氮稳定同位素（共4篇）
氮稳定同位素 篇1
稳定碳氮同位素因具有示踪、整合和指示等多项功能和检测快速结果准确等特点, 在自然科学许多研究领域中日益展示出广阔的应用前景, 如油气地球化学沉积环境分析、生态学研究、植物生理分析、食品检测等方面[1,2,3,4,5]。
测试过程中, 标准样品的选择和使用在保证分析数据的准确性和可靠性方面, 扮演了重要的角色, 它不仅能够检验所用仪器及分析数据的误差, 还能反映出分析者的技术水平, 衡量分析数据的可靠性, 为实验数据提供质量保证和质量控制[6,7]。
目前, 国内同位素实验通用的标样有两类, 一是国际相关分析机构制作的标样, 一是国内分析机构自己研制的标样。同时, 为方便起见, 各个实验室还会有各自的工作标样, 将各自的工作标准测定值经国际标准值标准化后, 可用于科学研究和论文发表[8]。
本实验选取玉米和小麦籽粒作为研究对象, 这两种样品广泛分布于世界各地且产量较高, 便于获得且易于进行化学制备和同位素测定[9,10,11,12]。
玉米和小麦籽粒作为本实验室碳氮同位素工作标样的可行性探讨是本次实验分析的主要目的。本次实验采用的国际标样为美国地质调查局稳定碳氮同位素标样USGS40及国际原子能机构稳定碳氮同位素标样IAEA-600。
1 材料与方法
1.1 材料
供试材料来自种植于云南省昆明市的玉米和小麦籽粒, 于贸易市场进行统一购买。
1.2 仪器及实验条件
仪器:EA-MAT253联用。
实验条件:
1) 实验室温度:23~25℃, 湿度<70%;
2) 载气、参考气流度:He2100m l/m in, CO2200m l/m in;
3) 载气、参考气纯度:He2≥99.999%, CO2≥99.999%;
4) 氧化炉温度:960℃;
5) 柱箱温度:45℃;
6) 样品稀释比:CO290%, N20%。
1.3 测定技术方法
实验原理[2,8]:元素分析仪与质谱仪的联机分析技术 (EA-IRMs) 作为稳定同位素分析技术的常规手段, 可以同时获得元素成分比例与总碳同位素组成两套数据。稳定碳同位素分析的基本方法是将样品在高温下快速瞬间燃烧, 转化为CO2和N2, 然后在色谱柱上对不同的气体进行分离, 最后进入连续流质谱仪进行测量。
计算机在线分析程序检测并储存CO2质量数44、45、46离子流信号并计算出相应的45/44、46/44同位素比值, 同时检测并储存N2质量数28、29离子流信号并计算出相应的29/28同位素比值, 最后由计算机进行数据处理, 获得一系列分析结果以及所有检测到的CO2质谱峰的δ13C值和N2质谱峰的δ15N值。
试验方法:取玉米和小麦籽粒, 用超纯水洗净, 在60℃下烘干24h至恒重, 磨细过100目筛后备用。
称取1~5mg之间的玉米样品和1~5mg之间的小麦样品, 置于锡杯中并包裹紧密, 通过自动进样器送入元素分析仪 (Flash 2000) , 于960℃高温下燃烧, 将样品中的碳元素和氮元素转化成为CO2气体及N2气体, 然后通过气相色谱柱分离出来, 进入同位素质谱仪MAT253, 按照上述实验原理测定其δ13C值和δ15N值。
2 结果与讨论
测定两种工作标样的实验结果见表1。两种工作标样实验值和两种国际标样实验值的数据对比见表2。
在表1中, 随着进样量的增加, 玉米样品和小麦样品的质谱峰强度均随之增大。
由此可见, 不同的进样量对样品的质谱峰强度有一定影响。对于玉米样品, 进样量为1mg时, CO2气体质谱峰强度与参考气的质谱峰强度相近;进样量为3mg时, N2气体质谱峰强度与参考气的质谱峰强度相近。
同时, 对于小麦样品, 进样量为1mg时, CO2气体质谱峰强度与参考气的质谱峰强度相近;进样量为5mg时, N2气体质谱峰强度与参考气的质谱峰强度相近。
