一种富集测定氧化亚氮稳定同位素时除水的装置和方法与流程

1.本发明属于稳定同位素分析测试技术领域，具体涉及一种富集测定氧化亚氮稳定同位素时除水的装置和方法。


背景技术：

2.氮元素是构成地球生命的元素之一，参与海洋生物生长。氮在海洋的分布能够调节初级生产力，影响大气co2的含量和全球气候变化。人类活动和社会发展为海洋带来过量氮，因此，认识氮循环过程，有助于研究海洋生物泵对co2的封存效应和对全球气候变化的调节作用。
3.氮元素在海洋中以多种形式存在，包括溶解于水中的氮气、一氧化二氮、一氧化氮和二氧化氮，无机盐形式的硝酸盐、亚硝酸盐、铵盐，溶解态或颗粒态有机氮，以及有机氮化合物等形式。这些不同形式的氮在海洋中是处于不断变化的，发生各种生物化学过程，包括硝化作用、反硝化作用、同化作用、固氮作用以及氨化作用等，构成了海洋氮循环。
4.目前学者们应用了很多方法研究海洋氮循环，但是传统的研究手段并不能很好地解析氮来源，近些年来，随着稳定同位素技术的发展，学者们通过氮稳定同位素研究氮的生物地球化学过程。利用海洋中天然的氮同位素信号或者人为添加氮示踪剂，能够帮助我们了解海洋生物地球化学过程的过程与机制。
5.氮形态、来源多变，这些不同来源的氮有着不同的同位素信号，同时氮循环中多种生物过程，存在着不同程度的分馏作用，因此，氮同位素特征是海洋氮循环研究中极具价值的指标之一，通过稳定同位素技术手段，分析不同氮组分的天然稳定同位素组成，全面而系统地定性和定量不同氮循环过程，能够较好地帮助与认识氮的生物地球化学循环问题。
6.测试海水溶解硝酸盐、亚硝酸盐和铵盐氮同位素，是了解氮生物地球化学过程关键手段，目前成熟稳定的测试技术是，先通过细菌法或化学法分别将溶解硝酸盐、亚硝酸盐和铵盐转化成氧化亚氮气体，然后通过多用途在线气体制备和导入仪器(gasbench ii)将氧化亚氮气体吹扫、捕集、纯化，最后进入稳定同位素质谱仪(irms)测试。
7.目前，在测试低浓度海水溶解硝酸盐、亚硝酸盐和铵盐氮同位素时，由于生成的氧化亚氮气体不足以满足常规分析的信号强度，所以需要通过冷阱进行预富集以满足分析需求。由于氧化亚氮气体容易溶解于水，所以需要对液体进行氦气曝气，但是，吹扫样品气体至液氮冷阱，捕集氧化亚氮气体时，由于水样会在长时间内挥发水蒸气，伴随样品气体进入仪器，影响测试结果并可能导致仪器出现故障。常规的做法是利用化学阱吸附水，然而，化学阱很容易就因为吸附水而堵住氧化亚氮气体的通过。
8.基于此，急需一种自动化程度较高、简单和稳定、数据精度和准确度高的除水方法，以满足分析需求。


技术实现要素：

9.本发明专利目的在于提供一种富集测定氧化亚氮稳定同位素时除水的方法，让氧
化亚氮气体分析测试过程自动化程度较高、简单和稳定、数据精度和准确度高，以弥补现有技术的不足。
10.本发明专利为实现上述目的，采用以下技术方案实现：
11.本发明提供一种富集测定氧化亚氮稳定同位素时除水的装置，其特征在于：包括低温冷阱仪、储存60％乙二醇的不锈钢储液瓶、除水冷阱、1/8转1/16不锈钢卡套直通穿板、石英毛细管、气压棒和气体控制阀、钳口瓶、石英管、微量气体流量仪；
12.低温冷阱仪有一凹陷空间放置不锈钢储液瓶，不锈钢储液瓶用于盛放溶剂；除水冷阱通过1/8转1/16不锈钢卡套直通穿板固定在金属薄片，与1/16石英毛细管连接，金属薄片固定在气压棒顶端；气体控制阀控制气压棒的升降；气压棒底端固定在低温冷阱仪(1)，除水冷阱在不锈钢储液瓶正上方；
