CN105866313A - 快速测定含氮样品中氮同位素比值的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种快速且直接测定含氮样品中氮同位素比值的方法,属于稳定同位素分析技术领域。该方法包括以下步骤:调整分析仪器至工作状态;确定监测含氮样品产生的气体的离子流所需的时间;编辑进样程序使得在一个分析进程中同时测定参考物质和含氮样品的氮同位素丰度;根据参考物质的测定结果得出含氮样品的氮同位素比值δ15Nair。本方法克服了以往直接测定时需使用离线方法制备的缺陷,也避免了快速分析***中燃烧转化率漂移对氮同位素分析的影响,更是简化了分析和数据计算过程。该方法的总分析时间最低可减为8min,分析精度0.2‰(SD,1σ)可用于各类含氮样品中氮同位素比值的快速准确测定。

Description

快速测定含氮样品中氮同位素比值的方法
技术领域:
本发明涉及一种直接测定得出含氮样品中氮同位素比值的方法,属于稳定同位素分析技术领域。
背景技术:
氮元素是一种重要的生命元素,对生命体的功能以及确保生态循环的完整都起着非常重要的作用。氮的稳定同位素有14N和15N,由于氮同位素的自然分馏作用,物质的氮同位素组成在地质、生物、环境、农业、生态***等领域的研究中都有着越来越重要的作用。有机物的氮同位素组成是近年来研究的热点,其暗含了物质形成过程中的物理、化学、代谢过程以及气候环境等多方面的信息。
有机物中氮同位素分析的基本原理是在高温下使用过量的氧化剂将有机物转化成氮氧化合物,然后在还原剂的作用下转变为氮气,氮气经除水剂吸附转化过程中的水后导入稳定同位素比值质谱仪中测定其氮同位素比值。当前,有机物的氮同位素分析技术有两种,分别是传统的离线-双路进样测定法和近年来日益发展的元素分析仪-稳定同位素比值质谱法(EA-IRMS):离线-双路进样测定法需要使用传统的密闭安瓶技术处理样品、高真空***提纯转化后的氮气气体、双路进样技术将氮气导入质谱仪中分析,样品前处理过程繁琐,而且需要经验丰富的实验操作人员,因此该法难以大规模推广;EA-IRMS方法简化了前处理程序,只需将待分析样品放到仪器自带的自动进样器中,诸如氧化、纯化、导入等实验过程均交由EA-IRMS***自动进行,操作简单、使用便捷,降低了人为造成的实验误差。
氮稳定同位素比值为氮元素的15N与14N的原子丰度之比(15N约为14N的1/50),然而不同物质15N与14N的原子丰度之比的差异及其微小,实际工作中很难精确测定,因此一般采用相对测量的方法,并以相对测量丰度作为通用的表述法(δ15N)。如此,稳定同位素比值质谱仪分析过程时需要用到国际公认的参考物质,尤其是该参考物质转化的氮气作为基准才能得出待分析物质的氮同位素比值(δ15Nair)。传统的离线-双路进样测定法由于采用密闭安瓶技术处理样品、双路进样技术导入制备得到的氮气气体,因此可以同时处理参考物质和待测样品,分别得到参考物质制备的氮气和待测样品制备的氮气,通过双路进样技术将其分别导入稳定同位素比值质谱仪的储气仓中,仓中气体能够缓慢、多次释放进入质谱仪的分析***,多次对比可得出测定结果(δ15Nair);EA-IRMS***由于受制于其联机***的性质,制备的氮气在载气的运载下进入IRMS的分析***,由于载气是持续通入的,因此制备的氮气只能分析一次,在这种情况下,科研人员普遍采用了借助工作参考气进行分析的模式(工作参考气并不进入EA-IRMS的燃烧转化***),然而正如王旭等人提到的那样(《EA-Conflo-IRMS联机***的燃烧转化率漂移及其对氮氮同位素比值测定的影响》),EA-IRMS***不能像密闭安瓶法中相互独立的氧化剂,而是n个样品共用一套氧化剂和还原剂,这样就产生了处理样品时燃烧转化效率变化的问题,与此同时也使得氮同位素测定结果变负。为校正仪器漂移的状态,他们提出了用反标定法不断地重新设定工作参考气的δ15Nair值,虽然该方法在理论上是可行的,但是实际工作中发现,使用这种校正方法增加了分析任务和成本(如单独测一个样品,必然先测一次或多次参考物质以反标定参考气),降低了工作效率,而且不能迅速地测定得出样品准确的δ15Nair值。
