CN110672780B - 利用ea分析海水中颗粒有机碳、颗粒氮的分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用EA分析海水中颗粒有机碳、颗粒氮的分析方法，属于海水分析测试技术领域，所述方法从样品的采集、保存、处理、检测的全流程入手，通过改变仪器设置和参数，将加氧量设置为80s，燃烧管温度设置为700℃，实现了检测成本降低30％，通过新的采样方法，稳定空白值数据，提高数据准确度8％，提升工作效率。

Description

利用EA分析海水中颗粒有机碳、颗粒氮的分析方法

技术领域

本发明属于海水分析测试技术领域，具体地涉及利用EA分析海水中颗粒有机碳、颗粒氮的分析方法。

技术背景

元素分析仪(德国Elementar)是目前使用最广泛的元素分析仪，也是广受用户认可的一种大型仪器，其利用动态燃烧和吸附解析的原理可以准确分析C、N等元素的百分含量，提高的分析工作的效率和准确性。元素分析仪也可作为前处理装置与稳定同位素质谱仪连用，提高了元素分析仪的使用范围。

目前国家正在大力发展海洋蓝色经济，碳汇渔业等新兴领域正在逐步兴起，国家对海洋研究越来越重视，如何更深入的研究海洋就显得尤为重要。水体中的颗粒有机碳(POC)、颗粒氮(PN)，反应了海区水环境指标、养殖生物的食物来源等，是研究海洋领域的重要参数。然而，由于缺乏科学、完整、规范的测定方法，使得检测的数据质量低、成本高，进而影响了科学研究结果的可靠性。

目前海水中颗粒有机碳、颗粒氮的元素百分含量分析测试方法在GB/T12763.9-2007海洋调查规范第9部分中有所规定，即使用φ25mm的玻璃纤维滤膜(预先在450℃下灼烧5小时)经海水过滤和酸化后，采用元素分析仪进行测定。但是，随着科技的发展和研究领域的开拓，颗粒有机碳和颗粒氮的数据要求和分析量也在不断增加。本世纪初所制订的检测方法标准在后来十几年的发展中，所出现的缺陷和问题也日益增多。

主要表现在，首先，预处理方法没有详细规定，缺少相应的专用实验装置，如酸化装置和样品包覆装置，这些步骤的偏差都会对样品的最终结果带来不可估量的影响，而国标中并没有对此类预处理步骤规范和装置使用进行详细的阐述。

其次，目前此类样品的分析过程中有超过90％以上的概率会出现元素分析仪内部燃烧管裂纹或炸裂的现象，主要原因是由于滤膜的玻璃纤维材质所造成的，这一现象不仅增加了仪器使用成本也影响了仪器使用寿命，同时，样品的检测精度也会降低，对检测人员也带来了更多的危害和工作负担。由于仪器厂家认为，较低的温度会造成样品的燃烧不完全，因此仪器的工作温度必须为950℃，而燃烧管炸裂通常发生在仪器升温过程中或样品检测过程中，并且炸裂后要及时清理碎屑，因此实验人员通常需要在950度的高温条件下进行操作，稍不小心极可能出现危险，且燃烧管内填充了铬酸铅等有毒化学物，燃烧管炸裂后将完全暴露在空气中，在高温下对人体伤害更大更易与实验人员接触。目前，全国各涉海高校和科研院所，包括国外的仪器公司厂家都没有好的解决办法，针对此类样品比较通用的分析方法是换用国产燃烧管，积攒一定量样品后集中测量，一次性使用国产燃烧管。避免重复利用燃烧管后出现裂纹或炸裂现象造成更大的影响，此举可较使用原厂耗材节省成本约60％，但是仍然较常规样品浪费成本约30％，且国产耗材较进口耗材更容易出现石英不纯有杂质影响分析结果的问题。

最后，是样品的采集过程。海洋碳库中，溶解有机碳含量往往可以达到颗粒有机碳的4-10倍，对样品的影响是显而易见的，而国标规定的颗粒有机碳、颗粒氮的分析方法中并未考虑溶解性有机碳附着在滤膜上对样品结果带来的影响。在以往颗粒有机碳、颗粒氮元素含量的分析实践中，科研人员也发现，按照国际通用的空白值取样方法进行取样后，会有近8％的样品出现空白值高于样品值导致数据不可用的现象。

