Automatizado, de alta resolução Sistema de Coleta Móvel para a análise de azoto isotópica de NO Published: December 20, 2016 doi: 10.3791/54962

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Paul K. Wojtal^1,2, David J. Miller^2,3, Mary O'Connor¹, Sydney C. Clark^2,3, Meredith G. Hastings^2,3

¹Department of Chemistry, Brown University, ²Institute at Brown for Environment and Society, Brown University, ³Department of Earth, Environmental, and Planetary Sciences, Brown University

Abstract

Óxidos de azoto (NO _x = NO + NO ₂₎ são uma família de gases atmosféricos que têm grande impacto sobre o meio ambiente. NÃO concentrações _x influenciam diretamente a capacidade oxidante da atmosfera através de interações com radicais de ozônio e hidroxila. O principal dissipador de NO _x é a formação e deposição de ácido nítrico, um componente da chuva ácida e um nutriente biodisponível. NO _x é emitido a partir de uma mistura de fontes naturais e antropogênicas, que variam no espaço e no tempo. A colocação de múltiplas fontes eo curto tempo de vida de NO _x tornar-se um desafio para restringir quantitativamente a influência de diferentes fontes de emissão e seus impactos sobre o meio ambiente. Isótopos de nitrogênio de NO _x têm sido sugeridos para variar entre diferentes fontes, o que representa uma ferramenta potencialmente poderosa para entender as fontes e transporte de NO _x. Contudo, os métodos anteriores de recolha atmosféricaNO _x integrar mais longa (semana de mês) intervalos de tempo e não são validados para a recolha eficiente de NO _x em diversas condições relevantes, de campo. Nós relatamos em um sistema baseado em campo novo, altamente eficiente, que recolhe atmosféricas NO _x para análise de isótopos com uma resolução de tempo entre 30 minutos e 2 horas. Este método recolhe gases _NOX em solução como nitrato com uma eficiência de 100% sob uma variedade de condições. Protocolos são apresentados para a coleta do ar em ambientes urbanos em ambas as condições fixas e móveis. Nós detalhe as vantagens e limitações do método e demonstrar sua aplicação no campo. Os dados de várias implementações estão apresentados a 1) avaliar com base em campo eficiência de recolha por meio de comparações com in situ sem medições _x concentração, 2) testar a estabilidade das soluções armazenadas antes do processamento, 3) quantificar na reprodutibilidade situ em uma variedade de ambientes urbanos, e 4) demonstram a gama de Nisótopos de NO _x detectado no ar urbano ambiente e em estradas movimentadas.

Introduction

Óxidos de nitrogênio atmosférico (NO _x = NO + NO ₂₎ são espécies importantes do ^1,2 ciclo de nitrogênio reativo global. NO _x na atmosfera é altamente reactivo e directamente contribui para a capacidade oxidante da atmosfera através das suas interacções com ozono _(O3) e radicais hidroxilo (OH). NO _x é removido a partir da atmosfera na escala de horas a dias na troposfera inferior através de oxidação para o ácido nítrico _(HNO3) ou nitrato _(NO3 ^-), ambos os quais são altamente solúveis e pode ser seco depositado sobre as superfícies em gasoso e as formas de partículas de aerossol ou molhado depositados por precipitação (por exemplo, a chuva ácida) ^2. NO _x é emitido a partir de uma variedade de fontes, incluindo a combustão de combustíveis fósseis, a queima de biomassa, processos microbianos em solos, e relâmpagos. da distribuição das fontes é crucial para compreender os impactos das fontes individuais, mas a variedade de fontes, A sua variabilidade no espaço e no tempo, e os relativamente curtas vidas de NO _x e _HNO3 concentração make analisa sozinho uma métrica inadequada. Isótopos estáveis pode ser útil como uma forma de controlar melhor os padrões espaciais e as tendências temporais de fontes e a química de NO _x e NO ₃ ^- no meio ambiente e para adicionar novas restrições nos modelos atmosféricos ^3. Até à data, as assinaturas isotópicas associados a diferentes fontes de NO _x continuam altamente incertas, particularmente por causa de grandes incertezas associadas com os métodos anteriores ^4.

Estudos anteriores representam um número de diferentes métodos de recolha activa e passiva e produzir grandes intervalos em valores isotópicos relatados, mesmo para a mesma fonte de emissão. Fibiger et ai. descobriu que métodos frequentemente variaram muito em termos de sua eficiência na captura de NO _x utilizada anteriormente com as mudanças nas condições grandemente Influmentavam coleção de campos (por exemplo, temperatura, umidade, vazão, idade de solução) ^4. A absorção ineficiente de métodos de captura ₂ anteriores não e não poderia levar a fracionamento. Por exemplo, as taxas mais elevadas de oxidação de ¹⁴ N em relação a ¹⁵ N poderia render baixos preconceitos em δ ¹⁵ N-NO _x que não são representativos de valores atmosféricos. Além disso a problemas metodológicos ^4,17, uma variedade de diferentes tipos de amostras de ar também pode contribuir para diferenças nas gamas relatados para valores isotópicos associados com a mesma fonte. Por exemplo, as assinaturas isotópicas associados com as emissões dos veículos de NO _x têm sido sugeridas com base em coleções em locais quase-estrada ^5, em túneis de tráfego ^6, e directamente a partir dos tubos de escape dos veículos a ^7,8. Além disso, os métodos anteriores têm resoluções de tempo de 24 h na melhor das hipóteses, e mudanças significativas em nenhum ambiente _x concentrações sãoobservados na hora (ou inferior) prazos ^9, potencialmente limitando a aplicação de detecção isotópica de diferentes fontes. Muitos dos métodos de recolha de NO _x exigem soluções oxidantes muito fortes, capazes de oxidar NO _x, mas também outras espécies reativas de nitrogênio recolhidos (por exemplo, amónio), para o nitrato ao longo do tempo, contribuindo potencialmente uma interferência medição isotópica. Alguns métodos anteriores são também limitados a coleta NO ₂ em solução, que fornece apenas uma compreensão limitada de NO _x isótopos, uma vez que não recolher NO (a emissão primária). Assim, existe uma necessidade de capturar _os NO _x a partir de fontes de emissão diferentes, utilizando um método consistente, validado para restringir melhor se a variabilidade em isótopos de NO _x (e NO ₃ ^-) no ambiente pode ser usado para rastrear directamente fontes e química.

Este artigo relata um baseado em campo NO _x et ai. ^4, é ainda validado através da demonstração de sua eficiência de coleta sob mudando NO _x e as condições meteorológicas no campo, o teste de estabilidade da solução e interferências de amônia, ea comprovação de sua reprodutibilidade em ambientes urbanos. Diferenças espaciais e temporais nos valores isotópicos são investigados usando um único método laboratorial e verificou-campo que pode capturar NO _x em solução a alta eficiência. Este trabalho demonstra a aplicação do método de quase-estrada, na estrada, e coleções do ar urbano ambiente com resolução de tempo de 30 a 120 min.

Em resumo, _NOx (NO e _NO2) é recolhida a partir da atmosfera emuma solução altamente oxidante como NO ₃ ^-. Ao mesmo tempo, ambiente NO _x, NO _2, e concentrações de CO ₂ e outros dados relevantes, tais como a localização GPS e hora da coleta, são gravadas. Depois a amostra é recolhida, a solução é processada no laboratório, o qual envolve a redução da solução para parar a reacção, em seguida, neutralizando o pH da solução para posterior NO ₃ ^- concentração e análises isotópicas. O NO ₃ ^- concentração é determinada aqui por um espectrofotométrico automatizado (ou seja, colorimétrico) processo. A composição isotópica de azoto é determinado pelo método denitrifier, que quantitativamente converte o NO ₃ ^- na solução para N gasoso ₂ O que é, subsequentemente, mensuradas em um espectrômetro de massa de razão isotópica. Laboratório e de campo espaços em branco também são recolhidos e medidos como parte das coleções para garantir a integridade da amostra. Abaixo está uma detailevou protocolo passo-a-passo.

