德國elementar / 2024年八月份電子報 – 如何分析濾紙上顆粒物之氮碳氫硫成分

介紹

當我們對天然水中或空氣中顆粒物的元素和同位素組成感興趣時，會使用玻璃或石英纖維濾紙來收集這些顆粒物。使用 CHNS 元素分析儀燃燒濾紙。濾紙樣品與元素分析儀通常分析的其他樣品不同。它們體積很大（尤其是直徑47 mm濾紙）並且會產生大量灰燼。通常，濾紙過濾到顆粒樣品僅包含非常低的元素濃度，因此去除環境背景值非常重要。考慮到這些因素，Elementar 提供了其最新 CHNS+O+Cl 元素分析儀的改進版本 - UNICUBE®，它各項分析條件皆經過最佳化 用於分析玻璃纖維濾紙上的顆粒物。它還可以連接到 Elementar 穩定同位素質譜儀，以實現顆粒物質的穩定同位素分析。許多海洋學家已經在使用這種元素分析儀來了解海洋輸出碳的能力以及沉降顆粒有機物particulate organic matter (POM) 的 CN:比率如何隨著沉積深度變化。在某些情況下，我們的分析儀甚至在移動的研究船上進行元素和同位素測量！

用於大樣品的分析

許多海洋學家更喜歡使用 47 mm濾紙而不是 25 mm濾紙，因為它們使水過濾更容易。然而，大多數元素分析儀無法容納整個 47 mm濾紙，即使將其包裹在錫箔中並壓縮成顆粒後也是如此。 UNICUBE 元素分析儀允許將 47 mm濾紙製作為樣品並將其導入燃燒管後進行分析；UNICUBE經由 60 位自動進樣器並具有相當大的孔位，方便於樣品的置放。此外，通向燃燒點的內部分析通道也已擴大，以允許無阻礙地導入體積更大的樣品。能夠一次性插入 47 mm濾紙意味著不需要切割濾紙，這可能會導致樣品損失。此外，最多可以分析 1.5 g 的沉積物。

圖 1. 對於分析，濾紙可以包裹在錫箔中並使用手動壓制工具進行壓縮，也可以將它們放入開口的錫膠囊中。第二種方法導致較低的背景值。

極低的分析背景值

通常情況下，濾紙樣品裝有含有極少量碳和氮的顆粒物。 因此，盡可能減少分析背景值至關重要。在氮氣的情況下，分析背景值通常來自殘留在锡錠內部的環境空氣——即使在锡錠被壓縮之後也是如此。 UNICUBE 濾紙分析儀為這個問題提供了一個獨特的解決方案：濾紙可以簡單地放入一個開口的錫囊中。 然後在分析儀的球型閥 (Ball valve)內用氦氣沖洗這個膠囊，有效地去除夾雜在樣品中任何環境空氣（見圖 1 和圖 2）。 為了說明不同濾紙包裝對氮氣背景值的影響，進行了一個小實驗。 結果見表1。 表1.不同濾紙包裝對氮氣背景的影響。 所有分析一式三份進行。

圖1

表 1. 不同過濾紙包裝對氮氣空白的影響。 所有分析皆三重覆進行。

開口錫囊中濾紙的氮峰面積與錫製容器的氮背景值相當，遠低於壓製樣品的氮峰面積。這表明用球閥內的氦氣沖洗打開的膠囊有效地去除了任何環境空氣，從而保證了盡可能低的氮氣背景值。

圖 3. 上有沉積物的47 mm玻璃纖維濾紙。

高訊號/背景值比能力

由於濾紙包含的碳量並不顯著，因此將濾紙與裝載有顆粒物質的過濾器一起分析非常重要。如果過濾器已經過任何類型的前處理（例如，酸化以去除無機碳），則濾紙應進行同等前處理。四個酸化的 47 mm 濾紙背景的分析顯示 N 和 C 峰面積具有很高的重現性（表 2）。與裝載 POM 的兩個酸化過濾器的信號相比，濾紙背景值訊號較低。這些是在海洋研究站從 3 m 和 24 m 的深度所收集的。使用 UNICUBE 濾紙分析儀，觀察到低 N 和 C 含量的高靈敏度。 UNICUBE 的靈敏度通常足以分析公海過濾器樣品。如果需要更高的靈敏度，UNICUBE trace 具有針對微量 N 和 C 分析最佳化的偵測器，也可以針對濾紙分析進行修改。請注意，UNICUBE trace 不是 CHNS 分析器儀，只能分析 N 和 C 含量。為了證明 UNICUBE trace的卓越靈敏度，土壤標準品用無 N 和 C 的石英砂稀釋。對 150 mg這種稀釋土壤標準的分析導致 770 units的高而窄的氮峰，對應於 3.5 μg N（圖 4）。

圖 4. 僅含微量氮的土壤樣品的分析峰圖。高而窄的峰形是 Elementar 獨特的氣體分離和預濃縮技術的直接結果。
氣體被吸附在 TPD 柱上，直到它們被提示並快速釋放。

表 2. 酸化的 47 mm 空白濾紙和样品的峰面積和元素含量。

含鹽樣品

使用濾紙從海水中提取顆粒物質後，濾紙本身會攜帶鹽分殘留物。 此類鹽水濾紙樣品需要非標準儀器配置。 在 CNS 模式下，標準石英玻璃灰燼收集器應更換為陶瓷灰坩堝。 在 CN 模式下，灰燼收集器應更換為鋼製灰燼坩堝（獨立 EA）或陶瓷灰坩堝 (EA-IRMS)。 在 CN 模式下，燃燒管通常填充有氧化銅。 當存在鹽時，氧化銅應該用氧化鈰代替。 為了節省成本，可以使用 1:1 的混合比用剛玉球稀釋更昂貴的氧化鈰。 UNICUBE 濾紙分析儀隨附進行含鹽濾紙分析所需的非標準耗材和試劑。

免工具維護Tool-free maintenance

對濾紙樣品的分析會在每個濾紙中產生大量的灰燼。這些灰被收集在燃燒管的灰燼收集器中，當它滿時需要被清空。為了將維護降至最低，UNICUBE 配備了一個非常大的灰燼收集器，可以容納大約 40 x 25 mm濾紙、25 x 47 mm濾紙或 70 x 100 mg沉積物樣品的灰燼。 UNICUBE 維護事件經由滑軌式高溫爐和夾具連接而不是螺絲釘。 因此，清空灰燼收集器只需 3-4 分鐘。要查看相關的操作影片，請點擊： https://elementargroup.wistia.com/medias/rspc37m3n1。

圖 5. UNICUBE 具有滑軌式高溫爐和夾具連接，便於維護。

使用 EA-IRMS - EcovisION，科學家可以確定顆粒物的 δ¹³C 和 δ¹⁵N。這種同位素分析甚至可以在定制減震器的幫助下在海上進行。

結論

UNICUBE 濾紙分析儀針對整個玻璃纖維濾紙（最大 47 mm）以及 1.5 克沉積物進行最佳化CNHS的分析。它具有去除環境空氣的獨特設計，可產生極低且可重現的分析背景值。顯示僅帶微量氮和碳的濾紙樣品比濾紙空白產生顯著更大的峰面積。 此外，由於 UNICUBE 的大尺寸灰燼收集器、滑軌式高溫爐和夾具連接，維護須求大幅降低且更換過程無需工具。

資料來源:elementar官網