赵祝钰 曹芳 张雯淇 翟晓瑶 方言 范美益 章炎麟

摘 要 改进了两步化学还原法的 pH值、反应时间、镉粉种类、NaCl浓度等条件，测定了大气气溶胶硝酸盐的氮、氧同位素比值。将样品溶液中的硝酸盐通过两步还原为氧化亚氮气体（N2O），将产生的N2O通过自动进样器以及预浓缩装置进入MAT253稳定同位素比质谱仪测定其氮、氧同位素比值。借助已知氮、氧同位素比值的国际标准样品建立了N2O和NO3的氮、氧同位素比值的标准曲线，通过公式即可换算样品中硝酸盐的氮、氧同位素比值。方法最小进样量只需0.8 μg（以N计），氮、氧同位素的标准偏差分别为0.08‰和0.24‰。本方法原理明确，操作简便、快速，灵敏度与精度符合环境微量样品测试要求。将此方法应用于东北大气颗粒物样品的测定中，所测氮氧同位素比值特征可以有效区分硝酸盐来源与生成机制的季节差异。此方法适用于大气气溶胶样品以及雨水、雪水等大气低浓度环境样品的测定。

关键词 大气气溶胶;硝酸盐;化学还原法;氮、氧同位素比值

1 引 言

大气气溶胶（PM）是影响环境质量的重要因素，其污染源众多，且组成成分复杂，对全球气候、人体健康具有重要影响[1～3]。硝酸盐是大气气溶胶的重要成分[4]，是大气颗粒物二次离子的主要成分，它不仅可以参与光化学反应、造成大气酸沉降[5]，还影响全球氮循环，因此研究其来源及形成过程具有重要意义。近年来，稳定同位素作为一种有效技术手段，被广泛应用于环境污染物质的来源解析以及迁移转化过程等研究中[5]。应用稳定同位素技术对大气硝酸盐溯源的研究也逐渐增多，硝酸盐的氮、氧同位素比值测定可用于研究硝酸盐的来源和转化过程[6～10]，不同硝酸根来源的δ15N 存在差异[11～13]，δ18O可以指示硝酸盐的形成路径和转化过程[9]，Zong等[10]利用δ15N和δ18O研究了中国华北地区一个区域背景站点PM2.5硝酸盐的来源，表明同位素是研究大气NOX源的有前景的工具。因此，分析氮、氧同位素可以研究大气硝酸盐的来源，为研究其复杂的形成过程提供线索，最终为解决大气污染问题、制定有效的大气污染物控制措施提供依据。

目前，有关硝酸盐氮、氧同位素的测定方法主要有离子交换法[14]、蒸馏法[15]、扩散法[16，17]、细菌反硝化法[15，18，19]和化学转化法[8]等，采用质谱仪的固体或气体模式进行分析[15，16]。蒸馏法和扩散法前处理过程比较简单，但需要的样品量大，容易发生样品污染产生同位素分馏，并且只能测定δ15N[17]，不能同时测定氮、氧同位素。离子交换法[7，8，17]能同时测定氮、氧同位素，其前处理过程比较繁杂，而且适用的样品类型较单一，所需样品量大[15]。近年来发展的反硝化细菌法[18，19]和化学转化法[20]均以N2O气体作为测定对象，受干扰程度小、需要的样品量低，而且可以同时测定氮、氧同位素[21]。但反硝化方法细菌培养周期长，维护成本较高，且生物反应复杂[22]，难以在普通实验室实现。

化学还原法原理明确且操作过程简单，对复杂样品也适用，容易建立，是目前国内实验室采用较多的方法。该方法包括两步还原，第一步还原是使用镉将硝酸盐还原为亚硝酸盐，第二步还原是用叠氮钠醋酸缓冲溶液将亚硝酸盐还原为氧化亚氮气体[8，15]。研究者根据不同样品性质使用海绵镉[20]、镀铜镉[22]、盐酸活化过的镉[8，20]、普通镉粉[8]等进行了大量的实验，以优化实验方案，发现使用不同镉粉对反应时间、反应体系pH值有不同的要求，如海绵镉的制备过程比较耗时、镀铜镉粒还原要求pH=8等[8，20，22]。目前，这些方法已被广泛应用于不同类型水体、土壤硝酸盐氮、氧同位素的分析中。