Protocol

1. Preparação de Soluções

1. Antes de amostragem, preparar as soluções, calibrar o NO _x analisador (ou luminol ou quimiluminescência) e verificar se o sistema está a funcionar correctamente e que os novos filtros são instalados.
2. Adicione soluções de amostragem utilizando permanganato de potássio 1 M (KMnO ₄₎ solução de estoque e hidróxido de 10 M de sódio (NaOH) ^{a 10,} e, em seguida, dilui-se a solução com água ultrapura com o volume correcto.
   NOTA: Compra soluções pré-construídos, porque eles tendem a conter inferior NÃO "em branco" ₃ ^- concentrações do que outras formas. ⁴
   1. Preparar 10 M NaOH.
      1. Pesar 200 g de NaOH sólido e derramá-la em um balão volumétrico de 500 ml. Adiciona-se água ultrapura (18,2 mohms · cm a 25 ° C) para a linha de menisco do balão volumétrico e permitir que o NaOH se dissolver.
   2. Como esse processo exala calor, colocar o balão aferido em uma sala de têmperaature (~ 22 ° C) banho de água e deixe esfriar enquanto se dissolve, geralmente levando 1-2 horas. Armazenar de NaOH 10 M em 500 ml de frascos de âmbar de plástico para até 1 mês.
   3. Prepara-se uma solução de amostragem de H _KMnO4 0,5 M e NaOH a 0,25 em um cilindro graduado de 500 ml (450 ml de volume de solução).
      1. Adicionar 112,5 ml de 1 M KMnO ₄ e, em seguida, encher com água ultrapura até 405 ml.
      2. Adicionar 22,5 ml de uma solução de NaOH a 10 M, preparado no passo 1.2.1 do cilindro graduado e encha até à linha de 450 ml com água ultrapura.
   4. Armazene as soluções em 500 ml garrafas de vidro âmbar e etiquetar cada solução com a data (de uso de letras para distinguir cada garrafa).
   5. Uma vez que a solução é feita, dê um espaço em branco de laboratório. Retirar 25 ml da solução e registro do qual frasco da solução veio. blanks lojas em 60 ml frascos de vidro âmbar.
      Nota: cada frasco de solução deverá produzir amostras 8-11 (35-50 mL cada) e um campo em branco (25 ml) após olaboratório em branco é tomada.

Setup 2. Campo

1. Escolha um local de amostragem (como um telhado) e instalar o sistema (se estiver usando o sistema estacionário). Para o laboratório móvel, embalar toda a instrumentação em um veículo típico de passageiros. Ver Figura 1 para uma representação esquemática do sistema automatizado.
2. Alterar todos os filtros marcados na Figura 1, antes de provar para garantir que eles estão trabalhando de forma mais eficaz e eficiente.
   NOTA: Existem três tipos de filtros no sistema: um filtro de PTFE de partícula (1.0 uM; 47 ou 25 mm, utilizar a área de superfície maior em mais ar poluído) para remover partículas que podem conter NO ₃ ^-, um filtro de membrana de nylon (1,0 | iM) para a remoção de HNO ₃ de gás, e um filtro hidrofóbico (10,0 mm) para proteger a bomba de vácuo e o orifício crítico de gotículas da solução. Com novos filtros no início de um período de amostragem, o filtro de partículaseo filtro de NO ₃ não precisará ser alterado para um par de dias, salvo em condições altamente poluídas ou empoeirados. O filtro hidrofóbico deve ser trocado a cada 4-6 horas durante o tempo que a amostragem é feito continuamente.
3. Para a montagem do sistema, ligar o sistema e os instrumentos de politetrafluoroetileno (PTFE) de tubagem (diâmetro exterior de 1/4 polegadas) e tem como objectivo o de entrada, também tubagem de PTFE, no sentido da recolha de ar desejado.
   NOTA: O laboratório móvel é para tomar medidas em estrada, enquanto que o laboratório fixo é para fazer medições do ar urbano e perto de estrada ambiente.
4. Configure o "laboratório móvel", que consiste na NO sistema _x coleção, uma caixa de NO _x, um analisador de CO _2, uma unidade de sistema de posicionamento global (GPS), e uma bateria marinha.
   1. Embale o sistema e toda a instrumentação para o carro. Alimentar o sistema com um 12 V marine bateria de ciclo profundo para ~ 12 h, semelhante ao durat máximaion de um dia de medições móveis. Recarregar a bateria no final do dia de amostragem para se preparar para o próximo dia.
      NOTA: Usar uma bateria separada de modo que não há necessidade de hardwire à bateria do carro, nem para manter o carro a correr para fazer medições. Use duas baterias se a amostragem será próximo ou superior a 12 horas, a fim de evitar parar por algumas horas para recarregar a bateria.
   2. Ligar os instrumentos para o tubo de entrada de PTFE mais perto da entrada do que para o sistema de recolha, porque a bomba de vácuo para o sistema opera a velocidades de fluxo de 3-5 l / min, muito maior do que as taxas de fluxo de caixa de _x a não (~ 1,5 L / min) ou o o analisador de CO ₂ / H ₂ (<1 L / min).
   3. Proteger o tubo de entrada de PTFE para a frente do carro sobre o telhado, que aponta para a frente do carro, numa posição que é a maior distância possível do tubo de escape, a fim de evitar a captura de auto-emissão do tubo de escape de automóveis. Por exemplo, no laboratório móvelutilizando um veículo utilitário esportivo de médio porte, a entrada foi localizado no teto do carro, 2 pés da porta do lado do motorista, colocando-a 1,6 metros acima da estrada e 2,54 metros do pára-choque traseiro.
      1. Como alternativa, use um veículo de emissão zero elétrico ou outro.
   4. geolocalização registro e dados de velocidade do veículo a cada segundo, usando uma unidade GPS (se estes dados é de interesse). Sincronizar o computador portátil de gravação de NO _x e ₂ de dados CO com o tempo GPS antes das medições.
   5. Ligue a instrumentação no início do dia de amostragem e desligá-los no final do dia de amostragem, mesmo quando o sistema de coleta não está em execução (os instrumentos exigem tempo de aquecimento, então deixá-lo correr durante todo o dia para evitar múltipla tempos de aquecimento).
   6. Carregar a caixa de NOx com uma solução de luminol, quando ele está ligado, no início do dia de amostragem, e, em seguida, lavá-la com água no final do dia, antes do instrument é desactivada, conforme indicado pelo fabricante. Armazenar as amostras de luminol e solução num refrigerador no laboratório móvel, para evitar a degradação das soluções. Guardar a solução luminol em uma unidade durante a noite refrigerada.
   7. Calibra-se o ₂ O analisador de NO _x Box-A NO-base de luminol ₂ / analisador ¹¹ e um diferencial, infravermelho não dispersivo (NDIR) CO ₂ / H utilizando um calibrador de diluição de gás comercial e seguindo as instruções do fabricante. A caixa de NO _x tem um tempo de resposta de ~ 5 seg, que está melhor equipado para resolver on-Road Nenhuma plumas de emissão _x.
5. Configure o 'laboratório fixo', que consiste na NO sistema _x coleção e uma quimiluminescência analisador _x concentração.
   1. Fix tubagem de PTFE para uma superfície e aponte na direcção do ar para ser recolhido.
   2. Dividir a tubagem de PTFE na entrada com um T encaixe para conectar both o NO _x analisador e do sistema de recolha automática.
   3. Ligue o sistema estacionário a uma tomada eléctrica (120 V de corrente alternada).
   4. Execute o analisador de concentração de NO _x continuamente ao longo do período de amostragem, mesmo quando o sistema de coleta está desligado ou comutação amostras. Use a válvula embutido no sistema de coleta de isolá-lo durante esse tempo para que o _x analisador de NO é a amostragem do ar ambiente.
   5. Calibrar o analisador _x concentração de quimiluminescência NO. Isto é usado para as medições estacionárias, como ele tem um tempo de resposta mais lenta (> 30 s), o que é melhor para a medição do ar ambiente.
      1. Calibrar com base nas instruções do fabricante, utilizando um calibrador de diluição dos gases. Dilui-se um padrão de 25 ppmv de NO em _N2 com ar zero para obter cerca de sete pontos de calibração entre 0-200 ppbv NO. Usando um titulador de ozônio, calibrar os NO ₂ concentrações em todo o same variam (0-200 ppbv NO _2).
   6. Se estiver usando o laboratório móvel, calibrar o ₂ O analisador de NO _x box-a NO-base luminol ₂ / analisador de ¹¹ e um diferencial, infravermelho não dispersivo (NDIR) CO ₂ / H utilizando um calibrador de diluição de gás comercial e seguindo o fabricante do instruções. A caixa de NO _x tem um tempo de resposta de ~ 5 seg, que está melhor equipado para resolver on-Road Nenhuma plumas de emissão _x.

