Overview
출처: 마가렛 노동자와 킴벌리 프라이의 실험실 - 데폴 대학
원소 분석은 재료의 원소 조성을 결정하는 데 사용되는 방법입니다. 토양과 같은 환경 샘플에서 과학자들은 특히 생태학적으로 중요한 두 요소인 질소와 탄소의 양에 관심이 있습니다. 플래시 연소 기술에 의한 원소 분석은 고온 챔버에서 연소를 통해 촉매로 시료를 산화시킴으로써 작동한다. 연소 제품은 N2 및 CO2로 감소하고 열 전도도 검출기로 검출됩니다.
총 질소 측정(Kjeldahl method) 및 총 탄소 측정(Walkley-Black, Heanes 또는 Leco 방법)에 대한 다른 방법과 달리, 플래시 연소 기술은 독성 화학 물질을 사용하지 않으므로 사용하기가 훨씬 안전합니다.
이 비디오는 Thermo Fisher Scientific의 플래시 EA 1112 기기를 사용하여 연소 기반 원소 분석을 시연합니다.
Principles
토양 샘플은 주석 디스크에 배치되고 산화 촉매가 있는 동안 산소 환경에서 900°C 이상의 산소 환경에서 연소되는 자동 샘플러를 통해 산화 반응기로 떨어졌다. 샘플내의 탄소는 이산화탄소로 변환되고 질소는 질소 가스 및 일부 질소 산화물로 변환됩니다.
C + O2 → CO2
4 N + x O2 → N2 + 2 NOx
헬륨 가스는 질소 산화물을 질소 가스로 줄이고 과도한 산소를 제거하는 구리로 채워진 두 번째 반응 튜브로 이러한 제품을 운반합니다. 이것은 680 °C에서 완료됩니다.
NOx + Cu → N2 + CuO
O2 + Cu → CuO
가스 스트림은 과염소산 마그네슘으로 채워진 필터를 통해 흐르며, 스트림이 가스 크로마토그래프 열에 도달하기 전에 수증기를 제거합니다.
N2는 약 110초에 먼저 가스 크로마토그래피 컬럼을 빠져나와 CO2가 약 190초에 종료됩니다. 아스파르산을 사용하여 생성된 표준 곡선을 사용하여 토양 샘플의 %N 및 %C를 결정할 수 있습니다.
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Procedure
1. 토양 샘플 준비
- 48 h에 대한 60 °C에서 건조 토양 샘플.
- 2mm x 2mm 체를 통해 토양을 통과합니다.
- 약 5g의 토양을 볼 밀 분쇄기에 넣고 2 분 동안 갈기. 샘플 크기가 매우 작기 때문에 균일한 샘플을 얻는 것이 중요합니다.
- 분쇄된 토양을 작은 용기에 넣고 사용할 준비가 될 때까지 건조기에 보관하십시오.
2. 계측기 매개 변수 설정
- 스위치를 뒤집어 뒷면에 있는 Flash EA 1112 기기를 켭니다.
- 컴퓨터를 켭니다.
- "Eager 300" 아이콘을 두 번 클릭하여 계측기를 실행하는 소프트웨어 프로그램을 시작합니다.
- "NC 토양" 아이콘을 두 번 클릭하여 토양용 계측기 설정을 실행하는 메서드를 엽니다.
- "정령 분석기 매개 변수 편집"을 열고 "보내기" 버튼을 클릭하여 계측기를 가열합니다. 매개 변수는 다음과 같이 되어야 합니다(그림 1-3참조):
a. 온도 : 왼쪽 = 900 ° C, 오른쪽 = 680 ° C, 오븐 = 50 ° C
b. 가스 흐름: 캐리어 = 130 mL/min, 산소 = 250 mL/min, 참조 = 100 mL/min
c. 사이클 런타임 = 360s
d. 샘플링 지연 = 12 s
e. 산소 주입 끝 = 5 s
f. 검출기 = 필라멘트 켜기 - "샘플 테이블 편집"을 클릭한 다음 "샘플 테이블 채우기"를 클릭하여 샘플 테이블을 만듭니다. 파일 이름을 오늘의 날짜로 변경합니다. 표준 및 공백을 포함하여 실행하려는 샘플 수를 입력합니다. 그런 다음 "바꾸기"를 클릭하여 새 샘플 테이블로 만든 마지막 샘플 테이블을 대체합니다.
