應用GasBench Ⅱ-IRMS優(yōu)化碳氧同位素分析方法

朱園園，邱海鷗，杜 永，湯志勇，帥 琴，宋虎躍

(1.武漢地質(zhì)礦產(chǎn)研究所，湖北 武漢 430205；

2.中國地質(zhì)大學(武漢)材料與化學學院，湖北 武漢 430074；

3.十堰市環(huán)境保護監(jiān)測站,湖北 十堰 442000；

4.中國地質(zhì)大學(武漢)生物地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)國家重點實驗室,湖北 武漢 430074)

海相碳酸鹽碳同位素(δ13C)組成可以有效地恢復地質(zhì)歷史時期海水的碳同位素組成，在古海洋碳循環(huán)[1-3]、古氣候[4-5]和地層對比[6-10]中發(fā)揮著極為重要的作用。由于碳酸鹽氧同位素(δ18O)容易受到后期水巖交換和成巖作用的影響，因此不能夠準確代表古海水的原始信息[11]，但其變化趨勢在一定程度上可以指示古氣候的變化情況。例如，一些碳酸鹽殼體的生物化石可以有效地恢復古水溫的變化情況[12-13]。因此，建立可靠的碳酸鹽碳氧同位素分析方法對上述研究領域非常重要。

碳酸鹽碳氧同位素分析中的制樣過程是將碳酸根以二氧化碳的形式提取出來，利用氣體穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀對碳氧同位素組成進行測定。不同的制樣方法對樣品性質(zhì)、樣品量的要求不同，分析結果的精度也各有差異。因此，制樣方法在碳酸鹽碳氧同位素的分析測試中十分重要。目前碳酸鹽碳氧同位素的制樣方法包括：元素分析儀燃燒法[14-15]、激光熔蝕法[16-18]和磷酸分解法。由于前兩種方法存在一定的局限性，當前測定碳酸鹽δ13C、δ18O的制樣方法以磷酸分解法為主。磷酸分解制樣法可分為：傳統(tǒng)離線法制備CO2，經(jīng)雙路進樣系統(tǒng)進入氣體穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀分析測定[19]和在線制備CO2與連續(xù)流氣體穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀聯(lián)用[20](如GasBench-MAT253、MultiPrep-IsoPrime Ⅱ)。傳統(tǒng)的磷酸分解法制樣耗時樣品和磷酸消耗量大[20]，易引入人為誤差[21]。因此，不能滿足當前研究人員對微區(qū)、微量碳氧同位素的分析測試需求。GasBench Ⅱ技術需樣量小(100～400 μg)，可以自動完成排空、加酸、氣體采集、分離等步驟，之后用質(zhì)譜儀進行碳氧同位素測定。利用微鉆對樣品進行原位采樣，可以實現(xiàn)碳酸鹽巖微區(qū)、微量碳氧同位素的分析測試。目前，GasBench Ⅱ-MAT253連續(xù)流質(zhì)譜儀聯(lián)用(GasBench Ⅱ-IRMS)測定碳酸鹽巖的δ13C、δ18O同位素組成已被廣泛應用。

已有研究認為，在GasBenchⅡ-IRMS分析中，不同的實驗條件直接影響著分析δ13C、δ18O同位素測試結果的準確性。例如，杜廣鵬等[22]和Paul等[23]研究了頂空進樣瓶的排空時間對δ13C、δ18O分析精密度和準確性的影響，發(fā)現(xiàn)當排空時間不足時，空氣會對樣品分析結果造成干擾。陶成等[21]分析了色譜分離溫度對測試結果的影響，發(fā)現(xiàn)色譜柱柱溫在低溫范圍(40℃，65℃)對分析結果影響不大，當柱溫為120℃時，空氣峰與CO2峰發(fā)生重疊，影響分析結果。Breitenbach等[24]和Paul等[25]分別考察了樣品質(zhì)量、反應溫度和反應時間對δ13C、δ18O同位素測試結果的影響，研究表明，樣品質(zhì)量過小會造成分析精密度下降；反應溫度過低會導致酸泵進樣針堵塞，同時也直接影響平衡時間的長短；反應時間過短會導致同位素不能達到平衡狀態(tài)而影響分析結果。但是，這些研究都是針對單一或者某兩個實驗條件對同位素分析結果的影響，并未對該聯(lián)用方法所涉及的實驗條件進行逐一考察和優(yōu)化，因此不能為實驗條件的選擇提供全面的參考信息。本文在前人工作的基礎上，利用GasBenchⅡ-MAT253聯(lián)用方法，選取2個國家標準物質(zhì)和1個實驗室石筍標樣作為研究對象，綜合考察頂空瓶排空時間、反應溫度、反應時間和色譜分離溫度，以及同位素結果標準歸一化方法對碳酸鹽巖δ13C、δ18O分析結果的影響，擬為今后優(yōu)化和選取合適的分析條件、獲得可靠的碳酸鹽巖δ13C和δ18O結果提供一定的科學參考。

