水质样本中亚硝酸根离子15N同位素丰度测定
时间：2023-04-11 14:15:05 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
赵 诚，解 龙，雷 雯
（上海化工研究院有限公司，上海 200062）
亚硝酸根离子是氮循环过程的中间产物，广泛存在于水体中，可被氧化为硝酸根离子，也可被还原为氨氮[1]。在弱酸性条件下，水体中的亚硝酸根离子与仲胺类物质可反应生成亚硝酸类致癌物质，因此水质中的亚硝酸根离子含量是水质环境监测的必检项目之一[2-4]。
氮元素是引起水体富营养化的主要原因，在水体生态系统氮循环过程中，硝化、反硝化过程是关键的环节。利用15N同位素示踪技术，研究亚硝酸根离子、硝酸根离子的15N同位素丰度和含量，可以对水体被污染的程度及其硝化、反硝化过程进行推测。15N同位素示踪技术是加入已知同位素丰度和形态的15N标记示踪试剂[5]，经过相应的生物化学过程后，测定15N标记物质的同位素丰度变化来示踪15N标记物的迁移途径和转化程度[6-7]。因此，对生态环境样本中的亚硝酸根离子15N同位素丰度的准确检测，是水体生态系统氮循环研究的关键环节之一。
利用分光光度法[8]、离子色谱法[9]等技术可以进行亚硝酸根离子含量的检测。利用稳定同位素比质谱[10-12]可以进行亚硝酸根离子中氮同位素比值的检测，15N同位素丰度测试范围在天然丰度（0.365%）附近，并未对＞0.365%同位素进行研究。
亚硝酸根离子15N同位素丰度现有的检测方法[13]是将15N标记的亚硝酸根在碱性条件下与定氮合金反应生成15N标记的氨气，用酸来吸收，得到15N标记的铵盐溶液，取适量的溶液与次溴酸钠溶液反应生成15N2，进一步将气体引入气体同位素质谱仪进行同位素丰度测定。但这种方法同样适用于硝酸根离子，无法对基质样品中亚硝酸盐的15N同位素丰度进行准确测定，且需要亚硝酸盐的含量不低于3 000 mg/L，浓度过低，仪器在进样过程中微量的氮气本底会对反应生成的15N2进行同位素丰度稀释，导致测试结果偏低。
针对上述问题，本研究主要是利用碘化钾在弱酸性条件下将亚硝酸根离子转化成15NO气体，将15NO气体引入高分辨气体同位素质谱仪中进行15N同位素丰度测定。利用高分辨气体同位素质谱仪具有高灵敏度的优点，实现了样本中低至mg/L级别的亚硝酸根离子15N同位素丰度测定。本工作考察了水质中硝酸根离子的存在对测试亚硝酸根离子15N同位素丰度的影响，考察不同浓度的15NO2-对同位素丰度的影响。初步建立了质谱法测定样本中15NO2-的15N同位素丰度检测方法。
1.1 主要仪器与试剂
Nu evolution型高分辨气体同位素质谱仪（英国Nu Instruments公司，配备法拉第杯和电子倍增管2个检测器）。
亚硝酸钠-15N （99.2%）、硝酸钠-15N（99.2%）和亚硝酸钠-15N（15.1%，均来自上海化工研究院有限公司）；
浓硫酸（≥98%，江苏强盛化工有限公司）；
碘化钾（AR，国药集团化学试剂有限公司）。亚硝酸钠、硝酸钠和碘化钾（AR，均来自国药集团化学试剂有限公司）。
1.2 实验方法及原理
1.2.1 质谱条件
电子轰击离子源：离子源温度 130 ℃；
电子能量 70 eV；
电子倍增器电压 1.8 kV；
高压 6 kV；
质量扫描m/z28～40。
1.2.215NO转化原理
15NO2-在弱酸性条件下与碘化钾反应生成15NO，将15NO引入高分辨气体同位素质谱仪中进行离子流强度测试，并依此计算15N同位素丰度：
1.2.315N同位素丰度计算公式
NO质量数为30，15NO质量数为31，将反应生成的15NO引入高分辨气体同位素质谱仪，检测质量数为30和31的离子流强度，再通过下式计算15N同位素丰度：
式中：E、I30、I31分别表示待测物质15N同位素丰度、质量数为30的离子流强度和质量数为31的离子流强度。
注：氮有14N和15N 2种稳定同位素；
氧有16O、17O和18O 3种稳定同位素，相对同位素丰度分别为99.756%、0.039%和0.205%。一氧化氮有6种组合：14N16O质量数为30、15N16O质量数为31、14N17O质量数为31、15N17O质量数为32、14N18O质量数为32、15N18O质量数为33。由于自然界中16O与17O之比约2 500倍，16O与18O之比约500倍，所以在同位素丰度计算过程中含有17O和18O质量数的峰强度可以忽略不计。
1.2.4 样品前处理
样品前处理所用实验装置，如图1和图2所示。取2 mL的样本（pH接近中性）和5 mg碘化钾于双球反应管“A”球泡中，双球反应管“B”球泡中加入1 mL乙酸溶液，将进样旋塞阀的“1”连接抽真空系统，进样旋塞阀的“3”连接双球反应管的“4”，打开进样旋塞阀的阀门“2”，待真空度低于50 Pa后，关闭进样旋塞阀的阀门“2”，一同取下进样旋塞阀和双球反应管，将双球反应管“B” 球泡中的乙酸加入到“A”球泡中，将球泡“A”放入40～60 ℃热水浴中，反应生成15NO。将进样旋塞阀的“1”连接高分辨气体同位素质谱仪，抽真空，将双球反应管放入酒精液氮中，待真空度达到仪器测试要求后，打开进样旋塞阀的阀门“2”，将生成的15NO引入高分辨气体同位素质谱仪中，检测质量数为30和31的离子流强度，通过计算公式计算15N同位素丰度[14]。
