一种硝酸盐氮氧同位素样品分析的前处理方法技术

本发明专利技术公开了一种硝酸盐氮氧同位素样品分析的前处理方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、样品稀释：对批次样品分别进行稀释，并确保批次样品稀释后体积均在40ml以上；步骤2、pH值调节：将稀释后的样品溶液的pH值调节至6.0～8.0；步骤3、金属还原：向步骤2中完成pH值调节的样品溶液中加入还原性金属，得到溶液A，将溶液A转入顶空瓶中并加盖密封；步骤4、化学转化：将乙酸溶液和NaN3溶液混合，并得到溶液B，再向装有溶液A的顶空瓶中注入溶液B，充分振荡顶空瓶，将顶空瓶内得到的N2O气体送入气体质谱仪进行氮氧同位素比值测定。本发明专利技术采用上述方法，能够使操作流程相对简单，提高转化效率，增大适用范围，且反应更稳定。

A Pretreatment Method for Nitrate Nitrogen and Oxygen Isotope Sample Analysis

The invention discloses a pretreatment method for nitrate nitrogen and oxygen isotope sample analysis, which is characterized by the following steps: step 1, sample dilution: diluting batch samples separately, and ensuring that the volume of batch samples after dilution is above 40 ml; step 2, pH adjustment: adjusting the pH value of diluted sample solution Section 6.0-8.0; Step 3, Metal reduction: Adding reducing metals to sample solution adjusted by pH value in step 2 to obtain solution A, then transferring solution A into headspace bottle and sealing with cap; Step 4, chemical conversion: mixing acetic acid solution and NaN3 solution, and obtaining solution B, then injecting solution A into headspace bottle. Solution B, fully oscillating the headspace bottle, the N2O gas obtained from the headspace bottle was sent to the gas mass spectrometer for the determination of nitrogen and oxygen isotope ratios. By adopting the above method, the invention can make the operation process relatively simple, improve the conversion efficiency, enlarge the scope of application, and the reaction is more stable.

