反硝化细菌法生成的氧化亚氮气体氮氧同位素分析仪的制作方法
【专利摘要】本发明公开一台用于反硝化细菌法生成的氧化亚氮稳定同位素富集分析仪。其特征是通过本装置可以实现对反硝化细菌法生成的氧化亚氮气体的富集、提纯，除去气体CO2和水汽和细菌反应过程中生成的大量有机成分，避免了杂质气体进入质谱对测试的影响；在实现对氧化亚氮气体中δ18O/16O和δ15N/14N的分析测试同时，通过对氧化亚氮气体的高温裂解，导入气体同位素质谱仪实现对N2和O2的δ15N/14N和δ17O/16O或excess17O/16O和δ18O/16O分析测定。
【专利说明】
反硝化细菌法生成的氧化亚氮气体氮氧同位素分析仪
技术领域
[0001] 本发明涉及一台反硝化细菌法生成的氧化亚氮气体的氮氧同位素分析仪。
[0002]
【背景技术】
[0003] 反硝化细菌法测试技术是目前国际上先进的硝酸盐氮氧同位素测试技术，体现在 常温常压下实现样品NOf转化为质谱可测气体N 20,可同时测试N20气体的δ18〇/16〇和δ 15Ν/14Ν 同位素组成。其测试技术被广泛应用于土壤分析、环境监测等领域（中国农业科学院农业环 境与可持续发展研究所，徐春英、李玉中等）。实验过程包括细菌挑选和培养、样品Ν0 31 专化 Ν20、Ν20气体升温手动或在线提取与纯化(用痕量气体分析仪Trace Gas完成）、Ν20气体的氮 氧稳定同位素分析等环节。但这种方法只能测试Ν20中的δ 18〇/16〇和δ15Ν/14Ν，无法实现对硝 酸盐样品N(V的δ 17〇/16〇或excess170/160的分析测定。
[0004]
【发明内容】
[0005] 鉴于上述，本发明在吸取前人经验基础上，借鉴成熟的反硝化细菌法对硝酸盐中 N2〇气体提取技术，基于痕量气体分析仪Trace Gas富集提纯工作原理，提供一种反硝化细 菌法生成的氧化亚氮气体氮氧同位素分析仪。其中反硝化细菌法的实验过程主要有以下步 骤:戀反消化细菌挑选:挑选无 N20还原酶的反硝化细菌如绿针假单孢菌、致金色单孢菌等 进行复活复壮;:'f细菌培养:使用胰蛋白大豆肉汤作为培养基对细菌培养;(I)样品N0厂转化 为N 20:样品注入培养好并浓缩后的菌液过夜反应，并注入NaOH反应瓶中吸收其中的C02后停 止细菌反应;Φ收集提取瓶中生成的N20气体。本仪器正是利用反硝化细菌法生成的氧化亚 氮气体对提取的N 20气体进行再富集提纯和分析，并且，同时兼顾N20气体裂解分析双重功能 的分析装置，配合气体同位素质谱仪共同完成对硝酸盐中氮氧稳定同位素丰度δ 15Ν/14Ν、δ 170/160或 excess170/160和 δ18〇/16〇 的分析测定。
[0006] 本发明的目的是这样实现的： 一种反硝化细菌法生成的氧化亚氮气体氮氧同位素分析仪，主要包括:六通阀(Α)、六 通阀（Α)的六个接点：（&1、&2、&3、 &4、&5、&6)、六通阀（8)、六通阀（8)的六个接点：（131士2、 b3、b4、b5、b6)、He载气（1)、电冷阱（2)、化学阱（3)、V0C阱（4)、样品瓶（5)、液氮冷阱LN1 (6)、冷阱LN2(7)、色谱柱(8)、裂解炉(9)、色谱柱（10)、去水阱（11)、样品气的开始分流接口 (12)、气体同位素质谱仪（13)、取样针（14)、参考气〇2(15)、参考气吣（16)、参考气吣0(17)、 参考气开式分流接口（18)， 六通阀(A)的六个接点：（al、a2、a3、a4、a5、a6)间切换有负载(load)和添加(inject)两 种状态：当六通阀(A)处于负载（load)状态时，六通阀(A)的接点(al、a6)、液氮冷阱LN1(6) 和六通阀(A)的接点(a3、a2)连接;六通阀(A)的接点(a5、a4)和冷阱LN2(7)连接;六通阀(A) 处于添加（inject)状态时，六通阀（A)接点（a5)、（a6)、液氮冷阱LN1(6)和六通阀（A)接点 (33、&4)、冷阱1^2(7)连接;六通阀以)的接点(31、32)和￥0(：阱(4)连接。
[0007] 同样，六通阀（B)的六个接点：（131士243士445士6)间切换有负载（1〇&(1)和添加 (inject)两种状态：当六通阀(B)处于负载(load)状态时，六通阀(B)的接点(b2、b3)、裂解 炉(9)、色谱柱（10)和六通阀（B)的接点（b6)、（bl)连接;六通阀（B)的接点（b4)、（b5)连接； 当六通阀（B)处于添加（inject)状态时，六通阀（B)接点（（b4)、（b3)、裂解炉（9)、色谱柱
