水質(zhì)樣本中亞硝酸根離子15N同位素豐度測(cè)定

趙 誠，解 龍，雷 雯

（上?；ぱ芯吭河邢薰?，上海 200062）

亞硝酸根離子是氮循環(huán)過程的中間產(chǎn)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(zhì)可反應(yīng)生成亞硝酸類致癌物質(zhì)，因此水質(zhì)中的亞硝酸根離子含量是水質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)的必檢項(xiàng)目之一[2-4]。

氮元素是引起水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要原因，在水體生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)過程中，硝化、反硝化過程是關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。利用15N同位素示蹤技術(shù)，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(duì)水體被污染的程度及其硝化、反硝化過程進(jìn)行推測(cè)。15N同位素示蹤技術(shù)是加入已知同位素豐度和形態(tài)的15N標(biāo)記示蹤試劑[5]，經(jīng)過相應(yīng)的生物化學(xué)過程后，測(cè)定15N標(biāo)記物質(zhì)的同位素豐度變化來示蹤15N標(biāo)記物的遷移途徑和轉(zhuǎn)化程度[6-7]。因此，對(duì)生態(tài)環(huán)境樣本中的亞硝酸根離子15N同位素豐度的準(zhǔn)確檢測(cè)，是水體生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)研究的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。

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

亞硝酸根離子15N同位素豐度現(xiàn)有的檢測(cè)方法[13]是將15N標(biāo)記的亞硝酸根在堿性條件下與定氮合金反應(yīng)生成15N標(biāo)記的氨氣，用酸來吸收，得到15N標(biāo)記的銨鹽溶液，取適量的溶液與次溴酸鈉溶液反應(yīng)生成15N2，進(jìn)一步將氣體引入氣體同位素質(zhì)譜儀進(jìn)行同位素豐度測(cè)定。但這種方法同樣適用于硝酸根離子，無法對(duì)基質(zhì)樣品中亞硝酸鹽的15N同位素豐度進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)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(jìn)樣過程中微量的氮?dú)獗镜讜?huì)對(duì)反應(yīng)生成的15N2進(jìn)行同位素豐度稀釋，導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果偏低。

針對(duì)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(zhuǎn)化成15NO氣體，將15NO氣體引入高分辨氣體同位素質(zhì)譜儀中進(jìn)行15N同位素豐度測(cè)定。利用高分辨氣體同位素質(zhì)譜儀具有高靈敏度的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了樣本中低至mg/L級(jí)別的亞硝酸根離子15N同位素豐度測(cè)定。本工作考察了水質(zhì)中硝酸根離子的存在對(duì)測(cè)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(duì)同位素豐度的影響。初步建立了質(zhì)譜法測(cè)定樣本中15NO2-的15N同位素豐度檢測(cè)方法。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要儀器與試劑

Nu evolution型高分辨氣體同位素質(zhì)譜儀（英國Nu Instruments公司，配備法拉第杯和電子倍增管2個(gè)檢測(cè)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?；ぱ芯吭河邢薰荆粷饬蛩幔ā?8%，江蘇強(qiáng)盛化工有限公司）；碘化鉀（AR，國藥集團(tuán)化學(xué)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(tuán)化學(xué)試劑有限公司）。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法及原理

1.2.1 質(zhì)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(zhì)量掃描m/z28～40。

1.2.215NO轉(zhuǎn)化原理

15NO2-在弱酸性條件下與碘化鉀反應(yīng)生成15NO，將15NO引入高分辨氣體同位素質(zhì)譜儀中進(jìn)行離子流強(qiáng)度測(cè)試，并依此計(jì)算15N同位素豐度：

1.2.315N同位素豐度計(jì)算公式

NO質(zhì)量數(shù)為30，15NO質(zhì)量數(shù)為31，將反應(yīng)生成的15NO引入高分辨氣體同位素質(zhì)譜儀，檢測(cè)質(zhì)量數(shù)為30和31的離子流強(qiáng)度，再通過下式計(jì)算15N同位素豐度：

式中：E、I30、I31分別表示待測(cè)物質(zhì)15N同位素豐度、質(zhì)量數(shù)為30的離子流強(qiáng)度和質(zhì)量數(shù)為31的離子流強(qiáng)度。

注：氮有14N和15N 2種穩(wěn)定同位素；氧有16O、17O和18O 3種穩(wěn)定同位素，相對(duì)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(zhì)量數(shù)為30、15N16O質(zhì)量數(shù)為31、14N17O質(zhì)量數(shù)為31、15N17O質(zhì)量數(shù)為32、14N18O質(zhì)量數(shù)為32、15N18O質(zhì)量數(shù)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(jì)算過程中含有17O和18O質(zhì)量數(shù)的峰強(qiáng)度可以忽略不計(jì)。

