碳和氮的环境样品的分析

Environmental Science

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Overview

资料来源: 玛格丽特工人和金伯利弗莱-Depaul 大学实验室

元素分析是一种方法用于确定元素组成的一种材料。在环境样品,如土壤,科学家特别感兴趣的两个重要生态价值的元素、 氮、 碳的数额。元素分析由闪存燃烧技术的工作原理是氧化催化剂通过燃烧在高低温箱的样品。燃烧后的产物是减少到 N2和 CO2 ,然后用热导检测器检测。

不同于其他方法总氮测定 (凯氏定氮法) 和总碳测定 (酸钾黑色,Heanes 或 Leco 方法),闪存燃烧技术不使用有毒的化学物质,因此更安全使用。

这个视频将演示使用 Flash EA 1112 仪器从热费希尔科学基于燃烧的元素分析。

Cite this Video

JoVE Science Education Database. 环境科学精要. 碳和氮的环境样品的分析. JoVE, Cambridge, MA, (2017).

Principles

土壤样品都放在锡盘,落入氧化反应器通过自动进样器在何处它燃烧在大于 900 ° C 氧化催化剂存在下氧气环境中。样品中的碳转化为二氧化碳和氮转化为氮气和一些氮氧化物。

C + O2 → CO2
4 N + x O2 → N2 + 2 没有x

氦气携带这些产品进入充满铜氮气减少氮氧化物并删除多余氧气的第二反应管。这被完成在 680 ° c。

没有x + 铜 → N2 + 厝
O2 + 铜 → 厝

然后,气体流流经充满高氯酸镁之前要移除任何水蒸气流到达气相色谱仪列筛选器。

N2将退出气相色谱柱首先在大约 110 s,然后退出在大约 190 美国使用可以确定创建使用土壤样品中的天冬氨酸、 %N 和 %C 标准曲线的 CO2意愿。

Procedure

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。

Figure 1
图 1。Flash EA 1112 参数设置屏幕 1。

Figure 2
图 2。Flash EA 1112 参数设置屏幕 2。

Figure 3
图 3。Flash EA 1112 参数设置屏幕 3。

Figure 4
图 4。用镊子删除锡盘。

Figure 5
图 5。塑造成杯形状使用密封装置的锡盘

Figure 6
图 6。锡的包被放入自动进样器。

分析碳和氮的过程被称为"元素分析"-环境样品中的数额,重要洞察环境的生态属性。

碳、 氮是两个生命的最重要因素。碳是有机化合物,形成天地万物的基础的基础,也是作为一项措施为分子,如碳水化合物、 生物体的主要能量来源尤其有用。另一方面,氮是发现在分子核酸和氨基酸等。这些服务,分别作为遗传材料以及用于由生物体结构和功能蛋白质的基石。

因为这些不同种类的有机分子有不同的生物学作用,生物体需要他们不同的款额。例如,在土壤中的微生物通常需要食物来源,碳氮比为 24:1。因为不同的植物残体有不同碳氮比,从 13:1,如苜蓿,到 57: 1,如玉米,他们将通过以不同的速率和程度不同,反过来影响如何将养分归还给土壤的微生物分解。

这个视频将介绍的原则分析碳和氮元素组成;一项议定书进行元素分析的土壤样品;和最后,某些应用程序的这种分析方法对环境的研究。

元素分析可以执行方式有多种方式,如使用的特定的化学反应,往往涉及强酸,从而可以检测到的特色产品。元素分析方法的主要改进是闪速燃烧技术,它删除需要使用危险化学品,大大简化和加快这一进程,发展和允许的自动化。

闪存和基于燃烧的元素分析的基础是通过燃烧氧气在催化剂作用下大约 1000 ℃ 高温,加快反应氧化"氧化室,"中的示例。这转化为二氧化碳气体和氮气到氮氧化物和氮气体样品中的碳。惰性"承运人气"如氦然后用来运输这些铜充填,一个"减分庭"的燃烧产物的氮氧化物是进一步转换成氮气。多余的水蒸气是过滤与干燥剂等高氯酸镁从气体混合物中删除。

然后,可以用气相色谱法,其间气体分子通过油管,称为包含的液体或聚合物涂层薄列分隔闪存的燃烧产物。气体一再解散,并从这种基质蒸发,当他们通过列,取决于如何强烈了分子间相互作用与基材及载气的速度。花更多时间溶解在承印物上的物种将更缓慢穿越列,从而使气体将被区分。

