一种基于膜入口质谱仪分析溶解态氮同位素含量的方法
【专利摘要】一种基于膜入口质谱仪分析溶解态氮同位素含量的方法，包括如下步骤：步骤1.向待测液中通氦气20分钟除去溶于水中的氮气；步骤2.在除净氮气的待测液中加入氧化剂次溴酸盐碘溶液，待测液中的氨氮氧化为氮气；步骤3.通过标准样品膜入口质谱仪测定得到标准曲线；步骤4.用膜入口质谱仪对经过步骤2外理的待测液进行测量，计算出待测液中氨氮所含氮同位素的含量；步骤5.在经过步骤2外理的待测液中，用氧化镁除去样品中原有的氨氮，硫酸酸化后再用锌粉将硝氮还原为氨氮，然后再用上述步骤2至步骤4，得出溶液中硝氮氮同位素含量。本发明方法可快速、精确的测量、分析溶解态氮同位素的含量，有利于推动氮同位素示踪技术的应用。
【专利说明】一种基于膜入口质谱仪分析溶解态氮同位素含量的方法
[0001]
【技术领域】
[0002]本发明涉及同位素分析【技术领域】，具体涉及一种基于膜入口质谱仪分析溶解态氮同位素含量的方法。
【背景技术】
[0003]受工农业生产的活动影响，目前大量人为来源的活性氮被输入到地球表层系统。大量活性氮在地球表层系统中的富集己对水生生态系统造成了巨大的生态与环境危害，如水体富营养化、有害藻类赤潮、以及季节性或永久性缺氧，这也是二十一世纪人类面临的最为严重的环境问题之一。因此，研究氮素的生物地球化学循环过程与影响机制是当今地学研究领域中的热点科学问题。而同位素示踪是目前研究水生生态系统中氮素迁移转化的最为理想的技术手段。然而，如何准确、快速地分析水样中溶解态氮(順4\勵3—)同位素的比值一直是国际上面临的一大技术难题，也大大限制了氮同位素示踪技术的更为应用。虽然水样中順4\顯3—可经过一系列的生化反应后，利用稳定同位素质谱仪来测定两者中的同位素比值，但是存在的问题是(1)经过繁琐的化学反应后，测定的实验结果误差往往超出了可接受的范围；(2)实验分析周期太长，耗时多；(3)分析费用昂贵。目前，仍尚未有特别行之有效的实验方法实现对溶解态氮同位素的含量直接和快速的分析。
[0004]
【发明内容】
[0005]本发明的目是针对现有技术的缺陷，提供一种准确、快速地分析水样中溶解态氮順/、勵3—氮同位素含量及比值的检测方法。
[0006]实现上述技术目的采用的技术方案是:
一种基于膜入口质谱仪分析溶解态氮同位素含量的方法，包括如下步骤分析水样中溶解态氮順/、勵3—氮同位素含量及比值:
步骤1，用容器备好待测液，向待测液中通氦气￠16)20分钟，以除去溶解于水中的氮气；
步骤2，在除净氮气的待测液中加入氧化剂次溴酸盐碘溶液，将待测液容器密封并振荡数分钟，待测液中的氨氮氧化为氮气；反应方程式如下:
214順4、381~0—十20『=28%十381'-十5！！20 ；
214順3 ? 40+381*0— = 2%十381'—十5！！20 ；
215順4、381~0?20『=3%2十381'-十5！！20 ；
215順3.40+381*0— = 3%十381'—十5！！20 ；
14順4、15順4、381~0—+2011— = 29~2十381^5！！20 ；
14順3 ? ^0+1? 順3 ? 40+381*0— = 29%十381'—十5！！20。
[0007]步骤3，通过标准样品膜入口质谱仪测定得到标准曲线，为保证测量的准确性，需在每次测量前均进行标准曲线的标定；
步骤4，用膜入口质谱仪对经过步骤2外理的待测液进行测量，分析氧化产生的溶解于水中的氮气，通过测量值和标准曲线进行比较，计算出待测液中氨氮所含氮同位素的含量和比值；
步骤5，测量待测液中硝氮氮同位素含量及比值；经过步骤2处理的待测液，用氧化镁除去待测液中原有的氨氮2順4^%0 = 2順3—%2、40，硫酸酸化后再用锌粉将硝氮还原为氨氮8(^+4211+1011+ =順4、42112、3！120 ；然后再用上述步骤2至步骤4测量氨氮氮同位素的方法，得出待测液中硝氮氮同位素含量及比值。
[0008]本发明方法不受盐度的影响，可应用于淡水、半咸水、海水样品的测试，亦可应用于沉积物样品的测试。
[0009]本方法无需富集、洗脱、萃取等步骤，经过短时间的氧化过程即可对样品进行测试；本方法标准曲线稳定，重现性较好；本方法所用仪器膜入口质谱仪分析费用较低，分析所需时间较短。本发明方法可应用于自动连续分析，盐度、氮同位素含量等因素对本方法精度无影响，可应用于淡水、半咸水、海水样品的测试，亦可应用于沉积物样品的测试。
[0010]本发明提供了一种快速、精确、方便、经济的测量溶解态氮同位素的方法。本方法尤其适用于加标样品的测量，有利于推动氮同位素示踪技术的应用。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1为本发明流程不意图；