样品所产生的信号过低, 测试的精度会受到影响, 而信号过高可能受到仪器线性范围的影响, 测试的准确度也可能受到影响。因此, 选择玉米和小麦作为工作样品时, 样品的称量需要控制在上述范围才较为合理。
为了对实验仪器稳定性进行监控, 测试过程中加插了10个国际标样。在表2中, 美国地质调查局稳定碳氮同位素标样USGS40的实验标准偏差分别为0.040和0.041, 国际原子能机构稳定碳氮同位素标样IAEA-600的实验标准偏差分别为0.042和0.043, 两种标样的稳定性均较好。
和两种国际标样相比, 玉米样品和小麦样品的实验标准偏差同样表现出良好的稳定性, 玉米样品的标准偏差值甚至低于国际标样的标准偏差值。
由此推断, 玉米样品及小麦样品具有作为稳定碳氮同位素工作标样的潜力, 且在实验测试上表现出较好的稳定性。
3 结论
通过研究可以得出以下结论:
1) 实验过程中, 玉米与小麦籽粒易于获得, 前处理步骤简单, 测试结果稳定性良好, 具有作为稳定碳氮同位素工作标样的潜力。
2) 不同的进样量对样品的质谱峰强度产生一定的影响, 实验表明, 作为稳定碳氮同位素工作标样时, 玉米样品的最佳进样量为1~3mg, 小麦样品的最佳进样量为1~5mg。
同时, 两种样品含碳量较高, 测试过程中要对样品进行足够的稀释, 才能保证质谱峰强度保持在合适的范围内。
参考文献
[1]林光辉.稳定同位素生态学[M].北京:高等教育出版社, 2013.
[2]曾芳, 毛治超.稳定碳同位素分析技术及其在地球化学中的应用[J].石油天然气学报, 2010.
[3]刘慧杰, 田蕴, 郑天凌.稳定同位素技术在污染环境生物修复研究中的应用[J].应用与环境生物学报, 2007.
[4]白志鹏, 张利文, 彭林, 等.稳定性同位素在污染物溯源与示踪中的应用[J].城市环境与城市生态, 2006.
[5]余婕, 刘敏, 许世远, 等.长江口潮滩有机质稳定碳同位素时空分布与来源分析[J].地理研究, 2008.
[6]孙春叶, 毛治超.国产碳同位素标样的稳定性实验分析[J].科技风, 2012.
[7]曾鸽鸣, 李庆宏.化验员必备知识与技能[M].北京:化学工业出版社, 2013.
[8]李剑, 李志生, 卫孝峰, 等.稳定同位素地球化学[M].北京:地质出版社, 2012.
[9]范仲学, 王璞, 梁振兴.利用同位素示踪研究夏玉米灌浆期同化产物的运转[J].核农学报, 2001.
[10]梁银丽, 康绍忠, 山仑.利用同位素示踪研究夏玉米灌浆期同化产物的运转[J].植物生态学报, 2000.
[11]雍立华, 李树华, 许兴, 等.小麦碳同位素分辨率与抗旱生理, 农艺性状的相关研究[J].宁夏农林科技, 2007.
[12]李树华, 许兴, 张艳铃, 等.小麦不同器官碳同位素分辨率与产量的相关性研究[J].中国农学通报, 2010.
氮稳定同位素 篇2
稳定氯同位素的分馏作用有限,同位素比值变化小,测定精度要求高.在很长一段时期内,人们一直未能发现自然界稳定氯同位素组成的变化.随着测定技术的不断发展,氯同位素的分馏效应逐渐得到证实,并引起了人们的广泛关注.国内外学者已将氯同位素应用于海水、地表河流水、地下水、盐湖、古代蒸发岩(盐)和热液矿床等方面的地球化学研究中,对水体演化和矿床成因进行了较为深入的探讨和分析,并取得了一定的研究进展.这些研究工作充分表明氯同位素在水体演化和成矿理论研究以及矿产勘查等方面有着独特优势,尤其在我国开展蒸发岩(盐)氯同位素地球化学研究具有很大的发展潜力和广阔的应用前景.但氯同位素的`应用地球化学研究目前尚处于发展时期,更深入的研究还有待于测定方法的进一步完善以及对不同地球化学体系氯同位素的系统测定和研究.