【技术实现步骤摘要】
一种硝酸盐氮氧同位素样品分析的前处理方法
本专利技术属于稳定同位素测定领域，具体涉及一种硝酸盐氮氧同位素样品分析的前处理方法。
技术介绍
氮是地球上生命体的必需元素，也是生命代谢活动的核心元素之一。在农业上，氮既是增产的要素也是土壤生产力的主要限制因素。19世纪氮肥工业的发展和农业应用，提高了作物产量，在保障粮食供给和世界人口增长中发挥了及其重要的作用，但与此同时，过高的农业氮肥投入也导致大量的活性氮进入环境，强烈的干扰了氮素的生物地球化学循环。据估算，人类活动导致进入生物圈的活性氮的量由1860年的15Tg增加到1990年的156Tg，大大超过了自然生态系统生物固氮的量，越来越多的活性氮因而进入到大气、土壤和水体中，造成一系列的生态环境问题诸如大气污染、温室效应、土壤酸化及水体富营养化等。硝化与反硝化作用是土壤氮(N)循环的重要过程，也是土壤氮素输出的关键途径，决定着整个生态系统氮循环的速度和与外界交换的通量。定量表达硝化与反硝化作用强弱、动态及其影响因素是深入理解氮循环的关键，具有重要的科学意义。此外，硝化与反硝化过程均会释放N2O，具有较高的增温潜势和大气驻留时间，是一类主要的温室气体。因此，准确刻画土壤硝化与反硝化过程对于评估温室气体排放和气候变化具有重要的实践价值。在全球变化背景下，土壤氮循环，尤其是硝化与反硝化过程对增温、氮沉降、降雨等的响应受到了广泛关注，并取得了重要成果与进展。然而，由于研究手段与方法的限制，对于硝化与反硝化作用的测量、时空动态刻画和机理研究仍存在较大差异和不足。因此，亟需开展相关研究，以深入认识氮循环对未来气候变化的反馈与机制。由于原子核所含有的中子数不同，具有相同质子数的原子具有不同的质量，这些原子被称为同位素。例如，氮的2个主要同位素分别为14N和15N，它们都有7个质子和7个电子，但中子数分别为7和8。同位素可分为两大类:放射性同位素(radioactiveisotope)和稳定同位素(stableisotope)。凡能自发地放出粒子并衰变为另一种同位素的被称为放射性同位素，无可测放射性的同位素是稳定同位素。其中一部分是放射性同位素衰变的最终稳定产物。例如206Pb和87Sr等。其余的大部分是天然的稳定同位素，即自核合成以来就保持稳定的同位素，例如12C和13C、14N和15N、16O和18O等。与质子相比，含有太多或太少中子均会导致同位素的不稳定性，如14C。这些不稳定的放射性同位素将会衰变成稳定同位素。某一同位素在所有各种稳定同位素总量中的相对份额即绝对丰度，常以该同位素与1H(取1H＝1012)或28Si(28Si＝106)的比值表示。绝对丰度一般是由太阳光谱和陨石的实测结果给出元素组成，结合各元素的同位素组成计算的。同一元素各同位素的相对含量称为相对丰度。例如12C＝98.892％，13C＝1.108％。大多数元素由两种或两种以上同位素组成，少数元素为单同位素元素，例如19F＝100％。一般定义同位素比值R为某一元素的重同位素原子丰度与轻同位素原子丰度之比，如D/H、13C/12C、15N/14N等，由于轻元素在自然界中相对丰度很高，而重同位素的相对丰度都很低，R值通常很低且冗长繁琐不便比较，故在实际工作中通常采用样品的δ值来表示样品的同位素成分。样品(sq)的同位素比值Rsq与标准物质(st)的同位素比值(Rst)比较结果称为样品的δ值。其定义为：δ(‰)＝(Rsq/Rst-1)×1000，即样品的同位素比值相对于标准物质同位素比值的千分差。δ值的大小显然与所采用的标准有关，所以分析同位素时首先要选择合适的标准，不同的样品间的比较也必须采用统一标准才有意义。对同位素标准物质的一般要求是：组成均一性稳定；数量较多，以便长期使用；化学制备和同位素测量的手续简便；大致为天然同位素比值变化范围的中值，以便用于绝大多数样品的测定；可以作为世界范围的零点。目前国际通用的同位素标准是由国际原子能委员会(IAEA)和美国国家标准和技术研究所(NIST)颁布的，其中氮同位素的标准为空气中的氮气，15N/14N＝(3.6765±8.1)×10-6，定义其δ15N＝0‰。质谱是按照原子(分子)质量的顺序排列的图谱。利用光谱法、核感应法或微波吸收法都可以构成试验装置，进行质谱研究；而历史上把基于电磁学原理设计而成的仪器叫做质谱仪(massspectrometer或massspectrograph)。因为这种仪器中采用的质量分析器只能对带电粒子起分离作用，所以，要求将被研究的原子(分子)转变成离子，而仪器所获得的信息则是离子的质量m与电荷e之比m/e。近百年来，人们利用质谱仪进行了原子量测定、同位素分离与分析、有机物结构分析和其他科学实验，形成质谱法(massspectrometry或massspectroscopy)，其在现代分离、分析研究领域中占有重要地位。稳定同位素质谱仪的基本原理是首先将样品转化为气体(如CO2、N2、SO2或H2)，在离子源中将气体分子离子化(从每个分子中剥离一个电子，导致每个分子带有一个正电荷)，然后将离子化气体打入飞行管中。飞行管是弯曲的，其上方置有磁铁，带电分子依质量不同而分离，含有重同位素的分子弯曲程度小于含轻同位素的分子。在飞行管的末端有一个法拉第收集器，用以测量经过磁体分离之后，具有特定质量的离子束强度。由于它是把样品转化为气体才能测定，所以又叫气体稳定同位素比率质谱仪。以N2为例，需要有两个法拉第收集器来收集质量分别是28和29的离子束。不同质量离子同时收集，从而可以精确测定不同质量离子之间的比率。稳定同位素的测定大致分为3个步骤：1)样品的采集、制备和前处理；2)将样品转化成具有所测元素的纯气体；3)用质谱仪测定同位素比率。近年来，随着稳定同位素质谱技术的飞速发展，样品进行前处理后，可使用商业化的同位素质谱联用装置完成后续的气体转化和测定步骤。例如，元素分析仪-稳定同位素质谱仪(EA-IRMS)，气相色谱仪-燃烧炉-稳定同位素质谱仪(GC-c-IRMS)，多用途气体制备及导入装置-稳定同位素质谱仪(GasBenchII-IRMS)，痕量气体预浓缩装置-稳定同位素质谱仪(PreCon-IRMS)，痕量气体-稳定同位素质谱仪(TraceGas-IRMS)，液相色谱仪-稳定同位素分析仪(LC-IRMS)，总有机碳氮分析仪-稳定同位素质谱仪(TOC-IRMS)等，可以测定固体、液体、气体多种形态样品中稳定氮同位素比值。现有硝酸盐同位素样品分析的前处理方法主要有氨蒸馏法、铵扩散法、离子色谱法、细菌反硝化法和化学转化法。各种方法的主要特点及优缺点简介如下：1)氨蒸馏法：建立于20世纪60年代，主要是利用戴氏合金将硝酸盐还原为铵盐，次溴酸钠氧化生产氮气进行分析，优点是可分析各形态的氮元素、方法成熟稳定，缺点是样品用量大、需要大量硅酸盐器材、易交叉污染、效率低、只能测N同位素。2)氨扩散法：建立于20世纪80年代，利用吸收装置吸收水样中原有和转化的铵根离子，进行分析，后期改进为三明治夹膜结构，效率有所提高，优点是方法简单、不受水体性质的影响，缺点是吸收过程影响测量精密度、分析过程易产生分馏且分析过程长、只能测N同位素。3)离子交换法：建立本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种硝酸盐氮氧同位素样品分析的前处理方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、样品稀释：对批次样品分别进行稀释，并确保批次样品稀释后体积均在40ml以上；步骤2、pH值调节：将稀释后的样品溶液的pH值调节至6.0～8.0；步骤3、金属还原：向步骤2中完成pH值调节的样品溶液中加入还原性金属，振荡，使还原性金属与样品溶液充分反应，振荡结束后，得到溶液A，将溶液A转入顶空瓶中并加盖密封；步骤4、化学转化：将乙酸溶液和NaN3溶液混合，然后向混合溶液中通入惰性气体，吹扫NaN3中含N杂质反应生成的N2O气体，并得到溶液B，再向装有溶液A的顶空瓶中注入溶液B，充分振荡顶空瓶，再注入NaOH溶液，终止反应，将顶空瓶内得到的N2O气体送入稳定同位素质谱仪进行氮氧同位素比值测定。