图2为本发明方法测量结果与氧化时间的对应关系图；
横坐标代表氧化时间，纵坐标代表仪器信号值，？ ? 0.1代表数据无显著性差异；
图3为本发明方法的标准曲线图；
横坐标代表15见^浓度，纵坐标代表仪器信号值，1:01:81-1?代表总氮15同位素，妒代表方差，？ ? 0.0001代表数据有显著差异；
图4盐度对为本发明方法方法标准曲线的影响图；
横坐标代表15见。浓度，纵坐标代表仪器信号值，8代表盐度，1)6^1^1011代表数据相对偏差；
图51?: 14^比值对方法标准曲线的影响；
横坐标代表比值，纵坐标代表仪器信号值，如仏1-1?代表总氮15同位素，尺2代表方差，？ ? 0.0001
【具体实施方式】
[0012]以下结合具体实施例进一步详细描述本发明的技术方案。
[0013]本发明所需氧化剂次溴酸盐碘溶液为使用前自行配置，配置完成后需至于51以下环境中低温保存，其有效时间可持续三到四周。
[0014]本发明实施例中所用的氧化剂——次溴酸盐碘溶液是按照以下步骤进行配制的:首先将6001111浓度为1611101 171的版10?溶液放置于冰水混合物中，保持其温度在51以下；然后，将12001溴水(81^)逐滴加入到似0！1溶液中，在加入过程中要持续搅拌并温度始终保持低于51 ；之后，混合溶液置于冰箱(温度3-50内，待静置1周后过滤去除他8！'结晶，而获取的上清液与0.2%的1(1溶液按照等体积混合后，即得到了次溴酸盐碘溶液氧化试剂。
[0015]15順^标准储备液的配制:将5.458的15順抑溶解到80001的去离子水中，并定容至10001111，即可得到浓度为10011111101 1—1的15順^标准储备液。
[0016]本发明实施例中所用的15順4+ 同位素由1801:01)6 1^301? 1:01^168, 1110.生产，其1冗同位素含量高于99%。似01溴水、1(1等药品纯度均为分析纯。实验中所用培养瓶为英国[处⑶顶空进样瓶([处⑶￡^61:811161-)。
[0017]图1为本发明流程示意图。如图1所示，一种基于膜入口质谱仪分析溶解态氮同位素含量的方法，包括如下步骤分析水样中溶解态氮順/、顯3—氮同位素含量及比值:
步骤1，用容器备好待测液，向待测液中通氦气￠16)20分钟，以除去溶解于水中的氮气；
步骤2，在除净氮气的待测液中加入氧化剂次溴酸盐碘溶液，将待测液容器密封并振荡数分钟，待测液中的氨氮氧化为氮气；反应方程式如下:214順4%381~0—+2011—=
28%十381'-十5！！20 ；
214順3 ? 40+381*0— = 2%十381'—十5！！20 ；
215順4、381~0?20『=3%2十381'-十5！！20 ；
215順3.40+381*0— = 3%十381'—十5！！20 ；
14順4、15順4、381~0—+201 = 2\十38广十5！！20 ；
14順3 ? ^0+1? 順3 ? 40+381*0— = 29%十381'—十5！！20。
[0018]步骤3，通过标准样品膜入口质谱仪测定得到标准曲线，为保证测量的准确性，需在每次测量前均进行标准曲线的标定；
步骤4，用膜入口质谱仪对经过步骤2外理的待测液进行测量，分析氧化产生的溶解于水中的氮气，通过测量值和标准曲线进行比较，计算出待测液中氨氮所含氮同位素的含量和比值；
步骤5，测量待测液中硝氮氮同位素含量及比值；经过步骤2处理的待测液，用氧化镁除去待测液中原有的氨氮2順4^%0 = 2順3—%2、40，硫酸酸化后再用锌粉将硝氮还原为氨氮8(^+4211+1011+ =順4、42112、3！120 ；然后再用上述步骤2至步骤4测量氨氮氮同位素的方法，得出待测液中硝氮氮同位素含量及比值。
[0019]图2为本发明方法测量结果与氧化时间的对应关系图。步骤2中氧化时间与氧化率会对方法应用性产生影响的测试。配置100 ^ 111011~115^401溶液，通氦气20分钟后分装入30个1201 1^00顶空进样瓶中，将进样瓶封口并确保其气密性，然后用进样针在每个样品中加入0.21111氧化剂，按氧化时间0、10、20、30、40、50、60、90、120、180分钟用膜入口质谱仪进行测试，每个时间点设置三个平行样品。如图2所示，各时间点测试信号值无明显差异，说明该氧化过程为瞬时过程，且氧化率不随氧化时间发生变化，在极短的时间内即可达到最大氧化率。
[0020]本发明实施例采取利用标样测试得到标准曲线，再由标准曲线计算测试样品氮同位素含量的方法，以确保测试方法的精度和准度。因此，标准曲线的精准度对本方法有决定性影响。配置浓度梯度为0、20、40、60、80、100、200 411101 1/1的标准溶液，通氦气20分钟后分装入1201匕“。顶空进样瓶中，每个浓度梯度设置四个平行样。封口后每个样品中加入0.201氧化剂，振荡数分钟后完成氧化，并用膜入口质谱仪进行测试。如图3所示，尺2 = 0.9994 50116-^7他0^八，？ ? 0.00011?，标准曲线具有极好的线性关系，这表明本方法具有极好的精度和准度。
