元素分析-同位素質(zhì)譜聯(lián)用測定微量氮元素同位素方法研究

尹希杰，劉維維，王永濤,2，蘇 靜，李廷偉

(1.自然資源部第三海洋研究所，信息與測試保障中心，福建 廈門 361005； 2.河南理工大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，河南 焦作 454000；3.中國科學(xué)院青海鹽湖研究所，青海 西寧 810008)

氮是生命活動的主要元素之一，對各類生命體、食物鏈、生態(tài)系統(tǒng)甚至整個生物圈功能的實現(xiàn)都起著不可或缺的作用。在科學(xué)探究全球氮循環(huán)方面，自然環(huán)境中存在的氮穩(wěn)定同位素具有重要的地位和作用[1]，因同位素具有示蹤、整合和指示等功能，以及檢測快速、結(jié)果準確等特點，在自然科學(xué)研究中展現(xiàn)出日益廣闊的應(yīng)用前景，如生態(tài)學(xué)研究、植物生理分析和食品檢測等[2-6]。

目前，測定固體樣品中總氮含量的常用方法有凱式蒸餾法和元素分析高溫燃燒還原法[7-8]。氮穩(wěn)定同位素分析主要采用元素分析-同位素質(zhì)譜(EA-IRMS)聯(lián)用的高溫氧化還原在線測定技術(shù)，與傳統(tǒng)的真空熱解法和次溴酸氧化離線法制樣測定氮同位素相比，EA-IRMS具有高效、便捷的優(yōu)點，簡化了前處理過程，降低了人為操作誤差，是測定固體樣品總氮含量及其穩(wěn)定同位素比值的通用方法[9]。但元素分析儀載氣流速通常大于100 mL/min，而穩(wěn)定同位素質(zhì)譜通常需要真空度在10-8MPa以上，進入質(zhì)譜離子源的氣體流速僅約0.1 mL/min。EA-IRMS聯(lián)用技術(shù)需要對進入質(zhì)譜的載氣進行較大比例地稀釋，導(dǎo)致樣品檢出限較高，極大限制了該技術(shù)對低含氮量固體樣品的測試。

EA-IRMS測試氮同位素δ15N值時，當標準偏差滿足0.2‰(n=6)的要求，氮元素的質(zhì)量一般須大于20 μg，而當元素分析儀的固體包樣量超過30 mg，樣品中氮元素在氧化管中難以被瞬間充分氧化，導(dǎo)致譜圖存在明顯拖尾現(xiàn)象，使氮含量的測試結(jié)果偏低并產(chǎn)生同位素分餾。一些固體樣品(如巖石粉末、海洋沉積物和貧瘠的土壤)中的氮含量較低(低于0.07%)，采用EA-IRMS聯(lián)用技術(shù)測試這些樣品難以獲得理想的結(jié)果。粟敏等[10]發(fā)現(xiàn)在測試氮同位素時，尤其對低含氮量樣品，進樣量會直接影響實驗結(jié)果，只有當進樣量達到一定量以后，氮同位素的測試值才能接近準確值，最終數(shù)據(jù)表明，測試樣品中絕對含氮量為30～50 μg時，結(jié)果偏差最小，所測得的氮同位素最可靠[10]。受實驗條件的限制，目前典型沉積環(huán)境中低含氮量的烴源巖及原油樣品的測試數(shù)據(jù)極少，對沉積有機質(zhì)的氮同位素研究較薄弱，關(guān)于氮同位素的測試條件和分析方法的報道較少。

為解決低含氮量樣品難以測試氮同位素這一問題，本研究擬通過改變氧化管、還原管和除水管的管徑，優(yōu)化色譜柱條件，減小載氣流速，并保持氮氣色譜圖峰形基本不變，實現(xiàn)降低目標氣體的稀釋度，進而提高EA-IRMS對氮氣的檢出限。