由于大气样品理化性质与水体、土壤等样品存在差异，且其硝酸盐含量相对较低，将传统化学还原法应用于大气气溶胶样品时，硝酸盐的转化率不高，仅约40%。因此，本研究针对化学还原法的NaCl浓度（5 mol/L和0.5 mol/L）、镉粉种类（镉粉和10%盐酸活化的镉粉）、两步还原反应的pH值及反应时间等实验条件进行调整及优化，以获得一种适合大气气溶胶硝酸盐的氮、氧同位素比值的测定方法。通过化学转化法将采集的大气样品中硝酸盐还原为亚硝酸盐，再进一步还原为氧化亚氮气体，使用MAT253稳定同位素质谱仪测定氧化亚氮气体的δ15N和δ18O，通过国际标准样品USGS32和USGS34的氮、氧同位素标准曲线确定的比例公式换算为大气硝酸盐中氮、氧同位素比值。在此基础上，分析测定了国际标准样品IAEA-NO-3和USGS35，以及大气气溶胶样品、雨水和雪水样品中硝酸盐氮、氧同位素比值的测定中，对方法的可行性和精确性进行了验证。

2 实验部分

2.1 儀器与试剂

MAT253稳定同位素比质谱仪（美国Thermo Scientific公司），配备有多用途在线气体制备装置GasBench和痕量气体，预浓缩装置Precon（温度21℃），离子源电压为9.50 kV，真空值为1.2×10 6Pa，载气为高纯99.999%氦气（上海液空公司）;ICS 5000+离子色谱（美国Thermo Scientific公司）;BSA124S电子天平、PB-10酸度计（德国Sartorius公司）。

镉粉（Alfa公司）;NaCl、咪唑、乙酸、HCl、NaOH、NaN3，均为优级纯。同位素国际标准样品：USGS32、USGS34和USGS35（United States Geological Survery，99.999%）。实验用水为超纯水，由Milli-Q Reference纯水仪（美国Milli-Q公司）制备。

2.2 方法原理

在弱碱性环境中，金属镉将样品溶液中的NO3还原为NO 2（第一步还原），反应方程式如下[22]：

在叠氮钠-醋酸酸性缓冲体系中，NO2与N 3反应，生成N2O气体（第二步还原），反应方程式如下[20]：

由反应（1）可知，第一步还原反应过程中会产生OH–，导致反应结束后pH值升高;而反应（2）表明第二步还原需在酸性环境下进行，可见，pH值对整个反应有很大的影响。

此外，反应体系中Cl–浓度也对整个反应过程有重要影响[6，8，20]，研究表明，在体系中加入适量Cl–，可防止硝酸盐被镉粉过度还原[6，8]，加快亚硝酸盐与叠氮根的反应速率[8，20]。

2.3 产生的N2O的氮、氧同位素组成

在第二步还原反应中，亚硝酸盐的氧同位素会和水中的氧同位素发生交换，交换机制为[23]：

反应（3）速率随pH值增加而降低，在pH>2时，认为氧同位素和水中氧同位素交换量很少[20]。

反应（2）产生的N2O气体的分子由两个氮原子和一个氧原子构成，其中氧原子来自反应过程中的NO 2，一个氮原子来自NO2，另一个氮原子来自N3。反应过程中的NO2的氮、氧同位素比值与原NO3的相同。因此，在确定反应完全以及N3的氮同位素比值稳定的情况下，产物N2O的δ15N值应是硝酸盐和叠氮化物的平均值，标准硝酸盐δ15N与生成的氧化亚氮的δ15N的预期斜率将为0.5。如果反应（3）未与水发生氧交换和同位素分馏，N2O的δ18O与来自硝酸盐的δ18O的斜率应为1。最后通过相关曲线公式将测得的N2O气体的氮氧同位素比值换算为样品硝酸盐的氮氧同位素比值[20]。