[0021〕 本发明可应用于淡水、半咸水以及海水样品中，对此本发明实施例进行了验证。配置盐度梯度为0、15、30？讨的人工海水，以模拟淡水、半咸水、海水的盐度环境。每个盐度梯度均配置浓度梯度为0、20、40、60、80、100、200 ^ 001 171的⑶順抑标准溶液，并设置四个平行样。通氦气后分装入12此[处⑶顶空进样瓶中并封口，然后每个样品中加入0.2此氧化齐0，振荡数分钟后完成氧化，并用膜入口质谱仪进行测试。如图4所示，各个盐度下的标准曲线均具有极好的线性关系。虽然各个盐度下的测量值有所偏差，但其偏差率小于5%，可认为是实验误差导致。因此，盐度对本方法无影响，本发明实施例可应用于淡水、半咸水以及海水样品中。
[0022]%:、比例被认为会对氮同位素测试方法产生影响，反应方程式如下:
214順4、381~0?20『=2%^381~?5！！20 ；
214順3 ? 40+381*0— = 2%十381'—十5！！20 ；
215順4、381~0?20『=3%2十381'-十5！！20 ；
215順3.40+381*0— = 3%十381'—十5！！20 ；
14順4、15順4、381~0—+2011— = 29~2十381^5！！20 ；
14順3 ? ^0+1? 順3 ? 40+381*0— = 29%十381'—十5！！20。
[0023]本发明实施例对此进行了验证。总順抑浓度固定在1004 11101171，14順抑和15順抑被用来配置不同比例的順抑同位素溶液。15?:、比例设置为100: 0、75: 25、50: 50,25: 75、0: 100，并设置四个平行样。样品分装、封口后加入0.2此氧化剂，振荡数分钟后完成氧化，并用膜入口质谱仪进行测试。如图5所示，虽然2卞2和3%2的含量随15~: 14~比例的变化呈现非线性的变化趋势，总1卞标准曲线依然具有极好的线性关系(尺2=0.9967 ；0116—冊7八丽八，？ ? 0.0001)。这也证明15^:、比例对本方法的精度并无影响。
[0024]本发明方法不受盐度的影响，可应用于淡水、半咸水、海水样品的测试，亦可应用于沉积物样品的测试。
[0025]本发明方法可以准确、快速地分析水样中溶解态氮順4\勵3—氮同位素含量，亦可用于单独分析溶液中氨氮中氮同位素含量、硝氮中氮同位素含量。
[0026]本方法检测限为0.111111011? 171，因此，本方法对于自然丰度的％同位素的测量有一定的局限性。但本方法非常适用于加标样品的测量，为氮转化过程的研究提供了方便、快速、经济的手段，对于推动氮同位素示踪技术的更为广泛地应用具有重要的科学意义。
[0027]最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，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中。
【权利要求】
1.一种基于膜入口质谱仪分析溶解态氮同位素含量的方法，其特征是:包括如下步骤分析水样中溶解态氮nh4+、no3_氮同位素含量及比值: 步骤1，用容器备好待测液，向待测液中通氦气20分钟，以除去溶解于水中的氮气；步骤2，在除净氮气的待测液中加入氧化剂次溴酸盐碘溶液，将待测液容器密封并振荡数分钟，待测液中的氨氮氧化为氮气； 步骤3，通过标准样品膜入口质谱仪测定得到标准曲线，为保证测量的准确性，需在每次测量前均进行标准曲线的标定； 步骤4，用膜入口质谱仪对经过步骤2外理的待测液进行测量，分析氧化产生的溶解于水中的氮气，通过测量值和标准曲线进行比较，计算出待测液中氨氮所含氮同位素的含量和比值； 步骤5，测量待测液中硝氮氮同位素含量及比值；经过步骤2处理的待测液，用氧化镁除去样品中原有的氨氮2NH4++MgO = 2NH3+Mg2++H20，硫酸酸化后再用锌粉将硝氮还原为氨氮N03_+4Zn+10H+ = NH4++4Zn2++3H20 ;然后再用上述步骤2至步骤4测量氨氮氮同位素的方法，得出待测液中硝氮氮同位素含量及比值。
2.根据权利要求1所述的一种基于膜入口质谱仪分析溶解态氮同位素含量的方法，其特征是:本发明方法不受盐度的影响，可应用于淡水、半咸水、海水样品的测试，亦可应用于沉积物样品的测试。
【文档编号】G01N27/62GK104422729SQ201310369577
【公开日】2015年3月18日 申请日期:2013年8月22日 优先权日:2013年8月22日
【发明者】侯立军, 刘敏, 尹国宇, 郑艳玲 申请人:华东师范大学