摘要：本研究利用铵锌镉还原法将海水、湖水和自来水水体中硝酸盐转化为N2O气体测试氮、氧同位素,结果表明当反应体系的pH值在6~8之间,NO3−还原为NO2−的转化率大于95%,NO2−还原为N2O的转化率大于99%。配置5种丰度的硝酸盐氮氧同位素标样,将实验结果与理论值绘制校准曲线,氮同位素校准曲线斜率为0.48,相关性良好(R2=0.9998),5种丰度δ15NN2O标准偏差在0.18‰~0.43‰之间(n=5);氧同位素校准曲线斜率为0.70,相关性良好(R2=0.9996),5种丰度δ18ON2O标准偏差在0.27‰~0.46‰之间(n=5)。铵锌镉还原法与镉柱还原法测定硝酸盐氮氧同位素结果的精密度和准确度一致,同时海水、湖水和自来水3种不同类型水样的硝酸盐氮氧同位素测试数据满足实验要求,而且在实验流程的简洁性和高效性方面更具优势。
关键词：海洋化学;铵锌镉法;氮同位素;氧同位素;硝酸盐;氧化亚氮
天然水体中硝酸盐氮氧同位素的研究始于20世纪60年代[1],近年来随着质谱技术的更新,硝酸盐氮氧同位素的研究发展迅速,并成为海洋氮循环、水体及大气硝酸盐污染源解析研究的重要手段。研究方法也从早期的铵蒸馏法、氨扩散法对硝酸盐单一的氮同位素测试,发展到利用离子交换法、细菌反硝化法或化学转化法对氮、氧同位素的同步测量[2-8]。其中,化学转化法最早由Mcllvin等(2005)提出,其原理是利用海绵镉(Cd)将水体中的硝酸根(NO3−)还原为亚硝酸根(NO2−),再利用叠氮化钠和乙酸混合试剂将NO2−还原为氧化亚氮(N2O),并对N2O进行分离、纯化、富集,最后进入同位素比值质谱仪进行氮氧同位素组成的测定[6]。由于化学转化法操作相对简单,逐渐被多数实验室采用。国内亦有研究者根据该反应原理,开展相应研究。胡王江(2015)探究了化学转化法影响因素,确定反应试剂的添加量与反应最佳条件[9];王曦等(2015)针对NO3−还原步骤所用的海绵Cd需要现配现用、使用不便的问题,对镉柱还原法进行改进,还原效率接近100%[10];赵祝钰等(2019)建立了大气气溶胶、雨水、雪水等低浓度的硝酸盐样品氮氧同位素的测试流程[11]。
《海洋调查规范》中海水NO3-浓度的测定方法有两种,分别是镉柱还原法和锌镉还原法[12]。锌镉还原法是向水样中加入氯化镉(CdCl2)溶液,并放入洁净锌片,Zn原子与溶液中的Cd2+形成原电池还原模型,增加反应的比表面积,加快反应进程。郑瑞芝等(2011)研究表明,锌镉还原法的还原效率(>75%)低于镉柱还原法(还原效率接近100%),但向水体中加入氯化铵(NH4Cl)可以显著提高其还原效率,建立了铵锌镉还原法[13]。本研究将铵锌镉还原法用于硝酸盐氮氧同位素测定,探讨铵锌镉还原法反应体系的最佳pH值，测定硝酸盐-亚硝酸盐-氧化亚氮的转化率;根据5种丰度的硝酸盐氮氧同位素标样测试结果绘制校准曲线,探讨校准曲线斜率及相关性的影响因素;测试不同类型样品中硝酸盐氮氧同位素组成,并与镉柱还原法测试的结果进行比对,为利用该方法测试硝酸盐氮氧同位素提供数据支撑。
1材料与方法
1.1仪器设备
主要实验仪器有气体稳定同位素比值质谱仪(MAT253,美国ThermoFisher公司)、多用途在线气体制备装置(Gas-BenchII,美国ThermoFisher公司)、自动进样器(CTC,瑞士CombiPAL公司)、自制的N2O预富集装置[主要由2根气压棒(SMC)、2个气体控制阀(SMC)、1个外径为1/16英寸不锈钢管冷阱、1个内径为0.32mm石英毛细管冷阱、1个5L杜瓦瓶组成][14]、全自动间断化学分析仪(SmartChem200,意大利DeChem-Tech公司)、气相色谱(7890A,美国Agilent公司)、pH计(HQ30D,美国Hach公司)。
1.2主要试剂
