质谱学报JournalofChinese MassSpectrometrySociety Vol42No.3 May2021最后一分钟教学设计
第42卷第3期
2021年5月
微量氮元素同位素方法研究
尹希杰1，刘维维1，王永涛12!苏静1，李廷伟3
!1.自然资源部第三海洋研究所"言息与测试保障中心"畐建厦门361005# 2.河南理工大学资源环境学院，河南焦作454000
湖南工程学院学报
3.中国科学院青海盐湖研究所，青海西宁810008)
摘要：在保证仪器正常出峰的情况下，缩小元素分析仪氧化管、还原管的管径，优化谱柱条件，降低载气流速，进而减小载气对进入质谱仪的N2稀释比，降低元素分析-同位素质谱(EA-IRMS)测试固体样品中氮同位素的检出限％结果表明，优化前元素分析仪载气流速为80mL/min，大约20#g氮元素在质谱检 测器产生的峰面积约3X108,15N值标准偏差为0.13%°(n=6)；优化后载气流速降至20mL/min，大约4#g氮元素产生的峰面积达到约2X108，其尸N值标准偏差为0.18%0(n=6)，满足仪器测试氮同位素的标准偏差须小于0.2%0的要求％
关键词：元素分析-同位素质谱(EA-IRMS)#微量氮元素；优化
中图分类号:O657.63文献标志码:A文章编号：10042997(2021)03034607
doi107538/zpxb20200051
Determination of515N on Microgram Amounts by Modified Element Analysis-Isotope Ratio Mass Spectrometry
YIN Xi-jie1,LIU Wti-wei1,WANG Yong-tao12,SU Jing1,LI Ting-wei3
(1.Information and Testing Support Center,Third Institute of Oceanography,
Ministry of Natural Resources,Xiamen361005,China#
2.School of Resourcss&Environment,Henan Polytechnic University,Jiaozuo454000,China#
3.Qinghai Institute of Satt Lakes,Chinese Academy of Sciencs,Xining810008,China)
Abstract:Generally,to satisfy the requirement of the standard deviation of0.2%0(n=6) in testing&5N by element analysis-isotope ratio mass spectrometry(EA-IRMS),the quality of the absolute content of nitrogen is needed to more than20#g.However,solid sample packing quality exceeds30mg,nitrogen in sample is difficult to fully oxidation by moment in the cobustion tube"it may resu&t in obvious trai ing phenomenon of the spectrogram"then&eadto&owtestresu&tsofthenitrogencontentandproduceisotope fractionation.Therefore"itisdi f icu&ttoobtainanidea&resu&tintestingcertainsoid samples with low nitrogen content(less than0.07%)using the current EA-IRMS
收稿日期：2020-04-30#修回日期：2020-11-12
基金项目：水体溶解硝酸盐氮氧同位素测试方法及应用研究(海三科2016046)青海省科技厅应用基础(2016-ZJ-736)资助作者简介：尹希杰(1977-)，男(汉族)，山东潍坊人，副研究员，从事气体稳定同位素测试技术和方法研究。
E-mail：****************
第3期尹希杰等：元素分析-同位素质谱联用测定微量氮元素同位素方法研究347
technique,such as rock p owders,marine sediments and poor soil.In this study,to solvethedi f icultiesintestingthenitrogenisotopesofsedimentswithlownitrogencon-tent"thediameterofcombustiontube"reductiontubeandscrubbertubeandthecondi-tionofchromatographiccolumnwereoptimizedonthebasisoffu l ymasteringelemental analyzerandtheprincipleofmassspectrometryinterface Inaddition"theflowrateof thecarriergaswasreducedandthepeaktypeofnitrogengaschromatogram wasbasical-ly unchanged"eventua l y reduced the target gas dilution andimprovedthe nitrogen detectionlimit of EA-IRMS Before modification"the carrier gasflow rate ofthe elemental analyzer was80mL/min,and the peak area of about20#g nitrogen in mass spectrometer was about3X10—8,and the standard deviation of A5N was0.13%°(n=
石英砂岩6).After modification,the gas flow rate was reduced to20mL/min,and the peak area
of about4#g nitrogen reached about2X10—8,the standard deviation of&5N was
0.18%o(n=6),which met the requirement that the standard deviation of&15N tested by
;hisins;rumen;should beless;han0.2%.This modificaion wi l grea;lyex;end;he testing range of EA-IRMS for&5N in solid samples with low nitrogen content and will havesignificantappicationva&ue.
