三價鈦還原法分析硝酸根氮氧同位素的方法研究

楊海麗

(自然資源部第三海洋研究所,福建 廈門 361005)

1 材料與方法

1.1 儀器設備

主要實驗儀器有氣體穩定同位素比值質譜儀(sercon 20-22, 英國sercon公司)、 Cryoprep氣體樣品制備裝置(Cryoprep, 英國sercon公司)、自動進樣器(CETAC, 英國sercon公司)、氣相色譜儀(7890A, 美國Agilent公司)。

1.2 試劑

標準物質:國際標準物質USGS-34(δ15N=-1.8‰,δ18OVSMOW=-27.9‰) 、USGS-32(δ15N=180‰,δ18OVSMOW=25.7‰) 、IAEA-NO-3(δ15N=4.7‰,δ18OVSMOW=25.6‰)。實驗室標準KNO3編號為NO-ST4:購買高純KNO3(GR,Sigma,KNO3含量為99.99%),用超純水溶解后冷凍干燥,研磨成200目,用EA-IRMS測定其δ15N為2.42‰,利用高溫裂解-IRMS測定其δ18OVSMOW為16.58‰。

所需試劑主要有:TiCl3鹽酸溶液(150 g/dm3,AR, 麥克林);Zn粉(150 μm, AR, 天津申泰),NaOH溶液[稱取80 g NaOH固體(GR,麥克林),溶于200 cm3超純水]。

由于市售TiCl3鹽酸溶液中可能存在部分Ti4+,需要用Zn粉將Ti4+還原為Ti3+,反應方程式如下:

2Zn+TiCl4+2H+→2ZnCl2+Ti3++H2↑

稱取5 g鋅粉與50 cm3TiCl3試劑反應,去除Ti4+雜質。TiCl4與鋅粉反應放熱并產生H2,需在500 cm3燒杯中進行反應,冷卻至室溫后,取上清液備用。

1.3 三價鈦還原法實驗原理及流程

同位素值一般用δ值表示,為被分析樣品同位素比值與標準樣品同位素比值的千分差,即

(1)

式(1)中:R樣品為樣品中測得的某一元素重同位素與輕同位素比值,R標準為參考物質中某一元素重同位素與輕同位素比值。

三價鈦還原法實驗流程如圖1所示。

(2)

1.5 N2O氣體濃度測試流程及條件

采用Porapak Q不銹鋼填充柱(50～80目,長3 m×內徑3.2 mm,美國Agilent公司);載氣為高純氮氣,流速為28 cm3/min;色譜柱溫度為60 ℃;使用ECD檢測器,溫度為200 ℃。

1.6 N2O氣體氮氧同位素測試流程及條件

反應生成的N2O氣體,由高流速的氦氣(約30 cm3/min)吹出,通過高氯酸鎂化學阱除水,再經過堿石灰化學阱除CO2,然后進入1級冷阱在液氮中捕集,捕集時間為300 s;捕集結束前10 s,2級冷阱置入液氮罐中,隨后六通閥切換至進樣模式,1級冷阱離開液氮罐,冷凍捕集的N2O在室溫下釋放,被低流速的氦氣(約2 cm3/min)轉移至2級冷阱再次捕集,冷凍捕集時間為260 s。再次切換六通閥,2級冷阱與色譜柱(長30 m×內徑0.53 mm, Rt-Q-Bond,美國Restek公司)相連,之后將2級冷阱提離液氮罐,冷凍捕集的N2O氣體氣化,由低流速的He氣送入色譜柱,在柱溫35 ℃可將殘留極少量的CO2與N2O氣體分離,分離后的N2O進入穩定同位素比值質譜儀。根據測試情況,每隔30 s連續3次向質譜計的離子源內送入N2O參比氣體,根據工作標準氣N2O峰和樣品峰的m/z44、m/z45和m/z46等3種離子流強度的比值,可得出樣品中的N2O相對于參比氣體N2O的δ15N、δ18OVSMOW值。N2O氣體預富集系統裝置如圖2所示。

圖2 N2O氣體預富集系統裝置示意圖Fig. 2 System device for automated extraction and preconcentration of N2O1級冷阱為不銹鋼管,外徑為1.59 mm,內徑為0.75 mm,內填3根相互纏繞的直徑為0.10 mm的鎳絲;2級冷阱為不銹鋼管,外徑為1.59 mm,內徑為0.25 mm的空管。

1.7 樣品采集與分析

本研究所用樣品采自廈大白城近岸海水、芙蓉湖水和雨水。水樣用0.22 μm濾膜過濾后盛于塑料樣品瓶中,-20 ℃ 冷凍保存。

2 結果與討論

2.1 優化實驗條件

圖3 不同濃度的水樣轉化率及氮氧同位素值Fig.3 conversion rates and nitrogen and oxygen isotope compositions with different concentrations計算轉化率時,頂空氣體體積按照8 cm3計算,25 ℃時,1個標準大氣壓下氣體的摩爾體積為24.5 dm3/mol。

2.1.2 TiCl3試劑的添加量

取4 cm3濃度為20 μmol/dm3的硝酸根標準樣品NO-ST4注入反應瓶中,分別加入0.05～0.40 cm3TiCl3試劑,室溫反應24 h,根據測試數據確定試劑的最佳用量,結果如圖4所示。

圖4 不同TiCl3試劑量硝酸根樣品轉化率及氮氧同位素值Fig.4 conversion rates and nitrogen and oxygen isotope compositions with different TiCl3 reagent volumes

2.1.3 確定反應時間

在強堿性反應體系中Ti3+被快速氧化為Ti4+,從而可以有效終止硝酸根還原進程。取4 cm3濃度為20 μmol/dm3的硝酸根標準樣品NO-ST4注入反應瓶中,加入0.10 cm3TiCl3試劑,在室溫條件下反應,通過在不同時間點加入NaOH溶液確定其最佳反應時間,結果如圖5所示。

