同位素质谱分析（六）

（5）强峰拖尾影响

强离子流的质谱蜂的两测呈弥散展开，绵延至邻近的质谱峰上，此种现象称强峰拖尾。强峰拖尾会造成对相邻弱峰的叠加，这对低丰度样品的准确测定是不利的。必要时需进行“拖尾校正”。

同位素质谱分析的误差来源还有很多，但与质谱仪器和分析方法有关的系统误差是主要的，而且它对分析结果的影响比较固定，并具有单向性。克服办法是制订最佳分析测定条件和利用标准样品对质谱仪器作调整和校准。

三、氮同位素质谱分析法

氮有七个同位素，质量数自12到18。除¹⁴N和¹⁵N为稳定性同位素外，其余都是放射性同位素，它们的半衰期均很短。只有¹³N的半衰期略长，为10.05min，在化学和生物学的研究中它曾作为一种示踪物质被应用。然而，对绝大多数的氮素示踪研究来说，稳定性¹⁵N就成为唯一实用的示踪物质。

自然界中¹⁵N的自然丰度为0.366原子%。富集¹⁵N示踪物质是通过同位素交换法将¹⁵N富集，使¹⁵N的丰度高于自然丰度。在农学和生物学的氮家示踪试验中，一般采用丰度为5原子%～10原子%的¹⁵N示踪剂。贫化¹⁵N物质，其¹⁵N丰度远远低于自然丰度，含¹⁵N只有0.0005原子%。用贫化¹⁵N物质作示踪剂，仅相当于0.72原子%的富集¹⁵N物质，其价格是富集¹⁵N示踪剂的1/6。虽然，自然界中氮同位素分馏现象比碳、氧和硫发现得晚些，但氮同位素自然丰度变异在生物圈氮循环的研究和环境科学研究上的应用已日益受到重视。

不论对示踪试验样品或自然丰度样品，测定其稳定性同位素组成时都应将样品中的元素氮转化成N₂。

1、引言

随着核物理学的进展，稳定性同位素¹⁵N的测定方法也有了很大的发展，其中包括红外光谱法、核磁共振波谱法、发射光谱法及质谱法。质谱法和光谱法是目前¹⁵N示踪研究中最常用的分析方法。

最初，¹⁵N光谱测定法是由于与质谱法相比，不需要昂贵的仪器设备，不受CO₂和NO等杂质干扰，而且所用的光谱仪器操作简便，维护管理费用低等优点。¹⁵N发射光谱法的主要特点在于它的灵敏度高，即只需要很少量的样品量，一般在5μg～10μg左右的氮。然而，它与质谱法相比，准确度较低，因此其应用还不十分普遍。

¹⁵N质谱测定法，其优点是精密、稳定，一直为许多示踪研究工作者所青睐.但与¹⁵N光谱测定法相比，质谱法灵敏度较低，步骤繁琐，过程冗长，还需要价格昂贵的质谱计。采用质谱法分析¹⁵N，必须将复杂的有机氮化合物转变成简单的化合物。对氮来说，最适合的形态是N₂。因此，¹⁵N质谱分析法是以将生物样品中的氮素转化为¹⁵N₂为基础的。

将样品中的氮化合物直接转变成氮气的方法是杜马(Dumas )法，也称干燃烧法。在真空条件下，样品和氧化铜(以Cr₂0₃作催化剂)一起燃烧，将有机和无机氮化合物氧化成N₂，其中NO和N₂O通过铜还原成N₂。日前一些碳、氮和¹³C、¹⁵N同时分析仪器都是采用杜马法原理设计的。而将标记氮化合物转变成氮气的最常用的方法是列敦伯尔格提出的湿氧化法。分析方法一般包括3个步骤:将标记¹⁵N的含氮化合物转变成铰;在高真空条件下将钱转化成N₂;用质谱计测定氮气中的¹⁴N和¹⁵N的比值。在¹⁵N示踪试验中一般都采用这种方法。

