專利名稱：¹⁵N示蹤尿素同位素豐度的紅外光譜快速檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于信息檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種1N示蹤尿素同位素豐度的紅外光譜快速檢測(cè)方法。
背景技術(shù)：
氮是植物必需的營(yíng)養(yǎng)元素，是作物施肥三要素之首，氮肥占我國(guó)化肥消費(fèi)比重達(dá) 60%左右。目前我國(guó)占世界7%的耕地上消耗著全球35%的氮肥，氮肥的過量施用給我國(guó)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境帶來了巨大危害。中國(guó)每年因不合理施肥造成近1000萬噸的氮素流失，直接經(jīng)濟(jì)損失約300億元。而且由于氮肥利用率低下，有60%左右進(jìn)入環(huán)境。因而過量施氮已成為威脅中國(guó)長(zhǎng)期糧食安全和環(huán)境安全的重大問題。減少氮肥施用量的關(guān)鍵是提高氮肥利用率，而15N同位素示蹤(標(biāo)記)法是目前唯一能直接反映作物對(duì)氮肥實(shí)際利用情況的方法。1N同位素示蹤技術(shù)的關(guān)鍵是要對(duì)1N同位素豐度的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行跟蹤和檢測(cè)。但是目前15N同位素分析測(cè)量?jī)x器昂貴、成本高、操作繁瑣、耗時(shí)長(zhǎng)、需要大量化學(xué)試劑，難以滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)、高效的要求。目前1N同位素豐度測(cè)量的方法有質(zhì)譜法、1N發(fā)射光譜法、核磁共振法和中子活化分析等，其中應(yīng)用較多的是質(zhì)譜法。質(zhì)譜法是通過測(cè)量各種物質(zhì)的原子或原子團(tuán)的荷質(zhì)比來確定被測(cè)原子或原子團(tuán)的性質(zhì)和質(zhì)量，具有高靈敏度及精確度的特征，廣泛用于同位素的實(shí)驗(yàn)室測(cè)量。但是這種方法所采用的儀器價(jià)格昂貴、系統(tǒng)龐大、操作復(fù)雜，樣品制備繁瑣，操作過程引入污染。且最終的結(jié)果只能給出元素的量，不能測(cè)定元素的化學(xué)形態(tài)，這限制了質(zhì)譜法在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。1N發(fā)射光譜法需要將樣品轉(zhuǎn)化成氮?dú)? )，然后用適當(dāng)方法來激發(fā)氮分子發(fā)光， 得到氮的光譜。隨著組成氮分子的氮原子質(zhì)量數(shù)不同而使氮的光譜波長(zhǎng)發(fā)生位移，利用這一現(xiàn)象來測(cè)定1N同位素豐度。與質(zhì)譜法相比,1 發(fā)射光譜法不需要昂貴的儀器設(shè)備，操作相對(duì)簡(jiǎn)便，并能測(cè)定含氮量為微克級(jí)的樣品。但是，有些元素的原子很難激發(fā)，而且有機(jī)物一般是大分子，組成復(fù)雜，激發(fā)后譜線雜亂難以分析，限制了 1N發(fā)射光譜法的應(yīng)用。核磁共振法是利用I-IO2兆赫的電磁波照射置于強(qiáng)磁場(chǎng)中的樣品，樣品中的某些原子核在特定的磁場(chǎng)強(qiáng)度下，與照射電磁波發(fā)生共振現(xiàn)象，產(chǎn)生強(qiáng)弱不同的吸收信號(hào)。以此來判明某些核素在分子中所處的位置及某些功能團(tuán)上核素的相對(duì)數(shù)目。但是由于其造價(jià)非常昂貴，而且測(cè)定靈敏度較低，故極少用于15N同位素的肥料利用率研究。中子活化分析是通過鑒別和測(cè)試樣本因輻照感生的放射性核素的特征輻射，進(jìn)行元素和核素分析的放射分析化學(xué)方法。該法的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度極高，準(zhǔn)確度和精密度也很高， 可測(cè)定元素范圍廣；但同樣存在儀器價(jià)格昂貴，分析周期較長(zhǎng)，操作技術(shù)復(fù)雜的缺陷，在1N 同位素豐度的測(cè)量上鮮見報(bào)道。