三价钛还原法分析硝酸根氮氧同位素的方法研究

杨海丽

(自然资源部第三海洋研究所,福建 厦门 361005)

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(sercon 20-22, 英国sercon公司)、 Cryoprep气体样品制备装置(Cryoprep, 英国sercon公司)、自动进样器(CETAC, 英国sercon公司)、气相色谱仪(7890A, 美国Agilent公司)。

1.2 试剂

标准物质:国际标准物质USGS-34(δ15N=-1.8‰,δ18OVSMOW=-27.9‰) 、USGS-32(δ15N=180‰,δ18OVSMOW=25.7‰) 、IAEA-NO-3(δ15N=4.7‰,δ18OVSMOW=25.6‰)。实验室标准KNO3编号为NO-ST4:购买高纯KNO3(GR,Sigma,KNO3含量为99.99%),用超纯水溶解后冷冻干燥,研磨成200目,用EA-IRMS测定其δ15N为2.42‰,利用高温裂解-IRMS测定其δ18OVSMOW为16.58‰。

所需试剂主要有:TiCl3盐酸溶液(150 g/dm3,AR, 麦克林);Zn粉(150 μm, AR, 天津申泰),NaOH溶液[称取80 g NaOH固体(GR,麦克林),溶于200 cm3超纯水]。

由于市售TiCl3盐酸溶液中可能存在部分Ti4+,需要用Zn粉将Ti4+还原为Ti3+,反应方程式如下:

2Zn+TiCl4+2H+→2ZnCl2+Ti3++H2↑

称取5 g锌粉与50 cm3TiCl3试剂反应,去除Ti4+杂质。TiCl4与锌粉反应放热并产生H2,需在500 cm3烧杯中进行反应,冷却至室温后,取上清液备用。

1.3 三价钛还原法实验原理及流程

同位素值一般用δ值表示,为被分析样品同位素比值与标准样品同位素比值的千分差,即

(1)

式(1)中:R样品为样品中测得的某一元素重同位素与轻同位素比值,R标准为参考物质中某一元素重同位素与轻同位素比值。

三价钛还原法实验流程如图1所示。

(2)

1.5 N2O气体浓度测试流程及条件

采用Porapak Q不锈钢填充柱(50～80目,长3 m×内径3.2 mm,美国Agilent公司);载气为高纯氮气,流速为28 cm3/min;色谱柱温度为60 ℃;使用ECD检测器,温度为200 ℃。

1.6 N2O气体氮氧同位素测试流程及条件

反应生成的N2O气体,由高流速的氦气(约30 cm3/min)吹出,通过高氯酸镁化学阱除水,再经过碱石灰化学阱除CO2,然后进入1级冷阱在液氮中捕集,捕集时间为300 s;捕集结束前10 s,2级冷阱置入液氮罐中,随后六通阀切换至进样模式,1级冷阱离开液氮罐,冷冻捕集的N2O在室温下释放,被低流速的氦气(约2 cm3/min)转移至2级冷阱再次捕集,冷冻捕集时间为260 s。再次切换六通阀,2级冷阱与色谱柱(长30 m×内径0.53 mm, Rt-Q-Bond,美国Restek公司)相连,之后将2级冷阱提离液氮罐,冷冻捕集的N2O气体气化,由低流速的He气送入色谱柱,在柱温35 ℃可将残留极少量的CO2与N2O气体分离,分离后的N2O进入稳定同位素比值质谱仪。根据测试情况,每隔30 s连续3次向质谱计的离子源内送入N2O参比气体,根据工作标准气N2O峰和样品峰的m/z44、m/z45和m/z46等3种离子流强度的比值,可得出样品中的N2O相对于参比气体N2O的δ15N、δ18OVSMOW值。N2O气体预富集系统装置如图2所示。

图2 N2O气体预富集系统装置示意图Fig. 2 System device for automated extraction and preconcentration of N2O1级冷阱为不锈钢管,外径为1.59 mm,内径为0.75 mm,内填3根相互缠绕的直径为0.10 mm的镍丝;2级冷阱为不锈钢管,外径为1.59 mm,内径为0.25 mm的空管。

1.7 样品采集与分析

本研究所用样品采自厦大白城近岸海水、芙蓉湖水和雨水。水样用0.22 μm滤膜过滤后盛于塑料样品瓶中,-20 ℃ 冷冻保存。

2 结果与讨论

2.1 优化实验条件

图3 不同浓度的水样转化率及氮氧同位素值Fig.3 conversion rates and nitrogen and oxygen isotope compositions with different concentrations计算转化率时,顶空气体体积按照8 cm3计算,25 ℃时,1个标准大气压下气体的摩尔体积为24.5 dm3/mol。

2.1.2 TiCl3试剂的添加量

取4 cm3浓度为20 μmol/dm3的硝酸根标准样品NO-ST4注入反应瓶中,分别加入0.05～0.40 cm3TiCl3试剂,室温反应24 h,根据测试数据确定试剂的最佳用量,结果如图4所示。