[10] 、六通阀（8)的接点化6)、化5)连接;六通阀（8)的接点化2)、（131)分别和色谱柱(8)、去 水阱（11)连接。
[0008] 本发明的优点是： 本发明可以实现对反硝化细菌法生成的氧化亚氮气体的富集、提纯，除去气体c〇2和水 汽和细菌反应过程中生成的大量有机成分，避免了杂质气体进入质谱对测试的影响;在实 现对氧化亚氮气体中s180/ 160和δ15Ν/14Ν的分析测试同时，通过对氧化亚氮气体的高温裂解， 可以实现对他和 〇2 的 δ15Ν/14Ν 和 δ17〇/16〇 或 excess17〇/16〇 和 δ18〇/16〇 分析。
[0009] 本发明原理简单，结构设计上集取样、富集、提纯、裂解、分离等功能于一体，使样 品的测试流程简单便捷，操作方便，可以有效的提高测试数值的准确性，具有良好的使用和 推广价值。
[0010]
【附图说明】
[0011] 图1是本发明Ν20取样富集状态原理图。
[0012] 图2是本发明Ν20转移富集分析状态原理图。
[0013]图3是本发明Ν20裂解分析状态原理图。
[0014] 图4是本发明参考气体开式分流接口示意图。
【具体实施方式】
[0015] 本发明采用电冷阱2温控范围在-10°C - 100°C;化学阱3内装高氯酸镁和碱石灰； V0C阱4放在酒精液氮中；色谱柱8为Plot-Q毛细管分离柱;裂解炉9为特制金金属高温裂解 炉;色谱柱10为5A分子筛分离柱;去水讲11维持一路He载气1;参考气开式分流接口 18有参 考气〇2 15、参考气N2 16、参考气N2017和He载气1。
[0016] 下面，本发明提供完整的测试流程和各段气流的压力和流量参数，结合整套分析 仪的使用给出了关键的技术路线和说明书附图，对本发明的技术方案作进一步的说明： 如图1-4所示，一种反硝化细菌法生成的氧化亚氮气体氮氧同位素分析仪，主要包括六 通阀(A)、六通阀(A)的六个接点：（&1、32、33、34、&5、36)、六通阀（8)、六通阀（8)的六个接 点：（b 1、b2、b3、b4、b5、b6)、He载气1、电冷阱2、化学阱3、V0C阱4、样品瓶5、液氮冷阱LN16、 冷阱LN2 7、色谱柱8、裂解炉9、色谱柱10、去水阱11、样品气的开始分流接口 12、气体同位素 质谱仪13、取样针14、参考气02 15、参考气N2 16、参考气N20 17、参考气开始分流接口 18。
[0017] 六通阀六）的六个接点（31、32、33、34、35、36)间和六通阀（8)的六个接点：（131、匕2、 匕344、&5、&6)间的切换都有负载（1〇&(1)和添加（;[11」6(31:)两种状态，通过六通阀(4)和六通 阀(B)间状态的切换和组合能够完成样品的富集、提纯、转移、裂解和分析等功能。其连通状 态和对应分析过程如I)--辦)所示： I)N20气体的取样富集过程：在六通阀(A)的负载（load)状态下，由反消化细菌法收 集在样品瓶(5)中N20气体在He载气1携带下由插入样品瓶5中的取样针14流出，依次通过电 冷阱2、化学阱3、V0C阱4和六通阀(A)接点(a 1、a6)进入液氮冷阱LN1中冷冻存储，其中未冻 结的杂气由六通阀（A)接点（a3、a2)连通排出，完成N20气体的取样富集；另一路He载气1通 过毛细管由六通阀(A)接点(a5、a4)进入，依次通过冷阱LN2 7、色谱柱8和六通阀(B)的接点 (b2)连接并维持此段管路的洁净。
[0018] Π )Ν20气体的转移富集提纯过程:在六通阀（A)的添加（inject)状态下，一路He 载气1通过毛细管由六通阀(A)接点(a5、a6)进入，通过升温后的液氮冷阱LN1 6,将液氮冷 阱LN1 6中的N20样品气体转移到冷阱LN2 7中冻结再提纯富集，最后由色谱柱8和六通阀 (B)接点(b2)连通排出。
[0019] ΙΠ )Ν20气体的δ15Ν/14Ν和δ18〇/ 16〇分析过程:在六通阀⑶的添加（inject)状态下， 六通阀（B)的接点（b2、bl)连通，六通阀（B)接点（b2)通过色谱柱（8)和六通阀（A)的负载 (load)状态接点(a4)连通，这时He载气（1)通过六通阀(A)接点(a5、a4)进入，携带冷阱LN2 7升温后的N 20气体经色谱柱8、，六通阀（B)接点（b2、bl)、去水阱（11)后进入样品气的开始 分流接口 12和气体同位素质谱仪13完成对N20气体氮氧稳定同位素的分析;一路He载气1通 过毛细管由六通阀(B)的接点(b4)进入，依次由六通阀(B)的接点(b3)、裂解炉9、色谱柱10、 六通阀(B)的接点(b6、b5)连通后排出，维持系统管路洁净。