而且一般情況下，中子活化分析只能給出元素的量，不能測(cè)定元素的化學(xué)形態(tài)。目前基于紅外光譜技術(shù)的穩(wěn)定同位素分析還處于初探階段，大部分研究局限于光譜同位素效應(yīng)的定性解析，少量的定量分析研究對(duì)象僅以簡(jiǎn)單氣體化合物為主。而對(duì)于示蹤肥料中1N示蹤原子的紅外光譜測(cè)量國(guó)內(nèi)外還未見報(bào)道。然而，快速有效的檢測(cè)示蹤肥料中15N同位素豐度，對(duì)于研究肥料的有效性、肥料與作物間的關(guān)系、以及評(píng)價(jià)肥料對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的影響有重要的意義。相對(duì)傳統(tǒng)1N同位素豐度檢測(cè)法的破壞性實(shí)驗(yàn)而言，紅外光譜測(cè)量具有無損、快速、多組分同時(shí)檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)，可以準(zhǔn)確地對(duì)作物整個(gè)生長(zhǎng)周期的氮吸收、利用的動(dòng)態(tài)情況進(jìn)行跟蹤，并且可以全面反應(yīng)肥料的吸收、利用、代謝規(guī)律，進(jìn)而準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)肥料在作物生長(zhǎng)過程中發(fā)揮的作用。同時(shí)，紅外光譜技術(shù)能有效克服傳統(tǒng)1N同位素分析法測(cè)量費(fèi)用昂貴、分析測(cè)試耗時(shí)、采樣數(shù)目偏少和檢測(cè)周期長(zhǎng)等缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出了 1N示蹤尿素同位素豐度的紅外光譜快速、無損檢測(cè)方法，為快速有效地監(jiān)測(cè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中尿素的吸收、利用情況以及動(dòng)態(tài)變化規(guī)律提供理論依據(jù)，有望實(shí)現(xiàn)1N 示蹤尿素同位素豐度的快速、低成本測(cè)量。本發(fā)明方法包括以下步驟
首先把待測(cè)1N示蹤尿素在紅外燈照射下用瑪瑙研缽研磨成粒徑小于20 μ m的粉末樣本，然后將粉末樣本與溴化鉀按照質(zhì)量比1 10 49充分研磨混勻，把混勻后的粉末放入壓片磨具里，把壓片磨具水平放置于壓片機(jī)座上，加壓，得到樣本薄片，完成樣本制備。然后將制備好的樣本固定在支架上放入樣品室，進(jìn)行4000 CHT1 400 cnT1范圍的紅外透射光譜掃描，得到樣本的透射光譜，再把樣本透射光譜換算為吸光度光譜。最后基于樣本的吸光度光譜得到樣本在波數(shù)分別為3411cm—1，3175cm—1， 1697cm-1, 1656cm-1, 1628cm-1, 1601cm-1, 1478cm-1 和 1442cm-1 處的吸光度，代入公式
Y = -205.687+ 45.998^411 + 30.962^5^+19. BO^697 - 34.657 J1656 ~ κ N ^ 39M9,\62S + 69.470/1!幌-85.387/I1478 + 107^046^w,即可得到樣本的同似
素豐度Γ。本發(fā)明與背景技術(shù)相比，具有以下特點(diǎn)
1.快速，紅外光譜掃描速度快，可在Is內(nèi)完成整個(gè)紅外波段范圍(4000CHT1 400CHT1) 的掃描。2.簡(jiǎn)單，本發(fā)明方法步驟少、操作簡(jiǎn)單，避免了傳統(tǒng)1N同位素豐度測(cè)量的氣化、分離等繁瑣、耗時(shí)的樣品制備過程。3.低成本，紅外光譜儀與傳統(tǒng)分析法所用的質(zhì)譜儀、核磁共振儀等儀器設(shè)備相比， 測(cè)量成本大大降低。4.具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，傳統(tǒng)的測(cè)量手段在取樣、制樣、測(cè)定等方面需要耗費(fèi)大量的人力、財(cái)力、物力，本測(cè)量方法使用方便，可以快速、有效的測(cè)量1N示蹤尿素同位素豐度， 故具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。


