GB/T 42490-2023 土壤质量 土壤与生物样品中有机碳含量与碳同位素比值、全氮含量与氮同位素比值的测定 稳定同位素比值质谱法

　　ICS 13 . 080 . 01 CCS B 10

　　中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

　　GB/T 42490—2023

　　土壤质量 土壤与生物样品中有机碳含量与碳同位素比值、全氮含量与氮同位素比值的测定 稳定同位素比值质谱法

　　Soil quality—Determination of total content and isotope ratio of organic carbon and nitrogen of soil and biological samples—Stable isotope ratio mass spectrometry

　　2023-03-17 发布 2023-10-01 实施

　　国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会

　　

　　发

　　

　　布

　　GB/T 42490—2023

　　目 次

　　前言 Ⅲ

　　1 范围 1

　　2 规范性引用文件 1

　　3 术语和定义 1

　　4 缩略语 2

　　5 原理 2

　　6 试剂与材料 2

　　7 仪器与设备 2

　　8 试验步骤 3

　　9 计算 4

　　10 测定结果的精密度 5

　　11 质量保证和控制 6

　　附录 A (资料性) 标准物质 7

　　参考文献 8

　　I

　　GB/T 42490—2023

　　前 言

　　本文件按照 GB/T 1 . 1—2020《标准化工作导则 第 1 部分:标准化文件的结构和起草规则》的规定起草 。

　　请注意本文件的某些内容可能涉及专利 。本文件的发布机构不承担识别专利的责任 。

　　本文件由中华人民共和国农业农村部提出 。

　　本文件由全国土壤质量标准化技术委员会(SAC/TC404)归口 。

　　本文件起草单位:中国科学院南京土壤研究所 、中国科学院城市环境研究所 、中国科学院亚热带农业生态研究所 、南京师范大学 、上海交通大学 、北京科荟测试技术有限公司 、江苏省质量和标准化研究院 。

　　本文件主要起草人:曹亚澄 、王曦 、孙晓丽 、孙德玲 、张晗 、袁红朝 、温腾 、张莉 、杨禄 、戴沈艳 、贺珍 、魏来 、杨帆 、张姗姗 、查明霞 、吴杰 。

　　Ⅲ

　　GB/T 42490—2023

　　土壤质量 土壤与生物样品中有机碳含量与碳同位素比值 、全氮含量与氮同位素比值的测定 稳定同位素比值质谱法

　　1 范围

　　本文件描述了使用元素分析-稳定同位素比值质谱联用仪(EA-IRMS)测定土壤与生物样品(植物 、动物 、微生物)中有机碳含量与碳同位素比值 、全氮含量与氮同位素比值的方法 。

　　本文件适用于土壤与生物样品中有机碳和全氮含量的测定 , 也适用于非标记( 自然丰度)和示踪试验(f13 C≤30% , f15 N≤30%)的土壤与生物样品中有机碳和全氮的碳 、氮同位素比值测定 。

　　本文件测定土壤与生物样品中有机碳 、全氮含量和碳 、氮同位素比值的定量限(以绝对碳 、氮量计) :碳 30 μg;氮 20 μg 。

　　2 规范性引用文件

　　下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款 。其中 , 注 日期的引用文件 , 仅该日期对应的版本适用于本文件;不注日期的引用文件 , 其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件 。

　　GB/T 6379 . 2 测量方法与结果的准确度(正确度与精密度) 第 2 部分:确定标准测量方法重复性与再现性的基本方法

　　GB/T 6682 分析实验室用水规格和试验方法

　　GB/T 37847—2019 同位素组成质谱分析方法通则

　　GB/T 37885 化学试剂 分类

　　3 术语和定义

　　GB/T 37847—2019 界定的以及下列术语和定义适用于本文件 。

　　3.1

　　同位素 isotope

　　具有相同质子数 、不同中子数(或不同质量数)的同一元素的不同原子 。

　　3.2

　　同位素比 isotope ratio

　　两种同位素的摩尔数或原子个数 、离子个数的数量比 。

　　3.3

　　同位素丰度 isotope abundance

　　同位素原子数量在该元素总原子数量中所占的百分比 。

　　注 : 同位素丰度用百分数(%)表示 。

　　3.4

　　同位素组成 isotope composition

　　以原子百分比表示的某元素中各同位素所占的比例 , 且它们的总和等于 1 。

　　1

　　GB/T 42490—2023

　　注 1 : 同位素组成用丰度表示 , 也用比值或 δ 值表示 。

　　注 2 : δ 值是指质谱分析给出的样品的同位素比值对标准样品的比值的相对差值 , 用千分数(%)表示 。

　　4 缩略语

　　下列缩略语适用于本文件 。

　　EA-IRMS:元素分析-稳定同位素比值质谱联用仪(Elemental Analyzer-IsotoPe Ratio Mass SPec- trometer) 。

