CN113735077A - 一种制备15n和18o双标记n2o的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于化学技术领域，具体地说是一种简便地制备15N和18O双标记N2O的方法。本发明操作简单，成本经济，可在实验室内进行，提出利用具有确定15N丰度的硝酸钾或硝酸钠为底物，以含18O‑H2O的水为溶剂，获得具有氮氧双标记的15N2 18O气体，可根据需要制备具体丰度的15N2 18O气体。采用该法制得的15N2 18O气体可用于氮氧循环的研究，进行定量和定性的检测，结果准确度和精确度高。

Description

一种制备15N和18O双标记N2O的方法
技术领域
本发明属于化学技术领域，具体地说是一种简便地制备15N和18O双标记N2O的方法。
背景技术
N同位素示踪技术是研究氮素循环的有效方法之一，通过示踪技术我们可以更好地区分氮循环周转的各个过程的速率和通量，进而能够定性和定量地观测氮循环的周转。同样，O同位素也示踪技术也由于其良好的稳定性常被用来定性观测氧的来源，进而可得知不同过程的转化。
目前N2O气体的制备方法主要有氨的接触氧化法、硝酸铵的热分解法和微紫青霉菌法，以上方法均具有一定的局限性，例如安全隐患、合成纯度不够、原材料不稳定、操作复杂等问题。且市面上多为常见的是仅有15N标记的N2O气体，而对含有18O标记的N2O却比较稀缺，且价格比较昂贵，尤其是同时含有15N和18O双标记的N2O气体(市场售价为7万元每升)。
而在实验室内如何快速、安全、便捷地制备具有15N和18O双标记的N2O气体，这也是从事该领域的工作人员急需解决的实际问题。经研究，三价钛可与硝酸盐反应生成N2O气体，后者在强碱类物质的作用下，去除杂质(NO和NO2)，最终得到N2O气体。硝酸盐的15N丰度决定了N2O气体的15N丰度，可按需选择不同15N丰度的硝酸盐进行制备，18O主要是通过18O标记的H2O制得(因为18O-H2O的成本远低于18O-KNO3)，最终上机检测其丰度即可。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制备15N和18O双标记N2O的方法，以促进通过15N和18O同位素示踪法测量氮氧循环。本发明操作简单，成本经济，可在实验室内进行。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
本发明在于提供一种简便快捷制备15N2 18O方法，所述方法包括以下步骤：
一种制备15N和18O双标记N2O的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
1)制备10-30mg N L-1R15NO3的溶液：称取R15NO3添加溶剂18O-H2O和16O-H2O的蒸馏水，调节16O-H2O和18O-H2O的比例，比例为1-4：1，制备出10-30mg N L-1R15NO3的溶液备用；
2)量取步骤1)里制备的溶液20-60ml于带丁基塞的120ml玻璃瓶中备用；
3)向步骤2)含有15N和18O双标记RNO3溶液的玻璃瓶中加入1-3ml质量浓度为10％-20％的三氯化钛试剂；立马盖好丁基塞，并用压盖机对其进行封口，轻微摇动使其混匀即可；
4)静置5-12小时，让其反应完全即可，后抽取上部气体20ml；
5)准备带丁基塞的玻璃瓶，在底部加入氢氧化钾颗粒3-5颗；
6)将步骤5)的玻璃瓶盖上丁基塞并将铝圈压好盖严，抽真空备用；
7)将步骤4)的玻璃瓶中抽取上部气体20ml，转移入步骤6)中的玻璃瓶中；
8)步骤7)的玻璃瓶，需要静置24h-48h，即得15N218O。
9)可对步骤8)制得的15N2 18O用注射器稀释500-1000倍，并上机测定其浓度和15N和18O丰度。
R15NO3中的R可为K、Na、Mg、Ca等金属离子。
所制备的15N2 18O气体，用于氮氧循环过程的定性和定量研究。
本发明原理为：硝酸根离子在三价钛的作用下还原为NO2、NO和N2O，后者在氢氧化钾的作用下净化为N2O。
本发明的创新之处主要是与现有制备N2O的方法相比，可制备15N和18O双标记N2O，更为安全(硝酸铵热解法，硝酸铵在加热过程中温度过高易爆炸)、便捷(相比青霉菌反硝化生成法，更简单操作)、经济(所选用试剂均较为经济，所需试验器材均为常规器材，无需菌种和高昂的设备)，以具有15N的硝酸钾或硝酸钠为底物，以18O-H2O和16O-H2O为溶剂，可根据需要制备不同15N和18O丰度的15N2 18O气体。采用该法制得的15N2 18O气体可用于氮氧循环的研究，进行定量和定性的检测。