圖1是本發(fā)明方法流程圖2是1N示蹤尿素的紅外吸收光譜圖； 圖3是模型1的回歸曲線圖；圖4是模型3對(duì)于99個(gè)建模樣本的測(cè)量結(jié)果圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。如圖1所示，本發(fā)明方法具體包括以下步驟
①1N示蹤尿素的樣本制備。把1N示蹤尿素放入瑪瑙研缽，在紅外燈照射下充分研磨成粒徑小于20 μ m的粉末，稱取粉末樣本0. 01克與0. 1 0. 049克干燥溴化鉀粉末研磨混勻，用鋼鏟把磨細(xì)混勻的粉末移入壓片模具，把壓片模具水平放置在壓片機(jī)座上，施加IOt/ cm2力壓模具，得到樣本薄片。②樣本的光譜獲取。把制備好的樣本薄片固定在支架上，放入紅外光譜儀的樣本室，紅外光譜儀的光譜采集范圍是4000 cnT1 400 cm"1,光譜分辨率為lcnT1，光譜采集室溫在25°C左右，濕度小于65%，每個(gè)樣本的光譜是64次掃描的平均值，采集樣本的透射光譜。③樣本同位素豐度的測(cè)量。把樣本的透射光譜，按照公式“吸光度=2_log(透過率％)，，的數(shù)學(xué)變換得到樣本的吸收光譜，如圖2所示。基于99個(gè)已知15N同位素豐度的標(biāo)準(zhǔn)尿素樣本(購(gòu)于上?；ぱ芯吭?的紅外吸收光譜，運(yùn)用偏最小二乘回歸算法建立紅外吸收光譜與1N同位素豐度之間的定量關(guān)系模型。運(yùn)用全波段4000 cnT1 400 cnT1范圍的紅外吸收光譜建立測(cè)量模型1，模型1的決定系數(shù)為0. 981，誤差均方根為3. 92，標(biāo)準(zhǔn)均方根誤差為3. 3%。進(jìn)一步分析模型1的回歸曲線，如圖所示3，圖3顯示回歸曲線在波數(shù)3493， 3411，3307，3175，1697，1656，1628，1601，1478 和 1442cm"1 處有較大的回歸系數(shù)絕對(duì)值，表明這十個(gè)波數(shù)是1N同位素豐度的特征吸收峰，基于這十個(gè)波數(shù)處的吸光度建立多元線性回歸模型2，并對(duì)模型2進(jìn)行方差分析，方差分析結(jié)果如表1所示，表1顯示波數(shù)變量頭《3
(樣本在波數(shù)3493CHT1處的光譜吸光度)和為(樣本在波數(shù)3307CHT1處的光譜吸光度)的
顯著性水平P>0. 05，表明波數(shù)變量為■和為胃與因變量f (15N同位素豐度)無顯著相關(guān)
性，故波數(shù)3493和3307 cm—1不適用于建立1N同位素豐度的測(cè)量模型。于是剔除波數(shù)3493 和 3307 cnf1，基于余下的八個(gè)波數(shù) 3411，3175，1697，1656，16 , 1601，1478 和 1442CHT1 建立測(cè)量模型3，模型3的線性計(jì)算公式為
Y = -205^687 + 45.998^411 + 30.962^175 + 19.1 BO^1697 - 34.657.\656 -39.889aw2S + 69.470^601 — 85. SST^478 + 107,046^1442’
式中代表模型對(duì)樣本的1M同位素豐度的預(yù)測(cè)值；為411代表樣本在波數(shù)3411cm—1 處光譜的吸光度；為m代表樣本在波數(shù)3175cm—1處光譜的吸光度；代表樣本在波數(shù) 1697cm—1處光譜的吸光度；A656代表樣本在波數(shù)1656cm—1處光譜的吸光度；^628代表樣本在波數(shù)Ie^cnT1處光譜的吸光度；為601代表樣本在波數(shù)ieoicnT1處光譜的吸光度；為478代表樣本在波數(shù)1478CHT1處光譜的吸光度；為《2代表樣本在波數(shù)1442cm—1處光譜的吸光度。模型3的方差分析如表2所示，模型3的顯著性水平P=0，表明模型3與因變量 (15N同位素豐度)顯著相關(guān)；而且波數(shù)變量為411 , ^31-73 , ^1697 , , Λβ28 , ΛβΟΙ , 和為442