3. Recolha de Amostra

1. Executar testes no sistema para garantir de que o medidor de fluxo, a bomba de seringa, o software de computador, e a bomba de vácuo são todos trabalhar. Ligue cada componente e verifique se ele está funcionando corretamente. Com o software de computador, conclua o protocolo de amostragem uma ou duas vezes para se certificar de que tudo está funcionando corretamente.
2. Ligar o sistema de modo que o ar se borbulhar através da solução e as bolhas são visible.
   NOTA: O programa de computador automatiza o movimento das soluções em todo o sistema, mas a bomba de diafragma e a bomba de vácuo são operados manualmente. O utilizador tem de seleccionar a quantidade de tempo para a recolha de uma amostra (entre 30 e 120 min) que recolhe o suficiente _de NO _x para a concentração da amostra a ser superior à concentração de nitrato de branco da solução. Atmosféricas NO _x concentrações de 50-100 ppbv perto de fontes, tais como veículos exigem apenas um tempo de coleta 30 min. Para concentrações _x Urban Nenhuma ambiente (5-30 ppbv), devem ser colhidas amostras para até 120 min. Utilizando as equações previstas nos passos 6.5 e 6.5.1, o utilizador pode voltar a calcular o tempo de recolha para se obter a concentração desejada em solução amostra.
   1. Usar um sistema de recolha com uma bomba de seringa para deslocar automaticamente a solução a partir dos reservatórios para a garrafa de gás de lavagem e da garrafa de gás de lavagem para os resíduos. Os quatro electronicamente actuválvulas ated e a bomba de seringa são controlados por um programa de computador escrito especificamente para o sistema de coleta, que tem quatro modos: 1) dispensa nova solução, 2) Limpe a tubulação, 3) coletar a amostra, e 4) limpar o lavador de gás frasco, como segue:
   2. Para dispensar automaticamente nova solução, aspirado de 35 ml de solução (V _s) para dentro da bomba de seringa a partir do reservatório para a solução e dispensar-lo para dentro da garrafa de gás de lavagem. A garrafa frita lavador de gás faz com que a solução para bolha quando a bomba de vácuo é ligado e a amostra de gás é introduzido.
      NOTA: Escolha um volume de solução entre 25-35 ml com base nas concentrações de NO _x incluídos na amostra e os tempos de coleta desejados.
   3. Limpar o tubo entre a bomba de seringa e a garrafa de gás de lavagem, puxando automaticamente a solução residual no tubo para a seringa e depositá-lo no recipiente de resíduos.
   4. Uma vez que a solução de amostragem está dentro da garrafa de gás de lavagem, TUR manualmenten na bomba. Quando foi alcançada a quantidade desejada de tempo de amostragem, desactivar manualmente a bomba.
   5. Após a amostragem é feito, recolher a solução por abertura da válvula automatizada sob a garrafa de gás de lavagem para escoar a solução para um frasco de recolha e tampão por acção da gravidade. Quando a amostra é feita a recolha _de NO _x, recolher a solução num frasco de 60 ml de vidro âmbar e remover manualmente o frasco. O programa aguarda ~ 2 min para a solução para drenar completamente e, em seguida, move-se automaticamente para a próxima etapa.
   6. Uma vez que a amostra é feita de drenagem, fecha-se automaticamente a válvula e limpar a garrafa de gás de lavagem por aspiração de água ultrapura para a bomba de seringa e dispensando-o para a garrafa de gás de lavagem por meio de um bico de pulverização para limpar os lados da garrafa de gás de lavagem. Extraia este águas residuais da garrafa de gás de lavagem, aspirando-a na bomba de seringa e descartá-lo para dentro do reservatório de resíduos. Armazenar a frita com 25 ml de água nanopura.
   7. Repita o passos 3.2.2 a 3.2.6 para distribuir a amostra seguinte solução.
3. Aqui os esboços de campo durante a recolha, para cada frasco de solução (marcado com as letras AZ antes do início da recolha de) que é utilizado pelo envio de 25 ml de solução através do sistema sem necessidade de ligar a bomba de vácuo para recolher ar. Recolhe a solução imediatamente após ser colocado no sistema.
4. Grave a taxa de fluxo volumétrico cada 5 min, utilizando um medidor de fluxo durante a operação de recolha, junto com a temperatura do ar (T) e de pressão (P) no medidor de fluxo, para obter a taxa de fluxo padrão. As taxas de fluxo de 3-5 l / min são alcançados com uma bomba de diafragma (30? L / min de capacidade) e um orifício crítico para reduzir a taxa de fluxo.
   1. Definir a taxa de fluxo no início da recolha de amostras para medir o fluxo de aproximadamente a cada 1 segundo. Depois de 5-10 seg, alterar a frequência de medição de vazão a 5 min.
   2. Recolher os dados de taxa de fluxo cada 5 min durante a duração do período de amostragem.
      NOTA: Se o fbaixa taxa cai significativamente, a amostra deve ser coletada por mais tempo do que o inicialmente esperado. Mudanças pequenas (<25%) na taxa de fluxo inicial são de esperar. O filtro hidrofóbico deve ser verificado para ver se ele é revestido para o ponto que está obstruído.
   3. Antes da amostragem é interrompida, mudar de volta para medições de taxa de fluxo de 1 seg e recolher dados de fluxo durante 5-10 segundos antes de desligar a amostra.
      NOTA: As soluções podem ser armazenadas até (máximo) sete dias antes do passo 4 deve ser realizada.

Redução 4. Amostra

NOTA: Reduzir as amostras para remover o _KMnO4 no prazo de 7 dias após a coleta. O método original ^{de 4} sugere que isso deve ser feito no prazo de 24 horas da coleta. Estes são resultados que sugerem que as amostras podem ser armazenadas durante até sete dias antes da redução.

