大氣氣溶膠硝酸鹽中穩(wěn)定氮氧同位素比值測定

趙祝鈺 曹芳 張雯淇 翟曉瑤 方言 范美益 章炎麟

摘?要?改進了兩步化學(xué)還原法的 pH值、反應(yīng)時間、鎘粉種類、NaCl濃度等條件，測定了大氣氣溶膠硝酸鹽的氮、氧同位素比值。將樣品溶液中的硝酸鹽通過兩步還原為氧化亞氮氣體（N2O），將產(chǎn)生的N2O通過自動進樣器以及預(yù)濃縮裝置進入MAT253穩(wěn)定同位素比質(zhì)譜儀測定其氮、氧同位素比值。借助已知氮、氧同位素比值的國際標(biāo)準(zhǔn)樣品建立了N2O和NO3的氮、氧同位素比值的標(biāo)準(zhǔn)曲線，通過公式即可換算樣品中硝酸鹽的氮、氧同位素比值。方法最小進樣量只需0.8 μg（以N計），氮、氧同位素的標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為0.08‰和0.24‰。本方法原理明確，操作簡便、快速，靈敏度與精度符合環(huán)境微量樣品測試要求。將此方法應(yīng)用于東北大氣顆粒物樣品的測定中，所測氮氧同位素比值特征可以有效區(qū)分硝酸鹽來源與生成機制的季節(jié)差異。此方法適用于大氣氣溶膠樣品以及雨水、雪水等大氣低濃度環(huán)境樣品的測定。

關(guān)鍵詞?大氣氣溶膠;硝酸鹽;化學(xué)還原法;氮、氧同位素比值

1?引 言

大氣氣溶膠（PM）是影響環(huán)境質(zhì)量的重要因素，其污染源眾多，且組成成分復(fù)雜，對全球氣候、人體健康具有重要影響[1～3]。硝酸鹽是大氣氣溶膠的重要成分[4]，是大氣顆粒物二次離子的主要成分，它不僅可以參與光化學(xué)反應(yīng)、造成大氣酸沉降[5]，還影響全球氮循環(huán)，因此研究其來源及形成過程具有重要意義。近年來，穩(wěn)定同位素作為一種有效技術(shù)手段，被廣泛應(yīng)用于環(huán)境污染物質(zhì)的來源解析以及遷移轉(zhuǎn)化過程等研究中[5]。應(yīng)用穩(wěn)定同位素技術(shù)對大氣硝酸鹽溯源的研究也逐漸增多，硝酸鹽的氮、氧同位素比值測定可用于研究硝酸鹽的來源和轉(zhuǎn)化過程[6～10]，不同硝酸根來源的δ15N 存在差異[11～13]，δ18O可以指示硝酸鹽的形成路徑和轉(zhuǎn)化過程[9]，Zong等[10]利用δ15N和δ18O研究了中國華北地區(qū)一個區(qū)域背景站點PM2.5硝酸鹽的來源，表明同位素是研究大氣NOX源的有前景的工具。因此，分析氮、氧同位素可以研究大氣硝酸鹽的來源，為研究其復(fù)雜的形成過程提供線索，最終為解決大氣污染問題、制定有效的大氣污染物控制措施提供依據(jù)。

目前，有關(guān)硝酸鹽氮、氧同位素的測定方法主要有離子交換法[14]、蒸餾法[15]、擴散法[16，17]、細(xì)菌反硝化法[15，18，19]和化學(xué)轉(zhuǎn)化法[8]等，采用質(zhì)譜儀的固體或氣體模式進行分析[15，16]。蒸餾法和擴散法前處理過程比較簡單，但需要的樣品量大，容易發(fā)生樣品污染產(chǎn)生同位素分餾，并且只能測定δ15N[17]，不能同時測定氮、氧同位素。離子交換法[7，8，17]能同時測定氮、氧同位素，其前處理過程比較繁雜，而且適用的樣品類型較單一，所需樣品量大[15]。近年來發(fā)展的反硝化細(xì)菌法[18，19]和化學(xué)轉(zhuǎn)化法[20]均以N2O氣體作為測定對象，受干擾程度小、需要的樣品量低，而且可以同時測定氮、氧同位素[21]。但反硝化方法細(xì)菌培養(yǎng)周期長，維護成本較高，且生物反應(yīng)復(fù)雜[22]，難以在普通實驗室實現(xiàn)。

