DE19735927A1

DE19735927A1 - Verfahren und Vorrichtung zur automatisierten 15N-Bestimmung von Ammonium-, Nitrat- und Nitrit-Stickstoff in wäßrigen Lösungen

Info

Publication number: DE19735927A1
Application number: DE19735927A
Authority: DE
Inventors: Rolf Dr Russow; Guenther Schmidt; Heinz Dr Fischer; Wolfgang Nitschke
Original assignee: Helmholtz Zentrum fuer Umweltforschung GmbH UFZ
Current assignee: Helmholtz Zentrum fuer Umweltforschung GmbH UFZ
Priority date: 1997-08-08
Filing date: 1997-08-08
Publication date: 1999-02-25
Anticipated expiration: 2017-08-09
Also published as: DE19735927C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur automatisierten und hochempfindlichen ¹⁵N-Isotopenanalyse von Ammonium-, Nitrat- und Nitrit-Stick stoff in wäßrigen Bodenextrakten, Urin und sonstigen wäßrigen Proben. Die Vorrichtung und das Verfahren sind ganz besonders für Routineuntersuchungen und zur Erfassung von Proben mit niedrigem Stickstoffgehalt (N-Gehalt < 10 µg) geeignet. Gleichzeitig läßt sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch die Gesamtkonzentration an anorganischem Stickstoff in wäßrigen Proben bestimmen.

Die anorganischen Stickstoffverbindungen Ammonium, Nitrat und Nitrit spielen eine wichtige Rolle in biochemischen Prozessen der belebten Natur sowie bei Stickstofftransformationsvorgängen in Böden, Gewässern und in der Atmosphäre. Erwähnt sei nur die Bildung der umweltrelevanten Spurengase Stickstoffmonoxid und Distickstoffoxid (Lachgas) in Böden und Wässern, die wesentlich zur Belastung unserer Atmosphäre beitragen. Für die Untersuchung dieser komplexen Prozesse der Stickstoffumwandlung ist bekanntlich die ¹⁵N-Tracertechnik die Methode der Wahl (vergleiche H. Faust et al., 1981, Schriftenreihe Anwendung von Isotopen und Kernstrahlung in Wissenschaft und Technik, Hrsg. Isocommerz 5, 93 Seiten). Dabei ergibt sich als eine ständige analytische Aufgabe die Bestimmung der Konzentration und ¹⁵N-Häufigkeit von Ammonium-, Nitrit- und Nitrat in Wasser- und Bodenproben. Für die Konzentrationsbestimmung von Ammonium-, Nitrat- und Nitritstickstoff sind hinreichende Methoden bekannt und automatische Analysengeräte verfügbar. So können auch geringe Stickstoffkonzentrationen der genannten anorganischen Stickstoffverbindungen z. B. colorimetrisch oder mit einer speziellen Ionenelektrode bestimmt werden. Eine ¹⁵N-Bestimmung erlauben diese Methoden jedoch nicht.

Für die ¹⁵N-Bestimmung ist der Stand der Technik gegenwärtig noch unbefriedigend. So steht für die ¹⁵N-Iso topenanalyse von Ammonium- und Nitrat-Stickstoff gegenwärtig die Standardmethode nach BREMNER und KEENEY zur Verfügung (vgl. LT. M. Bremner et al, Soil Sci. Soc. Am. Proc. 30 (1966) S. 504-507). Diese Methode ist zwar hinreichend präzise, aber schwer automatisierbar. Eine übliche teilautomatisierte Variante dieser Methode besteht darin, daß der Ammonium- und Nitratstickstoff nacheinander mittels Magnesiumoxid und Devarda-Legierung in einem geschlossenen Gefäß als Ammoniak freigesetzt und mittels Diffusion als Ammoniumsulfat isoliert wird. Das Ammoniumsulfat muß anschließend manuell in eine Elementaranalysator-Massenspektrometer-Kopplung oder Emissionsspektro-meter-Kopplung überführt werden und wird dort automatisch gemessen. Dieses Verfahren gestattet zwar die parallele Behandlung einer hohen Probenzahl, ist aber aufgrund des Diffusionsschrittes sehr zeitaufwendig (bis zu mehreren Tagen). Weiterhin gestattet es keine simultane Bestimmung der Stickstoffmengen (Gesamtprozeß nicht quantitativ), und es versagt bei Stickstoffmengen < 20 µg pro Probe.

