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作者： 天諾基業(yè)時(shí)間：2020-11-16
Picarro G5131-i是最新一代應(yīng)用光腔衰蕩技術(shù)的激光光譜儀，可以同時(shí)測(cè)定氧化亞氮(N2O濃度)、15N和18O豐度以及位點(diǎn)特異性同位素（Site-Preference）。最近的研究表明Picarro G5131-i在測(cè)定大氣背景N2O濃度（326 ppb左右）氣體樣品的同位素中，處于同級(jí)別儀器中的領(lǐng)先地位（Harris et al. 2020, Atmospheric Measurement Techniques）。其主要特點(diǎn)就包括對(duì)低濃度樣品的同位素測(cè)量精度高、長(zhǎng)期試驗(yàn)的穩(wěn)定性強(qiáng)、軟件的易用性好、對(duì)環(huán)境溫度變化的敏感性不高等。
事實(shí)上，Picarro G5131-i不僅僅可以應(yīng)用于氣體樣品的N2O同位素分析測(cè)定，還可以用于測(cè)定各種水樣的銨態(tài)氮（NH4+-N）和硝態(tài)氮（NO3--N）的同位素測(cè)定，其中可以測(cè)定的指標(biāo)包括15N-NH4+、15N-NO3-和18O-NO3-。那么這些測(cè)定是通過(guò)什么樣的方式實(shí)現(xiàn)的呢？這里就要給大家介紹水樣NH4+和NO3-測(cè)定同位素的前處理方法。
首先給大家介紹化學(xué)法的前處理過(guò)程。為了將水體樣品中的NH4+和NO3-轉(zhuǎn)化為N2O，最為普遍且有效的方法是先將NH4+和NO3-轉(zhuǎn)化為NO2-；如下圖所示，NH4+能夠在弱堿性的情況下被次溴酸根氧化為NO2-，而NO3-轉(zhuǎn)化為NO2-的過(guò)程是通過(guò)海綿鎘的還原反應(yīng)完成的。在完成NO2-的轉(zhuǎn)化過(guò)程后，我們可以通過(guò)兩個(gè)反應(yīng)定量地生成我們所需要的最終產(chǎn)物N2O：第一種是疊氮酸和NO2-反應(yīng)，能夠在短時(shí)間內(nèi)定量生成N2O和N2，這種方法的優(yōu)勢(shì)是反應(yīng)速度快、可控性強(qiáng)，但是劣勢(shì)在于疊氮化物的劇毒性；第二種是羥胺和NO2-反應(yīng)定量生成N2O，相比于第一種方法，這種方法的毒性較弱但是反應(yīng)速度要慢一點(diǎn)。具體的實(shí)驗(yàn)試劑和試驗(yàn)方法可以參照經(jīng)典文獻(xiàn)（Mcllvin et al. 2005, Anal. Chem.; Zhang et al. 2007, Anal. Chem.）。
另一種水體樣品中NO3-的前處理方法是反硝化細(xì)菌法。挪威生命科學(xué)大學(xué)的作者（Zhu et al. 2018, Sci. Tot. Environ.）根據(jù)經(jīng)典反硝化細(xì)菌法文獻(xiàn)（Sigman et al. 2002, Anal. Chem.; Casciotti et al. 2003, Anal. Chem.）改進(jìn)了此種方法，在好氧條件下培養(yǎng)P.a.反硝化細(xì)菌，而后在厭氧條件下觸發(fā)反硝化過(guò)程，將樣品中的NO3-定量地轉(zhuǎn)化為N2O。同化學(xué)前處理法的對(duì)比，這種細(xì)菌法的優(yōu)勢(shì)是可以避免使用劇毒試劑，并且可以同時(shí)測(cè)定NO3-中的15N和18O豐度。那么這個(gè)方法的缺點(diǎn)則是對(duì)微生物實(shí)驗(yàn)工作環(huán)境和條件的要求，以及較長(zhǎng)的準(zhǔn)備（零NO3-培養(yǎng)基制備）和反應(yīng)時(shí)間。值得注意的是。反硝化細(xì)菌法本身只能針對(duì)NO3-或者NO2-樣品，如果是水樣NH4+同位素的測(cè)定，需要先通過(guò)其他方法轉(zhuǎn)化為NO2-。
當(dāng)然，除了以上所說(shuō)的化學(xué)法和生物法，對(duì)水體樣品NH4+和NO3-的同位素測(cè)定的前處理方法還包括擴(kuò)散法、離子交換樹(shù)脂法、蒸餾法等，這些方法與化學(xué)法和生物法的一大區(qū)別在于最終產(chǎn)物是固體成分，因此最后往往是通過(guò)元素分析儀與穩(wěn)定同位素質(zhì)譜串聯(lián)系統(tǒng)，分析N2的同位素豐度以達(dá)到最終目的。以上的前處理方法實(shí)際上為研究N2O的排放過(guò)程提供了更為廣闊的思路（如下圖），利用同一臺(tái)測(cè)定N2O同位素的儀器，就能夠?qū)⑼寥肋^(guò)程（NH4+和NO3-）和溫室氣體（N2O）排放聯(lián)系起來(lái)，實(shí)現(xiàn)地→空的系統(tǒng)研究。
看到這里可能有朋友要問(wèn)，如果水樣的前處理實(shí)驗(yàn)在固定的容器（培養(yǎng)瓶）完成，得到的氣體可能只會(huì)略高于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，同時(shí)培養(yǎng)瓶?jī)?nèi)氣體體積有限，會(huì)不會(huì)還是只能通過(guò)穩(wěn)定同位素質(zhì)譜（所需樣品進(jìn)樣量小）進(jìn)行測(cè)定？答案當(dāng)然是否定的，Picarro為用戶提供了A0314小樣品進(jìn)樣模塊 II - SSIM2，能夠以最少20 ml（注射或者氣袋模式）的氣體樣品進(jìn)樣量分析N2O同位素，同時(shí)，該進(jìn)樣模塊還內(nèi)置有稀釋樣品、自動(dòng)測(cè)定標(biāo)樣等附加功能。
