文献速递 |殷宗友课题组 Small method

前言

2020年3月，Small method杂志在线发表了澳洲国立大学大学殷宗友教授团队在氮气还原领域的最新研究成果。该工作报道了一种有效，可靠，定量检测氮还原产物的方法。

第一作者：Sandra Elizabeth Saji

通讯作者：殷宗友

DOI：doi.org/10.1002/smtd.202000694

本文亮点

· 开发出安全且无干扰的测试方法

· 为实验过程和结果的重现性提供保障

· 开发催化剂样品进行实验数据验证

背景介绍

合成氨工业生产了大量的化肥以及其它含氨的化工产品，为工农业生产提供了保障。但是，合成氨的过程也消耗了巨大的能源以及产生了大量的二氧化碳，与目前世界各国提倡的环保、节能政策相矛盾。目前在世界范围内，很多研究学者都在寻找替代这种高温高压合成氨的方法。其中电催化和光催化还原氮气是被研究的最为广泛的方法。由于目前催化还原氮气产生氨的效率并不高，且各种试剂以及空气中微量氨的干扰，使得测试结果很不可靠，出现了各种虚高的数据，严重干扰了研究工作的进展。鉴于此，本研究发明了一种安全可靠，经济实用的同位素标记方法，可以定量检测光、电催化氮还原产生的氨，为该研究的持续发展提供了技术保障。

图标解析

开篇直接介绍了该工作的实验方法。与直接进行液质联机测量不同，本文所产生的有机物首先通过酸中和，然后萃取提纯，这样就避免了碱性水溶液对测试仪器的伤害。实验步骤如图1所示，首先通过靛酚蓝法，将水溶液中的氨生成靛酚蓝，此时pH值为13，通过加入稀盐酸溶液，使pH降低到6，同时使其更能被乙酸乙酯所萃取。干燥后重新用甲醇作为溶剂进行质谱分析。

Figure 1. Procedure for the extraction and concentration of indophenol: 1) Formation of indophenol blue with the addition of coloring reagents into the received ammonia solution, 2) formation of indophenol red after the addition of 15 µL 10 M HCl, and 3) addition of ethyl acetate for the extraction of indophenol, drying and resuspension in methanol for LC-MS analysis. 

首先，我们配制了不同浓度的¹⁵N同位素标记的NH₄CL溶液，通过上述反应后进行质谱测量，所得结果如图2b所示，在199和198产生了分别对应¹⁵NH₃和¹⁴NH₃的峰。通过对比峰强，绘制了其与浓度关系的标准曲线如图2a所示。

Figure 2. The relative abundances of a) ¹⁵N indophenol with the steep progressive region in inset and b) ¹⁴N indophenol (m/z = 198 in black) and ¹⁵N indophenol (m/z = 199 in pink) for the ¹⁵NH₄Cl standard samples.

我们使用不同的催化剂，用¹⁵N同位素标记的氮气进行了光化学固氮反应，并研究了不同条件下，如光照试剂，氮气通量的影响。使用我们开发的测试方法，得到不同峰强对应的关系曲线如图3a-b所示。

Figure 3. The relative abundance of a) ¹⁵N indophenol and b) ¹⁴N indophenol (m/z = 198 in black) and ¹⁵N indophenol (m/z = 199 in pink) for the i) 2D MoO₃-MoS₂ sample with varied irradiation durations and 50 mL input volume of ¹⁵N2 gas, ii) 2D MoO₃-MoS₂ sample with varied irradiation durations and 300 mL of input ¹⁵N₂ gas, iii) 2D MoO₃-MoS₂ sample with varied volume of input ¹⁵N₂ gas with 12 h of irradiation, and iv) 2D CoOx-rGO sample with varied irradiation durations with 50 mL of input ¹⁵N₂ gas.

同时，在严格控制反应条件的情况下，对光催化反应所得到的氨进行测量（靛酚蓝法），与上述数据结合后得到峰强与氨浓度的关系，并标记在标准曲线上，如图4所示。可以看到，我们测定的氨浓度与标准曲线有很高的一致性，说明我们只要测量¹⁵N峰强比例就可以得到可靠的氨浓度，从而实现数据的重复和一致性。

Figure 4. Relative abundance fitted correlation data of the ¹⁵NH₄Cl standards and the samples under different illumination times.

本文要点

1. 在所有报导的使用 LC-MS 进行氨同位素分析的实验方案中，都存在一个最严重的毒性问题。次氯酸钠是一种用于将氨转化为吲哚酚蓝的着色剂，具有高碱度，pH=13。然而，LC的硅胶柱只能承受pH=8环境。这些化学物质会溶解和侵蚀色谱柱和 LC 的其他部分，甚至造成泄漏，永久且不可逆地损坏设备，进而导致同位素分析结果不可靠。因此，我们精心设计了一个安全的方法，由现成的化学品组成，用于检测氨浓度。我们开发的“提取和浓缩”方法对于消除着色试剂产生的干扰至关重要，从而使 LC-MS 测量可持续且结果可靠。

2. 大多数报道中没有讨论同位素标记实验中 LC-MS 实验设置和操作参数的细节，例如通过溶液的¹⁵N₂气泡体积、仪器规格等，这严重影响这些实验的重现性。 在这项工作中, 我们提供了一个有条不紊和全面的实验方法, 包括实验设置、反应条件、检测前的步骤和用于可重复分析的 LC-MS 仪器参数。

3. 当开发一个新的方法时，直接使用真实样本进行实验测试是必不可少的。我们在开发的方法上进行了一系列真实催化剂反应所得到样本的测试。

全文小结

本研究开发了一种经济、可靠和定量的基于质谱进行同位素标记测试氨浓度的方法。这项工作的优点包括：1) 对吲哚酚蓝的提取和浓缩，可在不同应用中扩展；2) 最小化着色试剂干扰，使分析更安全，不会损害仪器，可持续测量且结果可靠；3）使用真实样本，验证了该方法的有效性。总之，该工作为固氮中的 ¹⁵N 同位素分析进行可靠的实验再现，从而为未来的评估提供可靠的参考资源。

作者介绍

殷宗友，澳洲国立大学副教授。主要研究方向为：二维材料在能源领域的应用

自2015年，每年入选高引用科学家，在Advanced Materials，Angewandte Chemie和Science advanced等国际一流期刊上发表论文110篇。

课题组链接：

https://chemistry.anu.edu.au/research/research-groups/yin-group

文献信息：

Sandra Elizabeth Saji, Haijiao Lu, Ziyang Lu, Adam Carroll, and Zongyou Yin. An Experimentally Verified LC-MS Protocol toward an Economical, Reliable, and Quantitative Isotopic Analysis in Nitrogen Reduction Reactions Small methods 2021, 5, 2000694.

使用仪器

关键特征：

● 具有恒光辐照度输出(光控)和恒电流输出(程控)两种工作模式；

● 采用光学光反馈技术，实现输出光强的长期稳定输出；

● 采用液晶显示屏，显示相对辐照值、灯泡寿命计时；

● 具有过载过流保护，风扇延时等多种保护功能。

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北京泊菲莱科技有限公司作为国内光催化科研仪器的创领者，致力于多场景、跨领域的仪器应用、开发。公司近年来在深耕光催化研究领域的同时，在多场催化、多种复合能量场方面取得了一系列成果。公司近期推出的多功能光化学反应仪、光化学工作站、光热催化反应系统等设备，进一步拓宽产品在光、电、热、压等多种复合能量场方面的应用。

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