图4 不同TiCl3试剂量硝酸根样品转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 确定反应时间

在强碱性反应体系中Ti3+被快速氧化为Ti4+,从而可以有效终止硝酸根还原进程。取4 cm3浓度为20 μmol/dm3的硝酸根标准样品NO-ST4注入反应瓶中,加入0.10 cm3TiCl3试剂,在室温条件下反应,通过在不同时间点加入NaOH溶液确定其最佳反应时间,结果如图5所示。

图5 不同反应时间硝酸根转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 确定反应温度

取4 cm3浓度为20 μmol/dm3的硝酸根标准样品NO-ST4注入反应瓶中,加入0.10 cm3TiCl3试剂,分别在25 ℃(室温)和37 ℃的恒温箱中反应24 h,结果如表1所示。

表1 不同反应温度硝酸盐的转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准曲线

将国际标样USGS-34和USGS-32分别配制硝酸根浓度为20 μmol/dm3的氮氧同位素标准溶液,再将两种标准溶液以体积比3∶1、2∶2、1∶3混合,配制成3种工作标准溶液编号为 NO-ST1、NO-ST2、NO-ST3,其δ15N分别为-43.65‰、89.10‰、134.55‰,其δ18OVSMOW分别为-14.5‰、-1.1‰、12.3‰。利用USGS-34、NO-ST1、NO-ST2、NO-ST3及USGS-32这5种不同丰度的氮氧同位素标准溶液绘制校准曲线,以硝酸根的氮氧同位素标准值为横坐标,以反应产物N2O的氮氧同位素测量值为纵坐标,结果如图6所示。

图6 三价钛还原法测试硝酸根氮氧同位素校准曲线Fig. 6 Calibration curve of nitrate nitrogen and oxygen isotope using Ti3+ reduction method

氧同位素校准曲线斜率为0.617,其理论值为1,校准曲线相关系数为0.994。根据三价钛还原法的反应方程式可以看出,N2O气体只保留了6个氧原子中的1个,在去除氧原子的过程中,可能会优先丢失16O,导致较大的同位素分馏效应;也可能在反应过程中其中间产物或者最终产物N2O与水中的氧发生交换。叠氮化钠还原法和细菌反硝化法在测试硝酸根氮氧同位素的实验过程中,其中间产物或最终产物与水发生不同程度的交换已有相关报道[19]。

2.3 流程空白和方法检出限

表2 方法检出限浓度下标准样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

在方法检出限浓度下两个标准样品δ15N值的标准偏差分别为0.55‰和0.61‰,取平均值后与真值的差值分别为0.46‰和0.63‰;δ18OVSMOW值标准偏差分别为1.39‰和2.14‰,其与真值的差值分别为1.18‰和1.66‰。测定结果表明,三价钛还原法流程空白较低,且在检出限浓度下测定硝酸根氮氧同位素比值结果相对准确,能基本满足各类水样硝酸根氮氧同位素的测定。

2.4 方法精密度与准确度

配置4 cm3浓度为20 μmol/dm3的IAEA-NO-3和实验室标样NO-ST4作为样品按照上述测试流程进行处理,用校准曲线进行校准获得氮氧同位素结果如表3所示。

表3 硝酸根样品氮氧同位素精密度和准确度Tab. 3 Precision and accuracy of nitrogen and oxygen isotopes in nitrate samples

硝酸盐δ15N值的标准偏差小于0.5‰,由校准曲线校正后所得氮同位素值与其真值的差值在±0.5‰以内,由此认为测试硝酸盐氮同位素的精密度和准确度较高。δ18OVSMOW值的标准偏差小于1.0‰,由校准曲线校正后所得到的δ18OVSMOW值与其真值的差值在±1.5‰以内。

2.5 三价钛还原法的适用性

利用三价钛还原法测试了不同来源的水样,并与细菌反硝化法测试结果进行对比,结果见表4。

三价钛还原法测试3种水样δ15N值的标准偏差分别为0.34‰、0.58‰和0.46‰,与细菌反硝化法测得δ15N的差值分别为-0.43‰、-0.64‰和0.25‰,满足样品分析测试准确度要求。三价钛还原法测试δ18OVSMOW值的标准偏差分别为2.06‰、2.01‰和1.56‰,两种方法测得硝酸根δ18OVSMOW差值分别为3.22‰、5.21‰和8.58‰,三价钛还原法测试硝酸根氧同位素与细菌反硝化法测试的结果相比整体偏正。可能是由于三价钛还原法测试氧同位素存在较强的同位素分馏效应,导致两种方法测定结果差值较大。

3 结论

研究结果表明,当溶液中硝酸根浓度大于2.5 μmol/dm3时,三价钛还原法将水样中硝酸根还原为N2O的转化率满足氮氧同位素实验测试要求。5种丰度的硝酸根氮同位素标样校准曲线线性良好,氮同位素测试精密度和准确度也满足需求,不同类型水样硝酸根氮同位素与细菌反硝化法的测试结果一致。三价钛还原法测试硝酸根氧同位素过程中发生氧同位素分馏,其精密度相对较差,且与细菌反硝化法的测试结果相比,存在正偏的规律,因此在利用氧同位素的测试结果时,需要进行一个系统校正。三价钛还原法操作步骤简单,不涉及有毒试剂,试验周期短,测试效率高,利用三价钛还原法测试水体中硝酸盐氮氧同位素的方法值得推广。