本发明涉及用于对以一种或多种含氮化合物或其离子的形式而存在于水流体中的氮的定量测定的方法和系统。
背景技术：
含氮化合物的存在通常是通过测定所考虑的化合物的其他部分或者是通过测定该化合物的反应而确定的。
用于对化学物质中的氮的定量测定的标准方法是由JohanKjeldahl在1883研制出的凯氏定氮法。
该方法是一种繁琐并且耗时的方法，包括将物质与硫酸一起加热以降低并释放氮，作为硫酸铵，随后使用氢氧化钠蒸馏来获得氨。通过反向滴定确定存在的氨的量，并因此确定存在于样本中的氮的量。
为简化并且加快测定，提供了几种改进，包括使用不同的催化剂、采用其他种类的分析(例如电位滴定或电泳)来替代反向滴定。为了减少所需人力，研制了设备以确保或多或少自动的凯氏氮测定。
氮的总量通常由TKN量给出，TKN量指的是在对土壤、水、或废水(例如污水处理厂排出物)的化学分析中有机氮、氨(NH3)、和铵(NH4+)的和。如今，TKN是许多处理厂监管报告的必要参数，并作为监测处理厂运营的手段。
即使已改善了现有方法，然而他们仍旧是相当耗时并且昂贵的。而且这些现有技术检测是非常不灵活的并且通常需要将样本带入实验室来测量。
本发明的目标在于提供对以一种或多种含氮化合物或其离子的形式而存在于水流体中的氮的定量测定的新方法和系统，该方法既快又可靠。
技术实现要素：
通过如权利要求中所限定的本发明来达成上述目标。根据说明书的以下部分将清楚的是，本发明的用于对以一种或多种含氮化合物或其离子的形式存在于水流体中的氮的定量测定的方法或系统和/或由此的实施例已示出具有大量的优点。
如前文所述，在构思出本发明之前，对以一种或多种含氮化合物或其离子的形式存在于水流体中的氮的定量测定曾是非常困难和繁琐的和/或通常需要破坏性测试。
本发明提供高度改善的、非常可靠、快速并且非破坏性的方法，其可以测量大量的水流体，在实践中这意味着本发明的方法还可适用于高度地不均一的水流体。而且可以以非常灵活的方式使用本发明的方法，例如通过在现场和/或在线或通过选择适当的样本来执行测量。
应当强调的是本文所使用的术语“包括/包含”被解释为开放性术语，即应当用于指明明确地声明的特征(例如成分、单位、整体、步骤、组分和它们的组合)的存在，但不排除一种或多种其他声明的特征的存在或附加。
对“一个实施例”或“实施例”的引用指的是特定的特征、结构或结合实施例描述的特性被包括在公开主题的至少一个实施例中。因此，在说明书各处的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”不必是指代相同的实施例。而且技术人员将理解特定的特征、结构或特性可以以如权利要求所限定的本发明的范围内的任意适当的方式进行组合。
本文所使用的术语“大体上”或“基本”应被用于表示包括正常产品差异和容差。
出人意料地发现可以以简单且快捷的方式进行对以一种或多种含氮化合物或其离子的形式存在于水流体中的氮的定量测定，而同时具有很高的可靠度，特别是在含氮化合物或其离子相对小时，例如500Dalton或更小。
本发明的方法包括对以一种或多种含氮化合物或其离子的形式存在于水流体中的氮的定量测定。该方法包括使得至少部分水流体经历NMR读取，包括生成包含14NNMR数据谱的14N数据，以及将14NNMR数据关联到校正数据。根据本发明的方法，在最大约2.5Tesla的磁场中执行NMR读取。
普遍已知的NMR频谱仪以约10Tesla到更高的磁场B进行操作。到目前为止，普遍认为更高的磁场可以获得更高的分辨率，并且通常NMR频谱仪被应用为大型并且贵重的实验室设备。本发明的发明人出人意料地发现通过施加使用最大约2.5Tesla的磁场B的低场14NNMR测量，可以以低成本(低设备成本)获得非常准确的测定，并且同时测定可以被非常快地执行(即在几分钟内，或甚至是几秒内)。
优选地，在从约0.3Tesla到约1.5Tesla的磁场中执行NMR读取。由于这种相对低的磁场，用于执行NMR读取的设备可被保持在惊人的低成本，同时还可获得高分辨率。
在LarryS.Simeral的文章“DeterminationofUrea,Nitrate,andAmmoniuminAqueousSolutionUsingNitrogen-14NuclearMagneticResonance”，AppliedSpectroscopy,Vol.51,number10,1997,1585-1587页中，描述了用于使用NMR仪器和N-14NMR定量测定稀释在水中的尿素、硝酸根和铵的测试设置。然而，所描述的测试设置从未被实际应用过，可能因为所描述的测试执行起来相对昂贵并且难以获得具有高准确度的结果。
已发现当根据本发明在低磁场中执行NMR读取时，不需要并且事实上没有决定增加参考组分。已发现在水样本中没有任何参考组分也可以获得非常快速并准确的测定。这是非常有益的，因为这样的参考组分增加了执行测定的成本，也是因为增加这样的参考组分致使污染水流体从而可能无法使用该水流体，例如在测定执行后用作肥料。在一个实施例中，水流体大致上不含氧化氘和/或乙腈。
在一个实施例中，水流体大致上不含松弛剂。在一个实施例中，所述方法不包括将氧化氘和/或乙腈和/或松弛剂增加到水流体。
本发明的方法进一步被示出甚至在氮浓度相当高以及相当低时也是适用的。已发现基于氮-14同位素的NMR读取来执行对水流体中一种或多种氮化合物的定量测定具有惊人的高准确度。到目前为止，NMR普遍被用作为用于确定存在或不存在所选择的化合物的方式，即定性测定。