13.除水冷阱其中一端与钳口瓶与石英管上端通过石英毛细管连接，另外一端通过石英毛细管与反吹阀连接；石英管下端与钳口瓶通过石英毛细管连接；反吹阀、排空阀、六通阀、微量气体流量仪、第一液氮冷阱和第二液氮冷阱固定在痕量气体预浓缩装置；第一液氮冷阱和第二液氮冷阱分别连接在六通阀，所述六通阀有两种模式，一种是反吹阀、排空阀、微量气体流量仪和第一液氮冷阱连通，不与第二液氮冷阱连通；另外一种是第一液氮冷阱和第二液氮冷阱连通，反吹阀、排空阀和微量气体流量仪连通。
14.所述装置还包括进样装置例如pal自动进样器，其通过石英毛细管将钳口瓶、石英管与低温冷阱仪连接连接；所述第二液氮冷阱连接色谱柱和同位素质谱仪。
15.优选地，所述不锈钢储液瓶可存放4升的溶剂，优选地所述溶剂为4升的60％乙二醇。
16.优选地，所述垂直固定在低温冷阱仪侧边，高流速的氦气将钳口瓶中的气体吹扫至除水冷阱中，先从石英管下端进入，从上端出来，可以避免钳口瓶中液体进入到除水冷阱，堵住除水冷阱。pal自动进样器在进行吹扫时，高流速的氦气可能将液体溅起来，如果液体从出气口通过石英毛细管到达除水冷阱，由于低温海水盐分结晶，可能会导致除水冷阱堵住。
17.优选地，所述微量气体流量仪一端接排空阀，另外一端连通外部如实验室环境，可以在线连续监测管路是否堵住。
18.更优选地，还包括计算程序控制运行，以实现自动化操作。即除水冷阱的升降由电脑测试软件控制。除水冷阱的升降由气压棒的升降控制，而气压棒的升降由气体控制阀控制，气体控制阀连接电磁阀和通过压缩空气的气管，可以使用测试软件通过电磁阀准确控制气体控制阀，从而控制除水冷阱升降的时间和速度，同时软件可以定时控制除水冷阱升降，实现样品连续测试，满足测试的自动化程度较高、分析效率高。
19.具体实施方式中，所述气体控制阀连接电磁阀和通过压缩空气的气管，以控制气压棒的升降。
20.在实际测试时，所述第二液氮冷阱连接色谱柱和同位素质谱仪。
21.为实现上述目的，捕捉样品气体中水分子的除水冷阱使用不锈钢材料，具有可耐弯曲的特点。除水冷阱长度为2米，其中1米盘旋成圆环，测试时下降到溶剂的长度约是1.4米，溶剂中除水冷阱冷冻水分子的体积有2.5毫升，足够测试样品时将水分子留在除水冷阱。
22.优选地，除水冷阱内径为1.5mm，水分子被冷阱捕捉、冷冻之后，由于足够的横截面积，不会造成冷阱堵住，能够保证样品气体流速保持稳定，有效的进入质谱仪。除水冷阱外径为3.2mm，通过1/8转1/16不锈钢卡套直通穿板固定在气压棒，与1/16石英毛细管连接。同时，除水冷阱具有耐急冷急热性的特点，除水冷阱下降到
‑
30℃的60％乙二醇中，迅速降低温度至
‑
30℃，冷阱不会变形导致内径变小，样品气体能够流畅的通过除水冷阱，并且水分子被捕集、冷冻。此外，低温冷阱仪在室温常压的环境下工作，能够使得溶剂的温度稳定在
‑
30℃左右，一个小时内变化范围为
±
1℃，低温冷阱能够长时间的稳定工作，满足长时间的测试要求。
23.为了利用本发明的装置用于富集测定氧化亚氮稳定同位素时除水的方法，不锈钢储液瓶中溶剂的温度可以稳定在
‑
30℃左右，水的冰点是0℃，而氧化亚氮气体的冰点是
‑
90.8℃，因此对数据产生影响和损坏仪器的水分子被捕集、冷冻在除水冷阱，而需要测试的氧化亚氮气体不会被捕集在除水冷阱，可以进入到液氮冷阱捕集然后再进同位素质谱仪测试。对此，采用60％乙二醇，60％乙二醇的冰点约为
‑
48.3℃，因此，当低温冷阱仪工作时，60％乙二醇能够在不锈钢储液瓶中以液体形态稳定存在，能够使得除水冷阱正常升降。乙二醇沸点高，不会产生蒸气被人吸入体内而引起中毒，因此能在实验室使用其作为溶剂，并且能够在完成分析测试之后回收。
