一種利用化學轉化法測定水體氮、氧同位素的預處理方法
2023-04-24 18:42:56 1
一種利用化學轉化法測定水體氮、氧同位素的預處理方法
【專利摘要】本發明公開了一種利用化學轉化法測定水體氮、氧同位素的預處理方法，步驟是（1）將待測水樣加入到裝有鍍銅鎘粒的還原柱中，然後將洗脫液加入到所述還原柱中進行洗脫；（2）抽取亞硝酸氮的溶液於頂空瓶中，抽至真空，注入高純氦氣，然後注入醋酸-疊氮化鈉混合溶液反應，最後加入氫氧化鈉溶液中止反應。本發明預處理時間縮短至25分鐘，同時預處理過程中，無任何疊氮化氫氣體洩露，進一步提高了該方法的安全性和可利用性，本發明標準曲線擬合係數均高於0.999，同一樣品的重複實驗結果氮、氧同位素誤差均低於0.2‰。
【專利說明】一種利用化學轉化法測定水體氮、氧同位素的預處理方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於水體測量的【技術領域】，具體涉及一種利用化學轉化法測定水體氮、氧同位素的預處理方法。
【背景技術】
[0002]人類活動引起生物圈和水圈中氮濃度升高，帶來一系列的環境問題，如湖泊、河流及沿海地區水體的富營養化，脆弱環境的酸化以及飲用水質的惡化。硝酸鹽是氮汙染物在淡水水體中主要存在形式。近年來由於農業化肥的過量使用，生活汙水和動物糞便的大量排放，使得淡水水體中的硝酸鹽含量高於正常水平，對人體產生潛在的健康威脅。由於硝酸鹽的來源很多，循環過程非常複雜，因而識別水體中硝酸鹽的來源和了解氮循環的潛在過程是氮汙染物治理的關鍵環節。許多的研究實例表明，水體硝酸氮的氮、氧同位素組成不僅是確定硝酸氮來源的有力工具，用於描述硝酸氮在陸地和水生生態系統中的來源及其變化，也能夠為研究氮的轉化過程(如同化、硝化和反硝化)提供線索。研究簡單快速的水體硝酸鹽氮、氧同位素分析方法具有非常重要的意義。
[0003]目前常用的測定淡水系統中溶解性硝酸鹽中的氮和氧同位素組成主要有3種方法。第一種方法為離子交換法，於2000年由S.R.Silva提出，主要步驟是先利用陰陽離子樹脂交換法對水樣中的硝酸鹽進行濃縮，然後加入氧化銀去除其它陰離子，將水體中溶解硝酸鹽轉化成AgNO3溶液，將AgNO3溶液冷凍乾燥製成所需要的AgNO3固體，最後上機測試水樣氮氧同位素的組成。該方法有很高的精確度和靈敏度，但所需要採集的水樣量非常大，製備過程中需要的樹脂和氧化銀非常昂貴。第二種方法為細菌反硝化法，於2001年由D.M.Sigman提出，該方法的基本原理是:向水樣中加入缺乏N2O還原酶活性的反硝化細菌，在反硝化細菌的作用下，水中的硝酸根全部轉化為N2O氣體，將分離純化出的N2O氣體直接送入氣體質譜計中測試氮、氧同位素組成。該方法上機前的預處理時間需要2-3天，遠短於離子交換法，但細菌的生長時間很長，細菌的培養容易受到水樣毒性的影響，如重金屬和農藥等。第三種方法為化學轉化法，於2005年由Matthew R.McIlvin提出，該方法採首先是用氯化鎘溶液和鋅片，製備海綿鎘，與水樣按比例混合震蕩反應12小時，在弱鹼性條件下將水樣中的N03_還原成N02_，然後加入20%的醋酸和2M的疊氮化鈉混合溶液，將N02_還原成N2O,直接送入氣體質譜計中測試氮、氧同位素組成。該方法的實驗準備時間更短，預處理時間需要I天，需要很少的水樣量(需氮總量低至0.5微克)，水體中其它高濃度的離子以及毒性物質對實驗結果沒有幹擾，其主要缺點是醋酸-疊氮化鈉溶液產生的疊氮化氫具有毒性。到目前為止，利用離子交換法和細菌反硝化測定水體硝酸鹽氮、氧同位素在國內已有部分研究，而化學轉化法沒有成功的報導。