自然的氮(N)由两种稳定的同位素构成，氮-14(本文中称作14N)和氮-15(本文中称作15N)。15NNMR探测常被应用于农业和医疗研究中的定性测定(尤其是DNA分析)。氮-15还被用于追踪环境中的无机氮化合物(特别是肥料)并且当其他同位素标签组合使用时也是用于描述确实存在氮的有机污染物的非常重要的示踪物。在实践中，即使氮-14同位素比氮15同位素更常见，却极少地使用14NNMR分析。其主要原因在于氮-14是具有7个质子和7个中子的四极的，每个贡献1个正核旋转或负1/2核旋转，因此导致总磁旋转为1。通常四极原子核比具有旋转-1/2(例如在NMR测量中最频繁使用的原子核1H)的对称原子核更加难以确定。当在磁场中退去的能量被附加至四极原子核时，他们的能量将被分裂成多级。在他们耦合至其他原子核时可以看到进一步的分裂模式。由于急速的四极松弛，四极原子核的NMR信号通常宽于旋转-1/2原子核的NMR信号。线宽随着与原子核的四极矩、尺寸、和组分不对称性所相关的线宽因数增长。由BernhardM.Schmidt在JournalofMolecularSpectroscopy2,539-550(1958)的文章“ChemicalShiftsof14NintheNMRSpectraofAmmoniaandRelatedCompounds”中描述了对14N的化学位移的研究。在WO2013/077922中，描述了试图将14NNMR和1HNMR组合应用于对特定爆炸物的检测，例如封闭容器中的硝酸和过氧化物。
频谱分析仪是技术领域所熟知的，本领域的技术人员基于本文所提供的教导将能够提供适当的频谱分析仪用于本发明。频谱分析仪的示例为例如在US6,310,480和US5,023,551中所描述的。
频谱分析仪包括用于提供永久场的单元(例如永磁组件)，以及用于发射和/或接收RF频率脉冲/信号的发射器和接收器。RF发射器和接收器被连接至天线或RF天线阵列，并可以是既能发射也能接收的收发器的形式。频谱分析仪还包括至少一个计算元件，在下文中被称为计算机。
对NMR构造评价的大致背景可在例如美国专利5,023,551中找到。
尽管下文中的“NMR测量”常用作单数以描述本发明，但应注意的是单数的术语“NMR测量”也包括多个NMR测量，除非另有说明。
尽管下文中的“NMR读取”(或“NMR测量”)常用作单数以描述本发明，但应注意的是单数的术语“NMR读取”也包括多个NMR读取，除非另有说明。
NMR读取意思是对所考虑的样本执行NMR频谱学分析。
术语“NMR读取”和“NMR测量”可互换使用。
术语“NMR读取时间”意思是用于执行一次或多次NMR读取以获取用于在水流体中的一种或多种含氮化合物的定量测定的NMR数据的总时间。
本文中术语“含氮化合物”应被解释为意味着含氮化合物和/或其离子，除非另有说明。
术语“NMR读取”和“NMR测量”可互换使用。
优选地，方法包括通过确定在水流体中的一种或多种含氮化合物或其离子的含量，对该一种或多种含氮化合物的定量测试。可以以氮原子或化合物的数量的方式以及以数量或质量或任意其它定量单位的其浓度的方式来提供一种或多种含氮化合物的含量。在一个实施例中，方法包括测定氮原子的总量。在一个实施例中，方法包括测定含氮化合物的总量。在一个实施例中，方法包括测定至少两种不同的含氮化合物的总量。
本文中含氮化合物用于表示包括相互以化学方式连接的一个或多个氮原子和至少一种其他不同的化学元素或者它们的离子的化学物质。氮的化合物包括通过共价键保持在一起的分子化合物、通过离子键或其离子保持在一起的盐类、或通过配位共价键保持在一起的复合物。纯化学氮不被认为是化合物。
已发现本发明的方法对用于一种或多种含氮化合物溶解或分散在水流体中时的定量测定尤其可靠。优选地，水流体基本不含含氮沉淀物和/或沉积物。优选地，水流体不含沉淀物和/或沉积物。当水流体包含少量的沉淀物和/或沉积物时，为了提高定量准确度，优选地使水流体在NMR读取期间动荡。
在一个实施例中，水流体中的氮浓度为至少约4wt-％，例如至少约5wt-％，例如至少约5.5wt-％。
已示出本发明的方法对于以无机化合物的形式或以无机化合物和有机化合物的组合的形式的含氮化合物的定量测定非常有用。
本发明的方法在含氮化合物相对小时尤其可靠，事实上已发现针对具有最大约200Da分子量的含氮化合物时，该定量测定可以在速度和准确度方面均优于现有技术的类似化合物的定量测定。在一个实施例中，方法因此包括对在其中一种或多种含氮化合物具有最大约200Da的分子量(例如从约15到约100Da)的水流体中的氮的定量测定。通常更优选地，该一种或多种含氮化合物具有从约15Da到约200Da的分子量。
在一个实施例中，方法包括对亚硝酸根(NO2-)、硝酸根(NO3-)、三聚氰胺(C3H6N6)、尿素((NH2)2CO)、NH3、NH4+或它们的任意组合的定量测定。
已发现本发明的方法的一个特别优点在于其可被应用来测定硝酸根(NO3-)对氨(NH3和NH4+)的相对量和/或测定NH3对NH4+的相对量。对于任何其它分析工具，这种相对测定非常耗时并且通常需要样本与不同的化学品起反应，这些不同的化学品不仅是误差的来源也导致破坏性分析。
在多种情况下，NH3对NH4+的相对量是非常重要的认知。已发现NH3对NH4+的相对量主要依赖于水流体的pH值。因此通过测定NH3对NH4+的相对量能够测定pH值。同样地，温度对pH值也有一定的影响。下文将参照图1作进一步的说明。
通过使用本发明的方法执行一系列在不同的温度下的NH3对NH4+的测定，可以非常高准确度地测定pH值。
在一个实施例中，当方法包括测量温度时，水流体的至少部分的测量的温度和NH3对NH4+的相对测量含量被用于计算及显示在5.5到12之间的pH值。温度可以例如使用数字温度传感器来测量。
