目的
為了從杜馬斯氮/蛋白質分析儀獲得準確的結果，樣品的完全燃燒至關重要。一個簡單的經驗法則是，較大的樣品需要更多的氧氣才能燃燒，儘管這也取決於樣品基質。油、純化學品、生物質或塑膠等易燃材料在短時間內使用高氧氣流量燃燒良好，而煤、土壤或澱粉等慢燃材料在較長時間內使用較低氧氣流量燃燒效果較好。rapid N exceed總氮分析儀針對許多不同的樣品材料預設了方法，並考慮了燃燒行為和樣品大小。

氧氣投氣量過低會導致樣品燃燒不完全，從而低估氮濃度。氧氣計量過高會導致樣品燃燒後載氣流中過量氧氣含量較高，這些過量氧氣必須透過 EAS REDUCTOR^® 去除，因此氧氣消耗速度會比平常更快。為了最大限度地延長 EAS REDUCTOR 的使用壽命，可以針對特定樣品最佳化氧氣投氣量。本技術報告介紹了rapid N exceed總氮分析儀氧氣投氣的原理以及如何針對特定樣品最佳化氧氣投氣效率控制。

氧氣投氣測試
在rapid N exceed（option > setting > method）中，添加到樣品中的氧氣量由三個參數定義：O₂ 投氣時間、O₂ 氣體流量和 O₂ 切斷閾值。

圖 1. 250 mg每日因子樣本（蛋白質、穀物或穀類）和飼料的標準分析方法。

投氣時間定義了燃燒過程中氧氣注入燃燒管的最短時間，而氣體流量則決定了此時間內氧氣的流量。截止閾值以最大峰值高度的百分比表示，並決定何時停止投氣。如果未偵測到峰值，則在最短投氣時間後停止輸送氣體。例如，在 15% 投氣切段閾值下，一旦熱導偵測器 (TCD) 訊號達到峰值高度的 15%，就停止投氣（請參閱圖 2）。

圖2.氧氣投氣示意圖。
 

理論氧氣消耗值計算
對於每種樣品類型，如果大致知道元素組成，就可以計算出其需氧量。元素組成可以透過化學結構推斷，也可以使用elementar的 CHN 元素分析儀分析。對於 CO₂ 的生成，每個 C 原子需要一個 O₂ 分子 (1)。對於 H₂O 的生成，每個 H 原子只需要 0.25 個 O₂ 分子 (2)。樣品中所含的氧氣 (O) 也可用於產生 CO₂ 和 H₂O，可從總需氧量中扣除 (3)。然而，這個量通常可以忽略不計。此外，其他元素（例如 S 和 N）的氧化所消耗的氧氣通常微不足道。 樣品完全燃燒所需的理論氧氣量可以使用以下公式計算：

1. 使用標準方法（本例為「250mgStandard」）在rapid N exceed上分析250mg大豆粉樣品，並列印出圖表（O₂流量和TCD訊號）。
2. 依上圖計算樣品的理論需氧量。 250 mg大豆粉樣本（49%碳和7.4%氫）含有122.5mg碳和18.5mg氫。

O₂ 用於碳氧化 ( Liter ) = 122.5 x 22.4 / 12000 =  0.229 l 
O₂ 用於氫氧化 ( Liter ) = 18.5 x 22.4 / 1000 / 4 = 0.104 l
總消耗量 O₂  =   0.333 l = 333 ml

為了確保完全燃燒，需要少量過量的氧氣，因此，在所需氧氣量的基礎上添加 10%，即 366 ml氧氣。

總消耗量 O₂ = 333 x 1.1 = 366 ml

3. 使用標準方法中的氧氣流量（目前方法為 225 ml/min）計算氧氣投氣時間，公式如下：

氧氣投氣時間 = 氧氣總量 / 氧氣流量
氧氣投氣時間 = 366 / 225 = 1.71 分鐘 = 98 秒

4. 為確保完全燃燒，應持續輸送氧氣，直至 TCD 訊號達到其最大峰高，並下降至該最大值的 15-30%。

圖 4. 250mg大豆粉樣品的氧氣加樣設定。請注意，本例中氧氣投氣的開始時間為 20 秒。
 

確定圖 4 中的最大峰值高度以及計算出的最佳氧氣加樣時間（98 秒）下的峰值高。如果最佳氧氣加樣時間下的峰值高度在其最大值的 15% 到 30% 之間，則氧氣加樣設定正確，標準方法可進一步用於此樣品類型和重量。本例中，98 秒的最佳氧氣加樣時間與最大峰值高度（圖 4，灰線）一致。因此，必須透過尋找氧氣流量和氧氣截止閾值的其他組合來增加氧氣加樣時間。

5. 將氧氣截止閾值定義為 15% 到 30% 之間，並確定相應的氧氣投氣時間。
對於大豆樣品，我們選擇 30% 的 O₂ 截止閾值，這對應於 150 秒的總氧氣投氣量（圖 4 虛線黑線，請注意氧氣投氣量在 20 秒之前不會開始）。

6. 使用以下公式計算最佳 O₂ 流量

O₂ 流量 = 總 O₂ / O₂ 投氣時間
O₂ 流量 = 366 / 150 x 60 = 147 ml/min

最佳 O₂ 劑量的新設定為（圖 4 中的橙色線）：

O₂ 切斷閾值 = 30 %
O₂ 流量 = 147 ml/min

7. 在 rapid N Excess 軟體的「option」>「setting」>「method」下，產生一個新方法。開啟標準方法並以新名稱儲存此方法，以便新方法使用與標準方法相同的設定。然後將 O₂ 截止閾值更改為 30%，O₂ 流量更改為 147 ml/min，並使用此方法分析類似的 250 mg大豆粉樣品。最短 O₂ 氣體輸送時間可維持在 90 秒。

注意：與 250 mg標準方法相比，此新大豆方法可使 EAS REDUCTOR 的使用壽命延長五倍。

結論
rapid N exceed 配備一系列預定義方法。這些方法涵蓋了 rapid N exceed 通常分析的所有樣品基質和樣品重量。當需要分析大量具有相似樣品基質和重量的樣品，且沒有合適的預定義方法時，產生新的方法可能會有所幫助。相關說明可在本技術說明中找到

實驗方法
為了透過實驗最佳化氧氣投氣量，請依照以下步驟操作：

1. 使用相同的樣品重量（最大波動±2mg）對已知氮/蛋白質含量的典型樣品進行多次測量。
2. 系統性地增加O₂截止閾值，直到出現假性低氮含量讀數或氮分析峰明顯增寬。
3. 設定出現假性低讀數之前最後一次成功測量的O₂截止閾值。這些設定對於該基質和樣品重量是最佳的。
4. 檢查氧氣投氣是否普遍適用。請測量幾個已知氮/蛋白質含量的類似基質樣品。

更改氧氣計量應謹慎操作。如果氧氣輸送量不足，不完全燃燒會導致低估樣本中的氮/蛋白質含量。務必使用具有相似基質和重量且氮含量已知的樣品來測試新方法。只有在分析大量成分相似的樣品時，定義一個具有最佳氧氣計量的特殊方法才是合理的，這種情況在工廠、啤酒廠等中很常見。

資料來源:elementar官網
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