一旦他们退出列,气体可以通过,例如,检测他们如何搞好热,称为热导率的属性。通过绘制每种气体的旅行通过线圈所花费的时间,科学家们获得"色谱"代表每种气体的高峰期。通过计算检测到的大量二氧化碳和氮气体使用各自的峰面积,然后可以推导出原始样品中的碳氮比。

现在,您了解使用 flash 燃烧法的碳和氮元素分析的原则,通过执行这使用自动化的元素分析仪的协议吧。

为了准备分析土壤样品,首先,干燥 48 h 60 ° C 烘箱中的示例。然后在此基础上,通过一个 2 x 2 毫米的筛子,土壤干,放弃不能通过任何土壤颗粒。接下来,使用球磨机磨磨大约 5 克的 2 分钟,使均匀的粉土。把磨碎的土放进一个小的容器,例如聚乙烯瓶,并保存在干燥器中,直到准备使用。

按照制造商的说明的元素分析仪上设置分析参数。这些包括氧化炉、 还原炉和气相色谱法测定烘箱的温度、 流量的载气、 氧注射速率、 流量参考气、 周期运行时间、 样品滴和氧注射进入氧化室和氧注射持续时间之间的延迟。

为了定量地确定样品的组成,标准曲线是首次创建使用不同量的一种化合物的已知成分,如天冬氨酸。

为此,首先用镊子从包中取出锡样本控股光盘和塑造成杯状,使用专门的密封装置。避免接触锡盘用你的手指,因为这可以导致油刻录在光盘上的转让。

现在,锡杯放电子天平,并设置皮重大众。删除锡杯中,然后使用 microspatula 将大约 1 毫克的天冬氨酸标准放进杯子里。权衡的杯和记录质量。然后在此基础上,密封的锡杯,放入自动进样器,它自动将每个样品到反应室。

重复上述步骤为几个数额的标准。然后,放入自动进样器的所有标准。

免除,重锡杯的土壤样本同样作为标准,使用大约 50 毫克的每个均质的土壤样品。准备每个样本一式三份。

一旦所有样品都放入自动进样器,并在文书中取得了适当的温度下,设置测量运行。仪器软件会为每个标准和样品色谱图。

根据使用的参数,氮气高峰期应在约 110 s 色谱,二氧化碳峰值检测在大约 190 美国标准曲线时生成与天冬氨酸,有碳氮比为 4 比 1。与这方面的知识,以及集中的每个标准,每个峰下的区域可以用于计算每个样本中氮和碳的量。

基于原始试样的质量,可以计算 %氮和 %碳的每个样本。在这个演示中,c:n 这土样被发现要约 13:1,低于 14.25:1 通常找下开阔林地和指示以创欧洲沙棘树为主的森林土壤的比率。

碳、 氮含量分析可以应用于各种土壤,除了环境样品和环境研究中有着广泛的应用。

在此示例中,研究人员从各种海洋生境,珊瑚礁等收集水样本。要理解到海洋微生物群落的有机养分的有效性,测量各种化学参数,包括碳和氮元素分析。溶解有机碳的直接测定水平从水样中,虽然颗粒有机物是从水过滤和分析。

元素分析也可以用于监测中的城市景观和草坪,可能会污染水源灌溉径流养分流失。在这里,科学家们建立了试验田来模拟城市的景观和更好地理解这一过程。各种化学测试用来分析特定营养素如硝酸盐和氨对径流收集的影响,并基于燃烧的元素分析用来测量溶解有机碳和氮的水平。

最后,分析在草食动物屠体 c:n 透露捕食风险和在土壤中的分解速率之间有趣的联系。在此研究中,蝗虫饲养有或无的捕食风险的蜘蛛。这些蝗虫的尸体只被允许在剧情的土壤,分解和植物碎屑后来添加到分解的土壤。

元素分析表明轻微增加的 c:n 蝗虫养殖具有捕食风险,但这反过来导致显著下降率的分解,分解压力的蚱蜢是的土壤中指向意外复杂动力学在生态系统养分循环。

你刚看了朱庇特的视频环境样品分析碳和氮。你现在应该明白这种分析方法背后的原则如何执行它使用 flash 燃烧元素分析仪;和一些在环境科学中的应用。一如既往,感谢您收看 !