图1 进样旋塞阀Fig. 1 Injection stopcock
图2 双球反应管Fig. 2 Double ball reaction tube
2.1 仪器参数的确定
高分辨气体同位素质谱仪具有高分辨率（分辨率达到5 000）和高灵敏度（可以检测mg/L级别的15NO）2个主要特性，两者相互影响，在高灵敏度条件下，分辨率可能降低。但一方面由于仪器检测15NO质量数为30和31，因此无需考察分辨率的影响；
另一方面，水质中15NO2-的含量较少，生成的15NO量少。所以应在仪器的最大灵敏度下测定。通过前期的工作[15]发现仪器收集器狭缝参数在600时，仪器离子流强度最大。
2.2 重复性的考察
分别用天然丰度亚硝酸钠（0.365%）、15.1%亚硝酸钠-15N和99.2%亚硝酸钠-15N与水配制200 mg/L不同丰度的15NO2-溶液，通过上述中样品前处理过程，计算15N同位素丰度，每组同位素丰度平行测试6份。
由表1数据可以看出，测量值与标识值偏差均小于0.1%，相对标准偏差(relative standard deviation, RSD)均小于0.5%，表明建立的检测方法准确可靠，同时方法也适用于整个同位素丰度范围0.365%～99%，在200 mg/L15NO2-溶液下，方法准确度均小于0.1%，RSD均小于0.5%。
表1 重复性的考察Tab. 1 Repetitive investigation %
2.3 考察不同浓度的15NO2- 对同位素丰度的影响
利用99.2%亚硝酸钠-15N分别配置浓度为10、20、40、60、80、100、150、200 mg/L的溶液，通过上述样品前处理过程，计算15N同位素丰度。每组同位素丰度平行测试3份，从质谱检测的质量数为30和31可以发现，在进样过程中，倘若有微量的空气进入质谱，对测试结果也没有影响，因为微量空气中质量数为30和31的信号与本底一致。由图3可知，随着水溶液中15NO2-浓度的不断增加，误差逐渐减小，水溶液中15NO2-浓度≥10 mg/L时，误差均小于0.3%。水溶液中15NO2-浓度低于5 mg/L时，反应生成的15NO的量非常少，测试结果为98.5%，误差＜0.6%，表明仪器的灵敏度非常高，针对低于5 mg/L以下的样本可以通过浓缩后检测，减小测试误差。
图3 不同浓度的15NO2- 对同位素丰度的影响Fig. 3 The effect of different concentrations of 15NO2- on the abundance of isotopes
2.4 考察溶液中硝酸根离子的影响
在水质中硝酸根离子和亚硝酸根离子同时存在的条件下，测试亚硝酸根离子中15N同位素丰度的过程不受硝酸根离子的影响，是准确测定的关键。取99.2%亚硝酸钠-15N和0.365%硝酸钠，配制成200 mg/L15NO2
-和NO3-的混标，称为“I组”；
再取99.2%硝酸钠-15N和0.365%亚硝酸钠，配制成200 mg/L15NO3
-和NO2-的混标，称为“II组”，平行测试3次。如表2所示，水质中硝酸根离子的存在对测试亚硝酸根离子中15N同位素丰度无影响。
表2 考察溶液中硝酸根离子的影响Tab. 2 Investigate the influence of nitrate ion in solution %
2.5 实际样品测定
选取了5组不同工艺处理后的样本，经过浓缩，水质中亚硝酸根离子含量均大于10 mg/L，对样本中亚硝酸根离子的15N同位素丰度进行测定。平行测试6次，精密度RSD均小于2%。由图4可知，方法在0.365%（自然丰度）～ 99%范围内均适用，随着15N同位素丰度的增加（＞5%），RSD在逐渐减小，建立的检测方法适用于水质中亚硝酸根离子的15N同位素丰度的分析。在自然丰度下，以3倍信噪比计算出亚硝酸根离子含量的检出限为0.2 mg/L。
图4 不同样本中亚硝酸根离子的15N同位素丰度测定Fig. 4 Determination of 15N isotope abundance of nitrite ion in different samples
考察了重复性、不同浓度的15NO2-、溶液中硝酸根离子等因素对15N同位素丰度的影响，当样本中15NO2
-浓度≥10 mg/L时，误差小于0.3%，水质中硝酸根离子的存在对测试亚硝酸根离子中15N同位素丰度无影响。开发了基于高分辨气体同位素质谱技术对样本中15NO2-的15N 同位素丰度检测方法。此方法适用的15N同位素丰度范围为0.365%～99%。利用不同丰度的亚硝酸钠-15N试剂验证了所开发的检测方法及计算公式的准确性。建立的检测方法适用于水质中15NO2-的15N同位素丰度分析。
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