3. 표준 곡선 만들기
- 집게를 사용하여 팩에서 주석 디스크 하나를 제거하고 특수 밀봉 장치를 사용하여 컵 모양으로 성형합니다. 손끝에서 오일을 옮기는 것을 피하기 위해 손가락으로 주석 디스크를 만지지 마십시오. (그림 4-5참조)
- 집게를 사용하여 주석 디스크를 마이크로 밸런스에 놓고 균형을 0으로 설정합니다.
- 집게를 사용하여, 마이크로 밸런스에서 주석 디스크를 제거하고 마이크로 스패툴라를 사용하여 주석 디스크에 약 1 mg의 아산산 표준을 놓습니다.
- 마이크로 밸런스에 인산산 표준으로 주석 디스크의 무게를 측정합니다. 이 가중치를 컴퓨터의 Eager 300 소프트웨어의 데이터 테이블에 입력합니다.
- 양봉장으로 주석 디스크를 밀봉하여 아산산 표준중 어느 것도 유출되지 않도록 합니다. 주석 패키지를 자동 샘플러에 넣습니다. (그림 6참조)
- 약 5 mg의 아파르산 표준을 사용하여 3.1 - 3.5 단계를 반복하십시오.
- 약 7.5 mg의 아파르산 표준을 사용하여 3.1 - 3.5 단계를 반복하십시오.
- 약 10 mg의 아파르산 표준을 사용하여 3.1 - 3.5 단계를 반복하십시오.
4. 토양 샘플로 자동 샘플러를 적재
- 집게를 사용하여 팩에서 주석 디스크 하나를 제거하고 밀봉 장치를 사용하여 컵 모양으로 성형합니다. 손가락끝에서 오일을 옮기는 것을 피하기 위해 손가락으로 주석을 만져서는 안됩니다.
- 집게를 사용하여 주석 디스크를 마이크로 밸런스에 놓고 균형을 0으로 설정합니다.
- 마이크로 밸런스에서 주석 디스크를 제거하고 마이크로 스패툴라를 사용하여 주석 디스크에 균질화 토양의 약 50 mg을 배치합니다.
- 마이크로 밸런스에 토양 샘플주석 디스크를 계량합니다. 이 가중치를 컴퓨터의 Eager 300 소프트웨어의 데이터 테이블에 입력합니다.
- 토양이 포함되도록 집게를 사용하여 주석 디스크를 밀봉합니다. 주석 패키지를 자동 샘플러 트레이로 옮기습니다.
- 모든 샘플에 대해 4.1 - 4.5 단계를 반복합니다. 각 샘플의 삼중 시험을 실행하는 것이 좋습니다. 삼중 실험은 실험 오류를 배제하기 위한 좋은 엄지 손가락 규칙으로 간주됩니다.
5. 샘플 실행
- 기기에 적절한 온도에 도달하면 녹색 "온도 준비" 표시등이 켜집니다. 컴퓨터 화면 하단에 "분석을 위한 준비"라고도 합니다.
- 샘플 실행을 시작하기 전에 "파일"과 "메서드 저장"을 클릭하여 입력한 데이터를 저장합니다. 이름과 날짜로 메서드를 저장하는 것이 좋습니다.
- 실행을 시작하려면 녹색 화살표를 클릭하고 "지금 시작"을 누를 수 있습니다.
- 샘플당 약 6분이 소요됩니다.
- 실행이 완료되면 "계산 재계산"을 클릭한 다음 "결과 요약"을 클릭하여 결과를 볼 수 있습니다.
그림 1. 플래시 EA 1112 매개 변수 설정 화면 1.
그림 2. 플래시 EA 1112 매개 변수 설정 화면 2.
그림 3. 플래시 EA 1112 매개 변수 설정 화면 3.
그림 4. 집게가 있는 주석 디스크를 제거합니다.
그림 5. 주석 디스크는 밀봉 장치를 사용하여 컵 모양으로 성형.
그림 6. 자동 샘플러에 배치되는 주석 패키지입니다.
환경 샘플의 탄소와 질소의 양을 분석하는 것은 "원소 분석"이라고 하는 프로세스로 환경의 생태학적 특성에 대한 중요한 통찰력을 제공합니다.