1 實驗部分

1.1 儀器與裝置

EA-IRMS分析系統(tǒng)主要由Sercon iso Earth型元素分析儀和Sercon HS20-22同位素比值質(zhì)譜儀組成；元素分析儀主要由66孔旋轉(zhuǎn)木馬式的氣動自動進樣裝置、氧化柱、還原柱、吸水柱和分離柱等部分組成；氧化柱自上而下依次填充有氧化鉻、氧化銅和鍍銀氧化鈷；還原柱自上而下依次填充有石英碎屑和線狀還原銅；吸水柱填充高氯酸鎂；包裹固體樣品用的錫杯為5 mm×8 mm；梅特勒百萬分之一電子天平；載氣He(純度>99.999%)，助燃氣O2(純度>99.999%)，參考氣N2(純度>99.999%)。

1.2 樣品與試劑

氮同位素的標準物質(zhì)有IAEA-600(咖啡因)：δ15N=1‰；實驗室標準乙酰苯胺(ACET)：δ15N=1.18‰。

沉積物樣品采自某市濱海濕地公園，首次測試后發(fā)現(xiàn)其含氮量低于0.1%，屬于低含氮量樣品。

1.3 實驗方法

用錫杯包好稱重的樣品，在He氛圍下經(jīng)自動進樣器送入高溫氧化管，1 000 ℃氧氣氛圍中瞬間氧化生成多種成分的混合氣體，固體樣品中的氮元素被氧化，隨后在600 ℃下氮的氧化物被還原銅還原成N2，生成的氮氣和其他氣體通過化學(xué)阱除去水分，再經(jīng)色譜柱分離，進入熱導(dǎo)檢測器(TCD)測定氮含量，少量氮氣進入同位素比值質(zhì)譜儀中，測定氮穩(wěn)定同位素比值。

1.4 樣品前處理及測試流程

用研缽研磨風(fēng)干的固體樣品，過100目篩，常溫下干燥保存。根據(jù)樣品中的含氮量，用百萬分之一天平準確稱量樣品粉末，用錫箔杯緊密包裹成球狀，并按樣品編號依次放入96孔板中。將包裹好的標準物質(zhì)和樣品放入元素分析儀的自動進樣器中，前5個孔不放(測量空白)，然后按照合適的間隔放置標準品和樣品。在開始、中間和末尾都要放置實驗室標準品，用來校正儀器測試過程中的漂移。

2 元素分析儀優(yōu)化改裝

2.1 優(yōu)化前元素分析儀配件規(guī)格

元素分析儀優(yōu)化前，氧化管、還原管的石英玻璃管的規(guī)格一致，外徑20 mm，內(nèi)徑16 mm，長48 cm；除水阱內(nèi)徑10 mm；色譜柱內(nèi)徑4.8 mm，填料類型為Carbosieve G，60～80目，長40 cm。具體配置示于圖1。

2.2 優(yōu)化前測試條件

氧化柱溫度1 000 ℃，還原管溫度600 ℃，色譜柱溫度60 ℃；He壓力117 kPa，流速80 mL/min；O2壓力124 kPa，流速100 mL/min，加氧時間20 s。

圖1 優(yōu)化前元素分析儀的配置Fig.1 Element analyzer configuration before modified

2.3 優(yōu)化后元素分析儀配件規(guī)格

氧化管上半部分和優(yōu)化前用的石英玻璃管內(nèi)徑一致，內(nèi)徑16 mm，長24 cm，其中放置的灰分管規(guī)格與優(yōu)化前的一樣，下半部分管徑變細，內(nèi)徑8 mm，長19 cm，用于填充氧化劑(Cr2O3和CuO)和鍍銀氧化鈷(Co3O4Ag)；還原管外徑6 mm，內(nèi)徑4 mm，長48 cm；色譜柱內(nèi)徑2 mm，填料類型為Carbosieve G，60～80目，長50 cm。具體配置示于圖2。