Für die ¹⁵N-Bestimmung von Nitritstickstoff sind seit kurzem geeignete ¹⁵N-analytische Methoden bekannt (Stevens et al, Soil Sci. Soc. Am. J. 58 (1994), S. 1108-1116; Russow et al, Isotopes Environ. Health Stud. 32 (1996) S. 289-297). Das Prinzip dieser Methoden besteht darin, daß das Nitrit selektiv zu einem geeigneten Gas chemisch umgewandelt wird, das anschließend mittels Durchflußmassen-Spektrometrie (Continuous Flow MS-CFMS) meßbar ist. Dieses bekannte Meßprinzip wird allgemein als Reaktionsdurch flußmassenspektrometrie (R-CFMS) bezeichnet. Die Meßverfahren nach diesem Prinzip sind jedoch noch nicht durchgängig automatisiert und besitzen daher noch einen hohen manuellen und zeitlichen Aufwand. Beim Nitrit wirkt sich zusätzlich erschwerend aus, daß in der Regel sehr kleine Nitritmengen (ppb) neben viel größeren Nitratmengen (ppm) zu bestimmen sind.

Aufgabe der Erfindung war es deshalb, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, mit denen die ¹⁵N-Bestimmung sowohl von Ammonium- als auch von Nitrat- und Nitritstickstoff in Proben mit einem Stickstoffgehalt <10 µg zuverlässig und gewünschtenfalls automatisiert möglich ist. Außerdem sollen die Vorrichtung und das Verfahren auch eine simultane Bestimmung der Stickstoffkonzentration der genannten anorganischen Stickstoffverbindungen ermöglichen.

Die Aufgabe der Erfindung wird mittels der in den Ansprüchen gekennzeichneten Vorrichtung und dem in Ansprüchen gekennzeichneten Verfahren gelöst. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die das bekannte Prinzip der Reaktions-Durchfluß-Massenspektrometrie (R-CFMS) nutzt, ist durch die on line-Kopplung der chemischen Probenpräparation, in situ ausgeführt in Probegläschen, die gleichzeitig die Reaktionsgefäße (RV) sind, mit einem geeigneten CFMS eine automatisierbare und hochempfindliche ¹⁵N-Be stimmung in anorganischen Stickstoffverbindungen mit einer einzigen Vorrichtung möglich, die daneben auch gleichzeitig die Bestimmung des Stickstoffgehaltes einer Probe erlaubt. Als CFMS wird vorzugsweise ein Quadrupol-Massenspektrometer genutzt, das in der Anschaffung billiger und im Betrieb weniger aufwendig ist als ein spezielles Isotopenmassenspektrometer (magnetisches Sektorfeldgerät). Bewährt hat sich das Quadrupol- Massenspektrometer Vom Typ MS CUBE (Hersteller: Balzers AG, Lichtenstein). Die Vorrichtung ist vorzugsweise PC-gesteuert ausgestaltet und auch die Meßdatenauswertung erfolgt vorzugsweise mittels PC unter Einsatz einer speziellen Auswertesoftware. Die die Probe enthaltenden Gefäße, die erfindungsgemäß gleichzeitig die Reaktionsgefäße sind, befinden sich einem geeigneten Probenroboter, z. B. einem Gilson Sampler, der bis zu 200 Probengefäße fassen kann.