탄소와 질소는 인생에서 가장 중요한 요소 중 두 가지입니다. 탄소는 모든 생명체의 기초를 형성하는 유기 화합물의 기초이며, 유기체의 1차 에너지원인 탄수화물과 같은 분자에 대한 측정으로 특히 유용합니다. 다른 한편으로는, 질소는 핵과 아미노산과 같은 분자에서 발견된다. 이들은 각각 유전 물질로 그리고 구조와 기능을 위해 유기체에 의해 이용되는 단백질의 빌딩 블록으로 봉사합니다.
유기 분자의 이 다른 종류는 다른 생물학적 역할을 가지고 있기 때문에, 유기체는 다른 양에서 그(것)들을 요구합니다. 예를 들어, 토양의 미생물은 전형적으로 24:1의 C:N 비율을 가진 음식 근원을 요구합니다. 다른 식물 잔류물은 13:1에서 알팔파와 같은 다른 C:N 비율을 가지고 있기 때문에, 옥수수에서와 같이 57:1에, 옥수수에서와 같이, 그(것)들은 다른 비율로 미생물에 의해 분해될 것이고, 차례로 양분이 토양으로 돌아오는 방법에 영향을 미칩니다.
이 비디오는 탄소 및 질소 원소 조성을 분석하는 원리를 소개합니다. 토양 샘플에 대한 원소 분석을 수행하기 위한 프로토콜; 마지막으로, 환경 연구에이 분석 방법의 일부 응용 프로그램.
원소 분석은 특정 화학 반응의 사용과 같은 여러 가지 방법으로 수행 될 수있다, 종종 강한 산을 포함, 검출 될 수있는 특성 제품의 결과. 원소 분석 방법론의 주요 개선은 위험한 화학 물질 사용의 필요성을 제거하고 공정을 크게 단순화하고 가속화하고 자동화를 허용하는 플래시 연소 기술의 개발이었습니다.
플래시 연소 계 원소 분석의 기초는 촉매의 존재시 약 1,000°C의 고온에서 산소의 존재에서 연소함으로써 "산화 챔버"에서 샘플을 산화시켜 반응 속도를 높이는 것이다. 이것은 이산화탄소 가스로 견본에 있는 탄소를, 질소를 질소 산화물 및 질소 가스로 변환합니다. 헬륨과 같은 불활성 "캐리어 가스"는 이러한 연소 제품을 구리 충전으로 "환원 챔버"로 운반하는 데 사용되며 질소 산화물은 질소 가스로 더 변환됩니다. 과수증기는 과염소산 마그네슘과 같은 건조제를 여과하여 가스 혼합물에서 제거된다.
플래시 연소 제품은 가스 크로마토그래피로 분리될 수 있으며, 그 동안 가스 분자는 액체 또는 폴리머의 얇은 코팅을 포함하는 컬럼이라고 하는 튜브를 통과합니다. 가스는 분자가 기판 및 캐리어 가스와 얼마나 강하게 상호 작용하는지에 의존하는 속도로 컬럼을 통과할 때 이 기판에서 반복적으로 용해되고 기화됩니다. 기판에 용해되는 데 더 많은 시간을 소비하는 종은 컬럼을 통해 더 느리게 이동하여 가스를 차별화할 수 있게 합니다.
열을 종료하면 열 전도도로 알려진 열을 얼마나 잘 수행하는지 감지하여 가스를 식별할 수 있습니다. 과학자들은 각 가스가 코일을 통과하는 데 걸리는 시간을 플로팅하여 각 가스를 나타내는 피크가 있는 "크로마토그램"을 얻습니다. 각각의 봉우리 아래 면적을 이용하여 검출된 양의 이산화탄소와 질소 가스를 계산함으로써, 원래 샘플의 C:N 비율을 추론할 수 있다.
이제 플래시 연소 방법을 사용하여 탄소 및 질소 원소 분석의 원리를 이해하게 되었으므로 자동화된 원소 분석기를 사용하여 이를 수행하기 위한 프로토콜을 살펴보겠습니다.