1 實驗部分

1.1 儀器和主要試劑

GasBenchⅡ前處理裝置(CTC Analytics，瑞士)：GC Combi PAL自動進樣器，恒溫樣品盤，Poraplot Q色譜柱(30 m×0.32 mm)，酸泵，硼硅酸鹽反應瓶(12 mL)，進樣針和吹氣針。

Thermo FisherTMMAT253氣體穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀：高靈敏電子轟擊離子源，ISODAT NT 2.0控制軟件。

高純He氣(純度優(yōu)于99.999%)，CO2參考氣(純度優(yōu)于99.995%)，正磷酸 99%分析級晶體EMSURE(Merck KGaA，德國)。

1.2 分析樣品

本文選取不同碳酸鹽標準物質(zhì)作為研究對象進行分析測試，包括國家標準物質(zhì)GBW 04416(TB-1)、GBW 04417(TB-2)為，石筍標樣為實驗室內(nèi)部標準樣品，均具有不同的碳氧同位素值。

1.3 實驗方法

稱取適量樣品于反應瓶中，用帶硅膠隔墊的蓋子密封，通過排空針按順序依次排空反應瓶中的空氣，消除其對δ13C、δ18O分析結果的影響。經(jīng)排空處理后，通過酸泵和酸針向反應瓶中加入7滴磷酸(足量)，在設定溫度下反應一定時間，磷酸與碳酸鹽反應釋放出的CO2在高純氦氣的帶動下在線除水，通過色譜柱與其他雜質(zhì)氣體分離；分離后的CO2直接進入MAT253穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀進行δ13C、δ18O測定。分析方法詳見文獻[20-22]。

2 實驗條件的考察與優(yōu)化結果與討論

2.1 排空時間

采用GasBenchⅡ在線制樣時，利用頂空排氣針向反應瓶中注入高純氦氣，排空反應瓶中的空氣，從而消除空氣中CO2等氣體對測試結果的影響。排空時間的長短是影響分析測試結果的重要因素：時間過短，反應瓶中殘余的空氣會對測試結果產(chǎn)生干擾[22- 23]；時間過長，一定程度上浪費機時和載氣。

按1.3節(jié)的分析流程，挑取適量(約300 μg；保證樣品m/z=44的信號強度大于2000 mV，否則測量內(nèi)精度變差[24])國家標準物質(zhì)和實驗室標樣(按TB-1—TB-2—石筍標樣—TB-1—TB-2交叉順序放入恒溫樣品盤中，共8組)，以2 min和1 min為時間間隔設定排空時間依次為1、3、5、7、9、11、12、13 min，反應溫度為72℃，反應時間為60 min，色譜分離溫度為60℃。

實驗結果表明(表1)：當排空時間為1～7 min時，在樣品峰之前出現(xiàn)Paul等[23]報道的空氣次級峰，次級峰的信號強度隨排空時間的增加逐漸減小。Paul等[23]指明有空氣次級峰存在的情況下，測試結果均不可靠。因此，該結果表明儀器使用手冊推薦的5 min排空時間[26]不能完全消除空氣干擾。當排空時間大于9 min時，無明顯空氣次級峰，同位素值較穩(wěn)定。當排空時間增加至12 min和13 min時，測試精密度進一步提高。綜合考慮分析效率和氦氣的消耗量，選取12 min作為排空時間。

表1 不同排空時間下石筍標樣的碳氧同位素組成

2.2 反應溫度

反應溫度是磷酸分解法制備CO2氣體的一個重要條件，磷酸與碳酸鹽反應速率隨溫度的升高而加快[25]，由于同位素分餾系數(shù)與溫度密切相關[27]，反應過程中的溫度直接決定著分析結果的準確性[28]。按2.1節(jié)實驗方法，設定排空時間為12 min，反應時間為60 min，色譜分離溫度為60℃。Paul等[25]通過研究指出碳酸鹽與磷酸反應溫度應控制在50～90℃之內(nèi)，由于溫度較低，磷酸易凝固堵塞酸針，所以選擇的最低溫度為50℃，鋁制樣品盤可調(diào)的最高溫度為80℃。綜上，本文考察反應溫度分別為50℃、60℃、72℃和80℃對同位素測試結果的影響。

實驗結果表明(表2)：反應溫度為50℃、60℃和72℃三組實驗中δ13C測試精度略優(yōu)于反應溫度為80℃的結果，該現(xiàn)象與Paul等[25]報道的結果一致。由此表明50～72℃范圍的溫度均為合適的反應溫度。此外，實驗過程中還發(fā)現(xiàn)80℃可以造成反應瓶的密封性變差。在保證測試精度相當?shù)那闆r下，選擇較高的反應溫度可以縮短反應時間，因此選擇72℃作為反應溫度。

表2 不同反應溫度下石筍標樣的碳氧同位素組成

2.3 反應時間

磷酸與碳酸鹽在一定溫度下需要一定時間才能反應完全，氣相-液相實現(xiàn)同位素平衡也需要一定時間[25]，同位素達到平衡后才能獲取準確的測試結果。按2.1節(jié)實驗方法，設定排空時間為12 min，反應溫度為72℃，色譜分離溫度為60℃。在常溫下(25℃)，碳酸鹽和磷酸需反應24 h才能達到同位素平衡。當反應溫度升高至50℃以上時，反應達到平衡的時間可以縮短至1 h。根據(jù)參考文獻[25]，本文考察的反應時間范圍為30～90 min，由于測量一個樣品需15 min，故設定反應時間的增幅為15 min。