Results

为每个样品色谱图被生产样品 (图 7) 中显示的氮和碳量。

在每个样品色谱峰曲线下的面积与标准曲线 (图 8 和图 9),进行比较和计算样品中氮和碳量。基于原始样品的重量,%N 和 %C 是计算 (图 10)。

Figure 7
请单击此处以查看此图的大版本。
图 7。色谱显示氮和碳的山峰。

Figure 8
图 8。测定氮的标准曲线。

Figure 9
图 9。碳的测定标准曲线。

Figure 10
图 10。%N 和 %c,基于原始样品的重量计算。

Applications and Summary

在土壤中的氮 (碳氮) 比碳的比例是质量的碳的土壤样品中氮。C:n 土壤和任何东西放到土壤 (如作物残茬覆盖) 可以影响作物残渣分解和养分的循环。土壤中的微生物有大约 8:1 碳氮比。要保持这个比率,他们必须获得他们的碳和氮从环境。然而,由于一些微生物获取碳必须用作除了它所需要的身体保养的能量源,微生物需要大约 24:1 碳氮比。如果比 24:1 高的碳氮比叶凋落物或土壤盖放置在土壤(例如.,玉米秸秆碳氮比为 57: 1),微生物将需要使用从土壤氮分解垃圾材料。这会导致土壤中的氮赤字。如果低于 24:1 放置在土壤 (例如,苜蓿干草,碳氮比为 13:1),在那里碳氮比叶凋落物或土壤盖将一些垃圾材料,它将作为营养物质被释放到土壤分解后剩余的氮。

元素分析不仅可以用于确定 c:n 个土壤样品,而且还可以用于确定 c:n 植物物质,如树叶和作物残留物。此信息是重要的农民,帮助他们决定什么类型的作物覆盖使用。C:n 作物残留物的添加来遮住土壤,影响残留会如何迅速分解。这已对土壤是否或不保护所需的时间长度的影响。

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。

Figure 1
图 1。Flash EA 1112 参数设置屏幕 1。

Figure 2
图 2。Flash EA 1112 参数设置屏幕 2。

Figure 3
图 3。Flash EA 1112 参数设置屏幕 3。

Figure 4
图 4。用镊子删除锡盘。

Figure 5
图 5。塑造成杯形状使用密封装置的锡盘

Figure 6
图 6。锡的包被放入自动进样器。

分析碳和氮的过程被称为"元素分析"-环境样品中的数额,重要洞察环境的生态属性。

碳、 氮是两个生命的最重要因素。碳是有机化合物,形成天地万物的基础的基础,也是作为一项措施为分子,如碳水化合物、 生物体的主要能量来源尤其有用。另一方面,氮是发现在分子核酸和氨基酸等。这些服务,分别作为遗传材料以及用于由生物体结构和功能蛋白质的基石。

因为这些不同种类的有机分子有不同的生物学作用,生物体需要他们不同的款额。例如,在土壤中的微生物通常需要食物来源,碳氮比为 24:1。因为不同的植物残体有不同碳氮比,从 13:1,如苜蓿,到 57: 1,如玉米,他们将通过以不同的速率和程度不同,反过来影响如何将养分归还给土壤的微生物分解。

这个视频将介绍的原则分析碳和氮元素组成;一项议定书进行元素分析的土壤样品;和最后,某些应用程序的这种分析方法对环境的研究。

元素分析可以执行方式有多种方式,如使用的特定的化学反应,往往涉及强酸,从而可以检测到的特色产品。元素分析方法的主要改进是闪速燃烧技术,它删除需要使用危险化学品,大大简化和加快这一进程,发展和允许的自动化。

闪存和基于燃烧的元素分析的基础是通过燃烧氧气在催化剂作用下大约 1000 ℃ 高温,加快反应氧化"氧化室,"中的示例。这转化为二氧化碳气体和氮气到氮氧化物和氮气体样品中的碳。惰性"承运人气"如氦然后用来运输这些铜充填,一个"减分庭"的燃烧产物的氮氧化物是进一步转换成氮气。多余的水蒸气是过滤与干燥剂等高氯酸镁从气体混合物中删除。

然后,可以用气相色谱法,其间气体分子通过油管,称为包含的液体或聚合物涂层薄列分隔闪存的燃烧产物。气体一再解散,并从这种基质蒸发,当他们通过列,取决于如何强烈了分子间相互作用与基材及载气的速度。花更多时间溶解在承印物上的物种将更缓慢穿越列,从而使气体将被区分。