发明内容:
(1)拟解决的问题
EA-IRMS法测定含氮样品的氮同位素比值具有简单、便捷的优点,是今后研究与推广应用的发展方向,但是急需能够快速、直接测定得出样品氮同位素比值的方法。
(2)本发明的具体方案
为解决现有技术中存在的上述问题,本发明提供了在一个分析进程中同时分析参考物质和含氮样品的氮同位素丰度进而得出含氮样品的氮同位素比值的方法。
具体而言,本发明使用了EA-IRMS***,在同一个分析进程中通过自动进样器连续进样进行氮同位素的转化、分析,直接将含氮样品的氮同位素丰度与参考物质进行对比而得出氮同位素比值(δ15Nair),优选地,其中所述的参考物质包括IAEA-600和USGS-34等国际认证认可的物质,其中所述的含氮样品包括无机含氮化合物、有机含氮化合物以及含氮的混合物,如蛋白质、硝酸盐、土壤、复合肥等。
可选择地,本发明的方法包括以下步骤:
1)调整元素分析仪-稳定同位素比值质谱参数至工作状态;
2)确定元素分析仪-稳定同位素比值质谱分析含氮样品时样品产生的氮气的保留时间;
3)编辑元素分析仪-稳定同位素比值质谱直接测定含氮样品中氮同位素比值的程序方法;
4)将参考物质和含氮样品分别放置在样品盘上;
5)执行测定程序,根据参考物质的测定值得出含氮样品的氮同位素比值δ15Nair
进一步地,本发明的方法包括:
a)元素分析仪中填充氧化剂、还原剂和除水剂,所述氧化剂为氧化铬、含银氧化钴,所述还原剂为铜丝,所述除水剂为高氯酸镁;
b)连接元素分析仪与稳定同位素比值质谱仪气路和通讯;
c)控制元素分析仪的载气流速和进样盘中的吹扫气流速,所述载气和吹扫气均为氦气;
d)检查元素分析仪-稳定同位素比值质谱***的Ar背景值;
e)将元素分析仪的色谱柱和将反应炉升至工作温度;
f)用锡杯包裹一定质量的谷氨酸样品,用元素分析仪配套的自动进样器进样后确定产生的N2的离子流起止时间;
g)根据N2的离子流起止时间编辑自动进样器的进样程序,确保同一分析进程中连续进样而不互相干扰;
h)分别用锡杯包裹一定质量的氮同位素参考物质和含氮样品,置于自动进样器上;
i)开启一个分析进程,连续进样使参考物质、含氮样品先后经自动进样器进样转化并分析各自产生的N2的;
j)根据参考物质的氮同位素丰度测定结果和给定值直接得到含氮样品的δ15Nair值。
优选地,载气流速为100mL/min,吹扫气流速为175mL/min,Ar的背景值应符合EA-IRMS的工作要求,色谱柱温度设定为60℃,反应炉的氧化炉温度为980℃、还原炉温度为700℃,锡杯中含氮样品质量为0.3mg。
(3)有益效果:
本发明提供的直接测定含氮样品中δ15Nair值的方法具有操作简单、分析快捷的特点,与现有技术相比具有以下优点:
1.本发明提供的分析方法不需要使用工作参考气,而是在同一个分析进程中同时分析参考物质和含氮样品各自转化的N2的同位素组成,借鉴了双路进样-稳定同位素比值质谱仪的运行原理,直接通过参考物质的实际值和测定值得出样品的氮同位素比值,因此,避免了元素分析仪中反应状态的改变而造成的需要不断反标定参考气的麻烦;
2.由于本发明提到的分析方法省去了工作参考气的使用,而是在同一个分析进程中同时分析参考物质和含氮样品,大大缩短了分析时间,并且可以根据需要在该分析进程中使用多个参考物质,因此结果的准确性更高。
附图说明:
附图1有机物转化的气体的离子流图;
附图2硝酸钾转化的气体的离子流图;
附图3炭黑转化的气体的离子流图;
附图4含氮样品δ15Nair测定的离子流图。
具体实施方式:
下面将通过借助以下实施例来更详细地说明本发明。以下实施例仅是说明性的,应该明白,本发明并不受下述实施例的限制。
实施例一:
1 材料方法
1.1 仪器
元素分析仪-稳定同位素比值质谱(EA-IRMS),其中元素分析仪的型号为Flash 2000,稳定同位素比值质谱仪的型号为Delta V Advantage,上述仪器均购自赛默飞世尔科技(中国)有限公司;电子分析天平(梅特勒-托利多国际股份有限公司)。