作 者：许建新 马海州 肖应凯 谭红兵 李廷伟 孙志国 樊启顺 XU Jian-xin MA Hai-zhou XIAO Ying-kai TAN Hong-bing LI Ting-wei SUN Zhi-guo FAN Qi-shun 作者单位：许建新,樊启顺,XU Jian-xin,FAN Qi-shun(中国科学院青海盐湖研究所,青海,西宁,810008;中国科学院研究生院,北京,100049)
马海州,谭红兵,李廷伟,孙志国,MA Hai-zhou,TAN Hong-bing,LI Ting-wei,SUN Zhi-guo(中国科学院青海盐湖研究所,青海,西宁,810008)
肖应凯,XIAO Ying-kai(中国科学院青海盐湖研究所,青海,西宁,810008;中国科学院地球化学研究所环境地球化学国家重点实验室,贵州,贵阳,550002)
氮稳定同位素 篇3
关键词：硝酸盐,δ15N,δ18O,测试技术
0 引言
水环境受硝酸盐污染已成为全球广泛存在的环境问题。水环境一旦遭受硝酸盐污染,仅仅依靠其自身完成全部的修复和净化几乎是不可能的。为保证人类用水、饮食安全和水环境自身的良性演化,有效治理被污染的水体,识别水环境中硝酸盐(NO3-)污染的来源,示踪NO3-在水环境中的迁移转化过程,确定影响NO3-浓度的各种物理过程和化学作用显得尤为重要。
由于水环境中NO3-的来源及其转化都具有多样性,仅用常规分析化学或地球化学方法研究水环境中的硝酸盐污染,即通常使用NO3-、NO2-、NH4+等作为直接测定指标,从氮分子的角度分析,通常无法识别不同来源的氮素,因而判断NO3-在氮循环中的来源和转化、追溯NO3-污染源并不容易实现。NO3-氮氧同位素技术的建立为弥补上述不足提供了可能性,使我们有机会深入到原子/同位素的层次来考察和研究氮、氧分子:理论上,不同来源的硝酸盐是具有一定特征的N、O同位素组成,具有示踪性,因此可以利用硝酸盐中的N、O同位素来有效识别NO3-的不同来源并示踪氮的循环过程,以弥补传统方法的不足。
NO3-中N、O同位素技术有效应用的深度和广度主要依赖于精确灵敏的NO3-氮氧同位素测试技术的进步。笔者在查阅大量相关文献的基础上,就NO3-中氮氧同位素测试技术的研究现状和发展趋势进行综述,为该技术的发展及其应用提供一些有用的信息。
1 石墨燃烧法
以无毒且便宜的石墨作为C源燃烧KNO3中的NO3-。石墨燃烧法产生的气体是N2和CO2,经严格的纯化,可实现硝酸盐氮氧同位素组成的同时测定[1~3]。但多数燃烧过程中氧转化率小于100%,而且氮同位素不如传统的分析方法精确,燃烧的化学计量关系不明确,而且未与标准物质比较,数据缺乏可比性。
Kévész等[4](1997)采用石墨+Cu+Pd催化燃烧法,其化学计量关系准确(4KNO3+5 C→2 K2CO3+2 N2+3 CO2),固相K2CO3中的氧通过与H3PO4反应制取CO2来分析,使氮、氧的转化率均达到100%,氮同位素测定的精度为±0.1‰,氧同位素测定的精度为±0.2‰。他们还对国际参考标准IAEA-N3和USGS-32(KNO3)进行了测定,两者的δ18O值都为(+27.7±0.5)‰。
Kornexl等[5](1999)通过硝酸盐与颗粒状石墨在连续流的高温(1400℃)热解作用,利用产生的CO和N2测定了NO-3的δ15N、δ18O值。他们测定的国际参考标准IAEA-N3(KNO3)的δ18O值为+25.3‰±0.7‰。
2 AgNO3-离子交换法