[0020] Σ￥)Ν20气体的裂解分析过程:在六通阀（B)的负载（load)状态下，六通阀（B)的接 点(b2、b3 )、裂解炉9、色谱柱10和六通阀(B)的接点（b6、b 1)依次连通，一路He载气1通过毛 细管由六通阀(A)接点（a5、a4)进入，携带冷阱LN2 7升温后的N20气体经色谱柱8分离和六 通阀(B)的接点(b2、b3)连通进入裂解炉9高温裂解，裂解后生成他和0 2气体再经色谱柱10分 离后由去水阱11除水后分别进入样品气的开始分流接口 12并和气体同位素质谱仪13,在线 完成对他和02氮氧稳定同位素δ15Ν/ 14Ν和δ18〇/16〇、δ17〇/16〇分析；.六通阀⑶接点（b4、b5)连 通并有He载气1流通。
【主权项】
1.一种应用于反硝化细菌法生成的氧化亚氮稳定同位素富集分析仪，六通阀(A)、六通 阀(A)的六个接点：（al、a2、a3、a4、a5、a6)、六通阀（B)、六通阀（B)的六个接点：（bl、b2、b3、 匕4士546)、他载气（1)、电冷阱（2)、化学阱（3)、￥0(：阱(4)、样品瓶(5)、液氮冷阱1^1(6)、冷 阱LN2(7)、色谱柱(8)、裂解炉(9)、色谱柱（10)、去水阱（11)、样品气的开始分流接口（12)、 气体同位素质谱仪（13)、取样针（14)、参考气0 2(15)、参考气N2(16)、参考气N20(17)、参考气 开始分流接口（ 18)，其特征是： 六通阀(A)的六个接点：（a 1、a2、a3、a4、a5、a6)间切换有负载（load)和添加（inject): 当六通阀（A)处于负载（1 oad)状态时，由反消化细菌法收集在样品瓶(5)中N20气体在He载 气（1)携带下由插入样品瓶(5)中的取样针（14)流出，依次通过电冷阱（2)、化学阱（3)、V0C 阱(4)和六通阀(A)接点(al )、（a6)进入液氮冷阱LN1中冷冻存储，其中未冻结的杂气由六通 阀（A)接点（a3、a2)连通排出，完成N20气体的取样富集；另一路He载气（1)通过毛细管由六 通阀(A )接点（a5、a4 )进入，依次通过冷阱LN2 (7 )、色谱柱(8 )和六通阀（B )的接点（b 2)连接 并保持此段管路的洁净； 在六通阀（A)的添加（inject)状态时，一路He载气（1)通过毛细管由六通阀（A)接点 (a5、a6)进入，通过升温后的液氮冷阱LN1(6)，将液氮冷阱LN1(6)中的N20样品气体转移到 冷阱LN2(7)中冻结再提纯和富集，最后由色谱柱(8)和六通阀(B)接点(b2)连通排出； 六通阀（B)的六个接点：（1314243士44546)间切换有负载（1〇&(1)和添加（111」6(^) : 当六通阀（B)的添加（inject)状态时，六通阀（B)的接点（b2、bl)连通，六通阀（B)的接点 (b2)通过色谱柱（8)和六通阀（A)的负载（load)状态连通，这时He载气（1)通过六通阀（A) 接点(a5、a4)进入，携带冷阱LN2(7)升温后的N 20气体经色谱柱(8)分离、六通阀(B)的接点 (b2、bl)、去水阱（11)去水后进入样品气的开始分流接口（12)和气体同位素质谱仪（13)完 成对N 20气体氮氧稳定同位素的分析;一路He载气（1)通过毛细管由六通阀（B)的接点（b4) 进入，依次由六通阀（B)的接点（b3)、裂解炉(9)、色谱柱（10)、六通阀（B)的接点（b6、b5)连 通后排出，维持系统管路洁净；；当六通阀（B)处于负载（load)状态时，六通阀（B)的接点 仏2 43)、裂解炉(9)、色谱柱（10)和六通阀（8)的接点化6、131)依次连通，六通阀(4)接点 (a5、a4)进入，携带冷阱LN2(7)升温后的N 20气体经色谱柱(8)分离通过毛细管由六通阀(A) 接点(a5、a4)进入，携带冷阱LN2(7)升温后的N 20气体经色谱柱(8)和六通阀（B)的接点（b2、 b3)连通进入裂解炉(9)高温裂解，裂解后生成犯和02气体再经色谱柱（10)分离后由去水阱 (11)除水后分别进入样品气的开始分流接口（12)并和气体同位素质谱仪(13)，在线完成对 N2和02氮氧稳定同位素 δ15Ν/14Ν和δ18〇/16〇、δ 17〇/16〇分析测定。
【文档编号】G01N1/28GK105973671SQ201610510692
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年7月3日
【发明人】孙维贞, 余海棠, 王宁练, 武小波, 赵国辉
【申请人】中国科学院寒区旱区环境与工程研究所