圖5 不同反應時間硝酸根轉化率及氮氧同位素值Fig.5 conversion rates and nitrogen and oxygen isotope compositions at different reaction times

2.1.4 確定反應溫度

取4 cm3濃度為20 μmol/dm3的硝酸根標準樣品NO-ST4注入反應瓶中,加入0.10 cm3TiCl3試劑,分別在25 ℃(室溫)和37 ℃的恒溫箱中反應24 h,結果如表1所示。

表1 不同反應溫度硝酸鹽的轉化率及氮氧同位素值Tab.1 conversion rates and nitrogen and oxygen isotope compositions in different temperatures

2.2 硝酸根氮氧同位素校準曲線

將國際標樣USGS-34和USGS-32分別配制硝酸根濃度為20 μmol/dm3的氮氧同位素標準溶液,再將兩種標準溶液以體積比3∶1、2∶2、1∶3混合,配制成3種工作標準溶液編號為 NO-ST1、NO-ST2、NO-ST3,其δ15N分別為-43.65‰、89.10‰、134.55‰,其δ18OVSMOW分別為-14.5‰、-1.1‰、12.3‰。利用USGS-34、NO-ST1、NO-ST2、NO-ST3及USGS-32這5種不同豐度的氮氧同位素標準溶液繪制校準曲線,以硝酸根的氮氧同位素標準值為橫坐標,以反應產物N2O的氮氧同位素測量值為縱坐標,結果如圖6所示。

圖6 三價鈦還原法測試硝酸根氮氧同位素校準曲線Fig. 6 Calibration curve of nitrate nitrogen and oxygen isotope using Ti3+ reduction method

氧同位素校準曲線斜率為0.617,其理論值為1,校準曲線相關系數為0.994。根據三價鈦還原法的反應方程式可以看出,N2O氣體只保留了6個氧原子中的1個,在去除氧原子的過程中,可能會優先丟失16O,導致較大的同位素分餾效應;也可能在反應過程中其中間產物或者最終產物N2O與水中的氧發生交換。疊氮化鈉還原法和細菌反硝化法在測試硝酸根氮氧同位素的實驗過程中,其中間產物或最終產物與水發生不同程度的交換已有相關報道[19]。

2.3 流程空白和方法檢出限

表2 方法檢出限濃度下標準樣品硝酸根氮氧同位素Tab. 2 Nitrate nitrogen and oxygen isotopes of standard samples under the detection limit concentration of the method

在方法檢出限濃度下兩個標準樣品δ15N值的標準偏差分別為0.55‰和0.61‰,取平均值后與真值的差值分別為0.46‰和0.63‰;δ18OVSMOW值標準偏差分別為1.39‰和2.14‰,其與真值的差值分別為1.18‰和1.66‰。測定結果表明,三價鈦還原法流程空白較低,且在檢出限濃度下測定硝酸根氮氧同位素比值結果相對準確,能基本滿足各類水樣硝酸根氮氧同位素的測定。

2.4 方法精密度與準確度

配置4 cm3濃度為20 μmol/dm3的IAEA-NO-3和實驗室標樣NO-ST4作為樣品按照上述測試流程進行處理,用校準曲線進行校準獲得氮氧同位素結果如表3所示。

表3 硝酸根樣品氮氧同位素精密度和準確度Tab. 3 Precision and accuracy of nitrogen and oxygen isotopes in nitrate samples

硝酸鹽δ15N值的標準偏差小于0.5‰,由校準曲線校正后所得氮同位素值與其真值的差值在±0.5‰以內,由此認為測試硝酸鹽氮同位素的精密度和準確度較高。δ18OVSMOW值的標準偏差小于1.0‰,由校準曲線校正后所得到的δ18OVSMOW值與其真值的差值在±1.5‰以內。

2.5 三價鈦還原法的適用性

利用三價鈦還原法測試了不同來源的水樣,并與細菌反硝化法測試結果進行對比,結果見表4。

三價鈦還原法測試3種水樣δ15N值的標準偏差分別為0.34‰、0.58‰和0.46‰,與細菌反硝化法測得δ15N的差值分別為-0.43‰、-0.64‰和0.25‰,滿足樣品分析測試準確度要求。三價鈦還原法測試δ18OVSMOW值的標準偏差分別為2.06‰、2.01‰和1.56‰,兩種方法測得硝酸根δ18OVSMOW差值分別為3.22‰、5.21‰和8.58‰,三價鈦還原法測試硝酸根氧同位素與細菌反硝化法測試的結果相比整體偏正。可能是由于三價鈦還原法測試氧同位素存在較強的同位素分餾效應,導致兩種方法測定結果差值較大。

3 結論

研究結果表明,當溶液中硝酸根濃度大于2.5 μmol/dm3時,三價鈦還原法將水樣中硝酸根還原為N2O的轉化率滿足氮氧同位素實驗測試要求。5種豐度的硝酸根氮同位素標樣校準曲線線性良好,氮同位素測試精密度和準確度也滿足需求,不同類型水樣硝酸根氮同位素與細菌反硝化法的測試結果一致。三價鈦還原法測試硝酸根氧同位素過程中發生氧同位素分餾,其精密度相對較差,且與細菌反硝化法的測試結果相比,存在正偏的規律,因此在利用氧同位素的測試結果時,需要進行一個系統校正。三價鈦還原法操作步驟簡單,不涉及有毒試劑,試驗周期短,測試效率高,利用三價鈦還原法測試水體中硝酸鹽氮氧同位素的方法值得推廣。