主要试剂有CdCl2溶液(20g/L)：称取4gCdCl2固体(GR,麦克林),溶于200mL超纯水;NH4Cl溶液(250g/L)：称取50gNH4Cl固体(GR,麦克林),溶于200mL超纯水,转移至棕色试剂瓶,加入5mL浓氨水(GR,麦克林),冷藏保存;Zn片：5cm×3cm(纯度大于99.9%,西陇科学);乙酸溶液(20%,体积分数,下同);取乙酸(GR,西陇科学)与超纯水以1:4的比例混合,转移至玻璃试剂瓶,冷藏保存;叠氮化钠溶液-乙酸缓冲液(2mol/L)：称取6.5g叠氮化钠固体(GR,Sigma-Aldrich)溶于50mL超纯水中,加入同样体积的20%乙酸溶液,用He气吹扫去除生成的N2O;NaOH溶液(10mol/L)：称取80gNaOH固体(GR,麦克林),溶于200mL超纯水;HCl溶液(10%)：取HCl(GR,国药集团)与超纯水以1:9的比例混匀,转移至玻璃试剂瓶,冷藏保存;咪唑溶液(2mol/L)：称取6.8g咪唑(GR,麦克林),溶于50mL超纯水,转移至玻璃试剂瓶,冷藏保存。
1.3铵锌镉还原法实验流程
铵锌镉还原NO3−：取20mL水样于40mL顶空瓶中,加入0.1mLCdCl2溶液,然后再加入0.1mLNH4Cl溶液,最后加入锌片,在摇床上以220r/min转速振荡15min。取出锌片,密闭顶空瓶,NO3−还原为NO2−。
叠氮化反应：用注射器向反应瓶中加入1mL叠氮化钠-乙酸缓冲液溶液,剧烈振荡,以220r/min转速振荡30min,最后加入0.6mLNaOH溶液,终止反应,NO2−还原为N2O。
氮氧同位素测试：反应生成的N2O气体,由高流速的He(约30mL/min)吹出,通过高氯酸镁和碱石灰化学阱分别除水和CO2,进入1号不锈钢冷阱(填充三根直径为0.25mm麻花状镍丝)在液氮中捕集,捕集时间为300s;捕集结束前10s,2号石英毛细管冷阱浸入液氮中,随后八通阀切换至进样模式,1号冷阱离开液氮罐,冷冻捕集的N2O释放,被低流速的He气(约2mL/min)转移至2号冷阱再次捕集,冷冻捕集时间为260s。之后将2号冷阱提离液氮罐,毛细管中N2O气化,由低流速的He气送入色谱柱(27.5m×0.32mm×10µmPoraPLOTQ)分离后进入稳定同位素比值质谱仪,测定其氮氧同位素比值。
1.4反应体系pH值优化流程
用10%的HCl和2mol/L的咪唑溶液,配制不同pH值(2.5~9.0)的缓冲溶液。取100μL的硝酸盐标准溶液于40mL顶空瓶中,加入配置好的缓冲溶液定容至20mL,调节反应体系的pH值为2.5、3.5、4.5、5.5、6.0、7.0、8.0、9.0。利用铵锌镉还原法将NO3−还原为NO2−。用分光光度法分别测定反应前、后溶液中NO3−和NO2−的浓度。
2结果与讨论
2.1pH值对铵锌镉还原法转化率的影响
研究表明,Cd还原NO3−的效率受水样pH值和Cl−浓度的控制[15-18]。铵锌镉法在NO3−还原为NO2−的过程中添加CdCl2和NH4Cl试剂,溶液中Cl−浓度可达到0.1mol/L,满足镉还原NO3−反应所需的Cl−浓度范围(0~0.5mol/L)[9],本文仅探讨pH值对铵锌镉反应体系的影响。不同pH值条件下铵锌镉还原法转化率如图1所示。
结果表明：pH值在2.5~5.5范围内,NO3-转化率为75%~77%,分析认为是溶液pH值过低导致NO3−被过度还原,生成NH3OH+或者NH4+,最终停留在NO2−形态的产物较少;在pH值为6.0~8.0的范围内,NO3−还原为NO2−的转化率可以达到96.2%。这与郑瑞芝等[13]在文献中提及的转化率(>95%)一致;而在pH值大于8的碱性范围内,反应体系中离子态的Cd2+会更多与OH−生成Cd(OH)2沉淀,附着在锌片(Zn)表面,阻碍Zn-Cd原电池反应的继续进行,降低了Cd对硝酸盐转化率。因此,铵锌镉还原法反应体系最佳的pH值在6.0~8.0之间。
铵锌镉还原体系中加入锌片,Zn原子与溶液中的Cd2+形成原电池还原模型,Zn原子可以将溶液中的Cd2+重复还原为Cd原子,Cd原子将溶液中的NO3−转化为NO2−,而还原产生的Cd原子附着在锌片的表面,增加了Cd原子与NO3−反应的比表面积,促进了NO3−向NO2−的转化进程,15min内反应体系中的NO3−转化率达到95%以上,极大地提高了实验效率(镉粉还原法反应时间为8h[11],镉柱还原法反应时间为80min[10]),且铵锌镉还原反应与叠氮化反应可以在同一个样品瓶中完成,简化了处理流程,降低了实验引入污染的风险。
