“离子交换法”测定硝酸盐氧同位素组成方法的改进

王 波, 刘 彪, 王雪梅

(陕西科技大学 化学与化工学院 天然产物稳定同位素组学实验室 陕西省轻化工助剂重点实验室, 陕西 西安 710021)

0 引言

过去数十年,随着工农业活动的不断增加,人类向环境中排放的硝酸盐不断增加,引起了河流、湖泊和海洋等水体富营养化等问题,同时也严重污染了地下饮用水,危害人们的身心健康发展[1-6].水体中硝酸盐来源多种多样,仅通过测定硝酸盐的浓度并不能完全揭示硝酸盐在自然环境中的来源以及生化转化过程,而氮、氧稳定同位素技术可有效识别硝酸盐的来源及其转化,因此,氮、氧稳定同位素技术在硝酸盐的溯源和贡献比例解析方面具有广阔的应用前景[7,8].自然界中氧同位素分馏会造成含氧物质δ18O差异,水体中硝酸盐氧同位素主要源于农药化肥(+17 mUr ～+25 mUr)[9]、生活生产中污水排放(-5 mUr～+10 mUr之间)[10]、土壤有机质(-10 mUr～+10 mUr)[11]、动物粪便(+5 mUr～+7 mUr)[10]、大气沉降(+25 mUr～+75 mUr)[12].因此研究人员利用氮、氧稳定同位素技术,示踪硝酸盐氮、氧元素循环,揭示其在自然环境中的迁移、生化转化过程[6],以减少其对人体健康的危害[13,14].

目前,硝酸盐δ15N和δ18O分析方法主要有离子交换法、化学转化法和细菌反硝化法三种.离子交换法测定硝酸盐N、O同位素组成由Chang等[15]建立,该方法首先将水样通过阴离子交换树脂,使样品中所有的阴离子富集在树脂上;再用盐酸将富集在树脂上阴离子洗脱下来,然后加入Ag2O调节pH约为6～7,硝酸盐转化为AgNO3;通过离心除去反应体系中剩余的Ag2O和AgCl沉淀及其它不溶性银盐;将离心得到的含有AgNO3的溶液进行冷冻干燥,冷冻干燥后的AgNO3样品直接在EA/IRMS上测试,获得δ15N值[16].若要获得δ18O值,需要进一步利用BaCl2沉淀AgNO3溶液中微溶的Ag2SO4和Ag3PO4,再通过阳离子树脂(H型)和Ag2O中和两步处理,才能用EA/IRMS测定O同位素组成[17,18].该方法缺点是实验大量使用Ag2O、成本高,分析一个样品花费约600人民币[19],并且样品衍生过程复杂,需要5步操作才能完成,整个流程耗时3～5天时间.

图1 硝酸盐衍生流程对比

1 实验部分

1.1 化学试剂

阴离子交换树脂(200-400目,美国Bio-Rad有限公司生产,AGI-X8 Cl型);Na2SO4、BaCl2(上海Adamas-beta试剂公司);HCl(上海阿拉丁生化科技有限公司);Ag2O(上海迈瑞尔化学技术有限公司);硝酸盐标准品:USGS32(δ18O=25.7 mUr)、USGU34(δ18O=-27.9 mUr)、USGS35(δ18O=57.5 mUr).

1.2 实验仪器

使用磁力搅拌器(巩义市予华仪器有限责任公司,MS-H型);纯水机(四川优普超纯科技有限公司,UPHW-90T型);可调式移液枪(德国Eppendorf公司,Research plus型);冷冻干燥机(德国Christ公司,Alpha2-4LDPlus型);离心机(德国Sigma公司,3-30KS型);电热恒温干燥箱(天津市中环电炉股份有限公司,DH-202型);十万分之一电子天平(德国Sartorius公司,BSA224S型);百万分之一电子天平(瑞士Mettler Toledo公司,XPR10型);超声波清洗器(昆山市超声仪器有限公司,KQ-500VD型);EA/IRMS(赛默飞世尔科技(中国)有限公司,MAT 253 plus型).

1.3 样品采集和保存

样品的采集:本研究分别采集了西安周边浐河及灞河流域的淡水水样.浐河、灞河流经的西安市区县内人口密集、农业生产较为发达,采样点包括灞河-广运家园、灞河-开心农场、灞河-富力分校、灞河-水吴新村、浐河-穆将王立交、浐河-雁鸣湖公园;另外在灞河流出秦岭山脉的峪口附近也采集了水样,该流域人口少,受到农业生产影响干扰小,采样点为灞河-冯家湾村.

样品的保存:采集水样(1～3L),收集在预先用超纯水清洗过的塑料瓶中,放入盛有干冰的收集箱中.待样品运回实验室后,在-20℃的冰箱中冷冻保存,以减少硝酸盐同位素的分馏.