化學(xué)還原法原理明確且操作過程簡單，對復(fù)雜樣品也適用，容易建立，是目前國內(nèi)實驗室采用較多的方法。該方法包括兩步還原，第一步還原是使用鎘將硝酸鹽還原為亞硝酸鹽，第二步還原是用疊氮鈉醋酸緩沖溶液將亞硝酸鹽還原為氧化亞氮氣體[8，15]。研究者根據(jù)不同樣品性質(zhì)使用海綿鎘[20]、鍍銅鎘[22]、鹽酸活化過的鎘[8，20]、普通鎘粉[8]等進行了大量的實驗，以優(yōu)化實驗方案，發(fā)現(xiàn)使用不同鎘粉對反應(yīng)時間、反應(yīng)體系pH值有不同的要求，如海綿鎘的制備過程比較耗時、鍍銅鎘粒還原要求pH=8等[8，20，22]。目前，這些方法已被廣泛應(yīng)用于不同類型水體、土壤硝酸鹽氮、氧同位素的分析中。

由于大氣樣品理化性質(zhì)與水體、土壤等樣品存在差異，且其硝酸鹽含量相對較低，將傳統(tǒng)化學(xué)還原法應(yīng)用于大氣氣溶膠樣品時，硝酸鹽的轉(zhuǎn)化率不高，僅約40%。因此，本研究針對化學(xué)還原法的NaCl濃度（5 mol/L和0.5 mol/L）、鎘粉種類（鎘粉和10%鹽酸活化的鎘粉）、兩步還原反應(yīng)的pH值及反應(yīng)時間等實驗條件進行調(diào)整及優(yōu)化，以獲得一種適合大氣氣溶膠硝酸鹽的氮、氧同位素比值的測定方法。通過化學(xué)轉(zhuǎn)化法將采集的大氣樣品中硝酸鹽還原為亞硝酸鹽，再進一步還原為氧化亞氮氣體，使用MAT253穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀測定氧化亞氮氣體的δ15N和δ18O，通過國際標(biāo)準(zhǔn)樣品USGS32和USGS34的氮、氧同位素標(biāo)準(zhǔn)曲線確定的比例公式換算為大氣硝酸鹽中氮、氧同位素比值。在此基礎(chǔ)上，分析測定了國際標(biāo)準(zhǔn)樣品IAEA-NO-3和USGS35，以及大氣氣溶膠樣品、雨水和雪水樣品中硝酸鹽氮、氧同位素比值的測定中，對方法的可行性和精確性進行了驗證。

2?實驗部分

2.1?儀器與試劑

MAT253穩(wěn)定同位素比質(zhì)譜儀（美國Thermo Scientific公司），配備有多用途在線氣體制備裝置GasBench和痕量氣體，預(yù)濃縮裝置Precon（溫度21℃），離子源電壓為9.50 kV，真空值為1.2×10?6Pa，載氣為高純99.999%氦氣（上海液空公司）;ICS 5000+離子色譜（美國Thermo Scientific公司）;BSA124S電子天平、PB-10酸度計（德國Sartorius公司）。

鎘粉（Alfa公司）;NaCl、咪唑、乙酸、HCl、NaOH、NaN3，均為優(yōu)級純。同位素國際標(biāo)準(zhǔn)樣品：USGS32、USGS34和USGS35（United States Geological Survery，99.999%）。實驗用水為超純水，由Milli-Q Reference純水儀（美國Milli-Q公司）制備。