水流体可以理论上是包含含氮化合物的任意种类的水流体，该含氮化合物优选地具有200Da或更小的分子量。
在一个实施例中，水流体是或包含哺乳动物体液，例如唾液、血液、或尿液。已发现本发明的方法对分析尿液尤其有用。在一个实施例中，本发明的方法被用作诊断工具，其中该方法被应用以测定患者尿液中的氮成分的量，以便为医生提供数据以确定患者状态，例如用于确定患者是否健康或是否具有某种疾病。已发现本发明的方法也可以被用作添加剂或药品检验的一部分，因为许多添加剂化合物或药品对使用者的尿液中含氮化合物的平衡有影响。
在优选实施例中，本发明的方法包括对在液体肥料中以一种或多种含氮化合物或其离子的形式存在的氮的定量测定，并且使得该肥料的至少部分经历NMR读取，NMR读取包括生成包括14NNMR数据谱的14N数据并且将14NNMR数据关联到校正数据。
在水流体是液体肥料的情况下，本发明的方法具有极高的经济潜力。通常现在的农民在对他们的牲畜动物(例如来自马、山羊、绵羊、猪、牛、鸭、和家禽)所产生的液体肥料的处置方面具有诸多困难。为避免环境污染及过量施肥，在多数国家中不受控制的肥料排放通常是被禁止的，而在农田土壤上的肥料散播通常是很受控的。根据规定，小规模的牲畜生产者和大规模的牲畜生产者在管理他们的肥料时都面临着许多成本挑战。根据规定的肥料处理要求对营养(例如肥料中的NPK值)的稳定控制，对可被传播到土地或通过其他方式处理的肥料的量的详细控制。到目前为止，标准方法曾是收回肥料样本并将样本发送到远程的实验室以作化学分析。通过使用本发明的方法，可以容易地重新获取含氮化合物的量并同时获取成分，例如可以测定一种或多种氮组分的相对量。已发现NMR设备同时可被用于执行对肥料中其他营养物(例如含磷化合物和含钾化合物)的定量测定，并且由此本发明的方法可优选地附加包括的对磷和钾的定量测定。因此可以非常快速地执行对肥料中营养物的测定，并且优选在现场执行，也即不需要将样本发送到远程实验室。本发明的方法的另外的益处是水流体例如肥料不需要接触昂贵的设备。水流体的NMR读取可以例如在无腐蚀性的容器(例如聚合物容器或聚合物管道)中的水流体上执行。
在一个实施例中，方法由此还包括对至少一种含磷化合物的定量测定，优选地通过使得水流体的至少部分经历NMR读取，NMR读取包括生成31P数据和将31PNMR数据关联到校正数据。
在一个实施例中，方法由此还包括对至少一种无机含钾离子的定量测定，优选地通过使得水流体的至少部分经历NMR读取，NMR读取包括生成39K数据和将39KNMR数据关联到校正数据。
由于，如前文所描述的，根据NH3对NH4+的相对量可以确定水流体的pH值，在水流体是液体肥料的情况下，本发明的方法优选地还包括测定pH值。通常对储存肥料的要求是肥料必须不能过酸，例如其不可以由于气体释放而具有5.5或更小的pH值。而且非常酸的肥料可能导致设备、容器或其他的腐蚀。
通过获取对在肥料中氮化合物的量以及对可选地其他营养物的量的准确测定，可将肥料的最理想的量散播到土地上用于对土壤施肥，以由此优化土壤的施肥。
如今，限制营养物通常是在肥料中的含磷化合物的量。然而，可以使用简单的过滤来移除大量的含氮化合物，该过滤可被用于生产既易于储存又可以被用作肥料或用于焚化的干物质。在过滤后的液体泥浆中，限制营养物通常是含氮化合物。为避免可能致使渗入湖泊和水流的土壤的过度施肥(其可能破坏该湖泊和水流中的生态)，散播肥料的量通常小于如果农民已经知晓含氮化合物的确切量和可选的其他营养物的量的情况下的最优值。通过使用本发明的方法，农民可以非常高准确度地测定含氮化合物和可选的其他营养物的量，并由此最优化对土壤的施肥。土地上允许的肥料量主要取决于土地的土壤中的营养物的量，以及取决于在土地上将种植何种农作物。因此，可以经由肥料散播的营养物的允许量在不同土地上是不同的。
在一个实施例中，本发明的方法包括在湖泊或海水形式的水流体中以一种或多种含氮化合物或其离子的形式存在的氮的定量测定。由此，能够非常快速地测定邻近土地是否被过度施肥，即可以以简单且有效的方式测定农民对肥料的散播。在一个实施例中，使得湖泊或海水受监视，例如通过在预计过量的肥料将从土地渗入的选定位置处放置NMR检测器。
在一个实施例中，水流体是加工中的废水、未处理的废水、已处理的废水、地面水或自来水。
NMR读取优选地针对处于流动状态或处于半流动状态的水流体执行。
短语NMR读取针对处于流动状态的水流体执行的意思是该水流体在读取期间流过磁场。短语NMR读取针对处于半流动状态的水流体执行的意思是该水流体至少在部分读取期间流过磁场并暂时地停止。
在一个实施例中，NMR测量针对处于流动状态的水流体执行。NMR测量可以例如是在从第一流体蓄水池到达第二流体蓄水池或到达使用点的运输期间对水流体执行，例如是到达存储容器或散播到土地上，例如从被布置在肥料散播拖车上的水箱形式的流体蓄水池到达将被施肥的土地形式的第二流体蓄水池。
在一个实施例中，NMR测量针对管道部分中处于流动状态的水流体执行，该管道部分从第一流体蓄水池(例如容器)泵送水流体并回到同一个第一流体蓄水池。在该实施例中，方法可优选地包括在水流体的发酵期间及其他处理期间对pH值的连续测定。由此，通过监控两种或更多种含氮化合物的相对量可以监控水流体的状态和发展。
在一个实施例中，NMR测量针对管道部分中处于流动状态的水流体执行，该管道部分从第一流体蓄水池泵送水流体到第二流体蓄水池，例如将被撒播到使用的选定点。
当针对处于流动状态的水流体执行NMR测量时，优选地确保该流动的水流体的速度被调整或被保持以使得水流体部分在频谱分析仪的范围内足够长的时间以执行NMR测量。