Zur Umwandlung der jeweiligen Stickstoffkomponente in der Ammonium-, Nitrat- oder Nitrit-haltigen wäßrigen Probe in ein MS-geeignetes Gas werden für Ammonium und Nitrit die an sich bekannten Methoden der chemischen Probenpräparation angewandt. So wird Ammonium mittels Hypobromit (z. B. NaBrO) zu molekularem Stickstoff oxidiert (RITTENBERG) und als Reaktionslösung dient z. B. eine 0,1 M alkalische Natriumhypobromit-Lösung. Nitrit wird zu Stickstoffmonoxid (NO) mittels Kalium- oder Natriumjodid in saurer Lösung reduziert [Russow et al., Isotopes Environ. Health Stud. 32 (1996)]. Als Reaktionslösung kann z. B. eine Mischung aus einem Teil 0,2 M Kaliumjodid oder Natriumjodid und 3 Teilen konzentrierte Säure, z. B. Phosphorsäure, eingesetzt werden.

Erfindungsgemäß wird der Nitratstickstoff ebenfalls Stickstoffmonoxid als MS-geeignetem Gas reduziert. Dazu hat sich insbesondere Titan (III)-chlorid in saurer Lösung als geeignetes Reduktionsmittel herausgestellt. Vorzugsweise wird eine Lösung in konzentrierter Schwefelsäure mit 5-15 mg/ml Titan (III)-chlorid eingesetzt.

In Abb. 1 ist eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Die Probelösung wird in das Reaktionsgefäß RV, bei dem es sich vorzugsweise um ein vakuumdicht verschließbares Headspace-Probegefäß mit Septum handelt, gegeben. Diese Probegefäße, die in einem Probenroboter angeordnet sind, enthalten in geeigneter Reihenfolge Probelösungen oder auch Spüllösungen. Die Probelösungen können minimal 0,5 µg Ammonium- oder Nitratstickstoff oder 0,1 µg Nitrit-Stickstoff enthalten.

Nach Start des Bearbeitungscyclus durchsticht die Doppelkanüle DK das Septum des ersten Vials und spült die Probelösung über die Regelstrecke CC-MV2-4PV (Stellung 1-2) mit Helium bis die gesamte Luft entfernt ist. Während des Spülvorganges gelangt Helium über die Regelstrecke PC-CP-4PV (Stellung 3-4) das MS, um das Eindringen von Luft zu verhindern. Danach erfolgt die Umschaltung des 4-Wegeventils 4PV auf Stellung 1-4 und mittels Differenzdruck DC wird aus dem Gefäß RS die jeweilige Reaktionslösung in Abhängigkeit von der zu bestimmenden Komponente, die ebenfalls mit Helium gespült wird, über Magnetventil in die Probelösung RV dosiert. Der Stickstoff der Probe wird als molekularer Stickstoff oder als Stickstoffmonoxid freigesetzt und durch das Trägergas Helium über die Wasserfalle WT und die Gasreinigung in das MS zur Messung der relevanten Massepeaks geleitet. Nach Beendigung der Messung wird das MS wieder über das 4-Wegeventil 4PV auf Stellung 3-4 mit Make Up-Helium versorgt. Anschließend wird die Doppelkanüle DK aus dem Septum gezogen und zur Position Spülen gefahren. Die Doppelkanüle taucht bei bestehendem Helium-Durchfluß zur Reinigung von anhaftender Probe- und Reaktionslösung kurz in eine Spüllösung, die sich in einem der Reaktionsgefäße RV befindet. Vorzugsweise dient als Spullösung Wasser. Damit ist die Bearbeitung und Messung der ersten Probe abgeschlossen und der gesamte Vorgang wird analog für das zweite und jedes weitere Vial im Sampler wiederholt.

Die gesamte Steuerung des Meßvorganges erfolgt über mittels einer speziellen Steuersoftware z. B. unter WINDOWS. Die N-Mengen und ¹⁵N-Häufigkeiten der jeweiligen Probe werden auf der Basis einer Kalibrierung ebenfalls automatisch mittels PC berechnet. Die Kalibrierung erfolgt mit Lösungen der betreffenden anorganischen N-Verbindungen mit bekanntem N-Gehalt und bekannter ¹⁵N-Häufigkeit. Die Berechnung der ¹⁵N-Häufigkeit erfolgt aus dem Verhältnis R der relevanten ¹⁵N/¹⁴N-Massenpeaks. Die Berechnung der N-Menge erfolgt aus der Summe der relevanten ¹⁵N+¹⁴N-Massenpeaks.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur automatisierten ¹⁵N-Bestimmung von Ammonium-, Nitrat- und Nitrit-Stickstoff in wäßrigen Lösungen, das dadurch gekennzeichnet ist, daß der Ammonium-, Nitrat- oder Nitritstickstoff (nach Spülen der Probe mit Helium zur Entfernung der Luft) durch Zudosierung einer geeigneten Reaktionslösung selektiv und momentan in ein MS-geeignetes Gas umgewandelt und sofort im Moment seines Entstehens mittels eines Helium-Trägergasstromes direkt zur Messung der ¹⁴N- und ¹⁵N-relevanten Massepeaks in ein online gekoppeltes Massenspektrometer geleitet wird.