2、样品氮转化成技盐

将样品中的氮化合物转变成铵盐的最常用的方法是凯氏法，在高温下，样品在硫酸中消化。为了提高消化能力、缩短消化时间，必须加入一些无机盐类和催化剂。

在用凯氏法进行样品消化时，必须使含氮的有机化合物完全分解。如果消化不完全，消化液中会含有甲胶、乙胺和二乙胺之类的易挥发性含氮杂质。在进行质谱分析时，这些杂质将产生叠加峰，影响分析结果的准确性，消化的完全程度取决于消化的温度。很多研究工作者曾对消化时所采用的催化剂种类、催化剂用量和消化时间等方面进行试验研究，现在普道采用的是布伦纳推荐的K₂SO₄-Cu-Se催化剂的方法。以硫酸钾、铜和硒的混合物(K ₂SO₄:CuSO₄·5H₂O:Se=100:10:1)作催化剂.用且按每MI.硫酸含0.33g此混合催化剂。所用消化时间，对土壤样品，在消化液呈清亮后继续加热5h;对植株样品，消化液达清亮后需2h，用这种方法消化土壤和植株等生物样品，未发现有机杂质对质谱分析的干扰。

在强碱条件下，采用水蒸汽蒸馏的办法将枝从消化液中分离出来，并接收在硼酸(或硫酸)溶液中，在水蒸气蒸馏时，必须防止样品间的交又污染。特别是在蒸馏不同同位素丰度的样品时，交又污染的影响尤为严重。一般建议在样品蒸馏的间隔中用蒸馏少量乙醇的办法去除蒸馏器对铁的吸持。

为了保证有足够的N₂量供质潜分析用，对单束测量的样品馏出液含氮量一般要求在1mg左右。对双样比较溯量的样品，由于进样系统采用的毛细管粘滞流进样方式，馏出液中的含氮量要求在2mg以上。如暂不进行质谱分析，馏出液必须用少虽的硫酸酸化，并置于60-80C中浓缩至干。

（1）试剂

①浓硫酸(H₂SO₄，p≈1.84g·mL^-1，分析纯)；

②硫酸钾-催化剂混合物:配制成一种100g硫酸钾(H₂SO₄)、10g硫酸铜(CuSO₄·5H₂O)和1g硒(Se)粉的均匀混合物。混合前分别将试剂磨细，混合后再放于研钵中将试剂结块磨碎;

③硼酸一指示剂溶液:溶解20g纯的硼酸（H₃B0₃)于约70mL热水中，放冷后移至内盛200mL乙醉和20mL混合指示剂溶液(0.33g溴甲酚绿和0.165g甲基红溶于500mL乙醇中)的1L容量瓶中，混合后小心地滴加氮氧化钠溶液[c(NaOH)=0.05mol·L^-1］，调至溶液呈紫红色（pH约0.5），加水至刻度。用前充分混匀；

④氢氧化钠溶液[c(NaOH)=10mol·L^-1):称取400g氢氧化钠(NaOH，分析纯)溶于水，用水定容至1L;

⑤硫酸标准溶液[c (H₂S0₄)=0.005mol·L^-1］:量取0.3mL浓硫酸(H₂SO₄，p≈l.84g·mL^-1，分析纯)稀释至1L，用硼砂标准液标定其准确度;

⑥硫酸溶液[c(H₂S0₄)=3mol·L^-1〕。

（2）仪器与设备

容积50mL的硬质凯氏烧瓶;弯形小漏斗;半微量蒸汽蒸馏器;容积150mL的锥形瓶;六联变温消化电炉。沸水浴锅。

（3）分析步骤

称取一定量细磨过的土壤样品，置于干燥的凯氏烧瓶底部，加入少量无离子水(约1mL～2 mL)湿润土壤样品后，加入1.65g催化剂混合物(试剂2)和5mL浓硫酸，摇匀，在开氏瓶口上加上一个弯形小漏斗，将凯氏瓶倾斜置于六联变温消化电炉上，用小火加热，待瓶内反应缓和时(约20min～30min)。加强火力使消煮的土壤酸液保持微沸。消煮的很度以硫酸蒸气在瓶颈上部1/3处冷凝回流为宜。待消煮液和土粒全部变灰自稍带绿色后，再继续微沸消煮5 h。消煮完毕，冷却。待热馏。在消煮土壤样品的同时。应做一份空白测定，除不加入土壤样品外，其他操作步骤与测定土壤时相同。

参考资料：土壤农业化学分析方法