1. O permanganato em solução é um forte oxidante. Reduzir a amostra para parar areacção de oxidação do permanganato com NO _x ambiente ou com outras espécies de N que pode potencialmente levar a interferência se eles são oxidados a nitrato ^4.
2. Rotular dois 400 ml copos, um para soluções em branco e um para amostras. Adquirir duas varas do stir, uma para cada copo. Além disso, adquirir uma 500 a 5.000 ul de pipetas e ponteiras.
3. Pesar cada garrafa de amostra ao mesmo tempo que contém a solução e registar a massa do frasco de vidro cheio. Depois que a solução foi vertida para o copo, pesar o frasco de vidro vazio.
4. Despeje a solução de uma amostra no copo de amostra e uma solução em branco no copo branco.
5. Para o copo da amostra, introduzir-se lentamente 10 ml de peróxido de hidrogénio (H ₂ O ₂₎ em 5 ml de lotes para amostra, sob agitação vigorosa, enquanto a adição de 5 ml cada de H ₂ O _2. Este volume é para soluções de amostra de 35 ml. Para cada 25 ml de solução de amostragem (em branco ou amostra), adicione 5 ml of H ₂ O _2. Adicionando o total de 5 ml para menos de 25 ml de solução da amostra é recomendado para assegurar a conversão completa, e a adição de mais H ₂ O ₂ só irá resultar na diluição da solução.
   1. Introduzir os primeiros 5 ml de H ₂ O ₂ por cima da taça, de modo que a ponta não toque na proveta, a haste de agitação, ou a solução.
   2. Adicionar o segundo lote para o lado do recipiente e em torno do lado, quanto mais é adicionado, de modo a limpar as paredes do copo, assegurando que toda a solução de amostra é reduzido. Se mais do que 5 ml de H ₂ O ₂ é adicionado, realizar esta etapa na última introdução de 5 ml de H ₂ O ₂ e seguir o passo 4.5.1 para as introduções intermediários de H ₂ O _2.
   3. Mudar a ponta da pipeta depois de cada amostra é alterada para evitar qualquer contaminação cruzada.
6. Para o copo solução em branco, adiciona apenas 5 ml de H ₂ O ₂. Adicionar aproximadamente metade da parte superior da solução e adicionar a outra metade em torno dos lados do copo. Alterar a ponta após cada espaço em branco.
7. Verificar para assegurar que a solução acima o precipitado é claro ou amarelo pálido. Se as cores roxo ou azul permanecem, adicionar mais H ₂ O ₂ para verificar se ele está totalmente reduzida.
8. Deita-se o conteúdo da proveta, tanto o líquido e o precipitado castanho que se forma em tubos de centrífuga de 50 ml que foram rotulados de acordo com a amostra em branco ou o número ou a letra.
9. Uma vez que todas as soluções são reduzidos (o H ₂ O ₂₎ é adicionado, carregar o centrifugador em lotes de 20, assegurando que a centrífuga é equilibrada. Uma centrífuga de bancada pode tipicamente acomodar tubos de centrífuga de 20 de cada vez.
   1. Operar a centrifugar a 3220 xg durante 15 min com cada lote de tubos de centrífuga.
10. Enquanto a centrífuga está em execução, pesar as garrafas de vidro vazias e registrar suas massas. Além disso, label 60 ml âmbar garrafas de plástico (previamente limpas por lixiviação em água ultrapura) e pesar as garrafas de plástico vazias. Grave suas massas também.
11. Uma vez que a centrifugação tenha terminado, o líquido sobrenadante para a garrafa de plástico de cor âmbar (com o sólido remanescente no tubo) e descarte do tubo de centrifugação.
12. Pesar as garrafas de amostra, agora completo, e registrar suas massas.

5. Neutralização Amostra

NOTA: Executar a neutralização de amostras e brancos (reproduzidas aqui dos Fibiger et al ⁴ com as atualizações.). Note-se que este passo é necessário para a quantificação colorimétrica da concentração de nitrato na solução; isto pode não ser necessário com outras técnicas de concentração.

1. Realizar neutralização manualmente ou com um titulador automático.
2. Para a neutralização Manual, utilizar o ácido clorídrico M 12,1 (HCl) e introduzi-la na solução âmbar plásticoFrasco com uma pipeta. Tenha muito cuidado (eyewear, jaleco, exaustor, etc.) ao manusear HCl, sobretudo, a uma concentração de 12,1 M.
   1. Calcular o volume de HCl a 12,1 m que é para ser adicionada à solução da amostra para neutralizá-la com a seguinte equação:
      
      onde _HCl V é o volume de HCl adicionado, massa _{frasco de vidro cheio} é a massa da garrafa de vidro, a solução foi recolhida com a solução, e de massa _{frasco de vidro vazio} é a massa da garrafa de vidro, a solução foi recolhida em sem a solução de . Assume-se que as densidades das soluções para ser 1,00 g / ^cm3, uma vez que são soluções diluídas.
      NOTA: Adicionar 85% deste volume pela primeira vez em incrementos de 0,20 ml. Dependendo do ar que está a ser amostrado, de outras espécies que são recolhidos podem baixar o pH da solução original e alterar a forma como ele responde à adição de ácido.
   2. Adicionaro volume de 85% de HCl para a garrafa, por meio de uma pipeta e uma ponta descartável em incrementos de 0,2 ml. Tampão e agitar o frasco entre cada adição de 0,2 ml para assegurar o ácido tem misturado com a solução. Verificar o pH utilizando papel decisivo através da remoção de 20 ml de solução e pipetando-o para o papel decisivo.
   3. Se o pH é entre 4 e 10, a amostra rotular como neutralizada e registar o pH. Repita os passos 4.2.1 e 4.2.2 para todas as outras amostras que está sendo processado. Enquanto a análise colorimétrica concentração pode prosseguir com amostras que possuem um pH tão baixo quanto 4 ou tão elevado como 10, para chegar o mais perto possível 7, a fim de se obter os melhores resultados.
   4. Se o pH ainda está acima de 10, após a adição de volume de 85%, adiciona-se HCl em incrementos menores que 0,2 ml de HCl (0,10 ou 0,05 ml), agitar o frasco para homogeneizar e verificar o pH com papel decisivo e 20 ml de solução após cada adição de HCl.
   5. Uma vez que o pH esteja dentro da gama desejada, rotular a amostra neutralizada quanto nos smaneira ame como antes e reserve.
   6. Se o pH for inferior a 4, utilizar 10 M NaOH para trazer o pH até ao intervalo correcto. Adicionar cada vez pequenas quantidades de NaOH e verificar o pH após cada adição usando papel de tornassol e o mesmo método que anteriormente.
   7. Registar a quantidade de HCl _(HCl V) e NaOH (se necessário) adicionado a cada garrafa de amostra, juntamente com o pH final.
3. Para o método titulador automático, usar um titulador automático.
   1. Diluir H HCl 12,1-4 H com água ultrapura e introduzi-lo para o titulador (0-25 ml de ácido clorídrico são possíveis) de acordo com as instruções do instrumento. H 4 permite que o titulador de ser suficientemente preciso, sem a adição de grandes volumes para as amostras.
   2. Defina o titulador automático para titular a um pH de 7.
   3. Grave o pH final e o volume de HCl adicionado. Rotular a amostra como neutralizado e gravar o pH final.
   4. Utilizar o mesmo copo para cada titulação. Entre cada amostra, lavar tele taça, sonda de pH, e um agitador com água ultrapura, pelo menos, 3 vezes e seco.

Medição 6. Amostra

1. Medir a concentração de cada uma das amostras (C _B ou C _S), utilizando um analisador de nutrientes espectrofotométrica que utiliza química colorimétrico para fazer medições de concentração.
2. Preparar as amostras e colocá-los no instrumento de acordo com as instruções do fabricante.
3. Gerar uma curva de calibração padrão 0-15 nitrato? M (7 pontos de calibração) de uma solução _{de 3} 30 mM estoque KNO.
4. Preparar e executar os controles de 8 e 10 de nitrato? M de qualidade juntamente com as amostras. Calcular o desvio padrão combinado de QCs em várias corridas para estimar a incerteza concentração. desvios padrão combinado típicos de ± 0,4 mM são observados (por 7 corridas, N = 27 pontos de dados).
   1. Converter o b NO _x concentração determinada y o analisador de concentração colorimétrico de � a ppbv usando a equação seguinte relação de mistura:
      
      onde MR _NOx é a proporção de mistura de NO _x (o valor reportado em ppbv), n _NOx é o número de nmol de NO _x recolhidos, R é a constante dos gases perfeitos em , T é a temperatura (em graus Kelvin), P é a pressão atmosférica (em atm), e V é o volume de ar (em L) recolhido. O volume total dos gases amostrados é determinada por integração numérica das séries de tempo a taxa de fluxo (equivalente à área sob a curva da taxa de fluxo como uma função do tempo).
   2. Calcule o número de moles de NO _x utilizando o seguinte conjunto de equações:
      
      para a amostra,
      5.jpg "/>
      no ensaio em branco, e
      
      onde C _S é a concentração da amostra medido pelo analisador de concentração colorimétrico, em umol; V _S é o volume da amostra, em ml; C _B é a concentração da peça em bruto, em umol; V _B é o volume da peça em bruto, em ml; V é o volume _aliquota do que foi neutralizado, em ml (normalmente todo o volume da solução); _HCl e V é o volume de HCl adicionado para neutralizar a alíquota, em ml.