Chang等[6](1999)和Silva等[7](2000)建立了一种NO3-中氮氧同位素的新预处理方法及焊封管燃烧法测定氮氧同位素技术。该预处理方法采用阴离子交换树脂采集水样中的溶解性NO3-。用HCl洗脱被树脂吸附的NO3-,并用Ag2O中和含NO3-的洗脱液,经滤去AgCl沉淀和冷冻干燥得到无水AgNO3,其中一部分AgNO3用来测δ15N,另一部分用来测δ18O。把用来测δ15N的无水硝酸银重新溶解在去离子水中,移至石英管并冷冻干燥,之后加入CaO、CuO丝及细铜颗粒,经燃烧法得到N2。这样制备出的N2不需纯化,直接在质谱计上进行同位素的测定。将用来测δ18O的无水硝酸银再经去除SO42-、PO43-及溶解性有机碳后而得到更纯的无水硝酸银,该无水硝酸银重新溶解在去离子水中,移至石英管并冷冻干燥,加入研磨成粉状的光谱纯石墨和一块铂丝,经燃烧反应,得到CO2进行质谱测定(周爱国等,2003)[8]。
硝酸银-阴离子交换法的优点是:①消除了从野外运输大体积水样到实验室的处理;②相对于以前Amberger使用的Hg(CN)2[9],避免了使用毒性高的化学试剂;③相比与kjeldahl蒸馏法,这种方法减少了样品的实验室预处理的时间;④整个分析过程的精确度高,氮氧同位素精确度为±0.5‰;⑤能从淡水中浓缩NO3-;⑥消除了过去对测定氮和氧时的独立处理;⑦NO3-储存在阴离子树脂交换柱上同位素分馏很小。这个方法的缺点是:①样品前处理需3~5d,成本高,测试一个样仅消耗成本就需约600元人民币;②高浓度的阴离子(例如,Cl-、SO42-、DOC等)干扰阴离子交换树脂吸附NO3-;③这个方法的最优分析需要100~200mol的NO3-,那么对低浓度硝酸盐的样品则需要更多的体积。
3 细菌反硝化法
传统分析方法的不足已经使硝酸盐氮氧同位素的实际应用十分困难[10,11]:①采用传统分析法,至少需要数十毫升的水样量(测定氮同位素至少需要4mg N,测定氧同位素则需要20mg NO3-),这对只能获得几毫升水的样品是无效的,对低浓度NO3-样品也很难满足,对SO42-和Cl-浓度很高而NO3-浓度很低的海水或咸水也不适用;②传统的硝酸盐氮、氧同位素分析需要分别处理且前处理过程复杂,费时费力;③显著的试剂空白和很大的与溶解有机氮有关的空白、同位素分馏和同位素交换作用对结果影响较大。因此,建立一种高效、简便的氮氧同位素测定方法已成为推动氮氧同位素应用的瓶颈。
Sigman等[12](2001)和Casciottias等[13](2002)提出了利用细菌反硝化法同时测定硝酸盐中氮氧同位素的新方法。它的基本原理是:将缺乏N2O活性酶的反硝化细菌加入天然浓度硝酸盐的水样中,反硝化细菌将水中硝酸盐全部转化成N2O气体,然后将分离纯化出来的N2O气体直接送入气体质谱仪测试氮氧同位素组成。
细菌反硝化法的最大优点是:①可同时测试硝酸盐中氮氧同位素组成;②所需水样品量非常小(几毫升),可直接分析含低浓度(1μmol/L)NO3-的天然水样,且无需任何化学前处理,减少了样品受污染的可能性,检测限大大降低以及酶的专一性,使得能够分析许多其它方法不能分析的样品或干扰很大的样品(只能获得几毫升水的土壤溶液样品、NO3-浓度很低的地表水和地下水样品、SO42-和Cl-浓度很高而NO3-浓度很低的海水或咸水样品);③前处理过程简单快捷,样品准备仅需2~3d,而且测定一个样只需约50元人民币的成本;④由于进行了充分的试剂空白、同位素分馏和同位素交换校正,与传统方法相比准确性更高,预示着细菌反硝化法有着极大的应用前景。
4 亚硝酸盐去除联合细菌反硝化法