2.4 優(yōu)化后測試條件

氧化柱溫度1 050 ℃，還原柱溫度640 ℃，色譜柱溫度60 ℃；He壓力207 kPa，He流速20 mL/min；O2壓力214 kPa，O2流速40 mL/min，加氧時間10 s。

圖2 優(yōu)化后元素分析儀的配置Fig.2 Element analyzer configuration after modified

2.5 方法評價

2.5.1精密度 分別稱取約0.2 mg和0.04 mg乙酰苯胺標準品各6份，緊密包裹于錫杯中，用優(yōu)化前、后的儀器條件分別進行測試，對比2次測試結(jié)果，評估優(yōu)化后EA-IRMS的穩(wěn)定性。

2.5.2氮含量和同位素線性 儀器優(yōu)化前，分別稱取約0.03、0.06、0.1、0.2、0.4、0.8和1.2 mg乙酰苯胺標準品各3份，根據(jù)熱導(dǎo)檢測器測定的積分面積與乙酰苯胺中氮元素的質(zhì)量繪制相關(guān)曲線和氮同位素比值隨氮元素質(zhì)量變化的趨勢圖。優(yōu)化后，分別稱取約0.01、0.02、0.03、0.04、0.06、0.1、0.2、0.3、0.4、0.6、0.8、1 mg乙酰苯胺各3份，上機測試，根據(jù)測試結(jié)果繪制相關(guān)曲線和趨勢圖。

2.5.3低含氮量沉積物氮同位素的測試 儀器優(yōu)化后，選取某低含氮量(氮含量約0.09%)的沉積物樣品，分別稱取5、10和15 mg樣品各4份，緊密包裹于錫杯中，上機測試。

3 結(jié)果與討論

3.1 優(yōu)化前氮元素及同位素響應(yīng)范圍

圖3 優(yōu)化前乙酰苯胺中氮質(zhì)量 與TCD峰面積的線性曲線Fig.3 Linear curve of nitrogen quality in acetanilide and peak area detected by TCD before modified

乙酰苯胺質(zhì)量(x)與儀器TCD檢測器峰面積(y)的線性曲線示于圖3，氮元素在2～120 μg質(zhì)量范圍內(nèi)與積分面積呈線性關(guān)系，線性方程為y=1.17x-3.42，相關(guān)系數(shù)R2=0.999。氮同位素δ15N值隨氮元素質(zhì)量變化的測定結(jié)果示于圖4。當?shù)刭|(zhì)量≥20 μg時，δ15N測試值基本處于虛線范圍內(nèi)，即δ15N值的標準偏差范圍在0.2‰以內(nèi)；當?shù)|(zhì)量<20 μg時，其δ15N測試值大部分處于虛線范圍外，標準偏差范圍擴大至0.9‰～1.83‰之間。由此表明，樣品中氮元素的絕對質(zhì)量大于20 μg時，才能得到準確結(jié)果。

3.2 優(yōu)化前的精密度

稱取約0.2 mg乙酰苯胺，連續(xù)測定6次，結(jié)果列于表1，6次測試結(jié)果的標準偏差(STD)為0.133‰，表明儀器精密度良好。乙酰苯胺δ15N的真實值為1.18‰，6個平行樣的測試值和真實值的標準偏差均小于0.2‰，符合測試標準。

注：實線表示乙酰苯胺中氮同位素的真實值； 虛線表示±標準偏差0.2‰的值圖4 優(yōu)化前δ15N值隨氮質(zhì)量變化趨勢Fig.4 Variation trend of δ15N with nitrogen quality before modified

表1 乙酰苯胺精密度測試結(jié)果Table 1 Precision test results of acetanilide

圖5 優(yōu)化后乙酰苯胺中氮質(zhì)量與TCD峰面積線性曲線Fig.5 Linear curve of nitrogen quality in acetanilide and beam area detected by TCD after modified