【發明內容】
[0004]本發明旨在解決上述現在技術中存的問題，提出了一種利用化學轉化法測定水體氮、氧同位素的預處理方法。[0005]本發明解決其技術問題所採取的技術方案是:
一種利用化學轉化法測定水體氮、氧同位素的預處理方法，包括以下步驟:
(1)將待測水樣加入到裝有鍍銅鎘粒的還原柱中，然後將洗脫液加入到所述還原柱中進行洗脫，並收集收集液，其中，洗脫液為10克/升、pH值為8-9的氯化銨緩衝溶液，待測水樣的進樣時間為20-40秒，洗脫液的洗脫時間為60-120秒，流速均為12-18毫升/分鐘；
(2)抽取收集液中總量不低於0.2微克氮的亞硝酸鹽溶液於一頂空瓶中，抽至真空，注入高純氦氣恢復瓶內壓力至一個標準大氣壓，然後注入I毫升無N2O的醋酸-疊氮化鈉混合溶液，反應20分鐘,最後用加入I毫升6M的氫氧化鈉溶液中止反應，即得氧化亞氮氣體，待送入氣體質譜儀中測試氮、氧同位素組成。
[0006]優選的，所述步驟(I)中，當待測水樣的硝酸鹽氮濃度高於I毫克/升時，用去離子水稀釋至I毫克/升。優選，PH值為8.5的氯化銨緩衝溶液。
[0007]優選的，所述步驟(I)反應柱中鍍銅鎘粒的製備:取直徑為Imm的鎘粒，用2mol/L鹽酸溶液洗滌，除去表面氧化層，棄去酸液，用水洗至中性，加入IOOmL 10g/L硫酸銅溶液振搖3-6min，棄去廢液，用去離子水清洗，通過此步驟製備出還原性較強的鍍銅鎘粒。
[0008]優選的，所述步驟(I)中待測水樣和洗脫液是通過蠕動泵加入到還原柱中的，其中，蠕動泵通過PRC控制系統控制流速。
[0009]優選的，所述步驟(2)中，所述無隊0的醋酸-疊氮化鈉混合溶液為2mol/L的疊氮化鈉溶液與質量百分比為20%的醋酸體積比1:1混合。
[0010]優選的，所述步驟(2 )中，在製備無N2O的醋酸-疊氮化鈉混合溶液過程中，將高純氦氣通入到密閉的裝有醋酸-疊氮化鈉混合溶液中，吹脫出來的氣體通過裝有6M的氫氧化鈉溶液的吸收瓶中，然後排空，所述氦氣的流速為30-50毫升/分鐘，吹脫時間為30分鐘。
[0011]優選的，所述預處理方法所用的預處理裝置包括:
高效硝酸鹽-亞硝酸鹽轉化裝置，包括水樣瓶、洗脫液瓶，所述水樣瓶、洗脫液瓶分別通過水樣進樣管和洗脫液進樣管與還原柱的上端相連，還原柱內裝有鍍銅鎘粒，鍍銅鎘粒之間均填充有水，水樣進樣管和洗脫液進樣管上均設有蠕動泵，蠕動泵與PRC控制系統相連，還原柱的下端連接接收瓶；
醋酸-疊氮化鈉混合溶液的吹脫裝置，包括裝有氦氣的氣體罐，所述氣體罐與通過閥門、氣體導管與頂空瓶相連，氣體導管伸入到所述頂空瓶的下端，頂空瓶的上端還與吸收瓶相連。
[0012]優選的，所述還原柱內徑1.0釐米，長20釐米，頂部帶密閉塑料蓋，底部帶砂芯隔膜。
[0013]優選的，其特徵在於，所述頂空瓶為40-60毫升。
[0014]本發明中，高純氦氣指純度等於或高於99.999%的為高純氣體。