在一个实施例中，NMR测量针对管道部分中处于半流动状态的水流体执行，该管道部分从第一流体蓄水池泵送水流体到第二流体，其中水流体至少在部分NMR读取期间暂时地停止，优选地在通过该管道部分泵送预选量之后，暂时流动停止，随后其流动恢复。
在本发明的一个实施例中，NMR测量在线或半在线执行，包括在现场执行NMR测量，例如在肥料散播卡车的现场。
在一个实施例中，NMR测量直接在处于流动状态的水流体上在线执行，例如在优选为在水流体的主要量上或甚至是对全部水流体执行测量的管道中。
本文中术语“在线”应被解释为意思是NMR测量直接在水流体源(例如肥料蓄水池的肥料)上执行，而不提取水流体的样本并仅测量该样本。NMR测量可以例如如前文所述在处于流动状态的水流体上执行或其可以直接在容器中的水流体上执行，例如如下文所述。
在一个实施例中，方法还包括测定在磁场中水流体的流量。
该方法优选地包括测定含氮化合物或其离子的总量，然而，对于特定应用对一种或多种氮化合物的定量测定是足够的。
在一个实施例中，NMR测量包括同时使得水流体经受磁场B和多个(以RF脉冲形式的)射频能量E的脉冲，并接收来自14N同位素的电磁信号。本文中RF脉冲意思是射频能量的脉冲。
根据本发明，磁场B相对低并且同时可以惊人地获取高分辨率(即尽可能低的噪声)。
在一个实施例中，由永磁体(例如钕磁体)产生磁场。由于永磁体通常成本不高，这种解决方案提供了为许多应用可以提供相当低噪声的结果的低成本解决方案。
在一个实施例中，由电磁体(例如电磁线圈磁体或其他常被应用于发动机、发电机、变压器、扬声器或相似设备的电磁体)产生磁场。与永磁体相比，适当长度的电磁体(例如可被应用于生成约1.5Tesla或更高的场的电磁体)通常是相对昂贵的。而且，可以通过将电磁体的线圈中的电流调整到期望水平来调整电磁体。
在一个实施例中，将永磁体与电磁体组合使用来生成，其优选地构造用于提供脉冲磁场(pulsedmagneticfield)。
在一个实施例中，在脉冲磁场中执行NMR读取。通过使磁场具有脉冲，能够获得甚至更准确的测定，这是因为在不同场强中的测量提供了用于识别能由此被过滤掉的噪声的工具。
优选地，在磁场中执行NMR读取，其该磁场具有在样本体积上的超过30ppm(例如从约300ppm到3000ppm)的场的标准偏差。这种磁场将尤其适合于14NNMR读取。
在本发明的一个实施例中，测量区域中的磁场(即在执行NMR测量时，被测量的水流体部分所位于的部分)优选为相对空间上均匀的并且相对时间上恒定的。然而，通常难以确保测量区域中的磁场是完全均匀的，而且对于多数磁场而言，由于磁场的老化、靠近磁场的金属物的移动、和温度的波动，场强可能漂移或者随时间变化。
通过控制温度和/或例如本领域公知的通过施加场锁定，可以处理随时间的漂移和变化。
可以通过简单的校正来纠正磁场的空间上的不均匀，或者可选地或同时地可以通过例如本领域公知的匀场线圈来调整这样的空间上的不均匀。这样的匀场线圈可以例如通过计算机进行调节以最优化磁场的均匀性。
在本发明的一个实施例，方法包括在选择的磁场执行多次NMR测量，优选在该多次NMR测量期间磁场保持大体稳定。
在本发明的一个实施例中，方法包括调准温度，例如将温度维持在选定值。
在一个实施例中，方法包括在固定的温度执行NMR读取。
在一个实施例中，本发明的的方法包括测定温度。
在一个实施例中，本发明的的方法包括在带脉冲的温度(pulsedtemperature)下执行NMR读取。
在一个实施例中，方法包括在带脉冲的温度下执行NMR读取，优选地脉冲范围是从约1℃到约90℃，例如从约10℃到约80℃，又例如从约20℃到约70℃。该带脉冲的温度可以有利地被施加用于对在不同温度下所生成的测量的校正，以消除误差和/或如前文所述用于改善pH测定。
为了提高氮测定的准确度，有利地可以移除水流体中的固体部分，例如来自水流体中的以肥料淤泥形式的固体部分。
在一个实施例中，本发明的方法被施加用于分析土地上土壤的营养状况，以由此确保添加或将要添加的肥料的量是尽可能最优化的。已发现直接对土壤执行14NNMR分析导致差的结果。因此用于分析土壤的方法有利地包括提供包含土壤(例如农用土壤)或土壤碎片的水流体，在本发明的方法中使用该水流体。
水流体的部分优选地以土壤样本的土壤水提物的形式。优选地通过使用预定量的水清洗(优选地预先干燥的)土壤样本来获取该土壤水提物，该水例如是不具有任何无机14N和/或31P成分含量的水，或者具有已知无机14N和/或31P成分含量的水，例如基本纯净的水(例如通过反渗透过滤而获得的水)。
土壤样本有利地在25℃预先干燥到稳定质量。
用水清洗土壤样本包括优选地将土壤样本与水混合，并对混合物进行过滤以过滤出土壤的大部分量(在重量上的)，该过滤优选为微细过滤(例如使用约200Da的阻隔界限)或反渗透过滤。
优选地，在预选的深度获取农用土地的多个土壤样本。该深度的选择取决于在土地上将种植何种农作物，即该深度优选在该农作物期望获取水和营养物的地方。因此可以绘制土地的营养物状态。可以例如在农民准备用于播种的土壤或甚至是当他正在进行播种的同时获取来自土地的样本。根据绘制的营养物状态，农民可以确保最优化的施肥，其例如可包括对土地的特定区域进行比土地的其他区域更大量地施肥。
在一个实施例中，方法包括在水流体上执行多次NMR测量。优选地，水流体的NMR测量将被执行多次，以便减少噪声。在一个实施例中，NMR测量在重复的测量周期中被连续地执行。在一个实施例中，方法包括在相同水流体部分(例如样本)上执行多次NMR测量。NMR测量通常执行地非常快速，例如每秒几个NMR测量周期，例如20次NMR测量或者更多，例如50次NMR测量或者更多。因此，即使当在处于流动状态的水流体部分上执行NMR测量时，多个NMR测量也可以在事实上相同的水流体部分上执行。