由于前述方法在测定水中硝酸盐的N、O同位素比率(15N/14N和18O/16O)时,把NO3-转化为N2和CO2的同时也把水样中NO2-转化为N2和CO2,实际上测定的是NO3-+NO2-混合物的氮氧同位素组成[14]。因此,实现硝酸盐和亚硝酸盐各自氮氧同位素组成的测定具有重要的科学意义:①消除亚硝酸盐对硝酸盐同位素组成测试时的干扰,实现硝酸盐中氮氧同位素的独立测定;②实现把亚硝酸盐从水中分离出来并进行其氮氧同位素组成的独立测定,从而可利用亚硝酸盐的氮氧同位素组成研究NO2-在氮生物地球化学循环中的行为。
Granger等[14](2006)描述了使用抗坏血酸从NO3-+NO2-混合样品中去除NO2-的方法,以便使用细菌反硝化法对NO3-做准确的同位素分析:利用pH约为3.5的抗坏血酸把样品中的亚硝酸盐还原成NO,为防止反应中产生的O2把NO氧化成新的NO3-,在反应期间利用惰性气体持续把产生的NO排出。这个方法的优点是:简单、经济、安全、可有效去除亚硝酸盐,而且不影响硝酸盐氮氧同位素组成。这个方法的缺点是:抗坏血酸并不能把混合样品中NO2-全部去除(Casciotti等,2007)[15]。
5 两步化学还原法
Mc Ilvin和Allaber[16](2005)建立了两步化学还原法(镉还原法+叠氮化物法),可把样品中的NO3-还原为N2O,随后测定δ15N和δ18O:第一步,利用镉还原法把样品中的NO3-转化为NO2-;第二步,利用叠氮化钠把水样品中的NO2-(包括NO3-还原而来的和水中原有的)还原成N2O;产生的N2O经纯化后,送入质谱计中分析δ15N和δ18O。这个方法测定的仍旧是NO3-+NO2-混合物的氮氧同位素组成。
另外,利用叠氮化钠(叠氮化物法)可把混合水样品中的NO2-单独还原成N2O,可实现水中NO2-的氮氧同位素组成分析。
那么,对同一样品,从NO3-+NO2-的同位素组成中减去NO2-的氮氧同位素组成,即可获得NO3-的氮氧同位素组成。
这个方法有如下优点:①准备工作简单,在1d内可完成;②测试成本非常低,镉可重复利用;③能够分析低浓度(0.5μmol/L)和小体积的水样;④不受高浓度和有毒物质干扰;⑤可实现高效的样品分析自动化。这个方法有如下缺点:①当混合溶液中的NO2-/NO3-比值非常大时,利用这个方法测量NO3-的N和O同位素测试结果不准确;②使用的叠氮化钠是一种高毒、易爆的化合物,测试时危险比较大(Casciotti等,2007)[17]。
6 连续选择性细菌还原法
B9hlke等[18](2007)利用S.nitritireducens把水中NO2-还原成N2O,实现了水中NO2-的N和O同位素的独立分析,并用高精度的分馏研究和富含15N的示踪剂研究说明了这一技术的可行性:简单,有选择性、灵敏和精确,对于淡水和盐水(例如海水)都适用。此法称之为细菌还原法,它相似于已经公布的使用P.chlororaphisor或P.aureoficiens对NO3-和NO2-进行同位素分析的细菌反硝化法,但是使用了不同的细菌:S.nitrireducens。S.nitrireducens缺乏NO3-还原酶和N2O还原酶,只能把天然水样品中的NO2-全部还原为N2O,而不能把天然水样品中的NO3-还原为N2O,选择性非常强。而细菌反硝化法使用的不完全反硝化菌P.chlororaphisor或P.aureoficiens缺乏N2O还原酶,能把天然水样品中的NO3-、NO2-全部转化为N2O。细菌还原法和细菌反硝化法联合应用(称之为连续选择性细菌还原法),可以实现混合样品中NO2-同位素组成、NO3-同位素组成的依次独立分析。具体方法是:对同一水样品,首先利用细菌还原法先把其中的NO2-单独分离出来进行同位素分析,然后利用细菌反硝化法把此时不含NO2-样品中的NO3-单独分离出来并进行同位素分析。