发明内容

本发明是针对目前利用元素分析仪对海水中颗粒有机碳、颗粒氮元素分析检测过程中遇到和存在的问题，提供一种利用EA分析海水中颗粒有机碳、颗粒氮的分析方法，所述方法从样品的采集、保存、处理、检测的全流程入手，通过改变仪器设置和参数，实现检测成本降低30％，通过新的采样方法，稳定空白值数据，提高数据准确度8％，提升工作效率。

本发明的任务是以下述方式完成的：

一种利用EA分析海水中颗粒有机碳、颗粒氮的分析方法，包括以下步骤：

a、材料的准备：取φ25mm的GF/F玻璃纤维滤膜，预先在450℃下灼烧5小时备用；

b、样品的采集：取所需站位和层位的水样，在船上或运回实验室后立即过滤水样，过滤海水体积200ml，过滤完成后，将样品滤膜用锡箔纸包好，另取一空白新膜，用滴管吸取过滤完的滤液，滴3-5滴到空白新膜上，使膜表面湿润即可，将此滤膜也用锡箔纸包好置于-20℃保存备用；

c、样品的预处理：取膜样品，酸化30分钟后，将样品取出，置于60℃烘干箱中干燥24小时后，于干燥器中保存；

d、样品的包覆：对膜样品进行包覆，包覆好的样品准备上机测样；

e、样品的测定：按仪器操作规定清理和调试元素分析仪，使之达到测样状态；修改仪器常规设置，将加氧量设置为80s，燃烧管温度设置为700℃，之后开始测样；

f、样品的上机顺序：加入6-8个乙酰苯胺或磺胺C、N元素百分含量稳定的标准物质，之后加入样品，每10个样品插入一个标准物质，样品全部放置好后开始运行仪器检测；

g、样品的数据处理：首先观察标准物质的结果是否稳定，标准偏差低于0.2则证明仪器稳定，选取此6-8个标准品，进行仪器校正，校正系数范围在0.9-1.1之间，则证明标准物质可以完全燃烧转化，即实验数据真实可信；将软件中每个空白膜测得的C、N峰面积值输入对应的样品膜C、Nblank栏中，仪器可自动积分计算，得出的新结果即为最终结果；样品中插入的标准物质测量值在根据校正因子校正后与真实值比较，误差小于千分之一即可认为数据稳定可信。

本发明与现有技术相比的有益效果：

1、本发明通过元素分析过程中的空白值校准法研究，验证了不同采样方法的区别，并确定了合适的空白值取样方法，提高了分析结果的准确性，完善了元素分析方法国标中未考虑到的影响因素。

2、本发明提出了颠覆性的更改仪器温度设置的思路，并通过实验确认了此类样品的最佳仪器设置温度—700℃，此温度即可以保证样品完全燃烧，也可以实现燃烧管的重复利用。在实验验证过程中，破损率几乎降低为0，提高了仪器的使用寿命，每个样品可降低检测成本30％；并且通过标准品对样品质量进行严格控制，保证了更改仪器温度后数据的可靠性，反驳了厂家工程师对更改温度数据不可信的质疑；同时减轻了同类样品对检测人员的工作强度和要求。

3、本发明结合了申请人过去与此类仪器相关的装置发明，从样品取样到分析的全流程入手，建立了一套完整的海水颗粒有机碳、颗粒氮元素百分含量分析检测步骤，提高了工作效率和数据可靠性，完善了国标中未考虑的问题和解决了目前检测此类样品过程中所遇到的困难。

具体实施方式

下面通过实施例来对本发明的技术方案做进一步解释，但本发明的保护范围不受实施例任何形式上的限制。

实施例1

本实施例进行了大量温度对数据结果和燃烧管炸裂的影响的摸索实验，最终得到本发明技术方案的温度设置为700℃。在实验过程中发现，当温度低于700℃时，会产生燃烧不完全的情况，标准曲线会出现线性不好的问题，将后续插入的标准品带入标准曲线后，也会出现校正因子较大的情况，因此我们认为仪器的工作温度不能低于700℃，需要注意的是，700℃时仪器加氧时间最好多设置10s以保障燃烧的完全。当温度高于700℃时，经统计发现，850℃以上时燃烧管裂纹或炸裂的发生概率与950℃一样可达90％以上，750℃和800℃也会出现一定概率的炸裂现象，800℃的炸裂概率可以达到50％左右，750℃略低在20-30％左右，而设置为700℃时，实验室目前已连续进行实验20余次，尚未再次出现炸裂现象。