【技术特征摘要】
1.一种硝酸盐氮氧同位素样品分析的前处理方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、样品稀释：对批次样品分别进行稀释，并确保批次样品稀释后体积均在40ml以上；步骤2、pH值调节：将稀释后的样品溶液的pH值调节至6.0～8.0；步骤3、金属还原：向步骤2中完成pH值调节的样品溶液中加入还原性金属，振荡，使还原性金属与样品溶液充分反应，振荡结束后，得到溶液A，将溶液A转入顶空瓶中并加盖密封；步骤4、化学转化：将乙酸溶液和NaN3溶液混合，然后向混合溶液中通入惰性气体，吹扫NaN3中含N杂质反应生成的N2O气体，并得到溶液B，再向装有溶液A的顶空瓶中注入溶液B，充分振荡顶空瓶，再注入NaOH溶液，终止反应，将顶空瓶内得到的N2O气体送入稳定同位素质谱仪进行氮氧同位素比值测定。2.根据权利要求1所述的一种硝酸盐氮氧同位素样品分析的前处理方法，其特征在于，所述步骤1中，每批次样品含有至少40个样本，包括3个标准品、2个质控、1个空白以及至少34个实际样品。3.根据权利要求1所述的一种硝酸盐氮氧同位素样品分析的前处理方法，其特征在于，所述步骤1的具体过程为：用0.2～0.7mol/L氯化钠溶液稀释样品，使样品中的NO3--N降至15～25μmol/L，并确保批次样品稀释后体积均在40ml以上。4.根据权利要求3所述的一种硝酸盐氮氧同位素样品分析的前处理方法，其特征在于，所述步骤2的具体过程为：先加入数滴0.5～1.0mol/LHCl使溶液pH值降至2.0～3.0，然后再加入1.0～2.0mol/L咪唑使pH值升至6.0～8.0。5.根据权利要求4所述的一种硝酸盐氮氧同位素样品分析的前处理方法，其特征在于，所述步骤1中，先通过公式Vd...

【专利技术属性】
技术研发人员：李娜，周星梅，王曦，陈建中，
申请(专利权)人：中国科学院成都生物研究所，
类型：发明
国别省市：四川,51