连续选择性细菌还原法的缺点是:①细菌生长大约需要10~12d;②样品的毒性(如:抗生素、重金属、杀虫剂等)可能影响细菌的培养;③对δ18O分析来说,由于存在O元素的非完全转化、与H2O和中间产物之间的同位素交换反应,因此必须进行同位素分馏和同位素交换校正。
7 研究展望
毫无疑问,精确地测定水中微量nmol级NO3-的15N/14N、17O/16O、18O/16O是利用NO3-稳定同位素有效识别水环境中NO3-的不同来源并示踪氮循环过程的前提。而精确测定的实现则主要依赖于精确灵敏的硝酸盐氮氧同位素测定技术的进步。
(1)对于氮同位素组成,由于硝酸根在反硝化过程中可以完全转化为N2O(或N2),不存在质量损失,只需要进行试剂空白校正,而不需要进行同位素分馏和同位素交换校正;然而对于氧同位素组成,由于存在氧元素的非完全转化、与H2O和中间产物之间的同位素交换反应,因此必须进行试剂空白校正、同位素分馏和同位素交换校正。对于氧同位素的交换反应过程目前并不十分清楚,氧同位素交换的校正是一个复杂的过程。因此,精确测定NO3-的δ15N相对容易,精确测定δ18O则比较困难。当前,NO3-中δ15N的精确度已达0.05‰,而δ18O最高只达到0.2‰。因此,δ18O精确度仍有提高的潜力,可在样品的采集、前处理和自动化测定等方面完善和革新。
(2)对于NO3-是来自大气沉降还是来自合成化肥,使用δ15N和δ18O的关系曲线是区分不开的。在这种情况下,还要测定17O/18O比值,做δ18O-δ17O的关系图就能将两种来源区分开。由于来自化肥和细菌的NO3-的Δ17O≌0‰,大气NO3-的Δ17O≠0,而且大气NO3-沉降后在水环境中转化(迁移、化学和生物反应)由于由质量相关分馏能够改变δ18O值,但并不影响Δ17O值。因此,对于识别水环境中来自大气的NO3-,Δ17O是比传统的δ18O更敏感、更可靠的示踪剂。遗憾的是,当前测定NO3-δ15N和δ18O的方法并不适合测定δ17O;已有测定NO3-δ17O和δ18O的方法需氧量大(μmol级)、前处理复杂,而且在把NO3-从水中分离出来的过程中常常伴随有NO2-,实际上测定的是NO2-+NO3-混合物的同位素组成,并没有实现把NO3-从水中单独分离出来,大大降低了水中NO3-的氮氧同位素组成测试的精度。NO3-中氮、氧同位素的测试方法有待进一步完善,尤其是NO3-中三氧同位素的测试方法还需改进和提高。
氮稳定同位素 篇4
通过稳定同位素质谱技术分析了鸡肉中的稳定同位素δ13C和δ2H值、饲料中的δ13C值,及饮水中的δ18O值,研究鸡肉中稳定同位素组成与肉鸡的饲料和饮水的关系,从而为动物产品的溯源技术奠定基础.分别从不同地区采集鸡肉、饲料及饮水样品,测定其δ13C、δ2H及δ18O值.结果表明:鸡肉和饲料中的`δ13C值呈极显著的正相关(相关系数达0.782,P＜0.01),鸡肉中的δ2H值和饮水中的δ13O值呈高度正相关(相关系数达0.816,P＜0.01).说明可以根据鸡肉中的δ13C、δ2H值推断肉鸡的饲料和产地.
作 者：王慧文 杨曙明 程永友 WANG Hui-wen YANG Shu-ming CHENG Yong-you 作者单位：王慧文,WANG Hui-wen(中国农业科学院农业质量标准与检测技术研究所,北京,100081;河北北方学院牧业工程系,河北张家口,075131)
杨曙明,程永友,YANG Shu-ming,CHENG Yong-you(中国农业科学院农业质量标准与检测技术研究所,北京,100081)