7. Nitrogen Isotope Rácio Preparação

NOTA: Quantificar a composição isotópica de azoto com base no método denitrifier. Detalhes deste método são publicados em outros lugares, na sua totalidade, e os usuários devem consultar estas publicações para obter instruções método integral ^12,13. O método utiliza as bactérias desnitrificantes para convNÃO ERT líquido ₃ ^- amostras em óxido nitroso gasoso (N ₂ O) para determinação isotópica. Os usuários que não têm o método denitrifier facilmente configurado pode ter amostras analisadas quanto à composição isotópica pelas instalações externas. Os usuários devem consultar estas instalações para garantir que as correções de dados apropriados são consistentes com aquelas na etapa 8.

1. Com base na concentração determinada para cada amostra e vazio, injectar os volumes adequados em pré-preparados, frascos tapados com bactérias ^12,13. Alvo de um tamanho específico para injecção, dividindo o tamanho do alvo, tal como 20 nmol N, pela concentração (mol / L) ou da amostra em branco para determinar o número de ml para injectar cada frasco através de uma seringa.
   1. Injetar materiais de referência nitrato (eg, IAEA-NO-3 e USGS34) pelo menos em triplicado com cada conjunto de amostras a ser executado para isótopos. Estes materiais de referência são usados ​​para corrigir os dados finais para Padronizado, internationally valores ¹⁴ aceitos.
   2. Encha dois copos com água ultrapura para a lavagem de seringas entre as injeções de amostras e materiais de referência. Obter uma garrafa vazia para solução de resíduos.
   3. Molhar a ponta da seringa a ser utilizado para injecção, em primeiro recipiente com água e secá-lo fora. Lavar o volume total da seringa com água ultrapura e descarte a água como resíduo. Repita três vezes.
   4. Seguindo um procedimento semelhante ao passo 3.2.3, encher a seringa com uma pequena quantidade de amostra de pré-lavar a seringa. Descartá-lo como resíduo. Recarga a seringa com a amostra e suavemente bater para remover quaisquer bolhas de ar de modo que um volume preciso é medido.
   5. Injectar a amostra no frasco da amostra.
      1. Se houver mais do que 3 ml de ser injectado na amostra, utilizar uma segunda agulha "ventilação" para aliviar a pressão no frasco. Empurrar a seringa com a amostra para o septo de borracha e começar injectar a amostra. Depois de 0,5 ml de the da amostra foi injectada, insira a segunda agulha "vent". Deixe a agulha "desabafar" em até 1 ml é deixado para ser injetado, e em seguida, remover a agulha "vent". Continuar injectar o último da amostra.
   6. Armazenar os tubos durante a noite em um (24 ° C ~) área quente. Na manhã seguinte, injectar 0,1 a 0,2 ml de NaOH 10 M em cada uma das amostras para lisar a bactéria.

8. Isotope Rácio Determinação

NOTA: Uma vez que as bactérias são lisadas, as amostras estão prontas para serem executados no espectrômetro de massa de razão isotópica (IRMS).

1. Injectar cada amostra com três a quatro gotas de anti-espuma antes de configurá-los para serem executados no espectrômetro de massa.
2. Determinar a composição isotópica por espectrometria de massa de razão ion. Usar um espectrómetro de massa em interface com um sistema modificado para a extracção automatizada, a purificação (remoção de CO ₂ e H ₂ O), e análise de isotópicaN ₂ O a m / z 44, 45, 46 e ^{12, 13.}
3. Efectue um branco com uma solução de apenas meio e nenhuma amostra no frasco no início de cada execução.
4. Calibrar os rácios de isótopos matérias do espectrómetro de massa, utilizando materiais de referência (por exemplo, JIA-NO-3 e USGS 34) tratados da mesma forma que as amostras, com base no esquema de correcção em Kaiser et al. (2007) ^15. Isso coloca-los em uma forma que é utilizável para comparações de dados com outros laboratórios na comunidade isótopo biogeoquímica N.
5. Devido às preocupações com a linearidade dos valores de espectrometria de massa, se a área da amostra é injectado fora de ± 10% da área de alvo, ajustar a concentração, utilizando essa percentagem e re-injectar a amostra, seguindo o procedimento acima.
   1. Para finalizar os dados de exemplo para o δ ¹⁵ N de NO _x (a notação delta é definida utilizando a seguinte equação para δ ¹⁵ N: ( "delta 15-N "): δ ¹⁵ N = ^[(15 N / _amostra ^14N / ^15N / ^14N _padrão) - 1] x 1000 ‰ e o padrão utilizado para as amostras de azoto é a atmosférica de gás _N2), corrigir o δ ¹⁵ N para a contribuição da peça em bruto de nitrato que se encontra na solução de _KMnO4:
      
      onde ¹⁵ N _{total de δ, medido} é o valor determinado para a amostra a partir da massa espectrômetro prazo, δ ¹⁵ N _{em branco, comparada} é o valor determinado para o espaço em branco, e da Amostra e concentrações em branco são os valores determinados a partir das análises colorimétricos. Esta equação remove o efeito de a peça em bruto a partir da razão isotópica, de modo que a razão isotópica é agora representante dos NO _x recolhidos in situ.
      NOTA: A composição isotópica e concentration do nitrato de solução em branco é medida com cada lote de solução utilizada. Este campo em branco é diferente de qualquer blank potencial que pode ser encontrado com o método denitrifier sozinhos (que também é quantificado com cada corrida). Tanto em branco associado com o método denitrifier é verdadeiro para todas as amostras e os materiais de referência; No entanto, a solução em branco permanganato só é aplicável a amostras e, portanto, deve ser quantificado e corrigido para (pelo balanço de massa) separadamente.

Representative Results

No trabalho de desenvolvimento método original por Fibiger et al. , O método de recolha _X NO foi rigorosamente testado em laboratório sob uma variedade de condições de ^4. Aqui, o foco está em atualizações para os aplicativos de método e de campo sob uma variedade de condições ambientais. Os resultados estão indicados no (1) a eficiência de recolha campo, (2) a estabilidade da solução da amostra em termos de tempo antes da redução da amostra e sensibilidade a altas concentrações de amónio _(NH4 ⁺⁾ na solução, e (3) a reprodutibilidade no campo. A versatilidade do método é demonstrado no seu pedido de ar ambiente, perto da estrada, e as medidas em estrada.

As concentrações médias recolhidas em solução foram comparados com os de 1 min concentrações de NO _x a partir da quimiluminescência analisador _de NO _x ao longo de um estudo diurna de dois dias em ambient do ar urbano em Providence, RI. Figura 2 detalha a eficiência de coleta durante um período em concentrações variadas sobre uma grande gama, desde ~ 2.5-18 ppbv NO _x. A Figura 2A mostra uma comparação directa das concentrações médias _de NO _x a partir do NO _x do analisador em comparação com as concentrações calculadas a partir da solução e de fluxo de medições, o que indica que, em média, as concentrações da solução estão 92% da mediana em concentrações in situ. Isto cai dentro do intervalo de incerteza prevista de ± 10%, mas a diferença provavelmente reflecte diferentes concentrações durante os períodos de recolha (Figura 2B). Com base na análise dos percentis da distribuição dos dados de 1 min _de NO _x de concentração, os à base de solução _de NO _x concentrações estão dentro da distribuição para cada intervalo de recolha (Figura 2B).