实施例2

本实施例进行了加氧量对数据结果的影响的摸索实验，最终得到本发明技术方案的温度设置为700℃。本实施例对仪器加氧量进行测试时，当仪器常规加氧量70s时，在700度温度下，标准品C、N转化率分别为99.1％和99.2％；更改加氧量为80s后，在700度温度下，标准品C、N转化率为100.2％和99.6％，因此温度设置为700℃之后，最好将加氧量多加10s钟以保证样品充分燃烧。

实施例3

1.材料与方法

1.1材料

1.1.1滤膜

2019年6月2日在实验室准备φ25mm的GF/F玻璃纤维滤膜，于马弗炉中450℃灼烧5小时后，取出置于电子防潮箱中放凉备用。

1.1.2水样

2019年6月4日在山东省荣成市东楮岛水产有限公司养殖海域采集表底层海水样品，运回实验室后立即抽滤处理。

1.2方法

1.2.1样品的采集

首先确定采样方法，设置4组空白实验组和4组蒸馏水抽滤实验组分别采集样品，以此验证溶解有机碳对结果的元素分析影响。具体为：空白膜滴沾滤液法，即抽滤完成后，用滴管吸取滤液并滴3-5滴到另取的空白新膜上，以此当做空白值；空白膜完全浸湿法，即抽滤完成后，将空白膜完全浸湿于滤液1-2秒后取出，以此当做空白值；双层膜法，即两张膜叠放后抽滤，用第二层滤膜做空白值；二次抽滤滤液法，即抽滤完成后，取所有滤液用空白膜再次过滤，以此当做空白值；抽蒸馏水法，即水样抽滤完成后，继续在原膜上抽滤一定体积蒸馏水，蒸馏水体积分别设置为50ml、100ml、150ml、200ml。每个空白实验组分别进行6次平行实验，蒸馏水抽滤组进行3次平行实验。

本次调查共设置20个站位，确定采样方法后，分别按照方法进行抽滤待测。

1.2.2样品的预处理

样品的预处理主要指酸化去除无机碳的过程，通过查阅文献和国标，并通过实验分析，我们认为国标和文献中提出的酸化时间30分钟最为合适，酸化时间过短或过长都会影响数据准确。但是，酸化的方法，一般都是将样品和浓盐酸一同置于一个密闭容器中，此过程会对操作人员身体健康造成一定损害，也会造成浓盐酸的挥发浪费，因此，发明人在早期的工作中，设计和发明了一种密闭式可控制释放酸蒸气的多层酸熏装置(ZL201610938287.1)，此装置可以有效提升工作效率，减少酸蒸气释放的危害，具体操作步骤详见专利说明。酸化30分钟后，将样品取出，尽快置于60℃烘干箱中干燥24小时后，置于电子防潮箱中保存

1.2.3样品的包覆

酸化完成后的滤膜在上机前，需要对滤膜进行包覆，传统包覆工具效率低，发明人同样在早期的工作中设计和发明了一种元素分析仪用包样器(ZL201410534476.3)，此装置可提升工作效率，提高样品包覆成功率，并可以实现其他功能，详细操作步骤见专利说明。包覆好的样品等待上机。

1.2.4样品的测定

仪器(元素分析仪是德国elementar型号是EL cube)开机前，首先清理灰分管、检查还原管活性，达到要求后开机，进行系统检漏，检漏通过后修改仪器常规设置，首先将燃烧管温度由950℃改为700℃，其次，将加氧量由原来的70s改为80s，其它参数为常规设置，之后开始测样。样品按顺序先加入6个乙酰苯胺标准物质(C＝71.09％；N＝10.36％)，之后加入待测样品，每10个样品加入一个乙酰苯胺标准物质，样品全部放置好后开始运行仪器检测。