Key words：element analysis-isotope mass spectrometry(EA-IRMS)；microgram amounts nitrogen element；modification
氮是生命活动的主要元素之一，对各类生命体、食物链、生态系统甚至整个生物圈功能的实现都起着不可或缺的作用％在科学探究全球氮循环方面，自然环境中存在的氮稳定同位素具有重要的地位和作用因同位素具有示踪、整合和指示等功能，以及检测快速、结果准确等特点，在自然科学研究中展现出日益广阔的应用前景，如生态学研究、植物生理分析和食品检测等
目前，测定固体样品中总氮含量的常用方法有凯式蒸馏法和元素分析高温燃烧还原法氮稳定同位素分析主要采用元素分析-同位素质谱（EA-IRMS）联用的高温氧化还原在线测定技术，与传统的真空热解法和次溴酸氧化离线法制样测定氮同位素相比，EA-IRMS 具有高效、便捷的优点，简化了前处理过程，降低了人为操作误差，是测定固体样品总氮含量及其稳定同位素比值的通用方法9%但元素分析仪载气流速通常大于100mL/min，而稳定同位素质谱通常需要真空度在10—8MPa以上，进入质谱离子源的气体流速仅约0.1mL/min% EA-IRMS联用技术需要对进入质谱的载气进行较大比例地稀释，导致样品检出限较高，极大限制了该技术对低含氮量固体样品的测试％
EA-IRMS测试氮同位素&】5N值时，当标准偏差满足0.2%。（”=6）的要求，氮元素的质量一般须大于20#g，而当元素分析仪的固体包样量超过30mg，样品中氮元素在氧化管中难以被瞬间充分氧化，
导致谱图存在明显拖尾现象，使氮含量的测试结果偏低并产生同位素分馏%一些固体样品（如岩石粉末、海洋沉积物和贫瘠的土壤）中的氮含量较低（低于0.07%），采用EA-IRMS联用技术测试这些样品难以获得理想的结果％粟敏等「10+发现在测试氮同位素时，尤其对低含氮量样品，进样量会直接影响实验结果，只有当进样量达到一定量以后，氮同位素的测试值才能接近准确值，最终数据表明，测试样品中绝对含氮量为30〜50#g时，结果偏差最小，所测得的氮同位素最可靠[10]%受实验条件的限制，目前典型沉积环境中低含氮量的烃源岩及原油样品的测试数据极少，对沉积有机质的氮同位素研究较薄弱，关于氮同位素的测试条件和分析方法的报道较少％
为解决低含氮量样品难以测试氮同位素这一问题，本研究拟通过改变氧化管、还原管和除水管的管径，优化谱柱条件，减小载气流速，并保持氮气谱图峰形基本不变，实现降低目标气体的稀释度，进而提高EAIRMS对氮气的检出限％
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质谱学报 第42卷
1实验部分
1.1仪器与装置
EA-IRMS 分析系统主要由Sercon iso
Earth 型元素分析仪和Sercon HS20-22同位素
比值质谱仪组成；元素分析仪主要由66孔旋转
木马式的气动自动进样装置、氧化柱、还原柱、 吸水柱和分离柱等部分组成；氧化柱自上而下 依次填充有氧化珞、氧化铜和镀银氧化钻；还原
柱自上而下依次填充有石英碎屑和线状还原 铜；吸水柱填充高氯酸镁；包裹固体样品用的锡
杯为5 mmX 8 mm ；梅特勒百万分之一电子天
平；载气He （纯度〉99・999%），助燃气O 2 （纯 度〉99・999%），参考气N （纯度〉99・999%）。
1.2样品与试剂
氮同位素的标准物质有IAEA-600（）:
&】5N= 1%0；实验室标准乙酰苯胺（ACET ）： &5N=1・ 18%0 %
沉积物样品采自某市滨海湿地公园，首次 测试后发现其含氮量低于0. 1%，属于低含氮
量样品。1.3 实验方法
用锡杯包好称重的样品，在He 氛围下经 自动进样器送入高温氧化管"000 _氧气氛
围中瞬间氧化生成多种成分的混合气体，固体 样品中的氮元素被氧化，随后在600 _下氮的 氧化物被还原铜还原成耳，生成的氮气和其他