24.相应地，本发明提供利用本发明的装置用于富集测定氧化亚氮稳定同位素时除水的方法，包括下列步骤：
25.1)打开排空阀，关闭反吹阀，除水冷阱和第一液氮冷阱下降；
26.2)进样装置将高流速的氦气将样品液体进行吹扫，通过石英毛细管到达除水冷阱，进一步到达第一液氮冷阱；同时，低流速的氦气经过第二液氮冷阱进入到色谱柱和同位素质谱仪；
27.3)氧化亚氮捕集结束后，第二液氮冷阱下降，控制除水冷阱和第一液氮冷阱升起，关闭排空阀，打开反吹阀，低流速的氦气将第一液氮冷阱中的氧化亚氮吹扫至第二液氮冷阱中，反吹高流速的氦气将常温条件下除水冷阱中的水分子吹扫至实验室环境中；
28.4)第二液氮冷阱捕集氧化亚氮结束后，第二液氮冷阱升起，低流速的氦气将氧化亚氮送至稳定同位素质谱仪进行测试。
29.具体地，运行过程中，所述低温冷阱仪保持提供
‑
30℃低温条件。
30.优选地，所述高流速氦气的流速为20
‑
30ml/min；所述反吹高流速的氦气的流速为40
‑
60ml/min；所述低流速的氦气的流速为0.2
‑
0.4ml/min。
31.其过程是，进样装置将氦气从液体中吹扫出氧化亚氮，富集冷冻在液氮环境下的冷阱中，氧化亚氮捕集结束后，通过反吹利用高流速的氦气将常温条件下除水冷阱中的水分子吹扫至实验室环境中。具体地，进样装置将如流速25ml/min的氦气从液体中吹扫出来n2o，富集冷冻在液氮环境下的冷阱，在此过程中，水分子挥发并伴随样品气体流出，为了样品的水分子不进入到同位素质谱仪而造成仪器故障，通过将水分子捕集、冷冻在
‑
30℃的60％乙二醇条件下的除水冷阱，氧化亚氮捕集结束后，打开反吹阀，利用如反吹高流速50ml/min的氦气将常温条件下除水冷阱中的水分子吹扫至实验室环境中。
32.更具体地，所述方法操作步骤如下：
33.1)打开排空阀，第一液氮冷阱另外一端通过六通阀和排空阀，与外部环境连通；同
时关闭反吹阀，阻止高流速50ml/min的氦气与除水冷阱连通；10秒之后，除水冷阱下降至不锈钢储液瓶中的60％乙二醇中，其由低温冷阱仪提供
‑
30℃的低温；10秒之后第一液氮冷阱下降至液氮中；
34.2)20秒之后，进样装置将高流速25ml/min的氦气从钳口瓶的液体样品中吹扫出来n2o，通过石英毛细管到达除水冷阱，水分子被捕集、冷冻在
‑
30℃的60％乙二醇条件下的除水冷阱中，n2o随氦气到达第一液氮冷阱并被捕集在第一液氮冷阱；此时，低流速0.3ml/min的氦气经过第二液氮冷阱进入到色谱柱和/或同位素质谱仪；
35.3)40分钟之后，切换六通阀，低流速0.3ml/min的氦气从第一液氮冷阱流向第二液氮冷阱；10秒之后，第二液氮冷阱下降至液氮中；60秒之后，除水冷阱和第一液氮冷阱升起，低流速0.3ml/min的氦气将第一液氮冷阱的氧化亚氮吹扫至第二液氮冷阱；10秒之后关闭排空阀，同时打开反吹阀，反吹高流速50ml/min的氦气将常温条件下除水冷阱中的水分子吹扫至外部环境中；
36.4)6分钟之后，第二液氮冷阱升起，低流速0.3ml/min的氦气将氧化亚氮送至稳定同位素质谱仪进行测试。
37.与现有技术相比，本发明能够很好的应用在例如赛默飞世尔公司的同位素质谱仪(irms)、pal自动进样器、多用途在线气体制备和导入仪器(gasbench ii)和痕量气体预浓缩装置(precon)。本发明除水冷阱在30℃的60％乙二醇中有效捕集水分子，在常温由高流速氦气吹扫至大气，而这些水分子如果进入同位素质谱仪，会影响测试结果并可能导致仪器出现故障，因此本发明能够分析效率高，保证数据精度和准确度高。本发明通过电脑软件程序控制，能够通过连续自动测试样品，因此自动化程度较高。