Ausführungsbeispiele Beispiel 1 Bestimmung der N-Menge und ¹⁵N-Häufigkeit einer Nitrit-haltigen Wasserprobe

Jeweils 10 ml einer Nitrit-haltigen Wasserprobe mit minimal 0,1 µg N befinden sich in den Probegefäßen RV des Gilon Samplers. Die Doppelkanüle DK fährt zu dem ersten Gefäß und durchsticht das Septum. Die Probe wird zur Entfernung der Luft mit Helium gespült.

Danach werden 3-4 ml einer Reaktionslösung aus 3 Volumenteilen conc. Phosphorsäure und 1 Volumenteil 0,2 M Natriumjodid-Lösung aus dem Gefäß RS zur Probe dosiert. Der Nitrit-Stickstoff wird sofort zu NO reduziert und das NO mit dem Helium zu einem Quadrupol-MS geleitet. Das MS registriert die relevanten Massenpeaks 30 und 31. Danach wird die Doppelkanüle DK wieder aus dem Gläschen entfernt und einem Gläschen mit Spüllösung, das an vorgegebener Position im Gilson Sampler enthalten ist, gefahren. Die Doppelkanüle DK wird durch Eintauchen in die Spüllösung von anhaftender Probe- und Reaktions-Lösung gereinigt. Der gesamte Analysenvorgang kann jetzt für das nächste Probengläschen wiederholt werden.

Die Berechnung der Nitrit-N-Menge erfolgt aus der Summe der Massen 30 und 31 auf der Basis einer Mengen-Kalibriergeraden. Die Berechnung der ¹⁵N-Häufig keit a erfolgt aus dem Verhältnis R=A31/A30 nach:

a=R.100/(1+R)in At.-%.

Beispiel 2 Bestimmung der Stickstoff-Menge und ¹⁵N-Häufigkeit einer Nitrat-haltigen Wasserprobe

Jeweils 5 ml einer Nitrat-haltigen Wasserprobe mit minimal 0,5 µg Stickstoff befinden sich in den Probegläschen RV des Gilson Samplers. Der gesamte Analysenablauf ist identisch mit dem in Beispiel 1. Als Reaktionslösung zur Reduktion des Nitrates zu NO dient conc. Schwefelsäure mit einem Anteil von 5-15 mg/ml Titantrichlorid. Pro Analyse werden 5 ml dieser Reaktionslösung in die Probelösung dosiert.

Die Berechnung der Nitrat-Stickstoff-Menge und der ¹⁵N-Häufigkeit erfolgt wie in Beispiel 1 beschrieben aus den Massenpeaks 30 und 31.

Bezugszeichenliste

C1 Helium-Trägergas-Volumenstrom zum 4-Portventil
C2 Helium-Trägergas-Volumenstrom ins MS
CC Helium-Trägergasregler (Mengenregler)
CP Helium-Make Up-Gasleitung
DC Differenzdruckregler für das Helium-Trägergas
DK Doppelkanüle
MV1 Magnetventil
MV2 Magentventil
OS Open Split (Strömungsteiler)
PC Helium-Make Up-Gasregler (Mengenregler)
RS Gefäß für die jeweilige Reaktionslösung
RV Reaktionsgefäß mit Probelösung (oder Spüllösung)
V Abgas