實驗結果表明(表3)，反應時間在30～75 min范圍內(nèi)變化，同位素結果差異較小，分析精度較穩(wěn)定，這與Paul等[25]的實驗結論相吻合；反應時間為90 min時，δ13C偏離其他4組實驗結果約-0.2‰，而氧同位素無明顯差異，Tu等[29]也報道了類似的實驗結果。不同碳酸鹽礦物與磷酸的反應速率不同，鄭永飛等[27]提出了方解石、石灰石和菱鐵礦等的反應溫度和所需時間，Paul等[25]通過實驗發(fā)現(xiàn)碳酸鹽與磷酸反應不徹底會導致結果發(fā)生偏離。綜合本文選取的石筍標樣的物質(zhì)組成以及氣、液兩相同位素的平衡時間，選取儀器廠商推薦的60 min作為反應時間。

表3 不同反應時間下石筍標樣的碳氧同位素組成

2.4 色譜柱分離溫度

色譜柱溫度直接影響分離效能[30]，氦氣的黏度因色譜分離溫度的變化而改變，進而影響流動相的分離效果，流動相的分離差異是導致同位素分餾的重要因素。按2.1節(jié)實驗方法，設定排空時間為12 min，反應溫度為72℃，反應時間為60 min，考察色譜分離溫度為45℃[22]、60℃[31]和70℃[20,32]對測試結果的影響。

實驗結果表明(表4)，考察的3個色譜分離溫度均能保證空氣干擾峰(N2O)與CO2峰完全分離。色譜分離溫度為45℃和60℃時，測試結果基本一致，45℃條件下分析精度相對較差。并且，色譜分離溫度為45℃時，溫控顯示有±1℃的波動，可能是造成精度變差的原因。分離溫度為70℃時，δ13C分析結果發(fā)生一定偏離。因此，本文選取的色譜分離溫度為60℃。

表4 不同色譜分離溫度下石筍標樣的碳氧同位素組成

3 同位素數(shù)據(jù)的處理方法

通過以上實驗條件的優(yōu)化與選擇，為獲得碳酸鹽碳氧同位素可靠的分析結果提供了重要前提。同位素數(shù)據(jù)歸一化處理方法也會對最終的同位素分析結果產(chǎn)生重要的影響[25]。因此，在確定最優(yōu)實驗條件的前提下，選擇合適的同位素數(shù)據(jù)歸一化方法是對分析結果的進一步保證。同位素數(shù)據(jù)的歸一化(標準化)是指將儀器計算的同位素原始數(shù)據(jù)(分析物相對參考氣的同位素值)轉化為相對國際標準的同位素標準值[33-35]，以便進行同位素結果對比。Paul等[34]認為樣品分析結果的準確性在一定程度上取決于采用的歸一化方法。Finnigan GasBenchⅡ操作說明書[26]推薦使用單一標準物質(zhì)校準，但我們在工作中發(fā)現(xiàn)，當實際樣品同位素組成偏離標準物質(zhì)較大時，會造成較大的校準誤差[33-34]。本文在獲得近4000件實際樣品數(shù)據(jù)的基礎上，對比了單一標準物質(zhì)和雙標準物質(zhì)線性校準(即標準物質(zhì)的推薦值與測量值的線性方程)的計算結果，發(fā)現(xiàn)雙標準物質(zhì)的校準偏差小于單一標準物質(zhì)的校準偏差[33-34]。

4 結語

本文系統(tǒng)地考察了GasBenchⅡ-IRMS聯(lián)用方法中排空時間、反應溫度、反應時間和色譜分離溫度對碳酸鹽碳氧同位素分析結果的影響，發(fā)現(xiàn)排空時間過短，反應瓶中殘留的空氣會對分析結果造成干擾；反應溫度過低會導致酸針堵塞，過高會造成反應瓶瓶蓋漏氣；反應時間主要受反應溫度控制；色譜分離溫度對分析結果有一定的影響。通過優(yōu)化分別選取12 min、72℃、60 min和60℃作為排空時間、反應溫度、反應時間和色譜分離溫度。與現(xiàn)有的報道相比，本研究更加綜合全面地評估了各實驗條件對碳酸鹽碳氧同位素分析結果的影響。此外，在獲得大量分析測試結果的基礎上，對同位素數(shù)據(jù)的歸一化方法進行比較，發(fā)現(xiàn)雙標準物質(zhì)的校準結果明顯優(yōu)于單標準物質(zhì)。

本研究為GasBenchⅡ- IRMS聯(lián)用技術中實驗條件的選取提供了一定的參考，保證碳氧同位素測試結果的可靠性和準確性。但是，本文主要對標準物質(zhì)進行系統(tǒng)研究，未對不同性質(zhì)的實際樣品進行考察。而實際樣品成分復雜且不均一，因此在開展實際工作中要根據(jù)樣品的性質(zhì)進一步對實驗條件進行考察。

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