气体通过化学阱除去水分，再经谱柱分离，进
入热导检测器（TCD ）测定氮含量，少量氮气进入 同位素比值质谱仪中，测定氮稳定同位素比值％
1.4样品前处理及测试流程
用研钵研磨风干的固体样品，过100目筛,
常温下干燥保存。根据样品中的含氮量，用百 万分之一天平准确称量样品粉末，用锡箔杯紧
密包裹成球状，并按样品编号依次放入96孔板 中％将包裹好的标准物质和样品放入元素分析
仪的自动进样器中，前5个孔不放（测量空白） 然后按照合适的间隔放置标准品和样品。在开
始、中间和末尾都要放置实验室标准品，用来校 正仪器测试过程中的漂移。
2元素分析仪优化改装
2.1优化前元素分析仪配件规格
元素分析仪优化前，氧化管、还原管的石英 玻璃管的规格一致，外径20 mm，内径16 mm , 长48 cm ；除水阱内径10 mm ；谱柱内径4. 8
mm，填料类型为Carbosieve G 960〜80目，长 40 cm %具体配置示于图1%
2.2优化前测试条件
氧化柱温度1 000 _，还原管温度600 _ ,
谱柱温度60 _ ； He 压力117 kPa，流速80
mL/min ；O 2 压力 124 kPa ，流速 100 mL/min ,
加氧时间20 s %
氧气—| —氮气
X
氧化管（内径 16 mm ）,
1000 °C
石英堆坍
无功功率
石英棉二 石英碎屑
（8 cm ） _
还原管（内径 16 mm ）,
600 °C
氧化铅（11 cm ）还原铜（30 cm ）
除水阱 （内径10 mm ） 高氯酸镁
氧化铜（4 cm ） 镀银氧化钻（2 cm ）二
石英+帛T
石英棉-
do
GC 柱
（内径4.75 mm ）
TCD
____________________（
同位素质谱仪
图1优化前元素分析仪的配置
Fig. 1 Element analyzer configuration before
modified
第3期 尹希杰等：元素分析-同位素质谱联用测定微量氮元素同位素方法研究
349
2.3优化后元素分析仪配件规格
氧化管上半部分和优化前用的石英玻璃管 内径一致，内径16 mm，长24 cm，其中放置的
读心术揭秘灰分管规格与优化前的一样"下半部分管径变 细，内径8 mm ，长19 cm，用于填充氧化剂（C.O s
和CuO ）和镀银氧化钻（Co 3O 4Ag ）；还原管外 径6 mm ，内径4 mm ，长48 cm ；谱柱内径
2 mm，填料类型为Carbosieve G,60〜80目，长 50 cm 。具体配置示于图2。
2.4优化后测试条件
氧化柱温度1 050 C ，还原柱温度640 C ,
谱柱温度60 C ； He 压力207 kPa , He 流速
20 mL/min ；O 2 压力 214 kPa ,O 2 流速 40 mL/min ,
加氧时间10 s 。
固体样品 I TT 自动进样器=■■
氧气
卜—氮气
1
氧化管
（上部分内径16 mm, 下部分内径8 mm ）,
1050 °C
石英堆坍
还原管（内径4 mm ）,
640 °C
石英棉冷由
除水阱 （内径4 mm ） 高氯酸镁
氧化铜（6 cm ）氧化铅（11 cm ）还原铜
GC 柱 （内径2 mm ）
TCD
镀银氧化憫二
石英棉fl
参考气N2
同位素质谱仪
图2优化后元素分析仪的配置
Fig. 2 Element analyzer configuration after modified
2.5方法评价
2. 5・1精密度 分别称取约0. 2 mg 和0. 04
mg 乙酰苯胺标准品各6份，紧密包裹于锡杯中,
用优化前、后的仪器条件分别进行测试，对比2
次测试结果，评估优化后EA-IRMS 的稳定性。
2. 5.2氮含量和同位素线性 仪器优化前，分 别称取约0. 0
3.0. 06.0. 1、0・2、0・4、0・8和1・2