1.4 样品衍生:将硝酸盐转化为硝酸银

(2)含氧阴离子的去除:过滤掉水样中的不溶杂质,取1～3 L水样,加入BaCl2(每升水样加582 mg的BaCl2),搅拌10 min,然后在冰箱中(2 ℃～5 ℃)放置5 h使其充分沉淀,离心或过滤除去BaSO4和Ba3(PO4)2沉淀;

1.5 EA/IRMS仪器测试分析

在百万分之一天平上准确称量硝酸银样品0.1～0.2 mg,用EA/IRMS分析专用的银杯将样品包裹好后,通过自动进样器完成进样.在连续流模式下,硝酸盐样品首先在热解炉(1 350℃)中被高温热解(高温还原)为CO和N2气体.紧接着CO和干扰气体N2在高纯氦气的运载下,通过一个1米长的分子筛柱在线分离,经纯化后的CO通过分流接口进入同位素比值质谱进行检测.在电离室中,CO气体被电离为[12C16O]+,[12C17O]+和[13C16O]+,[12C18O]+和[13C17O]+,IRMS记录质量分别为28、29和30的离子电流,并用ISODAT 3.0软件将其转换为δ18O值(图2).所有氧同位素比值都以相对于VSMOW的标准δ值来报告δ18O=(RSA-RVSMOW)/RVSMOW,其中RSA指样品的重同位素(18O)与轻同位素(16O)的丰度比,RVSMOW指原子能机构VSMOW标准的丰度比.AgNO3固体在EA/IRMS测试δ18O图谱如图3所示.

图2 EA/IRMS分析硝酸银δ18O原理示意图

图3 硝酸银在EA/IRMS测试δ18O图谱

2 结果与讨论

2.1 干扰离子和的去除

2.2 微量杂质对硝酸根氧同位素测定的影响

配制含有0.5% Na2SO4(δ18O=21.50 mUr)的USGS32样品:称取10 mg硝酸盐同位素国际标准品USGS32和0.05 mg的Na2SO4(δ18O=21.50 mUr)溶于10 mL的去离子水中,待完全溶解后,冷冻干燥即可.用同样的方法可分别配制出含1%、5%和10% Na2SO4的USGS32样品,以及含有0.5%、1%、5%和10% Na2SO4的USGS34样品和USGS35样品共12组,然后用EA/IRMS测量12组样品的δ18O值,其结果如表1、表2、表3所示.

表1 硫酸盐杂质对USGS 32氧同位素

表2 硫酸盐杂质对USGS 34氧同位素

表3 硫酸盐杂质对USGS 35氧同位素

2.3 BaCl2除离子的反应过程对硝酸盐氧同位素影响

图4 BaCl2除离子对硝酸盐δ18O 的影响

2.4 全流程的同位素分馏分析评估

为评价改进后方法的可靠性和测量的精确度和准确度,三个硝酸盐国际标准物质USGS32、USGS34和USGS35被溶解在去离子水中,得到三个不同硝酸盐氧同位素组成的水样.然后使用改进后方法将3个水样中的硝酸盐衍生为AgNO3,并在EA/IRMS完成测试,结果如表4所示.对衍生后的AgNO3样品进行测试,仪器重复测量的精度均优于0.8 mUr,且三次测试的标准偏差均小于0.5,这表明δ18O-AgNO3离散程度小,δ18O-AgNO3值偏离平均值较小.

表4 全流程δ18O测定值

图5以国际标准物质δ18OUSGS值为横坐标,以经全流程衍生为AgNO3的δ18O值为纵坐标绘制曲线.由图5可知,标准物质的δ18OUSGS值与经改进后的方法衍生得到的AgNO3的δ18O值具有非常高的相关性(R2=0.999 8),回归曲线方程的斜率接近于1(k=0.99),说明该衍生方法引起的同位素分馏十分微小.在酸性条件下,硝酸根的氧原子会与水分子中的氧原子发生交换,造成同位素分馏[24],这可能是该方法产生微小分馏的主要原因.但由于在该方法中,硝酸根离子在酸性环境中停留的时间十分短暂,因此引起的同位素分馏很小.回归曲线的截距0.11 mUr,表明硝酸盐的回收基本是完全的,而化学转化法和细菌还原法的截距分别为83 mUr[20]和38 mUr[22-23],说明该衍生方法的准确度和可靠性优于后两者.

图5 全流程δ18O测定标准回归线

2.5 灞河和浐河水文参数及硝酸盐氧同位素测定

为了检验该方法的实用性,本文在陕西省西安市附近的浐河和灞河的不同位置采集了样品,使用改进后的离子交换法对水样中硝酸盐进行了衍生,并利用EA/IRMS测试了δ18O值.样品的水文参数和硝酸盐氧同位素值如表5所示.

表5 灞河和浐河水文参数及硝酸盐氧同位素组成

3 结论