[0015]本發明在Matthew R.McIlvin提出化學轉化法預處理方法上進行了改進,建立了一套半自動化的預處理系統，單個樣品的預處理時間縮短至25分鐘。同時對製備無N2O的醋酸-疊氮化鈉混合溶液的吹脫裝置進行了改進，整個預處理過程中，無任何疊氮化氫氣體洩露，進一步提高了該方法的安全性和可利用性，經本發明裝置製備的氣體經上機分析表明，氮、氧同位素的標準曲線擬合係數均高於0.999，同一樣品的重複實驗結果氮、氧同位素誤差均低於0.2%。。[0016]本發明的附加方面和優點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發明的實踐了解到。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]本發明的上述和/或附加的方面和優點從結合下面附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中:
圖1為本發明的醋酸-疊氮化鈉混合溶液的吹脫裝置示意圖；
圖2為本發明的氧化亞氮氣體製備裝置示意圖；
圖3為本發明的硝酸鹽-亞硝酸鹽轉化裝置示意圖。
[0018]附圖標記說明:
氣體罐I ;頂空瓶2 ;吸收瓶3 ;1毫升注射器4 ;手動真空泵5 ;水樣瓶6 ;洗脫液瓶7 ;還原柱8 ;接收瓶9 ;蠕動泵10 ；PRC控制系統11。
【具體實施方式】
[0019]下面詳細描述本發明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用於解釋本發明，而不能理解為對本發明的限制。
[0020]下面參照圖1-3描述根據本發明實施例的利用化學轉化法測定水體氮、氧同位素的預處理方法。
[0021]預處理步驟:
硝酸鹽轉化為亞硝酸鹽:將水樣通過自製的高效硝酸鹽-亞硝酸鹽轉化裝置，設定裝置流速為12-18毫升/分鐘，進樣時間為20-40秒，洗脫時間為60-120秒。當樣品硝酸鹽氮濃度高於I毫克/升時，用去離子水稀釋至I毫克/升。洗脫液用10克/升、pH值為8-9的氯化銨緩衝溶液衝。該條件下可以確保所有硝酸鹽被還原為亞硝酸鹽，並且收集完全。
[0022]製備氧化亞氮:根據上一步收集液中亞硝酸鹽的濃度，抽取總量不低於0.2微克亞硝酸氮的溶液於40-60毫升的頂空瓶2中，用手動真空泵5抽至真空後，注入高純氦氣恢復瓶內壓力至一個標準大氣壓，以去除空氣中氧化亞氮對實驗的幹擾。然後注入I毫升無N2O的醋酸-疊氮化鈉混合溶液，反應20分鐘，將亞硝酸鹽全部轉化為氧化亞氮氣體，最後用加入I毫升6M的氫氧化鈉溶液中止反應，並去除疊氮化氫氣體。在一周以內完成製備好樣品的氮、氧同位素測定。
[0023]裝置構造:
1.無N2O的醋酸-疊氮化鈉混合溶液的吹脫裝置:由於HN3揮發性強和有毒，在pH小於4.6時，它是佔優勢的種類，而且在濃度大時HN3容易爆炸，因此所有反應都要在通風櫥內操作，同時要在密封的瓶中進行配置。但在鹼性溶液中，無HN3存在，因此本發明中自製了一種吹脫裝置，該裝置的為將氦氣通入密閉容器中，吹脫出的氣體通過6M的氫氧化鈉溶液，待HN3去除後排空。具體結構為包括裝有氦氣的氣體罐1，所述氣體罐I與通過閥門、氣體導管與頂空瓶2相連，氣體導管伸入到所述頂空瓶2的下端，頂空瓶2的上端還與吸收瓶3相連。高純氦氣流速為30-50毫升/分鐘，吹脫時間為30分鐘。
[0024]高效硝酸鹽-亞硝酸鹽轉化裝置: 鍍銅鎘粒製備:取直徑為Imm的鎘粒，用鹽酸溶液(2mol/L)洗滌，除去表面氧化層，棄去酸液，用水洗至中性，加入IOOmL硫酸銅溶液(10g/L)振搖3_6min，棄去廢液，用去離子水清洗，通過此步驟製備出還原性較強的鍍銅鎘粒。
