水样硝酸盐氮同位素分析
方法提要
在野外采用自由重力过柱的离子交换色层法从水中分离富集硝酸盐氮，密封保存;回到实验室采用扩散法以(NH4)2SO4的形式从洗脱液中分离硝酸盐，纯化试样。扩散法得到的试样冷冻干燥后，用Rittenberg法氧化NH4+为N2，并通过连接装置与连续流同位素质谱仪连接，测定δ15N值。该方法省时、省力，可以大批量处理试样。离子交换色层法处理的试样可以较长时间保存，保证了长期野外采样的需求。
仪器设备
连续流同位素质谱计。
MillporeQ超纯水机。
干燥箱。
冷冻干燥仪。
试剂和材料
氯化钾(优级纯)。
氧化镁粉末(优级纯)。
定氮合金将新购进的定氮合金在玛瑙研钵中研成200目，密封备用。
硫酸优级纯。
质谱分析用参考气。
工作标准MOR2386-01日本Shoko公司生产。
国际标准物质IAEA-N-1、IAEA-N-2、IAEA-N-3。
阴离子交换树脂Dowex1-X8(Cl型，100～200目)依次用1mol/LHCl、1mol/LNaOH溶液及无氮水(MillporeQ超纯水设备制备)充分清洗树脂后，将树脂和水混合物加入含1/3柱高水的上粗下细两段圆柱形色层柱(上段内径2cm，高2cm;下段内径1cm，高10cm，底部为3号玻璃筛板)中，制成树脂长度分别为5cm和10cm的两种色层柱，过量的水于下端排去。注意水面不能低于树脂面。将一根小水管插入色层柱底部，缓慢注入无氮水回洗，以排除水泡、残屑及树脂细屑，流速为0.5～1mL/min，回洗时间约30min。取出小水管，使树脂重力下沉，保留高出树脂面1～2cm的液面。用40mL1mol/LNaOH溶液分3次过交换柱转型为OH型，再以0.5～1mL/min流速过10mL去离子水，密封备用。
120mL聚乙烯瓶(扩散瓶)。
10mL小玻璃瓶(接收瓶)。
搅拌子。
连续流专用锡杯。
分析步骤
(1)制样方法
a.离子交换色层法分离富集硝酸盐氮。水样NO-3的富集采用离子交换色层法。根据硝酸盐含量在野外采集水样(含N>2.5mg)后，现场使用大口径抽滤瓶真空过滤，过滤后用树脂长度为5cm阴离子交换树脂Dowex1-X8(OH型)富集水样中的NO-3。采用重力过柱，用干净的硅胶管将水样引进交换柱中，使交换柱树脂面始终低于水样液面10cm即可。过柱速率取决于交换柱本身的流速，不加以人工控制，一般为0.6～0.9L/h。过完水样后的树脂加少量无氮水以防树脂干燥，密封保存。在适宜的条件下(如工作地点稳定后或者回到实验室后)，先用30mL2mol/LKCl溶液，再用少量无氮水洗脱吸附的NO-3，流速控制在15～30mL/h。
b.扩散法提纯和进一步富集硝酸盐氮。NO-3洗脱液用扩散法进一步处理。扩散实验在实验室内进行，如果野外可以得到较长时间震动较小的环境，扩散法也可以在野外进行。将洗脱液移入密封性能良好的120mL聚乙烯瓶(扩散瓶)中。准备好一个酸洗干净的约10mL的小玻璃瓶(接收瓶)，用一根约10cm长的尼龙丝系牢，扩散前往该接收瓶中移入2mL0.1mol/LH2SO4溶液。依次序往聚乙烯扩散瓶中加0.5～0.8g达氏合金、0.5gMgO粉末和一个酸洗搅拌子，迅速将上述加有H2SO4溶液的接收瓶小心放入扩散瓶中，用尼龙丝固定于扩散瓶上部，迅速盖紧扩散瓶盖进行扩散。
在50℃条件下扩散10d是比较理想的扩散条件，回收率>95%，且杂质对硝酸盐溶液的扩散影响较小。
(2)质谱测量
将扩散得到的硫酸铵溶液冷冻干燥后混匀，称取含N～100g的硫酸铵粉末于连续流质谱专用的锡杯中包裹好。将锡杯及其中的样品投入连续流质谱中进行氮同位素分析。使用的工作标准为MOR2386-01。由试样与标准物质(或参考气)不少于6次比较测量数据计算测定结果的平均值及其标准偏差。
方法的重复性和再现性
本方法的精确度由标准物质分析结果间接给出，对δ15N一般情况下好于±0.1‰。
氮同位素国际标准和标准物质
表87.19 国际氮同位素标准物质的数据
讨论
1)野外水样采集过滤后需尽快从水样中分离出NO-3，以免其在微生物作用下发生变化。传统的水样硝酸盐氮稳定同位素分析预处理方法是Kjeldahl法，要求事先对水样进行酸化浓缩富集或亚沸点浓缩富集，需要大量的操作时间，且不能在野外进行。目前多使用真空过柱离子交换色层法取代浓缩富集，可以在较短的时间内(4～5h;Silva，2000)完成。在野外难以获得长时间的真空条件，而且容易造成树脂脱水。过柱富集洗脱后一般采用Kjeldahl法，同样费时费力且易引起交叉污染(肖化云，刘丛强，2001)。本方法采用自由重力过柱离子交换色层法从水中分离富集硝酸盐氮，适于批量试样，可以在野外进行;重力过柱时间较长，采用过夜过柱可克服这个缺点;3号筛板可一直保存少量的水样在树脂中不至于使树脂因无人看护水样过完而干燥，大大方便了野外预处理。色层法出来后的试样可较长时间保存，再进一步采用扩散法纯化。