4

PV 4-Portventil
K Kapillarleitung
WT Wasserfalle
GR Gasreinigung

Claims

1. Vorrichtung zur automatisierten ¹⁵N-Bestimmung von Ammonium-, Nitrat- und Nitritstickstoff in wäßrigen Lösungen bestehend aus mehreren Probegläschen (RV), die gleichzeitig als Reaktionsgefäße dienen und sich in einem Probenroboter mit einer in X-Y-Z-Richtung beweglichen Doppelkanüle (DK) befinden, und mittels der Doppelkanüle (DK) wahlweise über ein Ventil (MV3) mit einem Gefäß für die jeweilige Reaktionslösung (RS) oder über ein 4-Wegeventil (4PV) mit einem Massenspektrometer direkt verbunden sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Reaktionsgefäß (RV) ein Helium-Trä gergasregler (CC) und ein Ventil (MV2) vorgeschaltet sind, und dem Gefäß für die Reaktionslösung (RS) ein Differenzdruckregler (DC) für den Dosierdruck vorgeschaltet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Massenspektrometer über die Stellung 3-4 des 4-Wegeventils (4PV) mit einer Helium-Make Up-Gas leitung (CP) und einem Helium-Make Up-Gasregler (PC) verbunden ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Quadrupol-Massenspektrometer ein Strömungsteiler (OS) vorgeschaltet ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich bis zu 200 Probengefäße (RV) in dem Probenroboter, vorzugsweise einem Gilson Sampler, befinden.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung PC-gesteuert ausgestaltet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Massenspektrometer ein Quadrupol-Mas senspektrometer ist.

8. Verfahren zur automatisierten ¹⁵N-Bestimmung von Ammonium-, Nitrat- oder Nitritstickstoff in wäßrigen Lösungen, dadurch gekennzeichnet, daß mittels der Vorrichtung gemäß Anspruch 1 aus Gefäß (RS) die jeweilige Reaktionslösung, die zur Umwandlung des Ammonium-, Nitrat- oder Nitritstickstoffs in MS-geeignetes Gas dient, in das Reaktionsgefäß (RV), in dem sich die zu bestimmende Probelösung befindet, dosiert wird und das freigesetzte MS-geeignete Gas im Moment seines Entstehens durch das mittels eines Helium-Trä gergasstromes in das on line gekoppelte Massenspektrometer geleitet und die ¹⁴N- und ¹⁵N-re levanten Massepeaks in üblicher Weise bestimmt werden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur ¹⁵N-Bestimmung von Ammoniumstickstoff als MS-geeignetes Gas molekularer Stickstoff gemessen wird und zur ¹⁵N-Bestimmung von Nitrat- und Nitritstickstoff als MS-geeignetes Gas Stickstoffmonoxid gemessen wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur ¹⁵N-Bestimmung von Ammoniumstickstoff als Reaktionslösung eine alkalische Hypobromitlösung eingesetzt wird und die relevanten Massepeaks des molekularen Stickstoffs 28 und 29 gemessen werden.

11. Verfahren nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur ¹⁵N-Bestimmung von Nitratstickstoff als Reaktionslösung eine saure Titan (III)-chlo ridlösung eingesetzt wird und die relevanten Massepeaks von Stickstoffmonoxid 30 und 31 gemessen werden.

12. Verfahren nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur ¹⁵N-Bestimmung von Nitritstickstoff als Reaktionslösung eine saure Kalium- oder Natriumjodidlösung eingesetzt wird und die relevanten Massepeaks von Stickstoffmonoxid 30 und 31 gemessen werden.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß vor Beginn der Messung die Probelösung und das Massenspektrometer mit Helium gespült werden, indem das Helium über den Gasregler (CC) und das geöffnete Ventil (MV2) in die Probelösung geleitet wird, bis die Luft über das 4-Wegeventil in Stellung 1-2 entfernt ist, und gleichzeitig in das Massenspektrometer über die Stellung 3-4 des 4-Wege ventils Helium zur Vermeidung des Eindringens Luft eingeleitet wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß aus der Summe des ¹⁵N- und ¹⁴N-Massepeaks auch der Stickstoffgehalt in Form von Ammonium, Nitrit oder Nitrat der Probe berechnet wird.