在一个实施例中，NMR测量包括同时使得水流体部分经受磁场B及激发RF脉冲，该激发RF脉冲具有被选择来激发14N同位素的至少部分的核旋转的频率。优选地，该激发RF脉冲具有足以激发经受测量的水流体部分中基本全部14N同位素的核旋转(旋转变换)的带宽(跨越的频率范围)。
可以在GeorgeR.Coates等人的“NMRLoggingPrinciplesandApplications”HalliburtonEnergyServices,1999中找到对NMR测量的大致背景说明，详见第4章。尽管该文章没有特别描述氮同位素的NMR测量，然而所应用的原理是类似的。
氮的四极分裂反映了在原子核能级与周围电场梯度(EFG)之间的相互作用。处于具有非球形电荷分布的状态中的原子核，例如14N同位素，产生分割电子核能级的非对称的电场。这导致原子核四极矩，致使可选地分开来自14N同位素的信号，这取决于其在化合物或离子中的位置，尤其取决于其所在的化合物的对称性。来自14N同位素的信号的分割被称为四极展宽。
在一个实施例中，使得水流体部分经受激发RF脉冲，该激发RF脉冲具有被选择以激发水流体部分中基本全部14N同位素的基本全部核旋转的频率。
在一个实施例中，方法包括传输窄带宽脉冲，例如具有从约10ppm到约200ppm的带宽，例如具有从约30ppm到约300ppm的带宽，以由此激发仅仅一部分氮频谱以用于对两种或更多种不同含氮化合物或其离子的相对量的定量测定，该测定优选地使用基本均匀的磁场来执行，例如诸如从30ppm到约300ppm的均匀磁场。
通过使用期望被测定的一种已知成分的氮化合物在水流体上执行校正测验，可以发现无线电脉冲的足够频率范围(带宽)。水流体中的14N同位素将通常至少在处于无线电脉冲的相对小的频率范围之内的它们的中间带宽被激发。
化学位移被定义为相较于参考信号在谐振频率上的相对差异。该位移被认为是由在化合物的质子之间的旋转-旋转耦合所造成的。在一个实施例中，方法包括测量至少一个频率位移，优选地，与14N数据谱读数的适当参考(例如仅NH4+在水中)相比的所测量的频率位移被用于对两种或更多种不同的氮化合物或其离子的相对量的定量测定，优选地可与其他NMR数据相结合。
在一个实施例中，射频脉冲以隔热RF脉冲的形式，即为调幅脉冲和调频脉冲的RF脉冲。
在本发明的一个实施例中，激发RF脉冲的频率范围包括至少约1MHz的带宽。
通过几次试验和误差测验，可以发现特定种类测定的期望频率范围。
激发14N同位素原子核旋转的准确频率大部分取决于磁场B。如前文所述，由于漂移以及由于温度变化，磁场可改变，并且通常优选通过场锁定功能来调整激发RF脉冲，以便确保使用直接针对期望的14N同位素的核旋转的激发RF脉冲来执行NMR测量。
在本发明一个实施例中，方法包括确定被激发的14N同位素的至少一个松弛率(relaxationrate)。
在一个实施例中，14N数据包括14NT1数据和/或14NT2数据。
术语松弛描述了被激发达到非平衡状态的原子核磁化返回平衡状态的过程。换言之，松弛描述了旋转多快忘记他们之前旋转的方向。测量松弛时间T1和T2的方法是本领域公知的。
在一个实施例中，方法包括测定被激发的14N同位素的至少一个旋转点阵-T1松弛值。
认为T1松弛包括重新分布原子核状态的组，以便达到热平衡分布。T1松弛值可以取决于被施加用于激发14N同位素的NMR频率。这在分析及校正所获得的T1松弛值时应当被优选考虑。
在一个实施例中，方法包括确定被激发的14N同位素的至少一个旋转-旋转-T2松弛值。T2松弛也被称作横向松弛。通常T2松弛是个复杂的现象并且包括不一致的横向核旋转磁化。T2松弛值基本不取决于在激发14N同位素期间施加的磁场，并且对于多数测定而言可以忽略这种可能的变化。
在一个实施例中，方法包括使得水流体部分经受带有脉冲的RF脉冲串，优选具有在约100ms或更少的重复率，例如从约10到约50ms，例如从约15到约20ms。
该RF脉冲串通常被施加来确定T1和/或T2值。
在一个实施例中，方法包括使得水流体部分经受矩形RF脉冲串，优选具有约100ms或更少的重复率，例如约10ms或更少，例如约5ms或更少，例如约1ms或更少。
给定“载波”频率的短矩形脉冲“包括”约以该载波频率为中心的频率范围，其具有与脉冲时长呈反比的激发的范围(带宽/频谱)。
近似方波的傅里叶变换包括来自主频率附近的全部频率的贡献。NMR频率的受限范围使其相对易于使用短射频脉冲(毫秒到微秒之间)以激发整个NMR频谱。
在一个实施例中，NMR测量包括同时使得水流体部分经受磁场B和多个RF脉冲，其中RF脉冲包括
i.激发RF脉冲；和
ii.至少一个再聚焦RF脉冲。
激发RF脉冲和再聚焦脉冲可以例如是以RF脉冲串的形式，例如带有脉冲的脉冲。激发RF脉冲优选为前文所述并且可以在一个实施例中被脉冲。
激发RF脉冲的有用的时长和幅值是本领域习知的并且可以通过简单的试验和误差使其最优化。
在一个实施例中，激发RF脉冲是以90°脉冲的形式。
90°脉冲是指RF脉冲被设计以将净磁化矢量从其在参考旋转面的初始方向旋转90°。如果旋转最初与静磁场对齐，则该脉冲产生横向磁场及自由感应衰减(FID)。
在一个实施例中，再聚焦RF脉冲是以180°脉冲的形式，优选地该方法包括使得水流体部分经受多个再聚焦RF脉冲，例如一个或多个再聚焦RF脉冲串。
90°脉冲是指RF脉冲被设计为将净磁化矢量在参考旋转面旋转180°。理想地，180°脉冲的幅度乘以其时长是90°脉冲的幅度乘以其时长的两倍。序列(以Carr-Purcell-Meiboom-Gill命名的CPMG序列)中的每个180°脉冲产生一个回声。
