自动测量土壤基质的pH值--园林土壤基质pH值的自动化测量

位于德国北莱茵州的农业调查研究局（LUFA）是当地农业部门高度专业化、现代化的独立分析机构。该机构于2004年1月1日由莱茵州和威斯特法伦利普的农业调查研究局合并。LUFA拥有130多年从事农业调查和研究方面的经验，在整个德国范围内提供土壤、水、种子、肥料、堆肥、饲料以及动物诊断试剂的分析服务。除了实验室的常规研究之外，LUFA还根据用户的特殊需求提供单独的辅导和专业咨询。

土壤及其基质的研究

LUFA的待测样品通常来自大型工业制造客户，包括园林建设企业、家庭和私人园林。作为经DIN EN ISO/IEC 17025认可的调查监测机构，LUFA NRW可以提供范围广泛的研究检测项目。除了涉及园林土壤及其基质的pH值测量之外，还包括干燥物质、有机物质、总碳、C/N比例、可溶性氮、P2O5、K2O、Mg和钠盐以及痕量元素。pH测量的原理是依据DIN ISO 10390（土壤属性及其pH值测量）以及VDLUFA 方法A 5.1.1（测定水的pH值）。

图1. LUFA专业无机分析实验室的技术人员在使用由Tiamo控制的pH测量系统。

自动测定pH值

测量样品悬浮液的pH值，首先将样品与0.01mol/L氯化钙溶液混合。在土壤对其基质以及测量溶液之间保持固定比例的条件下进行测量。用量勺取出40ml基质（约10g）置于容量为220ml的一次性塑料烧杯中，于自动样品交换器内加入100ml氯化钙溶液。白天进行取样和前处理，然后至少放置2h以上，通常情况则是放置过夜（约12h），次日再进行批量化的自动测量。进行系列样品的pH值测量可于任意等待时间之后自动完成。除了样品的前处理之外，通过万通Tiamo软件控制的pH值测量系统还具有pH值校准以及pH值控制测量方法，能在任何时间（从开始起或样品测量中间）安排调用。该测量系统可每天投入运行，通常每天可做30~50个样品，最多可完成100余个样品的测量。LUFA NRW的无机分析实验室（土壤、堆肥）每年可以完成7000个样品的测量。该pH值测量系统具体由以下组件所构成（如图1所示）：

控制和数据处理软件Tiamo；

自动样品处理器815，带可拆卸样品架28×220ml；

pH模块867，平膜pH电极；

加液器800，用于各种添加液体的操作（加CaCl2、缓冲液、维护保养液）；

用于传感器的清洁、校准以及控制的外置法；

改进后的搅拌器。

鉴于LUFA所涉及的样品材料极具广泛性，因此在实施自动化的过程中应予以特别注意。从沙质的园林土壤（见图2左）到泥状的盆栽土（见图2中）以至粗枝兰花土壤（见图2右），体现了LUFA实验室涵盖样品的广泛性。

图2. 沙质园林土壤（左），泥状盆栽土（中）和粗枝兰花土壤（右）。

外部冲洗与校准装置

在测量过程中pH传感器和搅拌器易受到基质颗粒的污染，尤其是当关系到测量的重现性、稳定性和可靠性时，自动化的pH测量系统就必须满足更高的要求。为了进行有效清洗，万通公司根据需要进行了适当的改良（如图3所示）。经改良后的冲洗装置还附带用于特殊校准的测量电极。pH校准、pH控制测量以及为电极添加保养溶液等操作都可随时灵活地自动进行。所需的4种溶液通过带有4个端口的加液器，仅用2次加液过程就能完成。优化校准位置的测量安排为液体转移操作提供了经济且全自动化的解决方法。

图3. 在白色塑料块处可看到测量电极的特殊校准位置。

滴定及其他操作

Tiamo控制软件将一些复杂的自动化过程进行了简化，结果清晰地呈现在表格中。无论是特殊用户的样品、电极校准还是控制测量，均能够快速地设置。每组数据均包含可供追溯的全部重要信息，以及测量所应用的方法。控制卡能够显示单个结果在长时段内的变化，以便在早期阶段观察其趋势，如辨识出电极的基本状况，从而及早地采取相应的措施。

小结

在完成样品前处理之后，通过万通公司应用专家们的工作，所开发的自动化pH测量系统可初步适合于LUFA实验室的实际条件。工作中得到自动化/滴定部门的现场负责专家的支持，测量过程也通过应用得到了进一步优化。经过成功的实践，整套测量系统已于2010年底由LUFA接手，并于此后成为LUFA常规分析中不可或缺的组成部分。

测量含颗粒样品的pH值

对含有大量颗粒物的样品（如土壤或土壤基质）进行pH值自动化测量时， pH传感器和搅拌器均易受到基质颗粒的污染，这对二者提出了更高的要求。同时，进行有效的清洗非常重要，以便保证pH测量的重现性、稳定性和可靠性。本文所介绍的测量体系包含改良的冲洗装置，并附带专门用于特殊校准的电极。由此能够随时进行灵活且自动化的pH校准、pH控制测量并添加电极保养液。