38.现有技术在测试水样氧化亚氮时，使用化学阱(高氯酸镁)除去水分子，然后，化学阱很容易失效并堵住气路，这是因为在长时间的捕集氧化亚氮的过程中，水分子大量挥发，伴随样品气体通过化学阱，高氯酸镁很快就因为吸附水而变成黏稠形态，进而影响了样品气体的流通，导致流速不稳定，影响了测试的准确性，甚至堵住了气路，没有样品的测试信号。因此，测试人员在采用现有技术时，需要时刻注意化学阱的状态，需要经常更换，不仅是劳心劳力，并且消耗了高氯酸镁。然而，本发明实现水分子的捕集和释放，满足海水样品氧化亚氮稳定同位素的分析测试，所使用的的除水冷阱简单易得，具有耐磨性和耐急冷急热性，且不宜碎，使用的溶剂可以稳定存在且不会引起中毒，两者可长期使用，可以降低仪器维护使用的成本。
39.因此，本发明利用富集测定氧化亚氮稳定同位素时除水的方法，有助于海水溶解硝酸盐、亚硝酸盐和铵盐氮同位素的分析测试，这个除水过程保证测试自动化程度较高、分析效率高、数据精度和准确度高，实现了经济实用稳定可靠的工作要求。
附图说明
40.图1为本发明装置结构组成示意图。
41.图2为本发明用于海水样品测试时水分子和氧化亚氮捕集过程的气路示意图。
42.图3为本发明用于海水样品测试时水分子释放和氧化亚氮再捕集过程的气路示意图。
43.图4为本发明用于海水样品测试时氧化亚氮释放和测试过程的气路示意图。
44.图5为硫酸铵同位素国际标样氮真实值和测量值的线性关系。
45.附图标记对应的部件名称为：低温冷阱仪1、不锈钢储液瓶2、60％乙二醇3、除水冷阱4、1/8转1/16不锈钢卡套直通穿板5、石英毛细管6、气压棒7、气体控制阀8、钳口瓶9、25ml/min的氦气10、反吹阀11、50ml/min的氦气12、排空阀13、六通阀14、0.3ml/min的氦气15、第一液氮冷阱16、石英管17、微量气体流量仪18、第二液氮冷阱19、色谱柱20、同位素质谱仪21。
具体实施方式
46.以下通过具体实施方式对本发明作进一步的描述。但并不构成对本发明的限制。
47.实施例一
48.参见图1，富集测定氧化亚氮稳定同位素时除水的装置包括低温冷阱仪1、储存60％乙二醇3的不锈钢储液瓶2、除水冷阱4、1/8转1/16不锈钢卡套直通穿板5、石英毛细管6、气压棒7和气体控制阀8、石英管17、微量气体流量仪18。低温冷阱仪1有一圆柱体凹陷空间放置不锈钢储液瓶2，不锈钢储液瓶2可以盛放4升60％乙二醇3。除水冷阱4通过1/8转1/16不锈钢卡套直通穿板5固定在金属薄片，与1/16石英毛细管6连接，金属薄片固定在气压棒7顶端。气体控制阀8连接电磁阀和通过压缩空气的气管，控制气压棒7的升降。气压棒7底端固定在低温冷阱仪1，除水冷阱4在不锈钢储液瓶2正上方。
49.参见图2，除水冷阱4其中一端与石英管17上端通过1/16石英毛细管6连接，另外一端通过1/16石英毛细管6与反吹阀11连接。石英管17下端与钳口瓶9通过石英毛细管6连接。反吹阀11、排空阀13、六通阀14、微量气体流量仪18、第一液氮冷阱16和第二液氮冷阱19固定在痕量气体预浓缩装置(precon)。反吹阀11、排空阀13、低流速0.3ml/min的氦气15、第一液氮冷阱16和第二液氮冷阱19分别连接在六通阀14。六通阀14有两种模式，其一是反吹阀11、排空阀13、微量气体流量仪18和第一液氮冷阱16连通，不与第二液氮冷阱19连通；另外是第一液氮冷阱16和第二液氮冷阱19连通，反吹阀11、排空阀13和微量气体流量仪18连通。
