原稿を徹底的にレビューしてくれました。

ラメシュ・ラリヤへの通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガー ネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

この記事の元のオンライン版は改訂されました。この記事の元のバージョンには、著者の所属に誤りがあり、誤って「Nano Biotechnology Research Centre, Indian Farmers Fertilizer Cooperative Limited, Gandinagar, 382423, India」と記載されていました。 正しい所属はここに記載されています。 IFFCO – ナノバイオテクノロジー研究センター、ガンディナガール、グジャラート州 382423、インド。

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転載と許可

Bhati, VS、Raliya, R. TKN、CHNS、および手持ち式屈折計を使用した、尿素およびその誘導体製品中の窒素の比較推定。 Sci Rep 12、11704 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-15736-z

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受信日: 2022 年 4 月 11 日

受理日: 2022 年 6 月 28 日

公開日: 2022 年 7 月 9 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-15736-z

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