水質樣本中亞硝酸根離子15N同位素豐度測定

趙 誠，解 龍，雷 雯

（上海化工研究院有限公司，上海 200062）

亞硝酸根離子是氮循環過程的中間產物，廣泛存在于水體中，可被氧化為硝酸根離子，也可被還原為氨氮[1]。在弱酸性條件下，水體中的亞硝酸根離子與仲胺類物質可反應生成亞硝酸類致癌物質，因此水質中的亞硝酸根離子含量是水質環境監測的必檢項目之一[2-4]。

氮元素是引起水體富營養化的主要原因，在水體生態系統氮循環過程中，硝化、反硝化過程是關鍵的環節。利用15N同位素示蹤技術，研究亞硝酸根離子、硝酸根離子的15N同位素豐度和含量，可以對水體被污染的程度及其硝化、反硝化過程進行推測。15N同位素示蹤技術是加入已知同位素豐度和形態的15N標記示蹤試劑[5]，經過相應的生物化學過程后，測定15N標記物質的同位素豐度變化來示蹤15N標記物的遷移途徑和轉化程度[6-7]。因此，對生態環境樣本中的亞硝酸根離子15N同位素豐度的準確檢測，是水體生態系統氮循環研究的關鍵環節之一。

利用分光光度法[8]、離子色譜法[9]等技術可以進行亞硝酸根離子含量的檢測。利用穩定同位素比質譜[10-12]可以進行亞硝酸根離子中氮同位素比值的檢測，15N同位素豐度測試范圍在天然豐度（0.365%）附近，并未對＞0.365%同位素進行研究。

亞硝酸根離子15N同位素豐度現有的檢測方法[13]是將15N標記的亞硝酸根在堿性條件下與定氮合金反應生成15N標記的氨氣，用酸來吸收，得到15N標記的銨鹽溶液，取適量的溶液與次溴酸鈉溶液反應生成15N2，進一步將氣體引入氣體同位素質譜儀進行同位素豐度測定。但這種方法同樣適用于硝酸根離子，無法對基質樣品中亞硝酸鹽的15N同位素豐度進行準確測定，且需要亞硝酸鹽的含量不低于3 000 mg/L，濃度過低，儀器在進樣過程中微量的氮氣本底會對反應生成的15N2進行同位素豐度稀釋，導致測試結果偏低。

針對上述問題，本研究主要是利用碘化鉀在弱酸性條件下將亞硝酸根離子轉化成15NO氣體，將15NO氣體引入高分辨氣體同位素質譜儀中進行15N同位素豐度測定。利用高分辨氣體同位素質譜儀具有高靈敏度的優點，實現了樣本中低至mg/L級別的亞硝酸根離子15N同位素豐度測定。本工作考察了水質中硝酸根離子的存在對測試亞硝酸根離子15N同位素豐度的影響，考察不同濃度的15NO2-對同位素豐度的影響。初步建立了質譜法測定樣本中15NO2-的15N同位素豐度檢測方法。

1 實驗部分

1.1 主要儀器與試劑

Nu evolution型高分辨氣體同位素質譜儀（英國Nu Instruments公司，配備法拉第杯和電子倍增管2個檢測器）。

亞硝酸鈉-15N （99.2%）、硝酸鈉-15N（99.2%）和亞硝酸鈉-15N（15.1%，均來自上海化工研究院有限公司）；濃硫酸（≥98%，江蘇強盛化工有限公司）；碘化鉀（AR，國藥集團化學試劑有限公司）。亞硝酸鈉、硝酸鈉和碘化鉀（AR，均來自國藥集團化學試劑有限公司）。

1.2 實驗方法及原理

1.2.1 質譜條件

電子轟擊離子源：離子源溫度 130 ℃；電子能量 70 eV；電子倍增器電壓 1.8 kV；高壓 6 kV；質量掃描m/z28～40。

1.2.215NO轉化原理

15NO2-在弱酸性條件下與碘化鉀反應生成15NO，將15NO引入高分辨氣體同位素質譜儀中進行離子流強度測試，并依此計算15N同位素豐度：

1.2.315N同位素豐度計算公式

NO質量數為30，15NO質量數為31，將反應生成的15NO引入高分辨氣體同位素質譜儀，檢測質量數為30和31的離子流強度，再通過下式計算15N同位素豐度：

式中：E、I30、I31分別表示待測物質15N同位素豐度、質量數為30的離子流強度和質量數為31的離子流強度。

注：氮有14N和15N 2種穩定同位素；氧有16O、17O和18O 3種穩定同位素，相對同位素豐度分別為99.756%、0.039%和0.205%。一氧化氮有6種組合：14N16O質量數為30、15N16O質量數為31、14N17O質量數為31、15N17O質量數為32、14N18O質量數為32、15N18O質量數為33。由于自然界中16O與17O之比約2 500倍，16O與18O之比約500倍，所以在同位素豐度計算過程中含有17O和18O質量數的峰強度可以忽略不計。