具体实施方式
试剂配制
1.K15NO3溶液(20mg N L-1)：称取6.8mg K15NO3于蒸馏水(16O-H2O/18O-H2O可为1-4:1)中，定容至50ml。
2.三氯化钛溶液(20％)：称取10g三氯化钛于蒸馏水中，定容至50ml。
3.氢氧化钾颗粒，准备3-5颗。
实施例1
将按照16O-H2O/18O-H2O比例为1：1的水溶剂，制得的20mg N L-1的K15NO3溶液与1ml20％的TiCl3溶液，混匀于120ml的带丁基塞的玻璃瓶中，盖严压紧轻摇，静置5h以上，从其上部抽取20ml气体转移于另一个密封真空底部已加5颗KOH颗粒的20ml玻璃瓶中，静置24h以上，即得15N2 18O气体。需稀释后上机测定其浓度、15N和18O丰度。试验结果如下：
表1：不同15N丰度KNO3产生的N2O的15N丰度及N2O浓度
K<sup>15</sup>NO<sub>3</sub>的<sup>15</sup>N丰度 N<sub>2</sub>O的<sup>15</sup>N丰度 N<sub>2</sub>O浓度(ppm)
0 0.35％ 593
30 30.12％ 606
60 60.07％ 647
90 90.01％ 634
表2：不同16O/18O比例的H2O溶剂产生的N2O的18O丰度及N2O浓度
Figure BDA0002515134610000031
实施例2
将按照16O H2O/18O H2O比例为2:1的水溶剂，制得的20mg N L-1的Na15NO3溶液与20％的TiCl3溶液，混匀于120ml的带丁基塞的玻璃瓶中，盖严压紧轻摇，静置5h以上，从其上部抽取20ml气体转移于另一个密封真空底部已加4颗NaOH颗粒的20ml玻璃瓶中，静置24h以上，即得15N2 18O气体。需稀释后上机测定其浓度、15N和18O丰度。
实施例3
将按照16O H2O/18O H2O比例为3:1的水溶剂，制得的20mg N L-1的K15NO3溶液与20％的Ti2(SO4)3溶液，混匀于120ml的带丁基塞的玻璃瓶中，盖严压紧轻摇，静置5h以上，从其上部抽取20ml气体转移于另一个密封真空底部已加3颗KOH颗粒的20ml玻璃瓶中，静置24h以上，即得15N2 18O气体。需稀释后上机测定其浓度、15N和18O丰度。
实施例4
将按照16O H2O/18O H2O比例为4:1的水溶剂，制得的20mg N L-1的Na15NO3溶液与20％的Ti2(SO4)3溶液，混匀于120ml的带丁基塞的玻璃瓶中，盖严压紧轻摇，静置5h以上，从其上部抽取20ml气体转移于另一个密封真空底部已加5颗NaOH颗粒的20ml玻璃瓶中，静置24h以上，即得15N2 18O气体。需稀释后上机测定其浓度、15N和18O丰度。
实施例5
将按照16O H2O/18O H2O比例为1:1的水溶剂，制得的20mg N L-1的Mg(15NO3)2溶液与20％的Ti2(SO4)3溶液，混匀于120ml的带丁基塞的玻璃瓶中，盖严压紧轻摇，静置5h以上，从其上部抽取20ml气体转移于另一个密封真空底部已加4颗KOH颗粒的20ml玻璃瓶中，静置24h以上，即得15N2 18O气体。需稀释后上机测定其浓度、15N和18O丰度。
实施例6
将按照16O H2O/18O H2O比例为3:1的水溶剂，制得的20mg N L-1的Mg(15NO3)2溶液与20％的Ti2(SO4)3溶液，混匀于120ml的带丁基塞的玻璃瓶中，盖严压紧轻摇，静置5h以上，从其上部抽取20ml气体转移于另一个密封真空底部已加3颗NaOH颗粒的20ml玻璃瓶中，静置24h以上，即得15N2 18O气体。需稀释后上机测定其浓度、15N和18O丰度。
实施例7
将按照16O H2O/18O H2O比例为2:1的水溶剂，制得的20mg N L-1的Ca(15NO3)2溶液与20％的Ti2(SO4)3溶液，混匀于120ml的带丁基塞的玻璃瓶中，盖严压紧轻摇，静置5h以上，从其上部抽取20ml气体转移于另一个密封真空底部已加5颗KOH颗粒的20ml玻璃瓶中，静置24h以上，即得15N2 18O气体。需稀释后上机测定其浓度、15N和18O丰度。
实施例8