2)为了测定不同长度树脂对不同浓度的硝酸盐溶液的吸附率，进行了树脂长度分别为5cm(约5mL体积)和10cm(约10mL体积)的色层柱对50mL浓度分别为500mg/L、1000mg/L和2000mg/L的硝酸盐溶液的吸附实验。过柱实验后的溶液用紫外分光光度法测定NO-3含量，测定结果见表87.20。从表中可以看出，上述不同条件下硝酸盐吸附率均>99.9%。
有研究表明(Liu，Mulvaney，1992)，吸附在树脂上的硝酸盐可至少保存55d不会对分析结果有影响，这么长的保存时间足以完成大多数野外工作，回到实验室内进行进一步的处理。
表87.20 不同树脂柱硝酸盐的过柱吸附率
图87.18 不同条件下硝酸盐的洗脱效率
将测定硝酸盐吸附率后的6管树脂柱分别用50mL2mol/LKCl溶液分10次进行洗脱，每次5mL。洗脱溶液用紫外分光光度法测定硝酸盐含量，测定结果见图87.18及表87.21。图87.18表明，对吸附3种不同浓度硝酸盐后的树脂的洗脱，树脂长度为10cm的色层柱的洗脱顺序滞后于树脂长度为5cm的色层柱5～10mL。表87.21表明，前30mL2mol/LKCl溶液(5mL洗脱6次)对树脂长度为5cm的色层柱的洗脱效果较好，均大于95%，而对树脂长度为10cm的色层柱的洗脱效果则不理想。因此，为了使用尽可能少的树脂及使用少量的2mol/LKCl溶液达到最大的洗脱效率，选用树脂长度为5cm的色层柱进行吸附，并用30mL2mol/LKCl溶液洗脱比较理想。
表87.21 30mL2MKCl溶液对不同树脂长度色层柱的洗脱率
3)由于Dowex50W-X8树脂对NO-3的吸附率大于97%，洗脱率近于100%(Garten，1992)，即在吸附与洗脱过程中不会产生明显的氮同位素分馏。
4)阴离子交换树脂富集NO-3后，需进一步将其从洗脱液中分离出来。这一步常采用的方法是Kjeldahl法，操作复杂费时，易引起交叉污染，收集液体积较大，不利于送样，需进一步浓缩。本文采用扩散法处理洗脱液，既省力又有利，于小体积送样，不需进一步浓缩处理。扩散法提纯富集硝酸盐氮的回收率试验:先分2组对3种不同浓度的硝酸盐进行扩散:室温和50℃下扩散时间均为4d、7d、10d。另外，为了弄清楚杂质离子对KNO3溶液扩散的影响，还进行了含SO42-(1000mg/L)及Cl-(1000mg/L)等杂质离子的KNO3溶液在室温和50℃下均扩散4d和7d的实验。实验结果见图87.19。
图87.19 KNO3溶液在不同条件下的扩散回收率
从图中可以清楚地看出，室温条件下的扩散均不理想，即使进行10d扩散，回收率也难以到达80%;50℃条件下进行扩散，回收率随扩散时间的延长而增大，在扩散10d后，回收率均>95%。上述实验还表明，杂质在室温时对硝酸盐溶液的扩散影响较大，而在50℃时则较小。结果表明在50℃条件下扩散10d是比较理想的条件，硝酸盐回收率高(>95%)，扩散过程中不会发生明显的氮同位素分馏。
参考文献
肖化云，刘丛强.2001.水样氮同位素分析预处理方法的研究现状与进展.岩矿测试，20 (2) : 125 -130
Garten Jr C T.1992.Nitrogen isotope composition of ammonium and nitrate in bulk precipitation and forest throughfal.International Journal of Analytical Chemistry，47: 33-45
Liu Y P， Mulvaney R L.1992.Diffusion of Kjeldahl digests for Automated Nitrogen-15 Analysis by the Rittenberg technique.Soil Science Society of America Journal，56: 1151-1154
Silva S R，Kendall C，Wilkison D H，et al.2000.A New method for collection of nitrate from fresh water and the analysis of nitrogen and oxygen isotope ratios.Journal of Hydrology，228: 22-36.
本节编写人: 肖化云、刘丛强 (中国科学院地球化学研究所) 。