“離子交換法”測定硝酸鹽氧同位素組成方法的改進

王 波, 劉 彪, 王雪梅

(陜西科技大學 化學與化工學院 天然產物穩(wěn)定同位素組學實驗室 陜西省輕化工助劑重點實驗室, 陜西 西安 710021)

0 引言

過去數十年,隨著工農業(yè)活動的不斷增加,人類向環(huán)境中排放的硝酸鹽不斷增加,引起了河流、湖泊和海洋等水體富營養(yǎng)化等問題,同時也嚴重污染了地下飲用水,危害人們的身心健康發(fā)展[1-6].水體中硝酸鹽來源多種多樣,僅通過測定硝酸鹽的濃度并不能完全揭示硝酸鹽在自然環(huán)境中的來源以及生化轉化過程,而氮、氧穩(wěn)定同位素技術可有效識別硝酸鹽的來源及其轉化,因此,氮、氧穩(wěn)定同位素技術在硝酸鹽的溯源和貢獻比例解析方面具有廣闊的應用前景[7,8].自然界中氧同位素分餾會造成含氧物質δ18O差異,水體中硝酸鹽氧同位素主要源于農藥化肥(+17 mUr ～+25 mUr)[9]、生活生產中污水排放(-5 mUr～+10 mUr之間)[10]、土壤有機質(-10 mUr～+10 mUr)[11]、動物糞便(+5 mUr～+7 mUr)[10]、大氣沉降(+25 mUr～+75 mUr)[12].因此研究人員利用氮、氧穩(wěn)定同位素技術,示蹤硝酸鹽氮、氧元素循環(huán),揭示其在自然環(huán)境中的遷移、生化轉化過程[6],以減少其對人體健康的危害[13,14].

目前,硝酸鹽δ15N和δ18O分析方法主要有離子交換法、化學轉化法和細菌反硝化法三種.離子交換法測定硝酸鹽N、O同位素組成由Chang等[15]建立,該方法首先將水樣通過陰離子交換樹脂,使樣品中所有的陰離子富集在樹脂上;再用鹽酸將富集在樹脂上陰離子洗脫下來,然后加入Ag2O調節(jié)pH約為6～7,硝酸鹽轉化為AgNO3;通過離心除去反應體系中剩余的Ag2O和AgCl沉淀及其它不溶性銀鹽;將離心得到的含有AgNO3的溶液進行冷凍干燥,冷凍干燥后的AgNO3樣品直接在EA/IRMS上測試,獲得δ15N值[16].若要獲得δ18O值,需要進一步利用BaCl2沉淀AgNO3溶液中微溶的Ag2SO4和Ag3PO4,再通過陽離子樹脂(H型)和Ag2O中和兩步處理,才能用EA/IRMS測定O同位素組成[17,18].該方法缺點是實驗大量使用Ag2O、成本高,分析一個樣品花費約600人民幣[19],并且樣品衍生過程復雜,需要5步操作才能完成,整個流程耗時3～5天時間.

圖1 硝酸鹽衍生流程對比

1 實驗部分

1.1 化學試劑

陰離子交換樹脂(200-400目,美國Bio-Rad有限公司生產,AGI-X8 Cl型);Na2SO4、BaCl2(上海Adamas-beta試劑公司);HCl(上海阿拉丁生化科技有限公司);Ag2O(上海邁瑞爾化學技術有限公司);硝酸鹽標準品:USGS32(δ18O=25.7 mUr)、USGU34(δ18O=-27.9 mUr)、USGS35(δ18O=57.5 mUr).

1.2 實驗儀器

使用磁力攪拌器(鞏義市予華儀器有限責任公司,MS-H型);純水機(四川優(yōu)普超純科技有限公司,UPHW-90T型);可調式移液槍(德國Eppendorf公司,Research plus型);冷凍干燥機(德國Christ公司,Alpha2-4LDPlus型);離心機(德國Sigma公司,3-30KS型);電熱恒溫干燥箱(天津市中環(huán)電爐股份有限公司,DH-202型);十萬分之一電子天平(德國Sartorius公司,BSA224S型);百萬分之一電子天平(瑞士Mettler Toledo公司,XPR10型);超聲波清洗器(昆山市超聲儀器有限公司,KQ-500VD型);EA/IRMS(賽默飛世爾科技(中國)有限公司,MAT 253 plus型).

1.3 樣品采集和保存

樣品的采集:本研究分別采集了西安周邊浐河及灞河流域的淡水水樣.浐河、灞河流經的西安市區(qū)縣內人口密集、農業(yè)生產較為發(fā)達,采樣點包括灞河-廣運家園、灞河-開心農場、灞河-富力分校、灞河-水吳新村、浐河-穆將王立交、浐河-雁鳴湖公園;另外在灞河流出秦嶺山脈的峪口附近也采集了水樣,該流域人口少,受到農業(yè)生產影響干擾小,采樣點為灞河-馮家灣村.

樣品的保存:采集水樣(1～3L),收集在預先用超純水清洗過的塑料瓶中,放入盛有干冰的收集箱中.待樣品運回實驗室后,在-20℃的冰箱中冷凍保存,以減少硝酸鹽同位素的分餾.