2.4 样品处理与化学分析

2.4.1 大气气溶胶样品前处理 用离子色谱分析采集的大气颗粒物滤膜上的NO3质量浓度，根据所测浓度计算需要的膜面积、加水量和体积，加入适量超纯水，使溶液含氮浓度为0.2 μg/mL，超声振荡30 min，用0.22 μm 水相针式滤器过滤，取5 mL样品溶液存储到13 mL离心管中。

2.4.2 N和O同位素测定 用实验室配制的0.2 μg/mL NaNO3溶液结合国际标准样品（USGS34，USGS35）进行大量的重复对照实验，调节了第一步NO3还原反应pH值、第二步NO2还原反应pH值和反应时间等实验条件，讨论了镉粉、HCl活化的镉粉结合NaCl的用量对结果的影响，最后研究了第一步还原反应时间等条件，最终确定了适合大气硝酸盐颗粒物氮、氧同位素测定的方案。

向样品溶液中加入NaCl固体（马弗炉450℃灼烧4 h），再向溶液中加入0.5 mol/L HCl和1 mol/L咪唑调节pH值，加入0.3 g镉粉（或加入0.4～0.5 g 10% HCl活化的镉粉）。 在37℃以120 r/min振荡，静置使镉粉沉淀，吸取4 mL上层溶液于12 mL顶空瓶中。将2 mol/L NaN3溶液与20%乙酸溶液按照体积比1∶1混合，在70 mL/min流速下用高纯氦气吹扫10 min，去除可能的含氮杂质。向12 mL顶空瓶中注入0.2 mL吹扫后的叠氮钠醋酸缓冲溶液，倒扣放置后，加入0.4 mL 10 mol/L NaOH溶液终止反应。通过自动进样器将顶空瓶上部N2O气体吹扫到Precon+Gas BenchⅡ联用系统下的稳定同位素比质谱仪中测定δ18O和δ15N。测样流程如图1所示。每批样品需测试空白样品以及平行标准样品（n=3），测试结果均经过空白校正。

3 结果和讨论

3.1 还原效率对同位素分馏的影响

图2为国际标样USGS34（δ15N=1.8‰， δ18O=27.9‰）的还原率（根据与完全还原最接近真实同位素值时质谱仪测定N2O峰面积40的比值计算）与氮、氧同位素值的关系示意图。

结果表明，还原反应不充分时同位素值不稳定。还原率越高，δ15N和δ18O值越正，在还原率>90%时，所测得的同位素值接近真实值（虚线所示），说明还原率低会影响N、O同位素的测定，因此，需要优化反应条件以提高还原率，才可能保障样品氮、氧同位素的测定结果更为准确有效。

3.2 还原率（以及同位素值）的影响因素

3.2.1 pH值对NO3第一步还原反应的影响 已有研究表明，需加入0.1 mL 1 mol/L咪唑调节第一步反应至pH 9[8，20]，王曦等[21]使用镀铜镉粒时，调节至pH 8。在此基础上，本研究进行了第一步还原反应中pH值对还原率影响的研究，通过0.5 mol/L HCl与1 mol/L咪唑形成的缓冲体系调节pH值，结果如表1所示。第一步還原反应pH值在弱碱性范围内对还原率的影响差别不大，pH=8反应即达到完全。这在很大程度上减少了工作量，不需测试每个样品的pH值，也降低了添加试剂对样品测试结果的影响。

根据反应原理（1），第一步还原反应产生大量OH， 反应结束后pH值上升，在反应完全的情况下，第一步还原反应pH至越高，反应结束后的pH值也越高，影响第二步反应的pH值。因此对第二步还原反应条件进行讨论。

3.2.2 pH值和反应时间对NO2第二步还原反应的影响 在第一步还原反应pH=8的条件下，研究第二步还原反应pH值对还原率的影响，通过添加1 mol/L咪唑和20%乙酸调节pH值。由图3可知，随第二步还原反应pH值升高，还原率有下降趋势。在pH 4.4～4.6范围内还原率基本达95.5%±4.2%，pH<4.6时还原产率较高且较稳定。若加入约30 μL乙酸将第二步还原反应调节至pH<4.5，将导致氧同位素与之发生交换进而影响测得的氧同位素值。如表1所示，第一步还原体系中pH=8，第二步反应加叠氮钠醋酸缓冲溶液后的pH即为4.5左右， 不需另外调节。