[发明专利]基于中红外光谱的植物15N示踪同位素丰度快速检测方法

说明书

技术领域

本发明属于信息检测技术领域，涉及一种基于中红外光谱的植物¹⁵N示踪同位素丰度快速检测方法。 

背景技术

氮是植物必需的营养元素，是作物施肥三要素之首，氮肥占我国化肥消费比重达60%左右。目前我国占世界7%的耕地上消耗着全球35%的氮肥，氮肥的过量施用给我国的农业生产和生态环境带来了巨大危害。中国每年因不合理施肥造成近1000万吨的氮素流失，直接经济损失约300亿元。而且由于氮肥利用率低下，有60%左右进入环境。因而过量施氮已成为威胁中国长期粮食安全和环境安全的重大问题。减少氮肥施用量的关键是提高氮肥利用率，而¹⁵N同位素示踪（标记）法是目前唯一能直接反映作物对氮肥实际利用情况的方法。¹⁵N同位素示踪技术的关键是要对¹⁵N同位素丰度的动态变化进行跟踪和检测。但是目前¹⁵N同位素分析测量仪器昂贵、成本高、操作繁琐、耗时长、需要大量化学试剂，难以满足农业生产经济、高效的要求。 

目前，¹⁵N同位素丰度测量的方法有质谱法、¹⁵N发射光谱法、核磁共振法和中子活化分析等，其中应用较多的是质谱法。 

质谱法是通过测量各种物质的原子或原子团的荷质比来确定被测原子或原子团的性质和质量，具有高灵敏度及精确度的特征，广泛用于同位素的实验室测量。但是这种方法所采用的仪器价格昂贵、系统庞大、操作复杂，样品制备繁琐，操作过程引入污染。且最终的结果只能给出元素的量，不能测定元素的化学形态，这限制了质谱法在农业生产中的应用。 

¹⁵N发射光谱法需要将样品转化成氮气（N₂），然后用适当方法来激发氮分子发光，得到氮的光谱。随着组成氮分子的氮原子质量数不同而使氮的光谱波长发生位移，利用这一现象来测定¹⁵N同位素丰度。与质谱法相比，¹⁵N发射光谱法不需要昂贵的仪器设备，操作相对简便，并能测定含氮量为微克级的样品。但是，有些元素的原子很难激发，而且有机物一般是大分子，组成复杂，激发后谱线杂乱难以分析，限制了¹⁵N发射光谱法的应用。 

核磁共振法是利用1-10²兆赫的电磁波照射置于强磁场中的样品，样品中的某些原子核在特定的磁场强度下，与照射电磁波发生共振现象，产生强弱不同的吸收信号。以此来判明某些核素在分子中所处的位置及某些功能团上核素的相对数目。但是由于其造价非常昂贵，而且测定灵敏度较低，故极少用于¹⁵N同位素的肥料利用率研究。 

中子活化分析是通过鉴别和测试样本因辐照感生的放射性核素的特征辐射，进行元素和核素分析的放射分析化学方法。该法的优点是灵敏度极高，准确度和精密度也很高，可测定元素范围广；但同样存在仪器价格昂贵，分析周期较长，操作技术复杂的缺陷，在¹⁵N同位素丰度的测量上鲜见报道。而且一般情况下，中子活化分析只能给出元素的量，不能测定元素的化学形态。 

中红外吸收光谱法就是利用物质对中红外光区电磁辐射的选择性吸收来捕捉分子中有关基团结构定性、定量信息的分析方法。中红外吸收光谱法以其高度的特征性，固、液、气态样品均可用，且用量少、不破坏样品、分析速度快，已成为分析化学中结构定性、定量分析最成熟的手段之一。中红外吸收光谱特别适合于捕捉光谱同位素效应，因为绝大多数的有机化合物和很多无机化合物的化学键转动-振动的基频都出现在中红外区。由于同位素的核质量不同而使分子的转动和振动初始能态发生变化，由之引起分子光谱的谱线位移，所以每一种同位素分子都有其专属的转动-振动光谱。 

物质对中红外辐射的吸收强度与物质含量的关系符合朗伯－比尔定律，所以中红外光谱可用于定量分析。但是中红外光子能量较低，传统光谱仪的检测器灵敏度也很低，限制了中红外光谱在定量分析中的广泛应用。随着计算机技术的深入发展，傅里叶变换红外光谱-(FTIR)技术逐渐成为红外光谱分析的重要工具。与传统色散型光谱仪相比，FTIR不需要分光，信号强，灵敏度很高；由于采用干涉仪，与扫描单色仪相比扫描速度提高了数百倍，而且干涉仪中没有狭缝的限制，其辐射通量比色散型仪器大得多。基于此类优点，FTIR特别适用于测量弱信号光谱，而且具有很高的灵敏度。凭借其高灵敏度、高分辨率、高信噪比、扫描迅速、光通量大、联机操作性强及高度计算机化的特点，FTIR推动经典中红外光谱技术的定性、定量分析能力取得了突破性进展。