2.结果与讨论

2.1样品的采集

按照不同的实验组对样品值和空白值进行元素分析检测，以此确定稳定同位素分析时样品的采集方法，实验结果见表1。根据实验结果分析，空白膜完全浸湿法和双层膜法所取的空白值最高，并且会出现空白值高于样品值的情况，由于实际操作中，每个调查站位样品难以做到重复取样，因此由于空白值高于样品值而导致数据不可用的概率也将大幅提高，所以上述两种方法的空白值取样方法不可取；其余几种方法中，空白膜滴沾滤液法效果最好，其6组平行样品空白值最稳定，二次抽滤滤液法结果与空白膜滴沾滤液法结果类似，但也在6组平行中出现异常值；4种不同蒸馏水体积的抽蒸馏水法结果显示，抽滤50ml后，计算值略高于滴沾滤液法，100ml-200ml抽滤体积实验组结果差异不显著，且与空白膜滴沾滤液法和二次抽滤滤液法空白值校正后的数据接近。通过对上述实验分析，效果最好的抽滤方法为空白膜滴沾滤液法、100ml蒸馏水法和二次抽滤滤液法。考虑到二次抽滤滤液法工序复杂可能影响工作效率，因此可根据现场实际条件在空白膜滴沾滤液法和100ml蒸馏水法两种方法中二选一。

表1几种空白值取样方法的结果

2.2样品的测定

检测完成后，对标准品进行分析，6个标准品C、N标准偏差为0.05和0.1，校正因子分别为99.965和1.012。本次实验采用空白膜滴沾滤液法取空白值，共取海水样品20个，空白样品20个，插入标准品4个(本实验选取乙酰苯胺标准物质：C＝71.09％；N＝10.36％)，将空白样品的CN峰面积值带入软件中对应样品的CNblank栏中，仪器自动计算扣除空白影响和校正后的值，即为样品真实值；同时为验证检测数据的可信度，对4个样品中插入的标准品进行分析，仪器校正后，标准品的CN值分别为：C(71.09％、71.10％、71.06％、71.07％)，N(10.33％、10.35％、10.36％、10.34％)，校正后的值与真实值误差小于千分之一，因此本发明的方法可靠可用。

Claims (1)

1.一种利用EA分析海水中颗粒有机碳、颗粒氮的分析方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：

a、材料的准备：取φ25mm的GF/F玻璃纤维滤膜，预先在450℃下灼烧5小时备用；

b、样品的采集：取所需站位和层位的水样，在船上或运回实验室后立即过滤水样，过滤海水体积200ml后，采用抽蒸馏水法或空白膜滴沾滤液法；

所述的抽蒸馏水法，即水样抽滤完成后，继续在原膜上抽滤100ml的蒸馏水；

所述的空白膜滴沾滤液法，过滤完成后，将样品滤膜用锡箔纸包好，另取一空白新膜，用滴管吸取过滤完的滤液，滴3-5滴到空白新膜上，使膜表面湿润即可；

滤膜也用锡箔纸包好置于-20℃保存备用；

c、样品的预处理：取膜样品，酸化30分钟后，将样品取出，置于60℃烘干箱中干燥24小时后，于干燥器中保存；

d、样品的包覆：对膜样品进行包覆，包覆好的样品准备上机测样；

e、样品的测定：按仪器操作规定清理和调试元素分析仪，使之达到测样状态；修改仪器常规设置，将加氧量设置为80s，其次，将燃烧管温度设置为700℃，之后开始测样；

f、样品的上机顺序：加入6-8个乙酰苯胺或磺胺C、N元素百分含量稳定的标准物质，之后加入样品，每10个样品插入一个标准物质，样品全部放置好后开始运行仪器检测；

g、样品的数据处理：首先观察标准物质的结果是否稳定，标准偏差低于0.2则证明仪器稳定，选取此6-8个标准品，进行仪器校正，校正系数范围在0.9-1.1之间，则证明标准物质可以完全燃烧转化，即实验数据真实可信；之后，若按照抽蒸馏水方法采样，则测试数据直接可用；若按照空白膜滴沾滤液法方法采样，则将软件中每个空白膜测得的C、N峰面积值输入对应的样品膜C、Nblank栏中，仪器可自动积分计算，得出的新结果即为最终结果；样品中插入的标准物质测量值在根据校正因子校正后与真实值比较，误差小于千分之一即可认为数据稳定可信。