1.13: 碳和氮的环境样品的分析

1.土壤样品的制备

1. 干燥的土壤样品在 60 ° C 48 小时。
2. 通过一个 2 毫米 x 2 毫米的筛子通过土壤。
3. 大约 5 克的土壤放入球铣刀研磨机，研磨 2 分钟。它是重要的是得到均匀的样品，因为你的样品尺寸将非常小。
4. 放入一个小容器和存储在干燥器直到准备使用磨碎的土。

2.设置仪器参数

1. 通过向上扳动开关打开 Flash EA 1112 仪器在后面。
2. 打开计算机。
3. 双击"渴望 300"图标来启动运行仪器的软件程序。
4. 双击"数控土壤"图标以打开运行土仪器安装程序的方法。
5. 加热该仪器通过打开"编辑元素分析仪参数"并点击"发送"按钮。参数应该如下 (见图 1-3):
   a.温度: 左 = 900 ° C，右 = 680 ° C，烤箱 = 50 ° C
   b.气流量: 承运人 = 130 毫升/分钟，氧 = 250 毫升/分钟，参考 = 100 毫升/分钟
   c.周期运行时 = 360 s
   d.采样延迟 = 12 s
   e.氧注射结束 = 5 s
   f.探测器上 = 长丝
6. 通过点击"编辑示例表"，然后"填充示例表"创建示例表。将文件名更改为今天的日期。输入您计划同时运行，样本数目包括标准和空白。然后单击"替换"以替换用你新的示例表创建的最后一个示例表。

3.创建标准曲线

1. 使用产钳，从包中删除一个锡盘和塑造成杯状，使用特殊的密封装置。避免接触锡盘用你的手指来避免油转移你的指尖。（见图 4 — — 5）
2. 使用镊子，锡盘置于天平和零余额。
3. 使用产钳，从微量天平中取出锡光盘和使用 microspatula，放大约 1 毫克的天冬氨酸标准锡盘。
4. 在天平上衡量锡光盘的天冬氨酸标准。这个重量进入数据表中渴望 300 软件在计算机上。
5. 封存造成锡盘的镊子，没有一个标准的天冬氨酸会漏出来。将锡包放入自动进样器。（请参见图 6）
6. 重复步骤 3.1-3.5，使用大约 5 毫克的天冬氨酸标准。
7. 重复步骤 3.1-3.5，使用大约 7.5 毫克的天冬氨酸标准。
8. 重复步骤 3.1-3.5，使用大约 10 毫克的天冬氨酸标准。

4.加载自动进样器与土壤样品

1. 使用产钳，从包中删除一个锡盘和塑造成杯的形状，使用的密封装置。你不应该用你的手指来避免油转移你的指尖触摸锡。
2. 使用镊子，锡盘置于天平和零余额。
3. 从微天平中取出锡光盘并将大约 50 毫克的均质土壤放入使用 microspatula 的锡盘。
4. 在天平上衡量锡光盘的土壤样品。这个重量进入数据表中渴望 300 软件在计算机上。
5. 封存造成使用产钳，以便包含土壤的锡盘。将锡包转移到自动进样器托盘。
6. 所有样品的重复步骤 4.1-4.5。它被建议运行的每个样本的一式三份试验。一式三份的实验被认为是一个很好的经验法则，以排除实验误差。

5.运行示例

1. 当适当的温度下已经达成的文书时，绿色"温度就绪"光将开启。在计算机上屏幕的底部，它也会说"准备好了为分析"。
2. 在开始你的样品之前运行，请单击"文件"和"保存方法"来保存您刚输入的数据。建议你用你的名字和日期保存方法。
3. 开始运行，单击绿色箭头，推动"立即开始"。
4. 它将每个样品运行大约 6 分钟。
5. 运行完成后，您可以通过单击"重新计算"然后"总结结果"看到结果。

图 1。Flash EA 1112 参数设置屏幕 1。

图 2。Flash EA 1112 参数设置屏幕 2。

图 3。Flash EA 1112 参数设置屏幕 3。

图 4。用镊子删除锡盘。

图 5。塑造成杯形状使用密封装置的锡盘。

图 6。锡的包被放入自动进样器。

分析环境样品中的碳和氮含量（称为"元素分析"的过程）为了解环境的生态特性提供了重要的见解。

碳和氮是生命中最重要的两种元素。碳是构成所有生物基础的有机化合物的基础，特别适用于碳水化合物等分子的量度，碳水化合物是生物体的主要能量来源。另一方面，氮存在于核酸和氨基酸等分子中。它们分别作为遗传物质和生物体用于结构和功能的蛋白质的组成部分。

由于这些不同类别的有机分子具有不同的生物学作用，因此生物体需要的量不同。例如，土壤中的微生物通常需要 C：N 比为 24：1 的食物来源。由于不同的植物残渣具有不同的 C：N 比例，从 13：1（如苜蓿）到 57：1（如玉米）不等，它们会被微生物以不同的速率和程度分解，进而影响养分如何返回土壤。

本视频将介绍分析碳和氮元素组成的原理;对土壤样品进行元素分析的方案;最后，该分析方法在环境研究中的一些应用。

元素分析可以通过多种方式进行，例如使用特定的化学反应，通常涉及强酸，从而产生可以检测的特征产物。元素分析方法的一项重大改进是闪蒸燃烧技术的发展，该技术消除了使用危险化学品的需要，大大简化和加快了流程，并允许自动化。