50.实施例二
51.参见图2，富集测定氧化亚氮稳定同位素时，水分子和氧化亚氮捕集过程：首先，打开排空阀13，第一液氮冷阱16另外一端通过六通阀14和排空阀13，与外部如实验室环境连通；同时关闭反吹阀11，阻止高流速50ml/min的氦气12与除水冷阱4连通；10秒之后，软件程序控制除水冷阱4下降至
‑
30℃的60％乙二醇3中；10秒之后第一液氮冷阱16下降至液氮中；20秒之后，进样装置将高流速25ml/min的氦气10从60毫升钳口瓶9的50毫升液体样品中吹扫出来n2o和其他气体，通过石英毛细管6到达除水冷阱4，水分子被捕集、冷冻在
‑
30℃的60％乙二醇3条件下的除水冷阱4中，n2o随氦气到达第一液氮冷阱16并被捕集在第一液氮冷阱16。此时，低流速0.3ml/min的氦气15经过第二液氮冷阱19进入到色谱柱20和同位素质谱仪21。
52.参见图3：水分子释放和氧化亚氮再捕集过程：40分钟之后，n2o捕集结束，切换六通阀14，低流速0.3ml/min的氦气15从第一液氮冷阱16流向第二液氮冷阱19；10秒之后，软件程序控制第二液氮冷阱19下降至液氮中；60秒之后，控制除水冷阱4和第一液氮冷阱16升起，低流速0.3ml/min的氦气15将第一液氮冷阱16的氧化亚氮吹扫至第二液氮冷阱19；10秒之后关闭排空阀13，同时打开反吹阀11，反吹高流速50ml/min的氦气12将常温条件下除水
冷阱4中的水分子吹扫至实验室环境中。
53.参见图4：氧化亚氮释放和测试过程：6分钟之后，第二液氮冷阱19捕集n2o结束，软件程序控制第二液氮冷阱19升起，低流速0.3ml/min的氦气15将氧化亚氮送至稳定同位素质谱仪测试。
54.实施例三
55.为验证本发明的实施例一的装置和实施例二的方法是否能用于海水溶解硝酸盐、亚硝酸盐和铵盐氮同位素的分析测试，只需要对溶解有氧化亚氮的液体进行测试即可。由于自来水中溶解有一定的氧化亚氮气体，因此使用自来水应用于本发明的装置中进行检测，能验证本发明装置能否在长时间测试溶解在液体中的氧化亚氮气体时，除去水分子，并保证测试结构的精度和准度。
56.于实验室取50毫升自来水(其中含有氧化亚氮，因此可以作为测试对象)装在60毫升钳口瓶9，分别制作10个，依据上述过程测试，最终通过质谱议检测并输出结果，测试结果分别是9.3
‰
、9.3
‰
、9.2
‰
、9.3
‰
、9.2
‰
、9.0
‰
、9.4
‰
、9.3
‰
、9.3
‰
、9.2
‰
，测试结果说明本发明的装置能够保证数据精度和准确度高。
57.在测试过程中，在排空阀13之后连接的微量气体流量仪18，显示气体流速稳定在25ml/min左右，说明水分子被除水冷阱4在捕集、冷冻之后没有造成管路堵住，气路是流通的。
58.实施例四
59.采用硫酸铵同位素国际标样usgs25、iaea
‑
n
‑
1，iaea
‑
n
‑
2和usgs26，溶解于陈化海水，配制1μmol/l的液体，存于60毫升钳口瓶9，采用次溴酸钠溶液将溶解于水体的铵盐反应成亚硝酸盐，然后与叠氮化钠生成氧化亚氮气体，依据实施例二的方法过程进行测试，最终通过质谱议检测并输出结果。
60.由图5所示，以标样真实值为横坐标，测量值为纵坐标，制作线性关系曲线，曲线r2＝0.9999，表明数据有着良好的线性相关性，表明测定结果是准确的，能够保证数据精度和准确度高。