Tem seren recomendado para completar a redução das amostras coletadas no campo dentro de 1 dia após a coleta é completo (ou seja, completa todos os passo 3). Este objectivo foi sugerido para reduzir o potencial de interferência do conjunto de outras espécies de azoto solúveis, tais como _NH3, que pode ser convertido em nitrato na solução altamente oxidante _KMnO4 / NaOH ao longo do tempo. Para testar isso, mais especificamente, as amostras foram coletadas em maio e julho de 2015, em Providence, RI, no campus da Universidade de Brown, em uma doca de carregamento que está perto de uma estrada local regularmente viajou onde caminhões de entrega diesel estão funcionando regularmente no modo para descarregar em marcha lenta. As amostras foram recolhidas, e, em seguida, alíquotas das amostras foram separadas e reduzida em diferentes tempos (1 dia, 4-7 dias, e 13-15 dias) após a recolha da amostra (Figura 3A). As amostras na Figura 3b, também foram recolhidas durante Maio e Julho, mas foram preparadas pela adição de 5 ml de 10 mM ammoniucloreto de m para 450 ml de solução. Isto proporcionou uma concentração de 111 ^ M _de NH ₄ ^+, em solução, o que corresponde a recolha de 220 ppbv de _NH3 no ar, se apenas NH ₃ foi recolhido. Estas concentrações são o máximo esperado durante as medições de estrada perto do veículo NH ₃ fontes ^16. Com ou sem a adicionado NH ₄ ^+, amostras reduzidas no prazo de 7 dias após a colheita tinham razões de isótopos consistente quando comparado com a primeira redução (dentro de 1 dia de recolha), caindo todas dentro do intervalo de incerteza de espera de ± 1,5% (Figura 3A e 3B ). Note-se que a incerteza ± 1,5% é representativo de determinações isotópicas de repetidas coleções de tanque de NO _x ^4. A incerteza associada com medidas repetidas de materiais de referência isotópicos sozinho é tipicamente de 0,3%. Após duas semanas, no entanto, as amostras com ou sem adição _de NH ₄ ⁺ eramnão necessariamente estável. Embora em alguns casos os valores isotópicos ainda parecem ser consistentes (por exemplo, Figura 3A), amostras exibiram pequena NO ₃ ^- aumentos de concentração (<1 mM) quando comparada com a primeira redução e, em alguns casos, diminui em NO ₃ ^- . Com o adicionado NH ₄ ^+, seria de esperar que o NO ₃ ^- concentração aumentaria com o tempo acima da gama esperada incerteza (~ 0,8 uM) para as medições de concentração, sugerindo que, mesmo depois de duas semanas, o NH ₄ ⁺ não foi a fonte de interferência. São necessários mais estudos para compreender melhor a fonte desta instabilidade, no entanto, note-se que as soluções em branco deixada sem tratamento durante o mesmo curso de tempo mostraram consistentemente nenhuma mudança ou ligeiros aumentos na concentração e, portanto, a instabilidade deve ser criado pela presença de outros espécies found no ar urbano ambiente. Até que isso seja resolvido, é recomendável que as soluções de amostras ser reduzido no prazo de 7 dias a partir do momento da coleta.

Figura 4 detalha a coleta de amostras com a configuração móvel sobre várias campanhas de campo em ambientes urbanos, perto de estrada e em estrada. A gama de concentração de NO _x se estende por três ordens de magnitude, e os rácios de isótopos variam de -1 a -13 ‰. Este conjunto de amostragem inclui 51 amostras de estrada tomada mais de 52 horas, cobrindo mais de 4.000 km, e em uma miríade de condições de condução (por exemplo, pesado tráfego stop-and-go de tráfego muito leve em altas velocidades na estrada). A amostragem ocorreu em estradas em e entre 6 grandes cidades, incluindo Providence, RI, Filadélfia e Pittsburgh, PA, e Cleveland, Columbus e Cincinnati, OH. As velocidades médias dos veículos variou de 12,4 km / h para 119,7 km / h. As amostras quase à beira da estrada (n = 27) foram obtidos em um monitosite de anel na I-95 em Providence, RI. As amostras de ar urbanos ambiente (N = 44 amostras colhidas mais de 117,5 horas) foram retirados de dois locais de telhado em Providence, RI, um perto da I-95, o intercâmbio I-195 e um 775 metros de distância do local de intercâmbio. Isto representa os primeiros passos para a construção de novas capacidades para resolver os intervalos de assinaturas isotópicas de fontes de NOx, neste caso, as emissões dos veículos e fontes urbanas ambiente. As variações no dia em estrada e δ ¹⁵ N-NOx road-side (Figura 4) não se correlacionaram com variações nas condições de condução e ocorreu através contagens de tráfego de nível de combustível do veículo relativamente constantes. Uma discussão mais detalhada das variações de assinaturas isotópicas devido a tipos de combustível de veículos é objecto de um outro manuscrito (Miller, DJ, et al. 2016. J. Geophys. Atmos. Enviado).

Finalmente, o campo Tabela 1 detalhes e laboratócolecções ry onde dois sistemas de recolha foram implantados ao mesmo tempo para testar a reprodutibilidade. As comparações mostram excelente concordância para os dados isotópicos, quantificados aqui como o desvio absoluto entre os dois pontos de dados para cada período de coleta. Os dados são exibidos a partir de coleções do ar urbano em um local na cobertura em Providence, RI; colecções quase à beira da estrada em Providence, RI; e de coleções em uma câmara de fumaça baseado em laboratório na Universidade de Massachusetts, Amherst.

Figura 1: Coleção esquemática e Imagem. (A) Diagrama do Automated NO _x sistema de coleta. Gray é o fluxo de ar, azul é a água de fluxo / solução, o verde é conexões eletrônica, o amarelo é a frita, e roxo é a solução de permanganato. A bomba de seringa é utilizado para adicionar e remover a solução de lavagem (ultrapuraágua) e para adicionar nova solução para o início da coleta de amostras (a bomba de seringa é uma bomba de seringa motor de passo comercialmente disponíveis, com uma seringa de 50 ml, uma válvula de distribuição de 5 portas e motorista / controle de placas equipadas com uma porta RS-232 de série interface). A amostra é removida manualmente através da válvula de preto no fundo da garrafa de lavagem de gás. (B) Imagem do NO sistema _x recolha e nenhuma caixa _x no laboratório móvel. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 2: Eficiência de coleta do sistema de coleta automatizada. (A) As concentrações de NO _x calculados a partir do NO ₃ ^- Concentrações medidas em soluçãoe os dados de fluxo comparada com a concentração média medida por um analisador de concentração de NO _x quimioluminescente em um local de telhado em Providence, RI. As barras de erro são o desvio padrão (± 1σ) dos NOx estimativas proporção de mistura à base de soluções derivadas dos erros propagados dos desvios padrão combinado dos controles de qualidade (0,4 um) entre corridas de medição de concentração colorimétricos e a incerteza taxa de fluxo (± 1%). As incertezas NO _x analisador de concentração são ± 5%. (B) As séries temporais de NO _x distribuições de concentração durante as medições diurnas em um canteiro de telhado em Providence, RI. As caixas representam o ^th 25, 50 ^th e 75 ^percentis. Os bigodes representam os extremos, sem valores atípicos. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 3: Comparação dos tempos de redução de NO _x amostras coletadas na Universidade de Brown em maio e julho de 2015. (A) Os resultados são registados como desvios da primeira redução, realizada dentro de 1 dia de amostragem. Podem amostras são apresentados como triângulos e amostras de julho, como círculos, com cores que denotam diferentes períodos de coleta. As amostras em (B) foram pré-tratados com cloreto de amónio antes da recolha do ar para testar a interferência de NH ₄ ^+, em solução ao longo do tempo. As linhas a tracejado representam a precisão global previsto do método de recolha isotópica, expresso como um desvio padrão de ± 1,5%. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 4: O δ ¹⁵ N-NO _x (‰) e concentração de NO _x de amostras coletadas em locais ar ambiente urbano, em estrada e perto de estrada. Os tipos de amostras são delineados por cores diferentes, e representam uma série de condições (ver o texto) e concentrações de NO _x. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

