DE19735927C2 - Verfahren und Vorrichtung zur automatisierten ·15·N-Bestimmung von ammonium-, nitrat- und nitrithaltigen wäßrigen Lösungen - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur automatisierten ·15·N-Bestimmung von ammonium-, nitrat- und nitrithaltigen wäßrigen LösungenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein
Verfahren zur automatisierten und hochempfindlichen
15N-Isotopenanalyse von Ammonium-, Nitrat- und Nitrit-
Stickstoff 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-
Isotopenanalyse von Ammonium- und Nitrat-Stickstoff
gegenwärtig die Standardmethode nach BREMNER und
KEENEY zur Verfügung (vgl. J. 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 Nitratsticksoff nacheinander mittels
Magnesiumoxid und Devarda-Legierung in einem
geschlossenen Gefäß als Ammoniak freigesetzt und
mittels Diffussion 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
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. 323-328). 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 höhen 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
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
den 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
den Probegläschen, die gleichzeitig die
Reaktionsgefäße (RV) sind, mit einem geeigneten CFMS
eine automatisierbare und hochempfindliche 15N-
Bestimmung 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
in 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
zu Stickstoffmonoxid als MS-geeingetem 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)
in 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
MV3 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
GR 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
PC 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 on line
gekoppeltes Massenspektrometer geleitet wird.
Jeweils 10 ml einer Nitrit-haltigen Wasserprobe mit
minimal 0,1 µg N befinden sich in den Probegefäßen RV
des Gilson 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
zu 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-
Häufigkeit a erfolgt aus dem Verhältnis R = A31/A30
nach:
a = R . 100/(1 + R) in At.-%.
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.
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
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
K- Kapillarleitung
WT- Wasserfalle
GR- Gasreinigung
Claims (14)
1. Vorrichtung zur automatisierten 15N-Bestimmung von
ammonium-, nitrat- und nitrithaltigen 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 eine
Reaktionslösung (RS) oder über ein 4-Wegeventil
(4PV) mit einem Massenspektrometer verbindbar
sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß dem Reaktionsgefäß (RV) ein Helium-
Trägergasregler (CC) und ein Ventil (MV2)
vorgeschaltet sind, und dem Gefäß für die
Reaktionslösung (RS) ein Differenzdruckregler (DC)
vorgeschaltet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Massenspektrometer über eine Stellung des
4-Wegeventils (4PV) mit einer Helium-Make-Up-
Gasleitung (CP) und einem Helium-Make-Up-Gasregler
(PC) verbindbar ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß sich bis zu 200 Probengefäße (RV) in dem
Probenroboter befinden.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Vorrichtung PC-gesteuert ausgestaltet ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Massenspektrometer ein Quadrupol-
Massenspektrometer ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß dem Quadrupol-Massenspektrometer ein
Strömungsteiler (OS) vorgeschaltet ist.
8. Verfahren zur automatisierten 15N-Bestimmung von
ammonium-, nitrat- oder nitrithaltigen wäßrigen
Lösungen mittels einer Vorrichtung nach einem der
Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß aus dem Gefäß (RS) eine Reaktionslösung, die
zur Umwandlung von Ammonium, Nitrat oder Nitrit in
ein 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-Trägergasstromes in das
an line gekoppelte Massenspektrometer geleitet und
die 14N- und 15N- relevanten Massepeaks bestimmt
werden.
9. Verfahren nach Anspruch 8
dadurch gekennzeichnet,
daß zur 15N-Bestimmung von Ammonium als MS-
geeignetes Gas molekularer Stickstoff gemessen
wird und zur 15N-Bestimmung von Nitrat und Nitrit
als MS-geeignetes Gas Stickstoffmonoxid gemessen
wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8 und 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur 15N-Bestimmung von Ammonium 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 Nitrat als
Reaktionslösung eine saure Titan (III)-
chloridlösung eingesetzt wird und die Massepeaks
von Stickstoffmonoxid 30 und 31 gemessen werden.
12. Verfahren nach Anspruch 8 und 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur 15N-Bestimmung von Nitrit als
Reaktionslösung eine saure Kalium- oder
Natriumjodidlösung eingesetzt wird und die
Massepeaks von Stickstoffmonoxid 30 und 31
gemessen werden.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß vor Beginn der 15N-Bestimmung die Probelösung
und das Massensprektrometer mit Helium gespült
werden, indem das Helium über einen Gasregler (CC)
und das geöffnete Ventil (MV2) in die Probelösung
geleitet wird, bis die Luft über das 4-Wegeventil
entfernt ist, und gleichzeitig in das
Massenspektrometer über das 4-Wegeventil Helium
zur Vermeidung des Eindringens von Luft
eingeleitet wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13,
dadurch gekennzeichnet,
daß aus der Summe des 15N- und des 14N-Massepeaks
auch der Stickstoffgehalt in Form von Ammonium,
Nitrit oder Nitrat der Probe berechnet wird.
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