분석을 위해 토양 샘플을 준비하려면 먼저 샘플을 60°C 오븐에서 48h로 건조시로 건조시합니다. 그런 다음 말린 토양을 2 x 2mm 체로 통과하고 통과하지 못하는 토양 입자를 폐기합니다. 다음으로 볼 밀 분쇄기를 사용하여 토양의 약 5g을 2 분 동안 분쇄하여 균일 한 분말을 만듭니다. 분쇄된 토양을 폴리에틸렌 바이알과 같은 작은 용기에 넣고 사용할 준비가 될 때까지 건조기에 보관하십시오.
제조업체의 지시에 따라 원소 분석기의 분석 매개 변수를 설정합니다. 여기에는 산화 용광로의 온도, 감소 용광로 및 가스 크로마토그래피 오븐, 담체 가스의 유속, 산소 분사 속도, 기준 가스의 유량, 사이클 런타임, 시료 낙하 및 산소 주입 사이의 지연, 산소 주입 의 지속 시간을 포함한다.
시료의 조성물을 정량적으로 결정하기 위해, 표준 곡선은 먼저 산산과 같은 공지된 조성물의 상이한 양을 사용하여 생성된다.
이렇게 하려면 먼저 집게를 사용하여 팩에서 주석 샘플 보유 디스크를 제거하고 특수 밀봉 장치를 사용하여 컵 모양으로 성형합니다. 손가락으로 주석 디스크를 만지지 마십시오.
이제 주석 컵을 마이크로 밸런스에 놓고 타레 질량을 설정합니다. 주석 컵을 제거한 다음 마이크로스파툴라를 사용하여 약 1 mg의 아산산 표준을 컵에 넣습니다. 컵을 계량하고 질량을 기록합니다. 그런 다음 주석 컵을 밀봉하여 자동 샘플러에 넣고 각 샘플을 반응 챔버로 자동으로 전달합니다.
위의 단계를 여러 양의 표준에 대해 반복합니다. 그런 다음 모든 표준을 자동 샘플러에 넣습니다.
각 균질화 토양 샘플의 약 50 mg을 사용하여 주석 컵의 토양 샘플을 분배하고 표준과 유사하게 계량합니다. 각 샘플을 삼중으로 준비합니다.
모든 샘플을 자동 샘플러에 배치하고 기기에서 적절한 온도에 도달하면 측정값을 실행하도록 설정합니다. 계측기 소프트웨어는 각 표준 및 샘플에 대한 크로마토그램을 생성합니다.
사용되는 매개 변수에 따라 질소 가스의 피크는 크로마토그램의 약 110s이어야 하며 이산화탄소 피크는 약 190s에서 검출되어야 합니다. 표준 곡선은 탄소 대 질소 비율이 4 대 1인 아스파르산으로 생성됩니다. 이러한 지식을 통해 각 표준의 농도와 함께 각 피크 아래의 영역을 사용하여 각 샘플에서 질소 및 탄소의 양을 계산할 수 있습니다.
원래 샘플의 질량에 기초하여, 각 샘플의 백분율 질소 및 백분율 탄소를 계산할 수 있습니다. 이 데모에서, 이 토양 견본의 C:N 비율은 대략 13:1, 14.25:1의 비율 보다는 낮은 일반적으로 열린 숲의 밑에 토양및 침략적인 유럽 갈매나무에 의해 지배되는 숲의 표시인 것을 발견되었습니다.
탄소 및 질소 함량 분석은 토양 이외에 다양한 환경 샘플에 적용될 수 있으며 환경 연구에 광범위한 응용을 가지고 있습니다.
이 예에서 연구자들은 산호초와 같은 다양한 해양 서식지에서 물 샘플을 수집했습니다. 해양 미생물 공동체에 대한 유기 영양소의 가용성을 이해하기 위해 탄소 및 질소 원소 분석을 포함한 다양한 화학 적 매개 변수를 측정했습니다. 용존 유기 탄소의 수준은 물 샘플에서 직접 측정되었고, 미립자 유기물은 물에서 여과되고 분석되었다.
원소 분석은 또한 물 공급을 오염시킬 수 있는 도시 경관과 잔디의 관개에서 유출되는 영양 손실을 감시하는 데 사용될 수 있습니다. 여기서 과학자들은 도시 경관을 시뮬레이션하고 이 과정을 더 잘 이해하기 위해 테스트 플롯을 설정했습니다. 수집된 유출에서 질산염 및 암모니아와 같은 특정 영양소를 분석하기 위해 다양한 화학 시험을 사용했으며, 연소 계 원소 분석은 용존유기 탄소 및 질소의 수준을 측정하는 데 사용되었다.