1.2.4 樣品前處理

樣品前處理所用實(shí)驗(yàn)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(yīng)管“A”球泡中，雙球反應(yīng)管“B”球泡中加入1 mL乙酸溶液，將進(jìn)樣旋塞閥的“1”連接抽真空系統(tǒng)，進(jìn)樣旋塞閥的“3”連接雙球反應(yīng)管的“4”，打開進(jìn)樣旋塞閥的閥門“2”，待真空度低于50 Pa后，關(guān)閉進(jìn)樣旋塞閥的閥門“2”，一同取下進(jìn)樣旋塞閥和雙球反應(yīng)管，將雙球反應(yīng)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(yīng)生成15NO。將進(jìn)樣旋塞閥的“1”連接高分辨氣體同位素質(zhì)譜儀，抽真空，將雙球反應(yīng)管放入酒精液氮中，待真空度達(dá)到儀器測(cè)試要求后，打開進(jìn)樣旋塞閥的閥門“2”，將生成的15NO引入高分辨氣體同位素質(zhì)譜儀中，檢測(cè)質(zhì)量數(shù)為30和31的離子流強(qiáng)度，通過計(jì)算公式計(jì)算15N同位素豐度[14]。

圖1 進(jìn)樣旋塞閥Fig. 1 Injection stopcock

圖2 雙球反應(yīng)管Fig. 2 Double ball reaction tube

2 結(jié)果與討論

2.1 儀器參數(shù)的確定

高分辨氣體同位素質(zhì)譜儀具有高分辨率（分辨率達(dá)到5 000）和高靈敏度（可以檢測(cè)mg/L級(jí)別的15NO）2個(gè)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(cè)15NO質(zhì)量數(shù)為30和31，因此無需考察分辨率的影響；另一方面，水質(zhì)中15NO2-的含量較少，生成的15NO量少。所以應(yīng)在儀器的最大靈敏度下測(cè)定。通過前期的工作[15]發(fā)現(xiàn)儀器收集器狹縫參數(shù)在600時(shí)，儀器離子流強(qiáng)度最大。

2.2 重復(fù)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(jì)算15N同位素豐度，每組同位素豐度平行測(cè)試6份。

由表1數(shù)據(jù)可以看出，測(cè)量值與標(biāo)識(shí)值偏差均小于0.1%，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(relative standard deviation, RSD)均小于0.5%，表明建立的檢測(cè)方法準(zhǔn)確可靠，同時(shí)方法也適用于整個(gè)同位素豐度范圍0.365%～99%，在200 mg/L15NO2-溶液下，方法準(zhǔn)確度均小于0.1%，RSD均小于0.5%。

表1 重復(fù)性的考察Tab. 1 Repetitive investigation %

2.3 考察不同濃度的15NO2- 對(duì)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(jì)算15N同位素豐度。每組同位素豐度平行測(cè)試3份，從質(zhì)譜檢測(cè)的質(zhì)量數(shù)為30和31可以發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)樣過程中，倘若有微量的空氣進(jìn)入質(zhì)譜，對(duì)測(cè)試結(jié)果也沒有影響，因?yàn)槲⒘靠諝庵匈|(zhì)量數(shù)為30和31的信號(hào)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(shí)，誤差均小于0.3%。水溶液中15NO2-濃度低于5 mg/L時(shí)，反應(yīng)生成的15NO的量非常少，測(cè)試結(jié)果為98.5%，誤差＜0.6%，表明儀器的靈敏度非常高，針對(duì)低于5 mg/L以下的樣本可以通過濃縮后檢測(cè)，減小測(cè)試誤差。

圖3 不同濃度的15NO2- 對(duì)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(zhì)中硝酸根離子和亞硝酸根離子同時(shí)存在的條件下，測(cè)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(zhǔn)確測(cè)定的關(guān)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(biāo)，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(biāo)，稱為“II組”，平行測(cè)試3次。如表2所示，水質(zhì)中硝酸根離子的存在對(duì)測(cè)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(shí)際樣品測(cè)定

選取了5組不同工藝處理后的樣本，經(jīng)過濃縮，水質(zhì)中亞硝酸根離子含量均大于10 mg/L，對(duì)樣本中亞硝酸根離子的15N同位素豐度進(jìn)行測(cè)定。平行測(cè)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(nèi)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(cè)方法適用于水質(zhì)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(jì)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(cè)定Fig. 4 Determination of 15N isotope abundance of nitrite ion in different samples

3 結(jié) 語

考察了重復(fù)性、不同濃度的15NO2-、溶液中硝酸根離子等因素對(duì)15N同位素豐度的影響，當(dāng)樣本中15NO2

-濃度≥10 mg/L時(shí)，誤差小于0.3%，水質(zhì)中硝酸根離子的存在對(duì)測(cè)試亞硝酸根離子中15N同位素豐度無影響。開發(fā)了基于高分辨氣體同位素質(zhì)譜技術(shù)對(duì)樣本中15NO2-的15N 同位素豐度檢測(cè)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(yàn)證了所開發(fā)的檢測(cè)方法及計(jì)算公式的準(zhǔn)確性。建立的檢測(cè)方法適用于水質(zhì)中15NO2-的15N同位素豐度分析。