5的顯著性水平P值都小于0. 05，表明這八個(gè)變量與因變量 (1 同位素豐度)顯著相關(guān)， 表明這八個(gè)波數(shù)適用于建立1N同位素豐度的測(cè)量模型。模型3對(duì)于99個(gè)建模樣本的測(cè)量效果如圖4所示，建模決定系數(shù)為0. 985，均方根誤差為3. 02，標(biāo)準(zhǔn)均方根誤差2. 8%。表明模型3可用于15N同位素豐度的測(cè)量。收集15N 同位素豐度分別為 0% (普通尿素)，1%，2%，4%，5%，10%, 20%, 30%, 40%, 50%， 99%的68個(gè)樣本，進(jìn)行光譜掃描，獲取樣本在波數(shù)3411，3175，1697，1656，1628，1601，1478 和1442cm—1處的吸光度，代入測(cè)量公式
7 = -205.687+45.998^4U + 30.962^17J +19.130-34.657-39 M9\m + 69.470,\601 - 85.38 + 107.046^
得到樣本的1M同位素豐度，該模型對(duì)這68個(gè)樣本的預(yù)測(cè)結(jié)果如表3所示，模型的預(yù)測(cè)決定系數(shù)為0. 986，均方根誤差為3. 23，標(biāo)準(zhǔn)均方根誤差為3%。說明該模型能夠?qū)崿F(xiàn)1N示蹤尿素的同位素豐度快速檢測(cè)。表1.模型2的方差分析
權(quán)利要求
1.15N示蹤尿素同位素豐度的紅外光譜快速檢測(cè)方法，其特征在于該方法包括以下步驟步驟1.把待測(cè)1N示蹤尿素在紅外燈照射下用瑪瑙研缽研磨成粒徑小于20 μ m的粉末樣本，然后將粉末樣本與溴化鉀按照質(zhì)量比1 10 49充分研磨混勻，把混勻后的粉末放入壓片磨具里，把壓片磨具水平放置于壓片機(jī)座上，加壓，得到樣本薄片，完成樣本制備；步驟2.將制備好的樣本固定在支架上放入樣品室，進(jìn)行4000 cnT1 400 cnT1范圍的紅外透射光譜掃描，得到樣本的透射光譜，再把樣本透射光譜換算為吸光度光譜；步驟3.基于樣本的吸光度光譜得到樣本在波數(shù)分別為3411(^:3175(^-^1 697CHT1，1656cm-1, 1628cm-1, 1601cm-1, 1478cm-1 和 1442cm-1 處的吸光度，代入公式Γ = -205.687 + 45.9984411 + 30.962,^ + 15. BO^1697 - 34.657^ -5、39.889^28 + 69.470Λ1601 -85.387^478 + 107.046^442,即可得到樣本的同位素豐度F。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種15N示蹤尿素同位素豐度的紅外光譜快速檢測(cè)方法。傳統(tǒng)的檢測(cè)方法速度慢且操作復(fù)雜。本發(fā)明首先把待測(cè)15N示蹤尿素研磨成粉末樣本，然后將粉末樣本與溴化鉀后壓片，完成樣本制備。然后將制備好的樣本進(jìn)行的紅外透射光譜掃描，得到樣本的透射光譜，再把樣本透射光譜換算為吸光度光譜。最后將樣本在波數(shù)分別為3411cm-1，3175cm-1，1697cm-1，1656cm-1，1628cm-1，1601cm-1，1478cm-1和1442cm-1處的吸光度，代入公式，即可得到樣本的同位素豐度Y。本發(fā)明使用方便，可以快速、有效的測(cè)量15N示蹤尿素同位素豐度，故具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。
文檔編號(hào)G01N1/32GK102230894SQ20111017502
公開日2011年11月2日 申請(qǐng)日期2011年6月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月27日
發(fā)明者何勇, 李曉麗, 聶鵬程 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)