2.2NO2−叠氮化反应转化率
在相同反应条件下不同浓度NO2−叠氮化反应转化率如表1所示。
测试结果表明,根据Mcllvin等研究确定的最佳条件[6]进行叠氮化反应,不同浓度NO2−的转化率达到99%以上,可以保证将溶液中NO2−全部转化N2O气体。需要特别注意的是,由于产物N2O可溶于水,且本研究发现N2O的氧与水中的氧存在交换,样品转化完成后应尽快上机测试。否则应将产生的N2O气体转移至顶空瓶中密封保存。
2.3氮氧同位素校准曲线
为探究铵锌镉还原法测定硝酸盐氮氧同位素的准确性,配置5种不同丰度的氮氧同位素标准溶液，利用铵锌镉化学法转化后测定其产物N2O的氮氧同位素,并制作氮氧同位素校准曲线，测试结果见表2。
根据反应方程：H2NO2−+N3−→N3NO+H2O→N2O+H2O+N2可以得知产物N2O的两个N原子分别来自于NO3−还原生成的NO2−和NaN3,所以产物N2O的氮同位素组成应为NO2−和NaN3的平均值,因此氮同位素校准曲线斜率理论值为0.5[6]。从图2可知,氮同位素校准曲线斜率为0.48,略低于0.5,可能是试剂中含有微量硝酸盐引入的实验空白所致,但氮同位素校准曲线相关性良好(R2=0.9998),实验的空白误差可以通过校准曲线予以消除,或通过扣除实验本底的方式,对氮同位素进行精准校正[11]。
对氧同位素而言,若NO3−还原为NO2−和NO2−叠氮化反应与H2O没有发生O原子的交换,则N2O中的O原子全部来自于NO3−,氧同位素的校准曲线斜率应为1。由于还原产生的NO2−会与H2O的氧进行交换,测得的δ18ON2O值与理论值存在一定偏差,导致其校准曲线的斜率小于1,本实验标准物质的氧同位素校准曲线斜率为0.70(图3),相关性良好(R2=0.9996)。在确保配置标样的超纯水和样品中水溶液的氧同位素组成尽量接近的条件下,其实验处理流程相同,可认为氧同位素的分馏效应一致,因此同位素分馏效应引起的样品氧同位素测试误差可通过标样校准曲线进行校正。
2.4方法空白和样品检出限
每批样品均应进行空白测试,以检验样品瓶的密封性和添加试剂的空白[10,19]。取20mL的超纯水于40mL的顶空瓶中,用铵锌镉还原法进行化学转化,并测试其氮氧同位素。5次平行测定N2Om/z44信号强度的平均值为250mV。这与曹亚澄等(2018)测试的结果150mV[19]相比偏高,可能由于加入的样品量和试剂量较大所致。取5倍空白的信号强度作为该方法的样品检出限,即N2Om/z44的信号强度为1250mV,其所需NO3−物质量约为0.016μmol,即20mL的溶液中NO3−浓度为0.8μmol/L。分别配置硝酸盐浓度为0.8μmol/LUSGS-34和IAEA-NO-3溶液并进行转化，测试其氮氧同位素,用图2和图3中的校准曲线分别进行校正,结果见表3。5次平行测定两个样品δ15N值的标准偏差均小于0.5,取平均值后与真值的差值分别为0.28‰和−0.16‰;δ18OV-SMOW值标准偏差均小于0.8,其差值分别为−0.26‰和−0.76‰,满足测试水中硝酸盐氮氧同位素测试精度的要求。
3结论
研究结果表明,铵锌镉还原法将水样中硝酸盐转化为亚硝酸盐,亚硝酸盐与叠氮化钠反应生成氧化亚氮的转化率均满足实验测试要求。5种丰度的硝酸盐氮氧同位素标样校准曲线线性良好,硝酸盐氮氧同位素经过标准曲线校正后数据可靠,且与传统化学转化法的精密度和准确度一致,不同类型水样硝酸盐氮氧同位素测试数据也满足其测试要求。从提高测试效率、简化实验流程和降低成本的角度考虑,利用铵锌镉测试水体中硝酸盐氮氧同位素的方法值得推广。——论文作者：尹希杰,杨海丽,郭浩然,陈淳青,崔坤磊1
相关期刊推荐：《应用海洋学学报》(季刊)创刊于1982年，主要刊载台湾海峡及其邻区海域(东海、南海)的物理海洋学、海洋化学、海洋环境学、海洋生物与水产学、海洋地质与地震学、海洋开发与管理等方面的学术论文和研究报告等。读者对象主要是国内外海洋生物、水产、化学、环保、水文、气象、港工、地质、地震等单位和部门的科技人员、管理人员、高等院校相应专业的师生等。
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