膜进样质谱仪

美国自然基金委推荐测量湿地脱氮速率专用仪器

反硝化速率和脱氮速率科研的强大工具

高精度溶解气体测量仪器

前言：

氮气（N2）、氧气（O2）、二氧化碳（CO2）是湿地、河流、湖泊、海洋等水体中的重要溶解气体，是生态环境变化过程中的重要参数指标。例如，溶解氧是衡量海气扩散过程、水团混合、大洋环流以及海水中生物化学过程的重要指标；水体中CO2对于研究全球碳循环和全球气候变化具有重要作用；而水体中溶解N2则对于研究水体反硝化速率、农业氮肥利用率、水体富营养化等相关问题具有至关重要的作用。目前，测量水体海洋中溶解气体的传统方法是先采集水样，然后在实验室内或者船上进行检测，但由于很多参数会随时空的变化而发生改变，从而得不到实时原位的准确数据。水体及沉积物反硝化速率的测定方法主要有乙炔抑制法、N2通量法、质量平衡法、化学计量法和同位素法，但这些方法大多存在人为扰动大、操作繁琐、误差大的不足，因而无法精确测定淹水环境下的反硝化速率。膜进样质谱仪（MIMS）则能够实时、原位、连续监测水体中的溶解气体（N2、O2、CO2），并且能够精确测定淹水环境下水体、沉积物的反硝化速率，已被国内外众多研究机构广泛应用，并被美国自然科学基金委推荐用来测定湿地脱氮速率。同时，膜进样质谱仪还能够应用于稳定同位素（15N 、18O、13C）的检测、光合呼吸、生物反应器等方面的研究。

主要特点：

? 可实时、原位检测
? 测量精度高、重复性好
? 所需样品量少，仅5ml
? 操作简便，样品分析快，仅90s
? 不需要顶空平衡，可完美实现水气分离
? 可将空气中高浓度背景气体分离开，避免了样品的污染
? 专用软件（QuickData）高效评估收集的信号和数据

图1 QuickData软件

主要应用：

? 环境（水体、沉积物）反硝化速率的研究
? 原位测量水体（海洋\湖泊\河流\地表水\地下水）中O2、CH4、DMS、CO2和Ar浓度
? 海洋总初级生产力的测定
? 贫瘠水域的呼吸作用研究
? 稳定同位素的测定（15N 、18O、13C）

图2   MIMS在反硝化中的应用，将原状沉积物和上覆水取回在室内进行培养，研究反硝化过程中N2的排放速率

图3   利用已知CH4浓度和测量出来的信号值进行拟合曲线，进而测量未知水体中CH4浓度

图4   MIMS可用于水生生态系统代谢和氧气动力学研究

图5   MIMS可与液相氧电极或叶绿素荧光仪联用测量光合和呼吸作用

MIMS典型应用：

表1   标样连续测定10h后信号偏移情况（李晓波等，2013）

表2   MIMS与IRMS在测量海洋总初级生产力时的数据比较

图7   利用MIMS测量出11种中国典型稻田土壤下的反硝化、厌氧氨氧化、DNRA的贡献率（Shan J et. al, 2016）

参考文献：

1.李晓波, 夏永秋, 郎漫, 等. N2：Ar法直接测定淹水环境反硝化产物N2的产生速率. 农业环境科学学报, 2013, 32(6): 1284-1288

2.赵永强, 夏永秋, 李博伦, 等. 利用膜进样质谱同时测定河流沉积物反硝化和厌氧氨氧化. 农业环境科学学报, 2014, 33(4): 794-802

3.Alexandra M F R, Matthew A C. Benthic nitrogen fixation in an eutrophic estuary affected by groundwater discharge. Journal of Coastal Research, 2012, 28(2): 477-485

4. Alexander J R, Jennifer L T, Timothy J H, et al. Sediment, water column, and open-channel denitrification in rivers measured using membrane-inlet mass spectrometry. Journal of Geophysical Research: Biogeosciences, 2015, 121: 1258 -1274

5.Fred J G, Dragoslav T M, John C L. Estimating rates of denitrification enzyme activity in wetland soils with direct simultaneous quantification of nitrogen and nitrous oxide by membrane inlet mass spectrometry. Microbial & Biochemical Technology, 2013, 5(4): 095-101

6. Gueguen C, Tortell P D. High-resolution measurement of Southern Ocean CO2 and O2/Ar by membrane inlet mass spectrometry[J]. Marine Chemistry, 2008, 108(3/4): 1