1.2 试剂
氦气(纯度≥99.999%),氧气(纯度≥99.99%),炭黑,谷氨酸,硝酸钾。
1.3 分析过程
1.3.1 检查元素分析仪的氧化剂、还原剂和除水剂,确保具有工作能力(不足时需更换);
1.3.2 检查元素分析仪和稳定同位素比值质谱间的连接气路和通讯是否正常;
1.3.3 调节载气流速为100mL/min,吹扫气流速为175mL/min;
1.3.4 检查元素分析仪-稳定同位素比值质谱***中氩气(Ar)的背景值是否<70mv(Ar在质谱仪的法拉第第二收集杯上显示的信号);
1.3.5 打开氧气钢瓶,控制样品分析过程中氧气的注入速度为250mL/min;
1.3.6 元素分析仪的氧化炉升温至980℃,还原炉升温至700℃,色谱柱温度为60℃;
1.3.7 分别称取0.30mg谷氨酸、硝酸钾和炭黑,用锡杯包裹后置于自动进样器的进样盘上;
1.3.8 设定自动进样器在分析进程开始后50s时进样一次;
1.3.9 开始一个分析进程测定谷氨酸,监测到谷氨酸转化后在稳定同位素比值质谱仪上出现了2个离子流谱(见附图1)且互不干扰(分离度为24s),离子流谱图的起止时间分别为181s~256s和280s~363s;
1.3.10 开始一个分析进程测定硝酸钾,监测到硝酸钾转化后只有一个的离子流谱,起于166s而止于235s。由于该参数只能测定荷质比(m/z)为28、29和30的离子流参数,而硝酸钾中只能产生氮气,因此可以认定N2的离子流止于250s之前;
1.3.11 开始一个分析进程测定炭黑,监测到炭黑转化的气体的离子流图起止于282s~357s(见附图3),由于炭黑中只有碳元素,在氧化条件下产生二氧化碳,而二氧化碳在离子源中会被轰击成各种离子,尤其是一氧化碳CO,而CO的荷质比(m/z)与氮气相同,因此在相同的电磁场参数下也能被监测到,因此,该离子流谱实为样品的碳转化的二氧化碳。
1.3.12 根据以上谷氨酸、硝酸钾和炭黑所得的离子流谱图,可以确定样品转化的离子流谱始于进样后130s,而止于进样后310s,即同时含碳氮的样品转化的气体的离子流谱图时长为180s左右,因此确定进样间隔至少为200s。
实施例二:
根据实施例一中得到的氮气和二氧化碳的保留时间,以及两种气体的峰宽特征,设定自动进样程序:选择同一个分析进程中连续进样两次,进样时间分别为50s和250s(任选地,可以自选进样次数,进样间隔大于200s)。以国际***制备的谷氨酸参考物质(USGS 40,δ15Nair=-4.5)为试验对象,按照实施例一的工作条件和仪器参数进行方法的重复性研究,同一个分析进程中使USGS 34连续两次进样(见附图4),该类分析进程连续10次,并以第一次进样产生的氮气的氮同位素丰度为基准得出第二次进样后氮气的δ15Nair值,结果见表1。
表1 方法的重复性分析数据
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
δ15Nair(‰) -4.515 -4.65 -4.588 -4.42 -4.7 -4.54 -4.56 -4.43 -4.61 -4.778
由附图4可知,同一个分析进程连续2次进样测定的总分析时间仅为560s,而若只考虑第二次进样出现的氮气峰,整个分析进程仅需480s。由上表可知,10个分析进程中均将第二个USGS 40试样当做样品分析,得到的结果稳定性良好(标准偏差<0.2‰),符合氮同位素比值的分析要求,而测定均值为-4.58‰,与USGS 40的给定值(-4.5‰)差异仅为0.08‰,在分析误差允许的范围内(±0.2‰)。
实施例三:
根据实施例一提供的仪器装置和分析过程,以国际氮同位素参考物质USGS 40和IAEA 600为试验对象展开方法的准确性研究,以USGS 40产生的色谱峰的氮同位素丰度为基准测定IAEA600(给定值为1.0‰±0.2‰)的δ15Nair值,结果见表2。
表2 方法的准确性验证结果