<td> Temperatura (ºC) <td rowspan = "2"> 21

Nome amostra	Número de sistema	coleção da data	Horas após a colheita	[NO3 -] (? M)	Em branco / N total de	δ 15 N (‰)	Desvio δ 15 N (%)
Urban Air PVD 1	1	2013/10/08 - 2013/10/09	6,75	15,8	14,43	0,3	-0.6	0,7
	2				16.78	0,26	-1.3
Urban Air PVD 2	1	2013/11/06 - 2013/11/07	2,5 *	17.1	30.86	0,2	-7.7	1
	2		5,25		37.05	0,17	-6.7
Urban Air PVD 3	1	2013/11/20 - 2013/11/21		3,28	44.29	0,14	-7.1	0,4
	2		29.66		0,21	-6.7
Roadside perto 1	1	2014/08/14 - 2014/08/15	29	19.2	13,3	0,37	-9,47	0,69
	2				16,4	0,3	-10,16
Perto Roadside 2	1	2014/08/17 - 2014/08/18	30	21.85	9.4	0,68	-8,95	1,56
	2				11,6	0,55	-7,39
Perto Roadside 3	1	2015/05/25	3.5 </ Td>	20	6,86	0,51	-7,67	0,86
	2				9,49	0,42	-8,53
Perto da borda da estrada 4	1	2015/05/26	2.75	25.56	6,07	0,656	-8.7	1,57
	2				6,49	0,61	-7,13
Smog Câmara 1	1	2014/08/26 - 2014/08/27	24,4	21	24,392	0,27	-12,28	0,33
	2				33,2	0,2	-12,61
Smog Chamber 2	1	2014/08/27 - 2014/08/28	19.8	10,96	0,54	-10,22	1,25
	1			14,245	0,41	-11,47
Smog Câmara 3	1	2014/08/28 - 2014/08/29	24.2	21	7,476	0,8	-5,86	1,27

Tabela 1: Reprodutibilidade das amostras coletadas, ao mesmo tempo, utilizando dois sistemas de recolha idênticos. * A coleção teve que ser interrompido devido a um filtro entupido. Urban Air PVD (PVD = Providence, RI) 1-3 foram publicados anteriormente ^4. Roadside Perto representa coleções de beira de estrada em Providence, RI; Câmara de Smog representa amostras coletadas de ar dentro de uma câmara de poluição atmosférica na Universidade de Massachusetts, Amherst ^4.

Discussion

O protocolo acima detalha os passos envolvidos, a partir da recolha de amostras de ar campo em solução para o processamento laboratorial destas soluções, para produzir a concentração e os resultados isotópicos. Os passos críticos neste protocolo incluir a comparação _de NO _x medições do analisador, minimizando o tempo antes da redução de soluções. e manter as taxas de fluxo estável. Se comparar directamente soluções com medições in situ das concentrações de _x, é muito importante que um analisador de NO _x é calibrado para intervalos relevantes para o ambiente escolhido e que a variabilidade a curto prazo em concentrações de NO _x ser entendida no contexto do tempo mais longo coleções para as soluções. A determinação precisa da solução NO ₃ ^- concentrações também é importante, tanto para o cálculo do NO no ar _x concentrações e para determinar volumes de injeção precisos para o denitrifie isotópicaMétodo R. O período de tempo de estabilidade da solução antes da redução da amostra é importante para garantir as taxas de isótopos consistentes. Como resultado do potencial de oxidação da solução, é possível oxidar a solução de outras espécies de azoto reactivos, mais notavelmente _NH3, uma vez que pode estar em concentrações suficientemente elevadas em determinadas áreas para potencialmente afectam a concentração de NO ₃ ^- na solução de . A oxidação de _NH4 ⁺ para _NO3 ^- Espera-se que levam mais tempo do que a oxidação de NO _x para NO ₃ ^-, de modo que tinha sido recomendado para reduzir as amostras (e, assim, parar a reacção) dentro de 1 dia da recolha da amostra. Dado que as condições de campo podem resultar na necessidade de tempos de armazenagem mais longos solução, a estabilidade das soluções foi testada por análise de soluções com e sem amónio adicionado. Com e sem a adição de cloreto de amónio, os valores de concentração e de isótopos estáveis ​​foram dentro do 1 & #963; faixa de variação (1,5 ‰) por até uma semana (Figura 3). Às duas semanas após a colheita, as soluções com ou sem adição _de NH ₄ ⁺ não foram estáveis, em que o NO ₃ ^- diminui a concentração foram observados em alguns casos e correcções em branco não eram mais robusta. Embora fosse esperado que o NO ₃ ^- pode aumentar ao longo do tempo devido a NH ₄ ⁺ oxidação, diminui em concentração foram realmente observada, em alguns casos, sugerindo que, mesmo depois de duas semanas, NH ₄ ⁺ as interferências não está a causar a instabilidade. Como tal, as soluções devem ser reduzidas dentro de uma semana, particularmente se a amostragem for feito num ambiente com elevadas concentrações de NH ₃ (por exemplo,> 200 ppbv). Finalmente, é também crítico para registar a taxa de fluxo durante a colecções de campo. A taxa de fluxo medida na entrada foi encontrada para variar consideravelmente e é difícil de controlar, mesmo com um ORIF críticade gelo no sistema, uma vez que pode ser influenciada pelo entupimento dos filtros hidrofóbicos e / ou a frita. Recomenda-se a registar a taxa de fluxo periodicamente (por exemplo, em intervalos de 5 min) ao longo de períodos de cobrança, de tal modo que o volume de ar recolhido ao longo do tempo para cada amostra pode ser determinada com precisão (ver passo 5).

Existem várias alternativas ou possíveis modificações dos protocolos apresentados. Por exemplo, uma vantagem importante do método é a baixa denitrifier tamanho da amostra requisito ^12,13. No entanto, podem ser utilizados outros métodos isotópicos. Do mesmo modo, utilizar a determinação colorimétrica da concentração, mas outros métodos podem não produzir nenhum precisos ₃ ^- Resultados de concentração.

Eficiência conjunto, no campo, como detalhado na Figura 2, é de 92 ± 10%. Isto é essencial para garantir que não há nenhuma fraccionamento durante o processo de recolha. Com eficiência de coleta less de 100%, o fraccionamento no processo de coleta pode ocorrer, a polarização das relações isotópicas resultantes medidos. A eficácia deste novo método de recolha de toda uma gama de condições do ar urbano de influência foi mostrado. A Tabela 1 descreve os vários testes que foram feitos sob condições ambientes com ar condicionado, quase à beira da estrada, e amostragem de smog-câmara de condições para determinar a reprodutibilidade do método. Todas as diferenças entre as proporções de isótopos entre sistemas são <1,57 ‰. Isto demonstra a reprodutibilidade deste método longo de uma gama de diferentes condições de amostragem. O método baseia-campo tem uma precisão e reprodutibilidade significativamente melhor do que os 12 ~ ‰ variações da razão isotópica observadas no meio ambiente (Figura 4).