一旦他们退出列,气体可以通过,例如,检测他们如何搞好热,称为热导率的属性。通过绘制每种气体的旅行通过线圈所花费的时间,科学家们获得"色谱"代表每种气体的高峰期。通过计算检测到的大量二氧化碳和氮气体使用各自的峰面积,然后可以推导出原始样品中的碳氮比。

现在,您了解使用 flash 燃烧法的碳和氮元素分析的原则,通过执行这使用自动化的元素分析仪的协议吧。

为了准备分析土壤样品,首先,干燥 48 h 60 ° C 烘箱中的示例。然后在此基础上,通过一个 2 x 2 毫米的筛子,土壤干,放弃不能通过任何土壤颗粒。接下来,使用球磨机磨磨大约 5 克的 2 分钟,使均匀的粉土。把磨碎的土放进一个小的容器,例如聚乙烯瓶,并保存在干燥器中,直到准备使用。

按照制造商的说明的元素分析仪上设置分析参数。这些包括氧化炉、 还原炉和气相色谱法测定烘箱的温度、 流量的载气、 氧注射速率、 流量参考气、 周期运行时间、 样品滴和氧注射进入氧化室和氧注射持续时间之间的延迟。

为了定量地确定样品的组成,标准曲线是首次创建使用不同量的一种化合物的已知成分,如天冬氨酸。

为此,首先用镊子从包中取出锡样本控股光盘和塑造成杯状,使用专门的密封装置。避免接触锡盘用你的手指,因为这可以导致油刻录在光盘上的转让。

现在,锡杯放电子天平,并设置皮重大众。删除锡杯中,然后使用 microspatula 将大约 1 毫克的天冬氨酸标准放进杯子里。权衡的杯和记录质量。然后在此基础上,密封的锡杯,放入自动进样器,它自动将每个样品到反应室。

重复上述步骤为几个数额的标准。然后,放入自动进样器的所有标准。

免除,重锡杯的土壤样本同样作为标准,使用大约 50 毫克的每个均质的土壤样品。准备每个样本一式三份。

一旦所有样品都放入自动进样器,并在文书中取得了适当的温度下,设置测量运行。仪器软件会为每个标准和样品色谱图。

根据使用的参数,氮气高峰期应在约 110 s 色谱,二氧化碳峰值检测在大约 190 美国标准曲线时生成与天冬氨酸,有碳氮比为 4 比 1。与这方面的知识,以及集中的每个标准,每个峰下的区域可以用于计算每个样本中氮和碳的量。

基于原始试样的质量,可以计算 %氮和 %碳的每个样本。在这个演示中,c:n 这土样被发现要约 13:1,低于 14.25:1 通常找下开阔林地和指示以创欧洲沙棘树为主的森林土壤的比率。

碳、 氮含量分析可以应用于各种土壤,除了环境样品和环境研究中有着广泛的应用。

在此示例中,研究人员从各种海洋生境,珊瑚礁等收集水样本。要理解到海洋微生物群落的有机养分的有效性,测量各种化学参数,包括碳和氮元素分析。溶解有机碳的直接测定水平从水样中,虽然颗粒有机物是从水过滤和分析。

元素分析也可以用于监测中的城市景观和草坪,可能会污染水源灌溉径流养分流失。在这里,科学家们建立了试验田来模拟城市的景观和更好地理解这一过程。各种化学测试用来分析特定营养素如硝酸盐和氨对径流收集的影响,并基于燃烧的元素分析用来测量溶解有机碳和氮的水平。

最后,分析在草食动物屠体 c:n 透露捕食风险和在土壤中的分解速率之间有趣的联系。在此研究中,蝗虫饲养有或无的捕食风险的蜘蛛。这些蝗虫的尸体只被允许在剧情的土壤,分解和植物碎屑后来添加到分解的土壤。

元素分析表明轻微增加的 c:n 蝗虫养殖具有捕食风险,但这反过来导致显著下降率的分解,分解压力的蚱蜢是的土壤中指向意外复杂动力学在生态系统养分循环。

你刚看了朱庇特的视频环境样品分析碳和氮。你现在应该明白这种分析方法背后的原则如何执行它使用 flash 燃烧元素分析仪;和一些在环境科学中的应用。一如既往,感谢您收看 !

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