[0025]轉化裝置構造:包括水樣瓶6、洗脫液瓶7、蠕動泵10、PRC自動控制系統、水樣進樣管、洗脫液進樣管、三通、閥門、密閉式玻璃還原柱8構成(內徑1.0釐米，長20釐米，頂部帶密閉塑料蓋，底部帶砂芯隔膜)。所述水樣瓶6、洗脫液瓶7分別連接水樣進樣管和洗脫液進樣管，水樣進樣管和洗脫液進樣管通過三通與還原柱8的上端相連，還原柱8內裝有鍍銅鎘粒，鍍銅鎘粒之間均填充有水，水樣進樣管和洗脫液進樣管上均設有蠕動泵10，蠕動泵10與PRC控制系統11相連，還原柱8的下端連接接收瓶9。還原柱8底裝滿水後，將鍍銅鎘粒裝入還原柱8中，填裝過程中要避免氣泡產生，以防止鎘粒與空氣接觸。
[0026]氧化亞氮氣體製備裝置:包括頂空瓶，I毫升注射器4，手動真空泵5。
[0027]實例結果:
使用自製的高效硝酸鹽-亞硝酸鹽轉化裝置，分別以含氮量為0.05毫克/升、0.1毫克/升、0.5毫克/升和1.0毫克/升的硝酸鹽標準溶液進行硝酸鹽還原為亞硝酸鹽的效率測定，設定流速16毫升/分鐘，標準液進樣時間30秒(進樣體積為8毫升)，洗脫時間60秒(洗脫液體積為16毫升)。各標準溶液還原率分別為96.3%,98.8%,97.7%和97.8%，還原效率均在95%以上，表明該過程不會產生明顯的同位素分餾。
[0028]取不同同位素標準物質，分別通過本發明的轉化方法製備成氧化亞氮氣體，利用MAT253質譜儀測定標準物質中的硝酸鹽氮、氧同位素值，包括USGS34( δ 15N=-L 8%0和 δ 18N=-27.9 %。)、USGS35 ( δ 15Ν=+2.7 %。和 δ 18Ν=+57.5 %。)、ΙΑΕΑ-Ν3 ( δ 15Ν=+4.7 %。和δ 18Ν=-25.6%ο )和實驗室硝酸鉀內標(δ 15Ν=+14.3%。和δ 18Ν=+15.6%。)，獲得了測量值和真實值的標準曲線，分別為δ 15Nmm= 0.549 X δ 15N真實值-25.85，R2=0.9987 ； δ 18O測量值=
0.823X δ180Μ - 41.57，R2=0.9998。標準曲線的擬合完全能滿足測試精度的要求。
[0029]採用本發明中的轉化方法對不同標準物質進行了重複轉化試驗，上ΜΑΤ253質譜儀測定各次硝酸鹽氮、氧同位素值。USGS35的氧、氮同位素重複實驗測量值分別為:+6.55%。、-23.62%。；+6.51%。、-23.52 %。；+6.43%。、-23.29 %。；+6.63%。、-23.46 %。和+6.40%。、_23.63%。。氧、氮同位素測量標準偏差分別為:0.09%。和0.14%。。USGS35的氧、氮同位素重複實驗測量值分別為:-64.92%。、-26.93%o；-65.24%>-26.92%。;_65.04%>-27.15%。和-65.13%。、-26.89%。。氧、氮同位素測量標準偏差分別為:0.13%。和0.12%0。
[0030]對不同自然界水體，包括井水、河水和雨水樣品中硝酸鹽的同位素進行了分析，其中福州地區2013年7月雨水中硝酸鹽氮、氧同位素值(經標準曲線校正後)分別為+50.24%o和+2.35%。;雲南撫仙湖流域2013年12月降雪中硝酸鹽氮、氧同位素值分別為+56.72%0和+0.46%。；太湖宜凓河太湖入口處河水2012年3月硝酸鹽氮、氧同位素值分別為+11.21%,和+7.28%。；同年7月入湖口河水硝酸鹽氮、氧同位素值分別為+5.16%。和+3.65%。。宜凓河流域將店村井水2012年3月硝酸鹽氮、氧同位素值分別為+11.93%。和+12.93%。；同年7月入湖口河水硝酸鹽氮、氧同位素值分別為+5.16%。和+3.65%。。測量結果與不同類型樣品的硝酸鹽氮、氧同位素分布範圍吻合。