A limitação mais significativa do método é o NO ₃ ^- em branco ou de fundo associada com a solução de _KMnO4. Uma variedade de tipos de KMnO ₄ foram testados (por exemplo,, Cristais, pós, e soluções de reserva) ^4, e todos contidos NO ₃ ^- antes de serem expostos a NO _x no ar. Como resultado, é necessário recolher o suficiente _NOX como NO ₃ ^- em solução para conseguir uma concentração acima do branco. Outros estudos estão em andamento para quantificar o nível no qual a amostra deve exceder a concentração em branco para os resultados mais precisos. De acordo com muito baixas temperaturas ambientes concentrações de NO _x, pode ser necessário modificar as condições de cobrança para maximizar a concentração da amostra. Por exemplo, a taxa de fluxo pode ser aumentada para recolher mais ar num espaço de tempo mais curto ou o volume da solução pode ser reduzida para aumentar o volume de ar-a-solução e concentrar a recolha de ar. Em qualquer caso, a solução deve permanecer acima da frita no vaso de recolha para manter com o borbulhamento de ar através da solução.

Este método de _NOXcoleta para análise isotópica é único entre os métodos existentes (por exemplo, amostradores passivos ^6,17 e solução de peróxido ácido e hidrogênio sulfúrico ^8), em que foi laboratorialmente e com respeito à aplicabilidade campo, reprodutibilidade, amostra estabilidade da solução verificou-campo, e a eficiência de recolha sob uma gama de condições de campo. Esse novo método é único em sua capacidade de recolher activamente NO _x em ambientes de campo para análise isotópica em concentrações ambiente, a uma resolução de tempo 30-120 min. Ele recolhe _o NO _x no próximo eficiência de 100% e tem sido repetidamente demonstrado que sejam reprodutíveis dentro do intervalo de incerteza do método. soluções de amostras coletadas em campo permanecem estáveis ​​por até 1 semana antes de precisar ser reduzida. O método pode recolher amostras ao longo de um intervalo de concentrações e proporções de isótopos, e isso é mostrado para ser reproduzível de coleção para coleção. Esta técnica pode ser utilizada fou amostragem sob uma variedade de condições diferentes, inclusive em estrada, usando a abordagem de laboratório móvel descrito no protocolo. A interpretação da variabilidade espaço-temporal das emissões veiculares de NO _x é o assunto de um manuscrito em separado, em preparação (Miller, DJ, et al. 2016. J. Geophys. Atmos. Enviado).

Futuro de amostragem inclui a aplicação deste método a outros tipos de emissões de _NOx (por exemplo, produzido microbiologicamente emissões em solos e fogos de biomassa). Isótopos são uma forma potencial para rastrear nenhuma fonte _x, mas somente se as assinaturas de origem diferentes podem ser quantificados e entendidos. Nosso novo método torna possível quantificar a composição isotópica de NO _x a partir de uma variedade de fontes de emissão de NO _x e testar diretamente se os impactos das emissões para o ambiente pode ser directa e quantitativa rastreado.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Gas Washing Bottle			Custom Design used, numerous companies sell other gas washing bottles. The bottle needs to have a frit inside it.
Syringe Pump	Kloehn	Kloehn Versa Pump 6, 55 Series
PTFE Isolation Valves	Parker	002-00170-900	Both 2 three way and double two-way normally closed, electronically actuated valves
Gas Handling Teflon Tubing	McMaster Carr	5033K31	Quarter inch outer diameter, eigth inch inner diameter, PTFE tubing
Liquid Handling Tygon Tubing	McMaster Carr	5103K32	Quarter inch outer diameter, eigth inch inner diameter, PTFE tubing
Compression gas fittings and ball valves (assorted)	Swagelok	Assorted	Stainless Steel
Flow calibrator	MesaLabs	Defender 520
Compression PFA fittings	Cole Parmer	Assorted	Gas and liquid handling
Data Acquisition Board	National Instruments	NI USB-6001	Used for valve switching
Solid State Relay	Crydom	DC60S5	Used for valve switching
Single Stage Filter Assembly	Savillex	401-21-25-50-21-2	Use 25 mm and 47 mm diameter holders
Nylon Membrane Filter	Pall Corporation	66509	1 μm filter, both 25 mm and 47 mm diameter filters
Hydrophobic Membrane Filter	Millipore	LCWP04700	10.0 μm, 25 mm and 47 mm diameter filters
Particle Membrane Filters	Millipore	FALP04700	1 μm filter, both 25 mm and 47 mm diameter filters
Mini Diaphragm Pump	KNF	UN 816.1.2 KTP	Used for stationary lab
Mini Diaphragm Pump	KNF	PJ 26078-811	Used for mobile lab
Aluminum	Onlinemetals.com	6061-T6	Cut to size to build system
Deep Cycle Power Battery	EverStart	24DC
MilliQ Water	Millipore	ZMQSP0DE1
Potassium Permanganate 1 N Solution	Fischer Scientific	SP282-1
Sodium Hydroxide Pellets	Fischer Scientific	S318-1
Ohaus Benchtop scale	Pioneer	EX224N
4 ounce Amber Glass Bottles	Qorpak Bottles	GLC-01926	(60 ml and WM 125 ml bottles)
Amber HDPE Bottles	Fischerbrand	300751	Part number given for 125 ml narrow mouth bottles, Two varieties (125 wide mouth and narrow mouth of some volume)
Pre-cleaned EPA Amber Wide-mouth Bottle, 500 ml	Cole Parmer	EW-99540-55
Hydrogen Peroxide 30%	Fischer Chemical	H325-500	Corrosive
Centrifuge 5810 R	Eppendorf	5821020010
50 ml Polypropylene Conical Tube	Falcon	14-432-22
12 N Hydrochloric acid	Fischer Scientific	A114SI212	Corrosive
Colorimetric Nutrient Analyzer	Westco Scientific Instruments	SmartChem 170	In purchasing the Colorimetric Nutrient Analyzer, this comes with buffers, cleaning solutions, rinse solutions, and solutions for running the instrument, including the solutions to be able to activate the cadmium column in the instrument for nitrate analysis.
Automatic Titrator	Hanna Instruments	HI 901
20 ml Clr Headspace Vial	Microleter, a WHEATON Company	W225283	Information listed  is for 20 ml vials. 50 ml vials can also be purchased from the vendor listed.
Septa, 20 mm Gray Butyl Stopper	Microleter, a WHEATON Company	20-0025
Seal, 20 mm Standard Aluminium	Microleter, a WHEATON Company	20-0000AS
25 G x 1 1/2 BD PrecisionGlide Needle	BD	305127
26 G x 1/2 BD PrecisionGlide Needle	BD	305111
Helium		05078-536	Can order from many different soures
Crimper/Uncrimper	WHEATON	61010-1
Isopropanol	Fischer Chemical	A459-1
Syringes of varying size for mass spec injection	BD	Varies based on size
Antifoam B Emulsion	Sigma-Aldrich	A5757-500ML
IRMS	ThermoFischer Scientific	IQLAAMGAATFADEMBHW	The actual isotope ratio mass spectrometer is listed here. Our set up also includes a gas bench and an autosampler.
Gass Bench II	ThermoFischer Scientific	IQLAAEGAATFAETMAGD
TriPlus RSH™ Autosampler	ThermoFischer Scientific	1R77010-0200	Choose product for headspace injection
42i NOx Concentration Analyzer	ThermoFischer Scientific	101350-00
NOx Box	Drummond Technologies	LMA-3D/LNC-3D
CO2 analyzer	Licor 7000	7000
GPS	Garmin	010-00321-31
Model 146i Dynamic Gas Calibrator	ThermoFischer Scientific	102482-00
Model 111 Zero Air Supply	ThermoFischer Scientific	7734
50.2 ppm NO in N2 Gas standard	Praxis Air	Will vary with each tank of standard air purchased