作者： 天诺基业时间：2020-11-16
Picarro G5131-i是最新一代应用光腔衰荡技术的激光光谱仪，可以同时测定氧化亚氮(N2O浓度)、15N和18O丰度以及位点特异性同位素（Site-Preference）。最近的研究表明Picarro G5131-i在测定大气背景N2O浓度（326 ppb左右）气体样品的同位素中，处于同级别仪器中的领先地位（Harris et al. 2020, Atmospheric Measurement Techniques）。其主要特点就包括对低浓度样品的同位素测量精度高、长期试验的稳定性强、软件的易用性好、对环境温度变化的敏感性不高等。
事实上，Picarro G5131-i不仅仅可以应用于气体样品的N2O同位素分析测定，还可以用于测定各种水样的铵态氮（NH4+-N）和硝态氮（NO3--N）的同位素测定，其中可以测定的指标包括15N-NH4+、15N-NO3-和18O-NO3-。那么这些测定是通过什么样的方式实现的呢？这里就要给大家介绍水样NH4+和NO3-测定同位素的前处理方法。
首先给大家介绍化学法的前处理过程。为了将水体样品中的NH4+和NO3-转化为N2O，最为普遍且有效的方法是先将NH4+和NO3-转化为NO2-；如下图所示，NH4+能够在弱碱性的情况下被次溴酸根氧化为NO2-，而NO3-转化为NO2-的过程是通过海绵镉的还原反应完成的。在完成NO2-的转化过程后，我们可以通过两个反应定量地生成我们所需要的最终产物N2O：第一种是叠氮酸和NO2-反应，能够在短时间内定量生成N2O和N2，这种方法的优势是反应速度快、可控性强，但是劣势在于叠氮化物的剧毒性；第二种是羟胺和NO2-反应定量生成N2O，相比于第一种方法，这种方法的毒性较弱但是反应速度要慢一点。具体的实验试剂和试验方法可以参照经典文献（Mcllvin et al. 2005, Anal. Chem.; Zhang et al. 2007, Anal. Chem.）。
另一种水体样品中NO3-的前处理方法是反硝化细菌法。挪威生命科学大学的作者（Zhu et al. 2018, Sci. Tot. Environ.）根据经典反硝化细菌法文献（Sigman et al. 2002, Anal. Chem.; Casciotti et al. 2003, Anal. Chem.）改进了此种方法，在好氧条件下培养P.a.反硝化细菌，而后在厌氧条件下触发反硝化过程，将样品中的NO3-定量地转化为N2O。同化学前处理法的对比，这种细菌法的优势是可以避免使用剧毒试剂，并且可以同时测定NO3-中的15N和18O丰度。那么这个方法的缺点则是对微生物实验工作环境和条件的要求，以及较长的准备（零NO3-培养基制备）和反应时间。值得注意的是。反硝化细菌法本身只能针对NO3-或者NO2-样品，如果是水样NH4+同位素的测定，需要先通过其他方法转化为NO2-。
当然，除了以上所说的化学法和生物法，对水体样品NH4+和NO3-的同位素测定的前处理方法还包括扩散法、离子交换树脂法、蒸馏法等，这些方法与化学法和生物法的一大区别在于最终产物是固体成分，因此最后往往是通过元素分析仪与稳定同位素质谱串联系统，分析N2的同位素丰度以达到最终目的。以上的前处理方法实际上为研究N2O的排放过程提供了更为广阔的思路（如下图），利用同一台测定N2O同位素的仪器，就能够将土壤过程（NH4+和NO3-）和温室气体（N2O）排放联系起来，实现地→空的系统研究。
看到这里可能有朋友要问，如果水样的前处理实验在固定的容器（培养瓶）完成，得到的气体可能只会略高于一个标准大气压，同时培养瓶内气体体积有限，会不会还是只能通过稳定同位素质谱（所需样品进样量小）进行测定？答案当然是否定的，Picarro为用户提供了A0314小样品进样模块 II - SSIM2，能够以最少20 ml（注射或者气袋模式）的气体样品进样量分析N2O同位素，同时，该进样模块还内置有稀释样品、自动测定标样等附加功能。