　　VpDB:维也纳-peeDee箭石(Vienna pee Dee Belemnite) 。

　　5 原理

　　土壤或生物样品置于元素分析仪中 , 在高纯氧氛围下闪燃 。样品中的有机碳和全氮在高温炉中氧化剂和还原剂的氧化还原作用下分别转化为二氧化碳和氮气 。 产生的二氧化碳和氮气经过纯化 、分离 , 进入同位素比值质谱仪 。通过对应质荷比( m /≈)(二氧化碳:质荷比为 44 和 45;氮气:质荷比为 28和 29)的离子流强度得到样品有机碳和全氮的碳 、氮稳定同位素比值 , 并根据质谱峰面积得到样品有机碳和全氮的含量 。

　　6 试剂与材料

　　除非另有规定 , 分析时均使用符合 GB/T 37885 的分析纯试剂 。

　　6 . 1 试验用水:应符合 GB/T 6682 中二级水要求 。

　　6 . 2 氧化剂:根据仪器类型进行选择(如三氧化二铬 、氧化铜) 。

　　6 . 3 还原剂:根据仪器类型进行选择(如铜丝) 。

　　6 . 4 吸附剂(化学阱填料):根据仪器类型和测试项目进行选择(如高氯酸镁 、烧碱石棉) 。

　　6 . 5 锡杯 。

　　6 . 6 盐酸[c(HCl) =6 mol/L]:量取 25 mL浓盐酸 , 用去离子水稀释至 50 mL。

　　6 . 7 氦气(He) :纯度(摩尔分数)不小于 99 . 999% 。

　　6 . 8 氧气(O2 ) :纯度(摩尔分数)不小于 99 . 999% 。

　　6 . 9 二氧化碳(CO2 ) :纯度(摩尔分数)不小于 99 . 999% , 并用碳同位素有证标准物质标定其碳同位素比值 , 作为实验室参比气体 。

　　6 . 10 氮气(N2 ) :纯度(摩尔分数)不小于 99 . 999% , 并用氮同位素有证标准物质标定其氮同位素比值 , 作为实验室参比气体 。

　　6 . 1 1 标准物质:选择常见的同类参考物质 , 见附录 A。

　　7 仪器与设备

　　7 . 1 EA-IRMS:元素分析仪配备氧化还原炉或氧化 、还原双炉 , 并通过接口与质谱仪相连;质谱仪带有万用三杯 , 以连续流模式进行测定 , 分析的内精度应优于 0. 06% 。

　　7 . 2 天平:感量 0. 001 mg 。

　　7 . 3 天平:感量 0. 1 mg 。

　　7 . 4 PH 计: PH 测量范围为 0. 0~14 . 0 。

　　7 . 5 烘箱 。

　　2

　　GB/T 42490—2023

　　8 试验步骤

　　8 . 1 土壤和生物样品的制备

　　土壤样品:取适量的风干土样(总量不应少于 20 g)于研磨机中研磨 , 使之全部通过 100 目 (孔径0. 149 mm)筛 , 混合均匀后备用 。

　　若土壤样品中含有细小的植物根系 , 应先通过静电作用去除 , 再研磨过 100 目筛 。

　　若土壤样品中含有无机碳 , 需在分析前去除无机碳 。经过去除无机碳处理的土壤在计算土壤有机碳含量时需要进行质量校正 。 准确称取研磨后的土壤样品 5 g , 精确到 0. 1 mg , 置于锥形瓶中 , 加入20 mL盐酸(6 . 6)溶液浸泡 48 h , 酸浸泡时用玻璃棒搅拌 , 直至无二氧化碳气体冒出 , 再用去离子水反复冲洗酸化后的样品 , 至 PH 为 6 . 5~7 . 5 为止 , 离心去除上清液后 , 样品在 70 ℃下烘干 , 冷却干燥至室温后 , 准确称量 , 精确到 0. 1 mg 。按照公式(1)计算土壤样品质量校正系数 Km 。烘干后的土壤样品再次研磨 , 使之全部通过 100 目筛备用 。

　　Km …………………………( 1 )

　　式中:

　　m 2 — 含有无机碳的土壤盐酸处理后样品质量 , 单位为毫克(mg) ;

　　m 1 — 含有无机碳的土壤盐酸处理前样品质量 , 单位为毫克(mg) 。

　　生物样品:取适量烘干的生物样品(总量不应少于 2 g) , 用粉碎机粉碎 , 使样品全部通过 60 目 (孔径0. 25 mm)筛 , 混合均匀后在避光 、干燥环境下保存备用 。在称取前应置于 70 ℃下干燥 18 h 。