下面示出了用于利用CPMG序列来测量旋转-旋转松弛时间T2的标准技术。如所习知的，在先于每个脉冲序列的等待时间之后，由RF天线发射90°激发脉冲，其使得旋转在横向平面开始进行。经过一段延迟，由RF天线发射初始的180°脉冲。该初始的180°脉冲使得在横向平面移相的旋转转变方向并再聚焦，并且随后使得出现初始旋转回声。可由RF天线发射第二180度再聚焦脉冲，其随后导致出现第二旋转回声。此后，RF天线发射由短时间延迟分隔的一系列180度脉冲。该一系列180度脉冲重复地颠倒旋转，致使出现一系列的“旋转回声”。测量并处理旋转回声序列，以确定旋转-旋转松弛时间T2。
在一个实施例中，在激发RF脉冲之后，以回声延迟时间施加再聚焦RF脉冲。回声延迟时间(也被称作等待时间TW)优选约500μs或更短，更优选的是约150μs或更短，例如在约50μs到约100μs的范围内。
这种方法通常被称作“旋转回声”方法，其是由ErwinHahn于1950年第一次阐述的。可以在Hahn,E.L.(1950).\"Spinechoes\".PhysicalReview80:580-594中找到更多，这里通过引用被包含于此。
典型的回声-延迟时间是从约10μs到约50ms，优选从约50μs到约200μs。回声-延迟时间(也被称作等待时间TW)是在最后的CPMG180°脉冲和以相同频率的下次试验的第一次CPMG脉冲之间的时间。该时间是期间磁极性或T1恢复发生的时间。其也被称作是极性时间。
这种基本的旋转回声方法通过改变TW为获取T1松弛值提供了非常好的结果，并且通过使用多个再聚焦脉冲还可以获得T2松弛值。
再聚焦延迟也被称作回声间隔，其表示与在临近回声间的时间相等的时间。在CPMG序列中，TE也是在180°脉冲之间的时间。
这种方法是对Hahn提出的旋转回声方法的改进。这种方法由Carr和Purcell提供，其提供了对测定T2松弛值的改进。
可以在Carr,H.Y.；Purcell,E.M.(1954).\"EffectsofDiffusiononFreePrecessioninNuclearMagneticResonanceExperiments\".PhysicalReview94:630-638,中找到关于Carr和Purcell的方法的更多信息，这里通过引用被包含于此。
还有取决于引入第二辐射频率的多种NMR实验，即辐射原子核而不辐射正被观测的原子核。在本发明的一个实施例中，方法包括引入第二辐射频率辐射原子核而不是辐射正被观测的原子核，例如14N。
在一个实施例中，方法包括通过使得水流体在NMR读取期间受到极化处理来增强数据谱的信噪比，该极化处理优选地包括DEPT(由极性改变的无变形增强(DistortionlessEnhancementbyPolarizationTransfer))或NOE(核子欧豪效应(NuclearOverhauserEffect)).
DEPT到目前为止已被应用作用于使用13CNMR来确定存在一级、二级、和三级碳原子的非常有用的方法。DEPT实验通过选择角度参数的不同来区分CH、CH2和CH3组。已发现DEPT方法与14N组合使用可提供类似的增强。
核子欧豪效应(NOE)是通过交叉松弛将原子核旋转极性从一个原子核旋转极性到另一个的转换。其是核磁共振(NMR)光谱学所观察到的普遍现象。核子欧豪效应可以例如被用于确定分子内(甚至分子间)距离。NOE效应是当在空间上相近的其他磁性原子核通过去耦或者通过选择的180度脉冲而达到饱和时对一个质子(或其他原子核)的总体的改变。
关于DEPT和NOE的更多信息及如何执行他们可以例如在JohnHomer等人的“NewMethodforNMRSignalEnhancementbyPolarizationTransfer,andAttachedNucleusTesting”J.Chem.Soc.,Chem.Commun.,1994以及ThomasL.James的“FundamentalsofNMR”Chapter1,DepartmentofPharmaceuticalChemistry,UniversityofCalifornia,1998(http://qudev.ethz.ch/content/courses/phys4/studentspresentations/nmr/James_Fundamentals_of_NMR.pdf)中找到。
在一个实施例中，极化处理包括使得水流体经受交叉极性以由此增强对两种或更多种不同的氮化合物或其离子的相对量的定量测定，该交叉极性优选以DEPT形式。
在一个实施例中，方法包括使得水流体的样本经历NMR读取，该NMR读取包括循环所述样本，并根据包含14NNMR数据谱的多个连续的NMR读取来生成14N数据池，以及将所述14NNMR数据池关联到校正数据。
在一个实施例中，方法包括使用氮成分的已知浓度来提供水流体的校正数据。校正数据组成校正映射。校正映射包括期望的NMR数据和可选的附加数据，例如与温度、pH值和或依赖于pH值和/或温度的被选择成分的相对量相关的数据，例如如图1所示的关系。
本文所使用的术语“校正映射”用于指代从具有已知量的含氮化合物的水流体中所获得的NMR谱数据的集合，以及可选的能被用于解释NMR数据的其他数据。校正映射可以是原始数据的形式、绘图的形式、图表的形式、公式的形式、或它们的任意组合。
在一个实施例中，用于生成校正映射的水流体与用于测试的水流体的类型相似。在一个实施例中，校正映射还包括在混合有另外的水的水流体上测定的多个值。