1.2.4 樣品前處理

樣品前處理所用實驗裝置，如圖1和圖2所示。取2 mL的樣本（pH接近中性）和5 mg碘化鉀于雙球反應管“A”球泡中，雙球反應管“B”球泡中加入1 mL乙酸溶液，將進樣旋塞閥的“1”連接抽真空系統，進樣旋塞閥的“3”連接雙球反應管的“4”，打開進樣旋塞閥的閥門“2”，待真空度低于50 Pa后，關閉進樣旋塞閥的閥門“2”，一同取下進樣旋塞閥和雙球反應管，將雙球反應管“B” 球泡中的乙酸加入到“A”球泡中，將球泡“A”放入40～60 ℃熱水浴中，反應生成15NO。將進樣旋塞閥的“1”連接高分辨氣體同位素質譜儀，抽真空，將雙球反應管放入酒精液氮中，待真空度達到儀器測試要求后，打開進樣旋塞閥的閥門“2”，將生成的15NO引入高分辨氣體同位素質譜儀中，檢測質量數為30和31的離子流強度，通過計算公式計算15N同位素豐度[14]。

圖1 進樣旋塞閥Fig. 1 Injection stopcock

圖2 雙球反應管Fig. 2 Double ball reaction tube

2 結果與討論

2.1 儀器參數的確定

高分辨氣體同位素質譜儀具有高分辨率（分辨率達到5 000）和高靈敏度（可以檢測mg/L級別的15NO）2個主要特性，兩者相互影響，在高靈敏度條件下，分辨率可能降低。但一方面由于儀器檢測15NO質量數為30和31，因此無需考察分辨率的影響；另一方面，水質中15NO2-的含量較少，生成的15NO量少。所以應在儀器的最大靈敏度下測定。通過前期的工作[15]發現儀器收集器狹縫參數在600時，儀器離子流強度最大。

2.2 重復性的考察

分別用天然豐度亞硝酸鈉（0.365%）、15.1%亞硝酸鈉-15N和99.2%亞硝酸鈉-15N與水配制200 mg/L不同豐度的15NO2-溶液，通過上述中樣品前處理過程，計算15N同位素豐度，每組同位素豐度平行測試6份。

由表1數據可以看出，測量值與標識值偏差均小于0.1%，相對標準偏差(relative standard deviation, RSD)均小于0.5%，表明建立的檢測方法準確可靠，同時方法也適用于整個同位素豐度范圍0.365%～99%，在200 mg/L15NO2-溶液下，方法準確度均小于0.1%，RSD均小于0.5%。

表1 重復性的考察Tab. 1 Repetitive investigation %

2.3 考察不同濃度的15NO2- 對同位素豐度的影響

利用99.2%亞硝酸鈉-15N分別配置濃度為10、20、40、60、80、100、150、200 mg/L的溶液，通過上述樣品前處理過程，計算15N同位素豐度。每組同位素豐度平行測試3份，從質譜檢測的質量數為30和31可以發現，在進樣過程中，倘若有微量的空氣進入質譜，對測試結果也沒有影響，因為微量空氣中質量數為30和31的信號與本底一致。由圖3可知，隨著水溶液中15NO2-濃度的不斷增加，誤差逐漸減小，水溶液中15NO2-濃度≥10 mg/L時，誤差均小于0.3%。水溶液中15NO2-濃度低于5 mg/L時，反應生成的15NO的量非常少，測試結果為98.5%，誤差＜0.6%，表明儀器的靈敏度非常高，針對低于5 mg/L以下的樣本可以通過濃縮后檢測，減小測試誤差。

圖3 不同濃度的15NO2- 對同位素豐度的影響Fig. 3 The effect of different concentrations of 15NO2- on the abundance of isotopes

2.4 考察溶液中硝酸根離子的影響

在水質中硝酸根離子和亞硝酸根離子同時存在的條件下，測試亞硝酸根離子中15N同位素豐度的過程不受硝酸根離子的影響，是準確測定的關鍵。取99.2%亞硝酸鈉-15N和0.365%硝酸鈉，配制成200 mg/L15NO2

-和NO3-的混標，稱為“I組”；再取99.2%硝酸鈉-15N和0.365%亞硝酸鈉，配制成200 mg/L15NO3

-和NO2-的混標，稱為“II組”，平行測試3次。如表2所示，水質中硝酸根離子的存在對測試亞硝酸根離子中15N同位素豐度無影響。

表2 考察溶液中硝酸根離子的影響Tab. 2 Investigate the influence of nitrate ion in solution %

2.5 實際樣品測定

選取了5組不同工藝處理后的樣本，經過濃縮，水質中亞硝酸根離子含量均大于10 mg/L，對樣本中亞硝酸根離子的15N同位素豐度進行測定。平行測試6次，精密度RSD均小于2%。由圖4可知，方法在0.365%（自然豐度）～ 99%范圍內均適用，隨著15N同位素豐度的增加（＞5%），RSD在逐漸減小，建立的檢測方法適用于水質中亞硝酸根離子的15N同位素豐度的分析。在自然豐度下，以3倍信噪比計算出亞硝酸根離子含量的檢出限為0.2 mg/L。

圖4 不同樣本中亞硝酸根離子的15N同位素豐度測定Fig. 4 Determination of 15N isotope abundance of nitrite ion in different samples

3 結 語

考察了重復性、不同濃度的15NO2-、溶液中硝酸根離子等因素對15N同位素豐度的影響，當樣本中15NO2

-濃度≥10 mg/L時，誤差小于0.3%，水質中硝酸根離子的存在對測試亞硝酸根離子中15N同位素豐度無影響。開發了基于高分辨氣體同位素質譜技術對樣本中15NO2-的15N 同位素豐度檢測方法。此方法適用的15N同位素豐度范圍為0.365%～99%。利用不同豐度的亞硝酸鈉-15N試劑驗證了所開發的檢測方法及計算公式的準確性。建立的檢測方法適用于水質中15NO2-的15N同位素豐度分析。