3.3 優(yōu)化后氮元素及同位素響應(yīng)范圍

注：實線表示乙酰苯胺中氮同位素的真實值； 虛線表示±標準偏差0.2‰的值圖6 優(yōu)化后δ15N值隨氮元素質(zhì)量變化的趨勢Fig.6 Variation trend of δ15N with nitrogen quality after modified

優(yōu)化后乙酰苯胺氮質(zhì)量(x)與儀器TCD檢測器測定峰面積(y)的線性曲線示于圖5。可見，氮元素在1～120 μg質(zhì)量范圍內(nèi)與積分面積呈線性關(guān)系，線性方程為y=3.99x+0.36，相關(guān)系數(shù)R2=1。氮同位素δ15N值隨氮元素質(zhì)量變化的測定結(jié)果示于圖6。當?shù)刭|(zhì)量小于4 μg時，δ15N測試值有部分落在虛線范圍外，標準偏差范圍增加至0.39‰～0.76‰之間；當?shù)刭|(zhì)量處于4～80 μg時，δ15N測試值基本處于虛線范圍內(nèi)，即δ15N值的標準偏差范圍在0.2‰以內(nèi)，其中當?shù)卦?～40 μg質(zhì)量范圍內(nèi)時，氮同位素測試的平行性及準確性都能達到儀器測試要求，當?shù)|(zhì)量大于40 μg時，雖然平行性能滿足0.2‰的要求，但由于固體樣品中氮元素氧化還原效率較低或色譜柱過載等因素，導(dǎo)致氮同位素產(chǎn)生分餾，測試結(jié)果趨于貧化，準確度降低。所以，優(yōu)化后EA-IRMS儀器測定固體樣品中氮元素質(zhì)量最好處于4～40 μg之間。

3.4 優(yōu)化后的精密度

稱取約0.04 mg乙酰苯胺，連續(xù)測定6次，結(jié)果列于表2，STD為0.184‰，表明優(yōu)化后儀器的精密度良好。乙酰苯胺δ15N的真實值為1.18‰，6個平行樣的測試值和真實值的標準偏差均小于0.2‰，符合測試標準。

3.5 沉積物樣品中氮同位素δ15N值測試結(jié)果

分別稱取5、10、15 mg低含氮量的沉積物樣品(氮含量約0.09%)，用優(yōu)化后的EA-IRMS檢測，每種質(zhì)量的樣品平行測定4次，結(jié)果列于表3。A1、A2、A3和A4樣品的氮同位素δ15N值的STD小于0.2‰；同時，3組不同質(zhì)量沉積物樣品中氮同位素δ15N平均值STD為0.15‰(n=3)，小于0.2‰。表明EA-IRMS優(yōu)化后，測試含氮質(zhì)量大于4 μg的固體樣品時，其樣品氮含量和氮同位素測試結(jié)果的平行性和準確度都能滿足儀器測試要求。

表2 乙酰苯胺精密度測試結(jié)果Table 2 Precision test results of acetanilide

表3 沉積物的測定結(jié)果Table 3 Test results of sediment

4 結(jié)論

傳統(tǒng)EA-IRMS檢測固體樣品中的氮同位素組成時，要求其氮含量大于20 μg才能獲得相對準確的數(shù)據(jù)。對于低含氮量固體樣品，包樣質(zhì)量較大，在燃燒管中不能被瞬間充分氧化，使氮同位素測試結(jié)果存在較大誤差。儀器優(yōu)化后，氮同位素的檢出限降低5倍(4 μg)以上，常規(guī)的低含氮量固體樣品包樣質(zhì)量可以控制在5～20 mg之間，很大程度上避免了因為燃燒不充分而導(dǎo)致的同位素分餾現(xiàn)象。本研究對EA-IRMS的優(yōu)化改造能滿足檢測低含氮量固體樣品的技術(shù)需求，同時對設(shè)計其他低含氮量樣品的檢測儀器具有借鑒意義。