2.2?方法原理

在弱堿性環(huán)境中，金屬鎘將樣品溶液中的NO3還原為NO?2（第一步還原），反應(yīng)方程式如下[22]：

在疊氮鈉-醋酸酸性緩沖體系中，NO2與N?3反應(yīng)，生成N2O氣體（第二步還原），反應(yīng)方程式如下[20]：

由反應(yīng)（1）可知，第一步還原反應(yīng)過程中會產(chǎn)生OH–，導(dǎo)致反應(yīng)結(jié)束后pH值升高;而反應(yīng)（2）表明第二步還原需在酸性環(huán)境下進行，可見，pH值對整個反應(yīng)有很大的影響。

此外，反應(yīng)體系中Cl–濃度也對整個反應(yīng)過程有重要影響[6，8，20]，研究表明，在體系中加入適量Cl–，可防止硝酸鹽被鎘粉過度還原[6，8]，加快亞硝酸鹽與疊氮根的反應(yīng)速率[8，20]。

2.3?產(chǎn)生的N2O的氮、氧同位素組成

在第二步還原反應(yīng)中，亞硝酸鹽的氧同位素會和水中的氧同位素發(fā)生交換，交換機制為[23]：

反應(yīng)（3）速率隨pH值增加而降低，在pH>2時，認(rèn)為氧同位素和水中氧同位素交換量很少[20]。

反應(yīng)（2）產(chǎn)生的N2O氣體的分子由兩個氮原子和一個氧原子構(gòu)成，其中氧原子來自反應(yīng)過程中的NO?2，一個氮原子來自NO2，另一個氮原子來自N3。反應(yīng)過程中的NO2的氮、氧同位素比值與原NO3的相同。因此，在確定反應(yīng)完全以及N3的氮同位素比值穩(wěn)定的情況下，產(chǎn)物N2O的δ15N值應(yīng)是硝酸鹽和疊氮化物的平均值，標(biāo)準(zhǔn)硝酸鹽δ15N與生成的氧化亞氮的δ15N的預(yù)期斜率將為0.5。如果反應(yīng)（3）未與水發(fā)生氧交換和同位素分餾，N2O的δ18O與來自硝酸鹽的δ18O的斜率應(yīng)為1。最后通過相關(guān)曲線公式將測得的N2O氣體的氮氧同位素比值換算為樣品硝酸鹽的氮氧同位素比值[20]。

2.4?樣品處理與化學(xué)分析

2.4.1?大氣氣溶膠樣品前處理?用離子色譜分析采集的大氣顆粒物濾膜上的NO3質(zhì)量濃度，根據(jù)所測濃度計算需要的膜面積、加水量和體積，加入適量超純水，使溶液含氮濃度為0.2 μg/mL，超聲振蕩30 min，用0.22 μm 水相針式濾器過濾，取5 mL樣品溶液存儲到13 mL離心管中。

2.4.2?N和O同位素測定?用實驗室配制的0.2 μg/mL NaNO3溶液結(jié)合國際標(biāo)準(zhǔn)樣品（USGS34，USGS35）進行大量的重復(fù)對照實驗，調(diào)節(jié)了第一步NO3還原反應(yīng)pH值、第二步NO2還原反應(yīng)pH值和反應(yīng)時間等實驗條件，討論了鎘粉、HCl活化的鎘粉結(jié)合NaCl的用量對結(jié)果的影響，最后研究了第一步還原反應(yīng)時間等條件，最終確定了適合大氣硝酸鹽顆粒物氮、氧同位素測定的方案。