mg 乙酰苯胺标准品各3份，根据热导检测器
测定的积分面积与乙酰苯胺中氮元素的质量绘
制相关曲线和氮同位素比值随氮元素质量变化 的趋势图。优化后，分别称取约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，上机测试，根据测试结 果绘制相关曲线和趋势图%
2. 5.3低含氮量沉积物氮同位素的测试 仪 器优化后，选取某低含氮量（氮含量约0. 09%） 的沉积物样品，分别称取5、10和15 mg 样品各
4份，紧密包裹于锡杯中，上机测试。
3结果与讨论
3. 1优化前氮元素及同位素响应范围
乙酰苯胺质量Q ）与仪器TCD 检测器峰 面积（y ）的线性曲线示于图3，氮元素在2〜120
图3优化前乙酰苯胺中氮质量
与TCD 峰面积的线性曲线
Fig. 3 Linear curve of nitrogen quality in acetanilide and peak area detected by TCD before
modified
350质谱学报第42卷
#g质量范围内与积分面积呈线性关系，线性方程为y=1・17k—3.42，相关系数=0.999%氮同位素&】5N值随氮元素质量变化的测定结果示于图4%当氮元素质量（20#g时&】5N测试值基本处于虚线范围内，即F5N值的标准偏差范围在0.2%0以内；当氮质量V20#g时，其&】5N测试值大部分处于虚线范围外，标准偏差范围扩大至0・9%°〜1・83%°之间％由此表明，样品中氮元素的绝对质量大于20#g时，才能得到准确结果％
3.2优化前的精密度
称取约0.2mg乙酰苯胺，连续测定6次，结果列于表16次测试结果的标准偏差（STD）为0.133%°，表明仪器精密度良好％乙酰苯胺&5N的真实值为1・18%°,6个平行样的测试值和真实值的标准偏差均小于0.2%°，符合测试标准%
注：实线表示乙酰苯胺中氮同位素的真实值；
虚线表示士标准偏差0.2%。的值
图4优化前值随氮质量变化趋势
Fig.4Variation trend of515N
with nitrogen quality before modified
表1乙酰苯胺精密度测试结果Table1Precision test results of acetanilide
序号No.
称样量
Weight/mg
峰面积
Peak area/X10—8
氮质量
Nitrogenquality/mg
真实值
Reference value/%。
测得值
Measuredvalue/%
标准偏差
STD/%o
10.219 3.221.1 1.18 1.)0.133 20.21 3.1221.58).85
30.212 3.2022.8 1.17
40.217 3.2422.28 1.14
50.231 3.4123.34 1.17
60.238 3.5123.91).95
3.3优化后氮元素及同位素响应范围
优化后乙酰苯胺氮质量K）与仪器TCD检测器测定峰面积（y）的线性曲线示于图5%可见，氮元素在1〜120遽质量范围内与积分面积呈线性关系，线性方程为y f3.99k+0•36，相关
图5优化后乙酰苯胺中氮质量与TCD峰面积线性曲线Fig.N Linearcurve"fnitr"genqualityinacetanilide and beam area detected by TCD after m"dified 系数2=1%氮同位素&5N值随氮元素质量变化的测定结果示于图6%当氮元素质量小于4#g 时&5N测试值有部分落在虚线范围外，标准偏
注：实线表示乙酰苯胺中氮同位素的真实值；
虚线表示士标准偏差0.2%o的值
图6优化后矿N值随氮元素质量变化的趋势
Fig.6Variation trend of"15N
withnitr"genqualityafterm"dified
化学战争