　　8 . 2 分析样品的称取

　　测定有机碳含量及碳同位素比值:准确称取样品 , 土壤样品 2 mg~5 mg , 精确到 0. 001 mg;生物样品 0. 1 mg~0 . 3 mg , 精确到 0. 001 mg(含碳 30 μg~50 μg) 。

　　测定全氮含量及氮同位素比值:准确称取样品 , 土壤样品 10 mg~50 mg , 精确到 0. 001 mg;植物样品 2 mg~3 . 5 mg , 精确到 0. 001 mg;其他生物样品(动物 、微生物)约 0. 2 mg , 精确到 0. 001 mg(含氮20 μg~80 μg) 。

　　将样品放入锡杯(6 . 5)中并紧密包裹成小球状 , 并按样品依次编号备用 。

　　8 . 3 测定

　　8 . 3 . 1 仪器准备

　　8 . 3 . 1 . 1 仪器稳定性检查

　　连续测定 10 次相同进样量的参比气体(6 . 9 或 6 . 10) , 同位素比值测定结果(δ)的标准偏差应不大于 0. 06% 。

　　8 . 3 . 1 . 2 仪器线性检查

　　连续测定 10个进样量梯度的参比气体(6 . 9 或 6. 10) , 线性系数应不大于 0. 06%/v(或 0. 06%/nA) 。

　　8 . 3 . 1 . 3 参数元素分析仪参数

　　元素分析仪参数按照仪器说明书设定或者参考以下设定:

　　— 氧化炉温度: 1 020 ℃ ;

　　— 还原炉温度: 680 ℃ ;

　　3

　　GB/T 42490—2023

　　— 载气流速: 100 mL/min ;

　　— 氧气流速: 175 mL/min ;

　　— 注氧时间: 3 s~5 s 。

　　8 . 3 . 2 分析序列

　　在仪器的工作软件上编辑分析序列 。新建的分析序列应包括样品编号 、称样量 、相应的样品类型和测试方法 。序列中样品编辑顺序依次为:仪器空白 、锡杯空白 、标准物质和待测样品 。通常每 10 个待测样品应插入一个标准物质 , 以便对仪器工作状态进行监控 。

　　8 . 3 . 3 样品分析

　　将准确称量的样品放入自动进样盘中 , 按照编辑的分析序列开始样品分析 。仪器工作软件会根据离子流信号 , 自动计算并给出样品有机碳 、全氮含量和碳 、氮同位素比值的测量结果 。

　　9 计算

　　9 . 1 土壤和生物样品有机碳 、全氮含量的计算

　　土壤和生物样品有机碳 、全氮含量是以一个标准物质作为参比物质 , 然后利用质谱峰面积比值进行计算而得 , 按公式(2)计算:

　　W SA

　　式中:

　　WSA — 待测样品有机碳或氮的质量分数 , % ;

　　mST — 参比物质称样量 , 单位为毫克(mg) ;

　　WST — 标准样品有机碳或氮的质量分数 , % ;

　　ASA — 待测样品质谱峰面积 ;

　　Km — 土壤样品质量校正系数 ;

　　mSA — 待测样品称样量 , 单位为毫克(mg) ;

　　AST — 标准样品质谱峰面积 。

　　土壤全氮含量结果保留三位小数 , 其他项目保留三位有效数字 。

　　9 . 2 自然丰度样品测定结果的计算

　　9 . 2 . 1 自然丰度样品测定结果的表述

　　自然丰度样品的碳(氮)同位素组成以其对参比物质中相应同位素比值的千分差(记为%)表示 , 按公式(3)计算 :

　　式中:

　　δ m X — 样品的同位素比值相对于参比物质同位素比值的千分差 , % ;

　　m X — 样品的重质量稳定同位素的原子数量 ;

　　m — 1 X — 样品的轻质量稳定同位素的原子数量 ;

　　( m X/m—1 X) SA — 样品的同位素比值 ;

　　( m X/m—1 X) ST — 参比物质的同位素比值 。

　　4

　　GB/T 42490—2023

　　结果保留两位小数 。

　　注 : 式中mX 表示13 C或15 N, m — 1 X 表示12 C或14 N。

　　9 . 2 . 2 测定结果的计算和校准

　　所有样品中稳定同位素比值的测定结果需校准到国际基准 , 按公式(4)或公式(5)计算并校准至国际基准的值:

　　δ 13 CSA-VPDB =δ13 CSA-ST +δ13 CST-VPDB

　　式中:

　　δ 13 CSA-VPDB — 样品的碳同位素比值相对于 VPDB的碳同位素比值的千分差 , % ;

　　δ 13 CSA-ST — 样品的碳同位素比值相对于参比物质碳同位素比值的千分差 , % ;

　　δ 13 CST-VPDB — 参比物质的碳同位素比值相对于 VPDB的碳同位素比值千分差 , % 。

　　结果保留两位小数 。

　　δ 15 NSA-Air =δ15 NSA-ST +δ15 NST-Air

　　式中:

　　δ 15 NSA-Air — 样品的氮同位素比值相对于 Air 的氮同位素比值的千分差 , % ;

　　δ 15 NSA-ST — 样品的氮同位素比值相对于参比物质的氮同位素比值的千分差 , % ;

　　δ 15 NST-Air — 参比物质的氮同位素比值相对于 Air 的氮同位素比值千分差 , % 。

　　结果保留两位小数 。

　　注 1 : Air:大气氮 , 氮稳定同位素比值的国际基准 。

　　注 2 : VPDB:碳稳定同位素比值的国际基准 。

　　9 . 3 富集同位素样品测定结果的计算

　　富集同位素样品的稳定同位素组成均以原子百分数(%)表示 , 按公式(6)计算:

　　f m X …………………………( 6 )

　　式中:

　　f m X — 样品的重质量稳定同位素的丰度 , % ;

　　mX — 样品的重质量稳定同位素的原子数量 ;

　　m — 1 X — 样品的轻质量稳定同位素的原子数量 。

　　结果保留三位有效数字 。

　　注 : 式中mX 表示13 C或15 N, m — 1 X 表示12 C或14 N。

　　10 测定结果的精密度

　　10 . 1 精密度计算

　　数据的精密度按照 GB/T 6379 . 2 的规定确定 , 重复性和再现性的值以 95%置信限计算 。

　　10 . 2 重复性

　　在重复性条件下 , 获得的两次独立测试结果的绝对差值不超过重复性限(r) 。本文件六个参数的重复性限(r)见表 1 。

　　如果差值超过重复性限(r) , 应当舍弃本次试验结果并重新完成两次单个试验的测定 。

　　5

　　GB/T 42490—2023

　　10 . 3 再现性

　　在再现性条件下 , 获得的两次独立测试结果的绝对差值不超过再现性限(R) 。本文件六个参数的再现性限(R)见表 1 。

　　表 1 各测定参数的重复性限(r)和再现性限(R)

　　项 目

　　WOC/%

　　f 13C/%

　　δ 13 CVPDB/%

　　W TN/%

　　f 15N/%

　　δ 15 NAir /%

　　r

　　0 . 521

　　0 . 039

　　0 . 57

　　0 . 123

　　0 . 006

　　0 . 27

　　R

　　1 . 21

　　0 . 059

　　1 . 46

　　0 . 216

　　0 . 017

　　0 . 53

　　注 1 : WOC是土壤与生物样品中的有机碳质量分数(%) 。

　　注 2 : W TN是土壤与生物样品中的全氮质量分数(%) 。

　　1 1 质量保证和控制

　　1 1 . 1 空白试验

　　每次试验前应做仪器空白和锡杯空白试验 , 空白的质荷比(m/≈)为 44 或 28 的峰的信号值应小于100 mV(或 100 nA) 。

　　1 1 . 2 平行和质量控制试验

　　测试每批样品时 , 应测定样品总数 10%的平行样品和 10%的标准物质 。平行样品测定结果的绝对差值应满足第 10 章的规定 。

　　6

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　　附 录 A (资料性)标准物质

　　常见碳氮同位素有证标准物质认定值见表 A. 1 。

　　表 A. 1 标准物质示例

　　标准物质

　　δ 13 CVPDB/%

　　WOC/%

　　δ 15 NAir /%

　　f 15N/%

　　W TN/%

　　GBW04407

　　—22 . 43

　　—

　　—

　　—

　　—

　　GBW04408

　　—36 . 91

　　—

　　—

　　—

　　—

　　USGS-40

　　—26 . 39

　　8 . 16

　　—4. 50

　　—

　　—

　　IAEA-N-1

　　—

　　—

　　0 . 43

　　—

　　10 . 6

　　IAEA-N-2

　　—

　　—

　　20 . 41

　　—

　　10 . 6

　　IAEA-311

　　—

　　—

　　—

　　2 . 05

　　10 . 6

　　7

　　GB/T 42490—2023

　　参 考 文 献

　　[1] GB/T 18340 . 2—2010 地质样品有机地球化学分析方法 第 2 部分:有机质稳定碳同位素测定 同位素质谱法

　　[2] GB/T 20622—2006 稳定性同位素15 N无机标记化合物

　　[3] GB/T 32267—2015 分析仪器性能测定术语

　　[4] JJF 1158—2006 稳定同位素气体质谱仪校准规范

　　[5] JJF 1508—2015 同位素丰度测量基准方法

　　[6] 曹亚澄等 . 稳定同位素示踪技术与质谱分析[M] . 北京:科学出版社 , 2018

　　[7] 曹亚澄等 . 气体同位素质谱分析 300 问[M] . 北京:科学出版社 , 2020

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