向樣品溶液中加入NaCl固體（馬弗爐450℃灼燒4 h），再向溶液中加入0.5 mol/L HCl和1 mol/L咪唑調(diào)節(jié)pH值，加入0.3 g鎘粉（或加入0.4～0.5 g 10% HCl活化的鎘粉）。 在37℃以120 r/min振蕩，靜置使鎘粉沉淀，吸取4 mL上層溶液于12 mL頂空瓶中。將2 mol/L NaN3溶液與20%乙酸溶液按照體積比1∶1混合，在70 mL/min流速下用高純氦氣吹掃10 min，去除可能的含氮雜質(zhì)。向12 mL頂空瓶中注入0.2 mL吹掃后的疊氮鈉醋酸緩沖溶液，倒扣放置后，加入0.4 mL 10 mol/L NaOH溶液終止反應(yīng)。通過自動進樣器將頂空瓶上部N2O氣體吹掃到Precon+Gas BenchⅡ聯(lián)用系統(tǒng)下的穩(wěn)定同位素比質(zhì)譜儀中測定δ18O和δ15N。測樣流程如圖1所示。每批樣品需測試空白樣品以及平行標(biāo)準(zhǔn)樣品（n=3），測試結(jié)果均經(jīng)過空白校正。

3?結(jié)果和討論

3.1?還原效率對同位素分餾的影響

圖2為國際標(biāo)樣USGS34（δ15N=1.8‰， δ18O=27.9‰）的還原率（根據(jù)與完全還原最接近真實同位素值時質(zhì)譜儀測定N2O峰面積40的比值計算）與氮、氧同位素值的關(guān)系示意圖。

結(jié)果表明，還原反應(yīng)不充分時同位素值不穩(wěn)定。還原率越高，δ15N和δ18O值越正，在還原率>90%時，所測得的同位素值接近真實值（虛線所示），說明還原率低會影響N、O同位素的測定，因此，需要優(yōu)化反應(yīng)條件以提高還原率，才可能保障樣品氮、氧同位素的測定結(jié)果更為準(zhǔn)確有效。

3.2?還原率（以及同位素值）的影響因素

3.2.1?pH值對NO3第一步還原反應(yīng)的影響?已有研究表明，需加入0.1 mL 1 mol/L咪唑調(diào)節(jié)第一步反應(yīng)至pH 9[8，20]，王曦等[21]使用鍍銅鎘粒時，調(diào)節(jié)至pH 8。在此基礎(chǔ)上，本研究進行了第一步還原反應(yīng)中pH值對還原率影響的研究，通過0.5 mol/L HCl與1 mol/L咪唑形成的緩沖體系調(diào)節(jié)pH值，結(jié)果如表1所示。第一步還原反應(yīng)pH值在弱堿性范圍內(nèi)對還原率的影響差別不大，pH=8反應(yīng)即達(dá)到完全。這在很大程度上減少了工作量，不需測試每個樣品的pH值，也降低了添加試劑對樣品測試結(jié)果的影響。

根據(jù)反應(yīng)原理（1），第一步還原反應(yīng)產(chǎn)生大量OH， 反應(yīng)結(jié)束后pH值上升，在反應(yīng)完全的情況下，第一步還原反應(yīng)pH至越高，反應(yīng)結(jié)束后的pH值也越高，影響第二步反應(yīng)的pH值。因此對第二步還原反應(yīng)條件進行討論。

3.2.2?pH值和反應(yīng)時間對NO2第二步還原反應(yīng)的影響?在第一步還原反應(yīng)pH=8的條件下，研究第二步還原反應(yīng)pH值對還原率的影響，通過添加1 mol/L咪唑和20%乙酸調(diào)節(jié)pH值。由圖3可知，隨第二步還原反應(yīng)pH值升高，還原率有下降趨勢。在pH 4.4～4.6范圍內(nèi)還原率基本達(dá)95.5%±4.2%，pH<4.6時還原產(chǎn)率較高且較穩(wěn)定。若加入約30 μL乙酸將第二步還原反應(yīng)調(diào)節(jié)至pH<4.5，將導(dǎo)致氧同位素與之發(fā)生交換進而影響測得的氧同位素值。如表1所示，第一步還原體系中pH=8，第二步反應(yīng)加疊氮鈉醋酸緩沖溶液后的pH即為4.5左右， 不需另外調(diào)節(jié)。