作者： 天諾基業時間：2025-06-13
Picarro G5131-i是最新一代應用光腔衰蕩技術的激光光譜儀，可以同時測定氧化亞氮(N2O濃度)、15N和18O豐度以及位點特異性同位素（Site-Preference）。最近的研究表明Picarro G5131-i在測定大氣背景N2O濃度（326 ppb左右）氣體樣品的同位素中，處于同級別儀器中的領先地位（Harris et al. 2020, Atmospheric Measurement Techniques）。其主要特點就包括對低濃度樣品的同位素測量精度高、長期試驗的穩定性強、軟件的易用性好、對環境溫度變化的敏感性不高等。
事實上，Picarro G5131-i不僅僅可以應用于氣體樣品的N2O同位素分析測定，還可以用于測定各種水樣的銨態氮（NH4+-N）和硝態氮（NO3--N）的同位素測定，其中可以測定的指標包括15N-NH4+、15N-NO3-和18O-NO3-。那么這些測定是通過什么樣的方式實現的呢？這里就要給大家介紹水樣NH4+和NO3-測定同位素的前處理方法。
首先給大家介紹化學法的前處理過程。為了將水體樣品中的NH4+和NO3-轉化為N2O，最為普遍且有效的方法是先將NH4+和NO3-轉化為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-轉化為NO2-的過程是通過海綿鎘的還原反應完成的。在完成NO2-的轉化過程后，我們可以通過兩個反應定量地生成我們所需要的最終產物N2O：第一種是疊氮酸和NO2-反應，能夠在短時間內定量生成N2O和N2，這種方法的優勢是反應速度快、可控性強，但是劣勢在于疊氮化物的劇毒性；第二種是羥胺和NO2-反應定量生成N2O，相比于第一種方法，這種方法的毒性較弱但是反應速度要慢一點。具體的實驗試劑和試驗方法可以參照經典文獻（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菌法。挪威生命科學大學的作者（Zhu et al. 2018, Sci. Tot. Environ.）根據經典反硝化細菌法文獻（Sigman et al. 2002, Anal. Chem.; Casciotti et al. 2003, Anal. Chem.）改進了此種方法，在好氧條件下培養P.a.反硝化細菌，而后在厭氧條件下觸發反硝化過程，將樣品中的NO3-定量地轉化為N2O。同化學前處理法的對比，這種細菌法的優勢是可以避免使用劇毒試劑，并且可以同時測定NO3-中的15N和18O豐度。那么這個方法的缺點則是對微生物實驗工作環境和條件的要求，以及較長的準備（零NO3-培養基制備）和反應時間。值得注意的是。反硝化細菌法本身只能針對NO3-或者NO2-樣品，如果是水樣NH4+同位素的測定，需要先通過其他方法轉化為NO2-。
當然，除了以上所說的化學法和生物法，對水體樣品NH4+和NO3-的同位素測定的前處理方法還包括擴散法、離子交換樹脂法、蒸餾法等，這些方法與化學法和生物法的一大區別在于最終產物是固體成分，因此最后往往是通過元素分析儀與穩定同位素質譜串聯系統，分析N2的同位素豐度以達到最終目的。以上的前處理方法實際上為研究N2O的排放過程提供了更為廣闊的思路（如下圖），利用同一臺測定N2O同位素的儀器，就能夠將土壤過程（NH4+和NO3-）和溫室氣體（N2O）排放聯系起來，實現地→空的系統研究。
看到這里可能有朋友要問，如果水樣的前處理實驗在固定的容器（培養瓶）完成，得到的氣體可能只會略高于一個標準大氣壓，同時培養瓶內氣體體積有限，會不會還是只能通過穩定同位素質譜（所需樣品進樣量?。┻M行測定？答案當然是否定的，Picarro為用戶提供了A0314小樣品進樣模塊 II - SSIM2，能夠以最少20 ml（注射或者氣袋模式）的氣體樣品進樣量分析N2O同位素，同時，該進樣模塊還內置有稀釋樣品、自動測定標樣等附加功能。