[0031]儘管已經示出和描述了本發明的實施例，本領域的普通技術人員可以理解:在不脫離本發明的原理和宗旨的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本發明的範圍由權利要求及其等同物限定。
【權利要求】
1.一種利用化學轉化法測定水體氮、氧同位素的預處理方法，其特徵在於，包括以下步驟: (1)將待測水樣加入到裝有鍍銅鎘粒的還原柱中，然後將洗脫液加入到所述還原柱中進行洗脫，並收集收集液，其中，洗脫液為10克/升、pH值為8-9的氯化銨緩衝溶液，待測水樣的進樣時間為20-40秒，洗脫液的洗脫時間為60-120秒，流速均為12-18毫升/分鐘； (2)抽取收集液中總量不低於0.2微克氮的亞硝酸鹽溶液於一頂空瓶中，抽至真空，注入高純氦氣恢復瓶內壓力至一個標準大氣壓，然後注入I毫升無N2O的醋酸-疊氮化鈉混合溶液，反應20分鐘,最後用加入I毫升6M的氫氧化鈉溶液中止反應，即得氧化亞氮氣體，待送入氣體質譜儀中測試氮、氧同位素組成。
2.根據權利要求1所述的預處理方法，其特徵在於，所述步驟(I)中，當待測水樣的硝酸鹽氮濃度高於I毫克/升時，用去離子水稀釋至I毫克/升。
3.根據權利要求1所述的預處理方法，其特徵在於，所述步驟(I)反應柱中鍍銅鎘粒的製備:取直徑為l_3mm的鎘粒，用2mol/L鹽酸溶液洗滌，除去表面氧化層，棄去酸液，用水洗至中性，加入IOOmL 10g/L硫酸銅溶液振搖3_6min,棄去廢液,用去離子水清洗,通過此步驟製備出還原性較強的鍍銅鎘粒。
4.根據權利要求1所述的預處理方法，其特徵在於，所述步驟(I)中待測水樣和洗脫液是通過蠕動泵加入到還原柱中的，其中，蠕動泵通過PRC控制系統控制流速。
5.根據權利要求1所述的預處理方法，其特徵在於，所述步驟(2)中，所述無隊0的醋酸-疊氮化鈉混合溶液為2mol/L的疊氮化鈉溶液與質量百分比為20%的醋酸1:1混合。
6.根據權利要求1所述的預處理方法，其特徵在於，所述步驟(2)中，在製備無N2O的醋酸-疊氮化鈉混合溶液過程中，將高純氦氣通入到密閉的裝有醋酸-疊氮化鈉混合溶液中，吹脫出來的氣體通過裝有6M的氫氧化鈉溶液的吸收瓶中，然後排空，所述氦氣的流速為30-50毫升/分鐘，吹脫時間為30分鐘。
7.根據權利要求1所述的預處理方法，其特徵在於，所述預處理方法所用的預處理裝置包括: 高效硝酸鹽-亞硝酸鹽轉化裝置，包括水樣瓶、洗脫液瓶，所述水樣瓶、洗脫液瓶分別通過水樣進樣管和洗脫液進樣管與還原柱的上端相連，還原柱內裝有鍍銅鎘粒，鍍銅鎘粒之間均填充有水，水樣進樣管和洗脫液進樣管上均設有蠕動泵，蠕動泵與PRC控制系統相連，還原柱的下端連接接收瓶； 醋酸-疊氮化鈉混合溶液的吹脫裝置，包括裝有氦氣的氣體罐，所述氣體罐與通過閥門、氣體導管與頂空瓶相連，氣體導管伸入到所述頂空瓶的下端，頂空瓶的上端還與吸收瓶相連。
8.根據權利要求7所述的預處理方法，其特徵在於，所述還原柱內徑1.0釐米，長20釐米，頂部帶密閉塑料蓋，底部帶砂芯隔膜。
9.根據權利要求7所述的預處理方法，其特徵在於，所述頂空瓶為40-60毫升。
【文檔編號】G01N1/28GK103940645SQ201410061375
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年2月24日 優先權日:2014年2月24日
【發明者】曾海鰲, 吳敬祿 申請人:中國科學院南京地理與湖泊研究所