将按照16O H2O/18O H2O比例为3:1的水溶剂，制得的20mg N L-1的Ca(15NO3)2溶液与20％的Ti2(SO4)3溶液，混匀于120ml的带丁基塞的玻璃瓶中，盖严压紧轻摇，静置5h以上，从其上部抽取20ml气体转移于另一个密封真空底部已加4颗NaOH颗粒的20ml玻璃瓶中，静置24h以上，即得15N2 18O气体。需稀释后上机测定其浓度、15N和18O丰度。
实施例9
将按照16O-H2O/18O-H2O比例为1：1的水溶剂，制得的20mg N L-1的K15NO3溶液与1ml10％的TiCl3溶液，混匀于120ml的带丁基塞的玻璃瓶中，盖严压紧轻摇，静置12h，从其上部抽取20ml气体转移于另一个密封真空底部已加3颗KOH颗粒的20ml玻璃瓶中，静置24h以上，即得15N2 18O气体。需稀释后上机测定其浓度、15N和18O丰度。
实施例10
将按照16O H2O/18O H2O比例为2:1的水溶剂，制得的20mg N L-1的Na15NO3溶液与10％的TiCl3溶液，混匀于120ml的带丁基塞的玻璃瓶中，盖严压紧轻摇，静置6h，从其上部抽取20ml气体转移于另一个密封真空底部已加5颗NaOH颗粒的20ml玻璃瓶中，静置24h以上，即得15N2 18O气体。需稀释后上机测定其浓度、15N和18O丰度。
实施例11
将按照16O H2O/18O H2O比例为3:1的水溶剂，制得的20mg N L-1的K15NO3溶液与10％的Ti2(SO4)3溶液，混匀于120ml的带丁基塞的玻璃瓶中，盖严压紧轻摇，静置7h，从其上部抽取20ml气体转移于另一个密封真空底部已加3颗KOH颗粒的20ml玻璃瓶中，静置24h以上，即得15N2 18O气体。需稀释后上机测定其浓度、15N和18O丰度。
实施例12
将按照16O H2O/18O H2O比例为4:1的水溶剂，制得的20mg N L-1的Na15NO3溶液与10％的Ti2(SO4)3溶液，混匀于120ml的带丁基塞的玻璃瓶中，盖严压紧轻摇，静置9h，从其上部抽取20ml气体转移于另一个密封真空底部已加4颗NaOH颗粒的20ml玻璃瓶中，静置48h以上，即得15N2 18O气体。需稀释后上机测定其浓度、15N和18O丰度。
通过上机测定本法制得的15N2 18O气体丰度及浓度，15N和18O丰度与所用试剂的丰度吻合度较高，而15N2 18O气体浓度基本在500-700ppm，这一浓度范围足以满足大部分试验需要，可按需进行稀释，进而制得合适浓度的15N2 18O气体。

Claims (4)

1.一种制备15N和18O双标记N2O的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
1)制备10-30mg N L-1R15NO3的溶液：称取R15NO3添加溶剂18O-H2O和16O-H2O的蒸馏水，调节16O-H2O和18O-H2O的比例，比例为1-4：1，制备出10-30mg N L-1R15NO3的溶液备用；
2)量取步骤1)里制备的溶液20-60ml于带丁基塞的120ml玻璃瓶中备用；
3)向步骤2)含有15N和18O双标记RNO3溶液的玻璃瓶中加入1-3ml质量浓度为10％-20％的三氯化钛试剂；立马盖好丁基塞，并用压盖机对其进行封口，轻微摇动使其混匀即可；
4)静置5-12小时，让其反应完全即可，后抽取上部气体20ml；
5)准备带丁基塞的玻璃瓶，在底部加入氢氧化钾颗粒3-5颗；
6)将步骤5)的玻璃瓶盖上丁基塞并将铝圈压好盖严，抽真空备用；
7)将步骤4)的玻璃瓶中抽取上部气体20ml，转移入步骤6)中的玻璃瓶中；
8)步骤7)的玻璃瓶，需要静置24h-48h，即得15N2 18O。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：R15NO3中的R可为K、Na、Mg、Ca等金属离子。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：三氯化钛(TiCl3)用Ti2(SO4)3替代。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所制备的15N2 18O气体，用于氮氧循环过程的定性和定量研究。
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