由上表可知,该方法测定的结果与试验对象给定值之间的差异<0.10‰,符合国内公认的对氮同位素分析误差小于0.2‰的要求。该项研究是在同一个分析进程中完成的,而不需两个或两个以上独立的分析进程(有工作参考气参与时),因此本发明提供的方法能够直接、快速且准确地测定含氮样品的氮同位素比值。
实施例四:
根据实施例一提供的仪器装置和分析过程,以USGS 40为参考物质分析肥料尿素、土壤、有机肥、市售普通辣椒、有机辣椒的δ15Nair值,结果见表3。
表3 样品的δ15Nair测定结果
样品 δ15Nair值(‰)
尿素 -0.74
土壤 2.91
有机肥 5.37
普通辣椒 2.46
有机辣椒1# 5.82
有机辣椒2# 9.83
由上表可知,不同样品的δ15Nair值是不同的,其中肥料尿素为-0.74‰,与空气中的氮气接近,这是由尿素的生产工艺决定的;有机肥来源于养鸡场,其δ15Nair值为5.37‰,明显比尿素高,这是因为氮元素在肉鸡体内、以及饲料生长过程中发生了同位素代谢分馏的缘故,造成了15N在生物体内富集;土壤的δ15Nair值介于尿素和有机肥之间,有可能该地块中同时施用了尿素和有机肥;市售普通辣椒为2.45‰,而有机辣椒2#为9.83‰,这可能是由于普通辣椒施用了较多的尿素作为氮肥,而有机辣椒2#主要施用有机肥作氮肥的缘故;有机辣椒1#为5.82‰,比普通辣椒高,其氮肥可能有部分尿素、部分有机肥,亦或是有机肥的δ15Nair值较低。
最后应当说明的是,以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非限制,尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对发明的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明技术方案的精神和范围,其均应涵盖在本发明的权利要求范围内。

Claims (10)

1.一种直接测定含氮样品中氮同位素比值的方法,其是使用元素分析仪-稳定同位素比值质谱技术在同一个分析进程中同时分析氮同位素参考物质和样品而直接得出样品的氮同位素比值的方法,包括以下步骤:
在同一分析进程的不同时间点进样并测定参考物质和含氮样品的氮同位素丰度,并以参考物质的氮同位素丰度为基准得出含氮样品的氮同位素比值δ15Nair
2.根据权利要求1所述的方法,在测定含氮样品中氮同位素比值之前,包括如下步骤:
1)调整元素分析仪-稳定同位素比值质谱的工作状态;
2)确定元素分析仪-稳定同位素比值质谱分析含氮样品氮同位素比值时含氮样品产生的氮气的离子流起止时间;和
3)编辑元素分析仪-稳定同位素比值质谱直接测定含氮样品中氮同位素比值的进样程序,以确保同一分析进程中连续进样而不互相干扰。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,在同一进程中的测定一个或多个参考物质和一个或多个含氮样品的氮同位素丰度。
4.根据权利要求3所述的方法,其中在同一进程中第一时间点和最后时间点测定的氮同位素丰度均为氮同位素参考物质的氮同位素丰度。
5.根据权利要求3所述的方法,其中在进样程序的编辑中,设置2个或2个以上进样过程,第一个或最后一个均进样分析参考物质的氮同位素丰度,第二个分析含氮样品的氮同位素丰度。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法,其中进样间隔应大于含氮样品产生的气体在稳定同位素比值质谱上的离子流的总时间。
7.根据权利要求6所述的方法,其中所述的含氮样品为无机含氮化合物、有机含氮化合物或含氮的混合物。
8.根据权利要求7所述的方法,其中所述的含氮样品为蛋白质、硝酸盐、或铵盐类物质。
9.根据权利要求8所述的方法,其中所述的含氮样品为植物蛋白或植物样品、动物蛋白或动物样品、含氮肥料、土壤、硝酸钾或硫酸铵。
10.根据权利要求1-5中任一项所述的方法,其中进样间隔大于200s。
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