膜进样质谱用于反硝化和厌氧氨氧化研究
膜进样质谱用于反硝化和厌氧氨氧化研究
1. 膜进样质谱（MIMS）简介
膜进样质谱（MIMS）是溶解性气体质谱分析仪，适用于接测量环境水样中的N2、O2和Ar的浓度，稳定同位素的检测；还可用于CO2、CH4、DMS和其他低分子量溶解的气体的测量，实验结果表明，膜进样质谱仪( MIMS) 在长时间( 10h)连续测定情况下仍能保持良好的信号稳定性。
研究发现，MIMS 和 N IPT 结合的方法了避免复杂的脱气步骤可能带来的分析误差，同时具有测定直接、所需样品少及测定速度快等优点，适用于淹水环境反硝化和厌氧氨氧化过程的同时测定。
2. 膜进样质谱（MIMS）组成
MIMS(Membrane inlet mass spectrometer)主要由蠕动泵、恒温水浴、液氮冷阱、四杆极质谱管、信号收集器、计算机系统组成。
3. 膜进样质谱（MIMS）操作原理
MIMS 的操作原理：待测水样在蠕动泵作用下进入温度调节水浴装置，经过温度平衡的水样进入真空系统并与半透膜接触，水样中部 分气体透过半透膜进入四极杆质谱管，首先在电离装置作用下进行离子化，而后不同质量的离子经过振荡电场分离后进入检测器。蠕动泵可以把水样以均匀一致的速度输入到进样系统中，恒温水浴可以快速调节低温保存的水样至实际取样温度，液氮冷阱可以去除水蒸气、CO2、CH4 等低分子有机化合物以防止对待测气体的干扰。
一、数据的测量步骤&计算方法（反硝化和厌氧氨氧化）
（一）方法一 ：
步骤一：标准样品标定（温度：25°，盐度：0）
大气中15N的天然丰度为0.00365，理论上29N2: 28N2和30N2 : 28N2比率分别为7.32 × 10-3和1.34 × 10-5。根据Weiss方程求得标准水样中的28N2浓度C28N2.S，求出标准水样中29N2和30N2.S理论浓度C29N2.S和C30N2.S。
C29N2.S = 7.32 × 10-3× C28N2.S
C30N2.S = 1.34 × 10-5×C28N2.S
利用膜进样质谱仪（MIMS）测试制备的标准水样，得到28N2、29N2和30N2各自的质谱信号强度，建立标准曲线方程Y =CF*I，I为质谱仪信号强度，N2为浓度。得到矫正因子CF公式如下：
CF28=C28N2.S/I28
CF29=C29N2.S/I29
CF30=C30N2.S/I30
(C28N2.S根据Weiss 方程计算得到，I28、I29、I30由MIMS测试得到)
步骤二：未知样品测定
C28N2=CF28*I28
C29N2=CF29*I29
C30N2 =CF30*I30
(CF根据标准样品计算得知，I28、I29、I30由MIMS测试得到)
方法二 ：
15N同位素示踪法
15N同位素示踪法示踪法是定量厌氧氨氧化活性的新方法，根据厌氧氨氧化和反硝化过程原理的不同，该方法可以同时测定厌氧氨氧化和反硝化产生的氮气。不仅可计算出反硝化速率，而且还量化了厌氧氨氧化对N2排放量的速率。
A. 同位素配对法测定厌氧氨氧化活性的原理
厌氧氨氧化是全球氮循环的新内容，是厌氧条件下铵根与亚硝酸根反应直接生成氮气的过程，其具体反应过程为：
NH4 + + NO2 - → N2 + 2H2O （1）
在厌氧条件下，土壤中同时发生反硝化过程。反硝化反应是反硝化细菌将 NO3 - 还原为 N2O 和 N2 的过程，反应过程为：
NO3 - →NO2 - → NO → N2O → N2 （2）
NH4+ 和 NO2 - 分别提供一个氮原子，而反硝化产生的 氮气为硝态氮经由一系列的中间反应产生，均来自NO3 -。因此，利用 15 N 同 在厌氧条件下，反应（1）和（2）均产生氮气，但二者的反应机理不同。厌氧氨氧化反应产生的 N2 由位素示踪法，厌氧氨氧化产生的氮气可以通过氮气中的不同组分（28N2，29N2，30N2 ） 区分开。
B. 测试操作步骤
15N 同位素示踪实验，共有三个处理：个平行试样分别进行不同的实验操作：①加入100 μmol/L 15NH4 +。②加入100 μmol/L 15NH4 + + 100 μmol /L14NO3 -。③加入100 μmol/L15NO3 -。
处理①仅加 15NH4 +是为了检测前期预培养过程是否达到了实验所需的厌氧条件以及沉积物本底的 14NO3 -是否已经消耗完全。如果达到实验 所需的厌氧条件，则不会有耦合硝化-反硝化反应的发生，从而观察不到30N2 累积；同样如果预培养过程 中沉积物本底的 14NO3 -已经消耗完全，也观察不到29N2的明显累积。处理②中，如果达到了实验所需的厌氧条件，则不会有30N2 明显累积，而来自 15NH4 +中的15N和 14NO3 -的14N的拟合，会导致 29N2的明显累积，用以证明厌氧氨氧化过程的存在。处理盂加入用15N特殊标记过的 NO3 -，其和沉积物本底的14NH4 +在缺氧或 厌氧的环境下会发生反硝化和厌氧氨氧化反应。二者的反应差异可以通过产生氮气中 28N2，29N2，30N2 的组成得以体现，因此本理可以用来检测样本的全部脱氮潜势（包括反硝化和厌氧氨氧化）。
C. 计算方法
相比于单一测定 N2，质谱可以更加精确测定气体比例 （例如 N2∶Ar）。MIMS 测定 N2、Ar 的精度分别是<0.5%、<0.05%，而测定 N2∶Ar（物质的量比）精度< 0.03 %。另外，测定 N2∶Ar 还可以减少 O2 浓度变化的影响。水环境中N2源于生物过程（主要是反硝化和物理过程（水气平衡），而 Ar 溶解度主要受温度、盐度条件控制（纯物理过程）。因此，可通过水样N2∶Ar计算其真实N2浓度。