通常本领域习知基于在已知成分下获得的NMR谱来校正NMR测量。
在一个实施例中，校正映射以预先处理的数据集的形式，其中为进行分析的水流体获取的NMR谱可以由计算机处理以提供水流体中含氮化合物的清楚的水平、量或浓度。
在一个实施例中，方法包括准备校正数据和将校正数据存储在数字存储器中。该方法有利地包括将NMR谱或通过NMR谱获得的数据提供到与数字存储器数字通信的计算机，并为计算机提供以比较并分析数据以执行对一种或多种含氮化合物的至少一个定量测定。
可以在使用期间建立校正映射，例如通过在水流体上的测量获得的附加数据被提供给计算机并用在对随后测定的数据的校正。
计算机可以例如被编程以使用人工智能来计算获得的数据或者所述校正映射可被应用于教导神经网络。
在一个实施例中，方法包括对多个水流体部分执行至少一次NMR测量，优选地该方法包括执行多次NMR测量以及可选的其他测量，例如1HNMR测量、13CNMR测量、31PNMR测量和/或39KNMR测量。
为了改善对水流体的测定，可以附加地并且优选地同时确定水流体中的其他化合物。
在一个实施例中，方法还包括对至少一种含碳成分的定量测定，优选地通过使得水流体的至少部分经历NMR读取，该NMR读取包括生成13C数据及将13CNMR数据关联到校正数据。NMR测量优选包括获得激发13C同位素的至少一个旋转-晶格-T1值及至少一个旋转-旋转-T2值。
可以以与前文所述方法类似的方式但是使用其他频率以及可选地也可以调节磁场的强度，来执行使用NMR的13C测定。技术人员将了解如何执行这样的测定。在一个实施例中，使用与氮14N测定相同的硬件(磁体、脉冲发射器、接收器及其他)来执行碳的测定。由此设备和设置是经济可行的。
在一个实施例中，方法还包括对含氢成分的定量测定，优选地使得至少部分水流体经历NMR读取和交叉极性(优选以DEPT的形式)的组合，包括生成13C数据及将13CNMR数据关联到校正数据。
在一个实施例中，方法还包括通过假设13C(或碳氢化合物成分)与有机氮化合物的固定的定量关系，来执行对在水流体中的具有至少约200Da的分子量的有机氮化合物的定量估计。
本发明还包括适合于如前文所述对在水流体中的氮的定量测定的系统。
本发明的系统包括配置用于获取14NNMR频谱的NMR频谱分析仪、存储校正映射的数字存储器(该校正映射包含用于校正通过NMR频谱分析仪所获得的14NNMR频谱的校正数据)、和被编程用于使用校正映射并执行至少一次定量氮测定来分析通过NMR频谱分析仪所获得的14NNMR频谱的计算机。
频谱分析仪可以是适合用于执行本发明方法的任意NMR频谱分析仪。有利地，频谱分析仪如前文所述并应优选地被配置为执行水流体的NMR读取。优选地，频谱分析仪的磁体为前文所述。优选地，NMR频谱分析仪包括被配置为生成大体上从0.1到2tesla的磁场的一个或多个磁体。校正映射可以如前文所述。
可以用新数据连续地更新校正映射。
该系统可以包括一个、两个或更多个计算机、一个、两个或更多个频谱分析仪、一个、两个或更多个校正映射。该系统可以优选地与因特网进行数据通信，例如用于与其他相似系统进行通信，以用于发送和/或接收数据。该系统可以优选地包括至少一个显示器和/或操作键盘以及通常与数字系统连接的任何其他数字设备，例如打印机。
在一个实施例中，系统还包括存储用于一种或多种同位素(39K同位素、31P同位素和13C同位素)的校正映射的数字存储器，该映射包括用于所述一种或多种同位素的校正数据以及可选地它们在石油燃料中的量的校正数据。
该系统优选地被配置为对处于流动状态的水流体执行NMR测量。
本发明还包括包含如前文所述系统的可移动撒肥机。
在不脱离本发明范围的情况下，本发明的全部特征(包括范围以及优选范围)可以以各种方式组合，除非有特殊原因而不组合这些特征。
附图说明
下面将结合示意性的实例和实施例并参考附图来更全面地解释本发明，其中：
图1示出了依赖于温度和pH值的在NH3和NH4+之间的关系图。
图2是本发明的用于对水流体中的氮的定量测定的系统的示意图。
图3是本发明的可移动撒肥机的示意侧视图。
图4是农场的示意顶视图，其中标注坐标系来表明采集土壤样本用于营养物分析的地方。
图5示出了氮成分和可选的磷和/或钾图的示意性的农用田地图(表1)的部分。
图6a和6b示出了对铵和钾的测定的参考的表2。
图7示出了铵和钾的NMR测定的均值相对于铵和钾的NMR测定的单独结果。
图8示出了铵和钾的实验室测定的均值相对于NMR测定的均值。
图9示出了干物质和有机氮的量之间的相互关系。
具体实施方式
图1示出了依赖于温度和pH值的在NH3和NH4+之间的关系。
如所描述的，NH3和NH4+的相对量是例如对于确定液体肥料pH值而言非常重要的认识。对NH3相对于NH4+的量的每日测定甚至是每小时测定可以例如被用于测定产生肥料的动物的健康。而且，这种测定可被用于预测农民能够将液体肥料储存多久。优选地，该图的内容被包含在校正映射中。
图2是本发明的用于对水流体中氮的定量测定的系统的示意图。
该系统适合于对在水流体中以一种或多种含氮化合物或其离子的形式存在的氮的定量测定。该系统包括被配置为获取14NNMR频谱的NMR频谱分析仪1、未示出的数字存储器以及未示出的计算机，所述数字存储器存储校正映射，所述校正映射包含用于校正由NMR频谱分析仪获取的14NNMR频谱的校正数据，所述计算机被编程为使用校正映射并执行至少一次定量氮测定来分析由NMR频谱分析仪获取的14NNMR频谱。该系统包括水流体的流入管道2和流出管道3。该系统被配置为对处于流动状态的流体样本执行14NNMR测定。
