Stable carbon and nitrogen isotope analysis in aqueous samples – method development, validation and application

Federherr, Eugen

Bulk-Stabilisotopenanalytik (BSIA) und substanzspezifische Stabilisotopenanalyse (CSIA) von wässrig gelösten Stoffen ist in vielen wissenschaftlichen Bereichen von großem Interesse. Traditionelle BSIA-Methoden für Kohlenstoff in wässrigen Lösungen sind zeitaufwendig, mühsam oder beinhalten das Risiko der Isotopenfraktionierung. Ein System, welches die Stabile-Stickstoff-Isotopenzusammensetzung mit natürlicher Häufigkeit von gelösten Stickstoffverbindungen direkt (ohne Offline-Probenvorbereitung) analysieren kann, ist bisher in der Literatur nicht erwähnt. CSIA-Methoden für gelöste Kohlen- und Stickstoffverbindungen benötigen entweder eine zeitraubende Extraktion und Aufreinigung, gefolgt von Elementaranalyse/Isotopenverhältnis-Massenspektrometrie (EA/IRMS) oder eine Derivatisierung, gefolgt von Gaschromatographie/IRMS (GC/IRMS). Die einzige weit verbreitete direkte Methode für Hochleistungsflüssigkeitschromatographie/IRMS (HPLC/IRMS) eignet sich nur für die Kohlenstoff CSIA. Aufgrund dieser Defizite fokussiert sich diese Arbeit auf die Entwicklung und Validierung von Verfahren zur genauen und empfindlichen BSIA und CSIA des Kohlenstoffs und Stickstoffs in wässrigen Proben. Ein Hochtemperaturverbrennungs-System (HTC-System) stellt eine Verbesserung gegenüber etablierten Methoden dar. Ein neuartiger und speziell für die BSIA entwickelter gesamter organischer Kohlenstoff-Analysator (TOC-Analysator), wurde mit einem Isotopenverhältnis-Massenspektrometer gekoppelt. Eine weitere Modifizierung des Systems ermöglicht die BSIA von Stickstoff. Schließlich erfolgte, unter Verwendung der zuvor gewonnenen Erkenntnisse, die Entwicklung eines Interfaces für Kohlenstoff- und Stickstoff-CSIA mittels HPLC/IRMS. Schwer abbaubare Verbindungen, wie Barbitursäure, Melamin und Huminsäure, wurden mit den Kohlenstoff Wiederfindungsraten von 100 ± 1% analysiert um die Vollständigkeit der Oxidation zu belegen. Die vollständige Reduktion von NOx zu N2 wurde durch die erfolgreich durchgeführten Messungen (ohne systematischen Fehler) verschiedener stickstoffhaltiger Spezies, wie Nitraten, Ammonium und Koffein belegt. Richtigkeit und Präzision lagen in der Regel bei ≤0,5 ‰ für δ13C and δ15N für die CSIA, ebenso wie für die BSIA. Für δ13C BSIA wurde eine integrierte Purge and Trap Technik, sowie ein großvolumiges Einspritz-System verwendet um LOQSIA Instr von 0,2 mgC/L zu erzielen (eine Genauigkeit von ±0,5 ‰ wurde hierfür als akzeptabel definiert). Außerdem wurde die Methode erfolgreich auf verschiedene reale Proben, wie Flusswasserproben und Bodenextrakte angewandt. Es wurde ein unterer Arbeitsbereich von 3,5 μgC für δ13C CSIA und 20 μgN für δ 15N CSIA ermittelt (eine Genauigkeit von ±0,5 ‰ wurde hierfür als akzeptabel definiert). Es wurde ein unterer Arbeitsbereich von 1,5 μgN wurde für δ15N BSIA erreicht (eine Genauigkeit von ±1,0 ‰ wurde hierfür als akzeptabel definiert). Der neue, an einen IRMS-Detektor gekoppelte HTC TOC-Analysator, stellt einen bedeutenden Fortschritt für δ13C und δ 15N BSIA von gelöster Materie dar. Die Entwicklung eines neuartigen HPLC/IRMS Interfaces führte zum ersten System, welches sich sowohl für direkte δ13C als auch δ15N CSIA von nichtflüchtigen Verbindungen als geeignet erwies. Beides könnte neue Möglichkeiten in SIA-basierten Forschungsfeldern erschließen.

Bulk and compound specific stable isotope analysis (BSIA and CSIA, respectively) of dissolved matter is of high interest in many scientific fields. Traditional BSIA methods for carbon from aqueous solutions are time-consuming, laborious or involve the risk of isotope fractionation. No system able to analyze natural abundance stable nitrogen isotope composition of dissolved nitrogen directly (without offline sample preparation) has been reported so far. CSIA methods of dissolved carbon and nitrogen containing matter require either time consuming extraction and purification followed by elemental analysis isotope ratio mass spectrometry (EA/IRMS) or derivatization followed by gas chromatography IRMS (GC/IRMS). The only widely adopted direct method using high performance liquid chromatography IRMS (HPLC/IRMS) is suited for carbon only. Based on these shortcomings the development and validation of analytical methods for accurate and sensitive carbon and nitrogen SIA from aqueous samples are the aims of this work. A high-temperature combustion (HTC) system improves upon established methods. A novel total organic carbon (TOC) system, specially designed for SIA, was coupled to an isotope ratio mass spectrometer. The system was further modified to enable nitrogen BSIA. Finally, an interface for carbon and nitrogen CSIA via HPLC/IRMS was developed based on the previously developed concepts for BSIA. Compounds resistant to oxidation, such as barbituric acid, melamine and humic acid, were analyzed with carbon recoveries of 100 ± 1% proving complete oxidation. Complete reduction of NOx to N2 was proven measuring different nitrogen containing species, such as nitrates, ammonium and caffeine without systematical errors. Trueness and precision of usually ≤0.5‰ were achieved for δ13C and δ15N CSIA, as well as BSIA. For δ13C BSIA an integrated purge and trap technique and large volume injection system were used to achieve LOQSIA instr of 0.2 mgC/L, considering an accuracy of ±0.5‰ as acceptable. In addition, the method was successfully applied to various real samples, such as river water samples and soil extracts. Further tests with caffeine solutions resulted in lower working limit values of 3.5 μgC for δ13C CSIA and 20 μgN for δ15N CSIA, considering an accuracy of ±0.5‰ as acceptable. Lower working limit of 1.5 μgN for δ15N BSIA was achieved, considering an accuracy of ±1.0‰ as acceptable. The novel HTC TOC analyzer coupled to an isotope ratio mass spectrometer represents a significant progress for δ13C and δ15N BSIA of dissolved matter. The development of a novel HPLC/IRMS interface resulted in the first system reported to be suitable for both δ13C and δ15N in direct CSIA of non-volatile compounds. Both may open up new possibilities in SIA-based research fields.

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Federherr, Eugen: Stable carbon and nitrogen isotope analysis in aqueous samples – method development, validation and application. 2016.

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