基于闪燃的元素分析的基础是在"氧化室"中氧化样品，在氧气存在下在大约 1,000 的高温下燃烧样品。C 在催化剂存在下，从而加速反应。这会将样品中的碳转化为二氧化碳气体，将氮气转化为氮氧化物和氮气。然后使用惰性"载气"（如氦气）将这些燃烧产物输送到填充铜的"还原室"，在那里氮氧化物进一步转化为氮气。通过使用干燥剂（如高氯酸镁）过滤，从气体混合物中去除多余的水蒸气。

然后可以通过气相色谱法分离闪燃产物，在此过程中，气体分子通过包含液体或聚合物薄涂层的管道，称为塔。气体在通过色谱柱时从该底物中反复溶解和蒸发，其速率取决于分子与底物和载气相互作用的强度。在底物中溶解时间较长的物质在色谱柱中的移动速度会更慢，从而可以区分气体。

一旦它们离开塔，就可以通过检测气体的导热性来识别气体，这种特性称为导热性。通过绘制每种气体通过线圈所需的时间，科学家们可以获得一个"色谱图"，其中包含代表每种气体的峰。通过使用各自峰下的面积计算检测到的二氧化碳和氮气的量，可以推断出原始样品中的 C：N 比。

现在您已经了解了使用闪燃法进行碳和氮元素分析的原理，让我们来了解一下使用自动元素分析仪进行分析的方案。

为了准备用于分析的土壤样品，首先，在 60 ？C 烤箱 48 小时。然后，将干燥的土壤通过 2 x 2 毫米的筛子，并丢弃任何未通过的土壤颗粒。接下来，使用球磨机研磨大约 5 克土壤 2 分钟，制成均匀的粉末。将研磨后的土壤放入聚乙烯小瓶等小容器中，并存放在干燥器中直至准备好使用。

根据制造商的说明在元素分析仪上设置分析参数。这些参数包括氧化炉、还原炉和气相色谱炉的温度、载气的流速、氧气注入速率、参比气体的流速、循环运行时间、样品滴加和氧气注入氧化室之间的延迟，以及氧气注入的持续时间。

为了定量确定样品的成分，首先使用不同量的已知成分化合物（如天冬氨酸）创建标准曲线。

为此，首先使用镊子从包装中取出锡样品固定盘，并使用专用密封装置将其模制成杯形。避免用手指触摸锡盘，因为这可能会导致油转移到锡盘上。

现在，将锡杯放在微量天平上，并设置去皮质量。取下锡杯，然后用微刮刀将大约 1 mg 天冬氨酸标准品放入杯中。称量杯子并记录质量。然后，密封锡杯，将其放入自动进样器中，自动进样器会自动将每个样品送入反应室。

对几个量的标准品重复上述步骤。然后，将所有标准品放入自动进样器中。

标准品类似，在锡杯中分配和称量土壤样品，每个均质土壤样品使用约 50 mg。准备每个样品一式三份。

将所有样品放入自动进样器中，并且仪器中达到适当的温度后，将测量设置为运行。仪器软件将为每个标准品和样品生成色谱图。

根据所使用的参数，氮气的峰值应在色谱图上约为 110 秒，而二氧化碳峰值应在 190 秒左右检测到。天冬氨酸生成标准曲线，其碳氮比为 4 比 1。有了这些知识，以及每个标准品的浓度，每个峰下的面积可用于计算每个样品中的氮和碳含量。

根据原始样品的质量，可以计算出每个样品的氮百分比和碳百分比。在该演示中，发现该土壤样品的 C：N 比约为 13：1，低于通常在开阔林地下发现的土壤 14.25：1 的比率，表明树林以入侵的欧洲沙棘树为主。

除土壤外，碳和氮含量分析还可应用于各种环境样品，在环境研究中具有广泛的应用。

在此示例中，研究人员从各种海洋栖息地（例如珊瑚礁）收集了水样。为了了解有机营养物质对海洋微生物群落的可用性，测量了各种化学参数，包括碳和氮元素分析。直接从水样中测量溶解有机碳的水平，同时从水中过滤颗粒有机物并进行分析。

元素分析还可用于监测城市景观和草坪灌溉径流中的养分损失，这些损失可能会污染供水。在这里，科学家们建立了测试样地来模拟城市景观并更好地了解这一过程。使用各种化学测试来分析收集的径流中的特定营养物质，例如硝酸盐和氨，并使用基于燃烧的元素分析来测量溶解有机碳和氮的水平。

最后，分析食草动物尸体中的 C：N 比率揭示了捕食风险与土壤分解速率之间的有趣联系。在这项研究中，蚱蜢是在有或没有被蜘蛛捕食的风险的情况下饲养的。然后让这些蚱蜢的尸体在土壤中分解，然后将植物碎屑添加到土壤中进行分解。

元素分析显示，在有捕食风险的蚱蜢中，C：N 比略有增加，但这反过来又导致受压蚱蜢分解的土壤中的分解速率显著降低，这表明生态系统养分循环中存在意想不到的复杂动力学。

您刚刚观看了 JoVE 关于环境样品碳和氮分析的视频。您现在应该了解这种分析方法背后的原理;如何使用闪燃元素分析仪进行检测;以及它在环境科学中的一些应用。一如既往，感谢您的观看！