图3示出的可移动撒肥机包括载有用于盛装液体肥料的水箱12的可移动平板卡车11。该平板卡车11还载有包含NMR频谱分析仪并且适用于对在水流体中以一种或多种含氮化合物或其离子的形式存在的氮的定量测定的系统13。系统13可以如前文所述。系统13包括与水箱12通过管道形成流体连接的NMR频谱分析仪。系统13包括另外的流体连接，其在示出的实施例中为用于将液体肥料散播到农用土地上的管道14及散播器15。牵引机16被连接至平板卡车11。
液体肥料从水箱12经由管道17传递进入包括NMR频谱分析仪的系统13，在NMR频谱分析仪中确定在水流体中以一种或多种含氮化合物或其离子的形式存在的氮成分。系统13优选地还被配置为确定磷和/或钾成分。液体肥料进一步通过管道14流到散播器15，随着平板卡车11由牵引机16牵引前进，液体肥料通过散播器15被散播到未示出的农用土地上。
示出实施例中的流体连接是管道14与散播器15，它们能够例如由流入管道替代，该流入管道经由包括NMR频谱分析仪的系统13将液体肥料蓄水池连接至水箱12。由此，在向水箱12填充液体肥料期间，可以在系统13中测定在水流体中以一种或多种含氮化合物或其离子的形式存在的氮成分，并且氮成分的平均成分可以例如(诸如与对液体肥料中的氮成分的同种或不同种的测定一起)被确定。同时可以测定磷和/或钾成分。
系统13可选的包括如前文所述的过滤器。
示于图4的农用土地已被标注坐标系来表明采集土壤样本用于分析一种或多种营养物成分的地方。在每个交叉点22的选定深度或多个选定深度采集土壤样本。可以例如以两两间最小间隔约5到100m来采集土壤样本。
土壤样本优选地被预先干燥及用水清洗以获得对每个土壤样本的水提物，例如如前文所述并且通过本文所述方法来测定在该水提物中以一种或多种含氮化合物或其离子的形式存在的氮成分，例如使用示于图2的系统。可以同时测定磷和/或钾成分。
由此可以绘制土地的营养状态，例如如在表格(表1)形式的图5的农用土地氮成分图和可选的磷和/或钾图中所示出的，其中‘XXX’表示在每个土壤样本中测定的氮成分的不同结果。
农用土地图可以例如被加载到计算机中或连接至示出于图3的包括NMR频谱分析仪的系统13，并且根据在交叉点测定的营养状态和氮(以及可选的磷和/或钾成分)以及在液体肥料中测定的这种营养的测定的成分，来控制通过散播器15散播液体肥料的量。由此可以最优化施肥。
实例1
从具有已知量的亚硝酸根(NO2-)、硝酸根(NO3-)、三聚氰胺(C3H6N6)、尿素((NH2)2CO)、NH3、NH4+的水样本获取14NNMR数据谱。分析每个具有不同量氮成分的至少5种水样本，且每个样本经历多个测试周期以消除或减少误差。14NNMR数据谱包括T1和T2数据、通过DEPT和/或NOE获得的数据以及在不同温度下获得的数据。将所获得的14NNMR数据谱与在图1中示出的图一起收集到校正映射中。
实例2
使用1mm遮蔽的过滤器过滤来自牲畜猪的液体肥料以移除粗颗粒。对过滤后的液体猪肥料进行在本发明的系统中的14NNMR分析，该系统包括在其存储器中的实例1的校正映射。将获取自对液体猪肥料分析的14NNMR数据与校正映射关联，并且测定以至少一种含氮化合物形式(亚硝酸根(NO2-)、硝酸根(NO3-)、三聚氰胺(C3H6N6)、尿素((NH2)2CO)、NH3、NH4+)存在的氮成分。
实例3
包括被配置为获取14NNMR频谱的NMR频谱分析仪的系统与存储校正映射的数字存储器和计算机一起被提供，该校正映射包括用于校正由NMR频谱分析仪获得的14NNMR频谱的校正数据，该计算机被编程以分析由NMR频谱分析仪获得的14NNMR频谱。
而且，提供20种不同泥浆和溶液的主要样本。
来自各个主要样本的两个样本被取出，并且这些样本被随机地编号为1-40。如图2示出样本，样本编号38、40、19和20采用自来水稀释。样本被用于在NMR频谱分析仪中测试，用于在NMR频谱分析仪中测试的样本量为约每个25ml。
在NMR频谱分析仪中的测试以约1.5Tesla的基本均匀场被执行。14NNMR数据谱包括T1和T2数据、通过DEPT和/或NOE获得的数据。而且，获取了17O、31P和39KNMR数据。每个样本的NMR读取时间是30分钟。
基于所获得的NMR数据，为各个样本确定N(g/l)总量、K(g/l)总量以及铵基量。而且，测试每个样本的干物质(％)。基于DK-PA201470339中所述的17ONMR读取来测定干物质。
对每个样本重复5次该测试，来测定每个样本的均值。
每个样本的铵量和钾量分别的均值相对于各个样本的NMR测定的单独结果被绘制出。结果示出于图7。可以看出单独样本之间的偏差非常小，这清楚地表明本发明的方法给出了非常可靠的结果。
实例4
从实例3的各个主要样本中取出两个样本，且如实例3中被编号，并且如图2所示样本编号38、40、19和20采用自来水稀释。样本被随机地分成5组并发往5个不同的独立实验室用于测试干物质(％)、铵N(g/L)、总N(g/L)、PN(g/L)、KN(g/L)和pH。其结果示出于图6a、6b的表2。如在表2中示出的，样本1和24是相同的，样本2和34是相同的，等等。实验室测试用作参考测试。
绘制出了N和K分别的相应实验室测定的均值相对于NMR测定的均值的图。该结果示于图8。可以看出通过NMR测定获得的结果与实验室测试获得的结果非常相似。
实例5
从实例3的各个主要样本中撤回两个样本，且如实例3中被编号，并且如图2所示样本编号38、40、19和20采用自来水稀释。测定每个样本中有机固氮的量。绘制出该结果相对于实例4中测定的干物质比例的图，其结果在图9中示出。可以看出在泥浆中干物质的量和有机固氮的量之间具有良好的总相关。从中得出的结论是，可以根据干物质量，高确信度地估计泥浆中有机固氮的量。