1.4 樣品衍生:將硝酸鹽轉化為硝酸銀

(2)含氧陰離子的去除:過濾掉水樣中的不溶雜質,取1～3 L水樣,加入BaCl2(每升水樣加582 mg的BaCl2),攪拌10 min,然后在冰箱中(2 ℃～5 ℃)放置5 h使其充分沉淀,離心或過濾除去BaSO4和Ba3(PO4)2沉淀;

1.5 EA/IRMS儀器測試分析

在百萬分之一天平上準確稱量硝酸銀樣品0.1～0.2 mg,用EA/IRMS分析專用的銀杯將樣品包裹好后,通過自動進樣器完成進樣.在連續(xù)流模式下,硝酸鹽樣品首先在熱解爐(1 350℃)中被高溫熱解(高溫還原)為CO和N2氣體.緊接著CO和干擾氣體N2在高純氦氣的運載下,通過一個1米長的分子篩柱在線分離,經純化后的CO通過分流接口進入同位素比值質譜進行檢測.在電離室中,CO氣體被電離為[12C16O]+,[12C17O]+和[13C16O]+,[12C18O]+和[13C17O]+,IRMS記錄質量分別為28、29和30的離子電流,并用ISODAT 3.0軟件將其轉換為δ18O值(圖2).所有氧同位素比值都以相對于VSMOW的標準δ值來報告δ18O=(RSA-RVSMOW)/RVSMOW,其中RSA指樣品的重同位素(18O)與輕同位素(16O)的豐度比,RVSMOW指原子能機構VSMOW標準的豐度比.AgNO3固體在EA/IRMS測試δ18O圖譜如圖3所示.

圖2 EA/IRMS分析硝酸銀δ18O原理示意圖

圖3 硝酸銀在EA/IRMS測試δ18O圖譜

2 結果與討論

2.1 干擾離子和的去除

2.2 微量雜質對硝酸根氧同位素測定的影響

配制含有0.5% Na2SO4(δ18O=21.50 mUr)的USGS32樣品:稱取10 mg硝酸鹽同位素國際標準品USGS32和0.05 mg的Na2SO4(δ18O=21.50 mUr)溶于10 mL的去離子水中,待完全溶解后,冷凍干燥即可.用同樣的方法可分別配制出含1%、5%和10% Na2SO4的USGS32樣品,以及含有0.5%、1%、5%和10% Na2SO4的USGS34樣品和USGS35樣品共12組,然后用EA/IRMS測量12組樣品的δ18O值,其結果如表1、表2、表3所示.

表1 硫酸鹽雜質對USGS 32氧同位素

表2 硫酸鹽雜質對USGS 34氧同位素

表3 硫酸鹽雜質對USGS 35氧同位素

2.3 BaCl2除離子的反應過程對硝酸鹽氧同位素影響

圖4 BaCl2除離子對硝酸鹽δ18O 的影響

2.4 全流程的同位素分餾分析評估

為評價改進后方法的可靠性和測量的精確度和準確度,三個硝酸鹽國際標準物質USGS32、USGS34和USGS35被溶解在去離子水中,得到三個不同硝酸鹽氧同位素組成的水樣.然后使用改進后方法將3個水樣中的硝酸鹽衍生為AgNO3,并在EA/IRMS完成測試,結果如表4所示.對衍生后的AgNO3樣品進行測試,儀器重復測量的精度均優(yōu)于0.8 mUr,且三次測試的標準偏差均小于0.5,這表明δ18O-AgNO3離散程度小,δ18O-AgNO3值偏離平均值較小.

表4 全流程δ18O測定值

圖5以國際標準物質δ18OUSGS值為橫坐標,以經全流程衍生為AgNO3的δ18O值為縱坐標繪制曲線.由圖5可知,標準物質的δ18OUSGS值與經改進后的方法衍生得到的AgNO3的δ18O值具有非常高的相關性(R2=0.999 8),回歸曲線方程的斜率接近于1(k=0.99),說明該衍生方法引起的同位素分餾十分微小.在酸性條件下,硝酸根的氧原子會與水分子中的氧原子發(fā)生交換,造成同位素分餾[24],這可能是該方法產生微小分餾的主要原因.但由于在該方法中,硝酸根離子在酸性環(huán)境中停留的時間十分短暫,因此引起的同位素分餾很小.回歸曲線的截距0.11 mUr,表明硝酸鹽的回收基本是完全的,而化學轉化法和細菌還原法的截距分別為83 mUr[20]和38 mUr[22-23],說明該衍生方法的準確度和可靠性優(yōu)于后兩者.

圖5 全流程δ18O測定標準回歸線

2.5 灞河和浐河水文參數及硝酸鹽氧同位素測定

為了檢驗該方法的實用性,本文在陜西省西安市附近的浐河和灞河的不同位置采集了樣品,使用改進后的離子交換法對水樣中硝酸鹽進行了衍生,并利用EA/IRMS測試了δ18O值.樣品的水文參數和硝酸鹽氧同位素值如表5所示.

表5 灞河和浐河水文參數及硝酸鹽氧同位素組成

3 結論