마지막으로, 방식포 시체에서 C:N 비율을 분석하면 포식 위험과 토양의 분해 속도 사이의 흥미로운 연관성이 밝혀졌습니다. 이 연구에서, 메뚜기는 거미에 의해 조인의 위험이 있거나 없이 사육되었다. 이 메뚜기의 시체는 토양의 플롯에서 분해 할 수 있었다, 식물 의 불량은 나중에 분해토양에 추가되었다.
원소 분석은 포식 위험으로 사육된 메뚜기의 C:N 비율이 약간 증가한 것으로 나타났지만, 이로 인해 스트레스를 받은 메뚜기가 분해된 토양에서 분해되는 분해율이 현저히 감소하여 생태계 영양소 사이클링의 예상치 못한 복잡한 역학을 가리켰습니다.
환경 샘플의 탄소 및 질소 분석에 대한 JoVE의 비디오를 방금 시청했습니다. 이제 이 분석 방법의 원리를 이해해야 합니다. 플래시 연소 원소 분석기를 사용하여 수행하는 방법; 그리고 환경 과학의 응용 프로그램 중 일부. 언제나처럼, 시청주셔서 감사합니다!
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Results
각 샘플에 대한 크로마토그램은 샘플에서 질소및 탄소의 양을 나타내는 것으로 생산된다(도7).
샘플 크로마토그램의 각 봉우리에서 곡선 아래 영역은 표준 곡선(그림8 및 9)과비교되며 샘플내의 질소 및 탄소의 양이 계산됩니다. 원래 샘플의 중량에 따라 %N 및 %C가 계산됩니다(그림10).
이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 7. 질소와 탄소 피크를 보여주는 크로마토그램.
그림 8. 질소에 대한 분석 표준 곡선.
그림 9. 탄소에 대한 분석 표준 곡선.
그림 10. 원래 샘플의 중량에 따라 %N 및 %C의 계산.
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Applications and Summary
토양에서 탄소 대 질소(C:N) 비율은 토양 샘플에서 질소 질량에 대한 탄소 질량의 비율이다. 토양의 C:N 비율과 토양에 넣어 아무것도 (작물 잔류물 덮개 등) 작물 잔류물 분해 및 영양 순환에 영향을 미칠 수 있습니다. 토양 미생물은 약 8:1의 C:N 비율을 가지고 있습니다. 이 비율을 유지하려면 환경에서 탄소와 질소를 획득해야 합니다. 그러나 미생물이 획득하는 탄소 중 일부는 신체 유지 보수에 필요한 것 외에도 에너지원으로 사용해야 하기 때문에 미생물은 약 24:1의 C:N 비율을 필요로 합니다. 24:1 이상의 C:N 비율로 잎 쓰레기 또는 토양 덮개가 토양에 놓이면(예를 들어,C:N 비율이 57:1인 옥수수 스토버) 미생물은 쓰레기 물질을 분해하기 위해 토양에서 질소를 사용해야 합니다. 이것은 토양에 있는 질소 적자를 초래합니다. 잎 쓰레기 또는 토양 덮개가 24:1 미만의 C:N 비율로 토양에 놓이면(예를들어,C:N 비율이 13:1인 알팔파 건초), 쓰레기 물질의 분해 후 남은 질소가 있을 것이며, 이는 영양분으로 토양으로 방출될 것이다.
원소 분석은 토양 샘플의 C:N 비율을 결정하는 데 사용될 뿐만 아니라 나무 잎 및 작물 잔류물과 같은 식물 재료의 C:N 비율을 결정하는 데 사용할 수도 있습니다. 이 정보는 농부들이 어떤 종류의 작물 커버를 사용할지 결정하는 데 도움이 되는 데 중요합니다. 토양을 덮기 위해 첨가된 작물 잔류물의 C:N 비율은 잔류물이 얼마나 빨리 분해되는지에 영향을 미칩니다. 이것은 토양이 원하는 시간 동안 보호되는지 여부에 대한 의미가 있습니다.
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