GasBench Ⅱ-IRMS測(cè)定微量碳酸鹽中碳氧同位素比值方法研究

梁翠翠，尹希杰，徐勇航，李云海

(1.廈門大學(xué) 海洋與地球?qū)W院，福建 廈門 361005；2.國家海洋局 第三海洋研究所 海洋與海岸地質(zhì)環(huán)境開放實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門 361005)

GasBench Ⅱ-IRMS測(cè)定微量碳酸鹽中碳氧同位素比值方法研究

梁翠翠1，尹希杰2，徐勇航2，李云海2

(1.廈門大學(xué) 海洋與地球?qū)W院，福建 廈門 361005；2.國家海洋局 第三海洋研究所 海洋與海岸地質(zhì)環(huán)境開放實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門 361005)

采用Delta V Advantage 質(zhì)譜儀與GasBench Ⅱ在線制樣裝置，分別用12 mL和3.7 mL的樣品瓶，對(duì)不同質(zhì)量(5～50 μg)的碳酸鹽標(biāo)準(zhǔn)樣品(IAEA-CO-1)進(jìn)行碳氧同位素組成測(cè)定。測(cè)試結(jié)果表明，當(dāng)取樣量小于40 μg，且用12 mL樣品瓶進(jìn)行酸化測(cè)試時(shí)，δ13C和δ18O測(cè)量結(jié)果的內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)偏差一半以上大于0.1‰，不能滿足測(cè)試要求。當(dāng)改用3.7 mL樣品瓶，樣品取樣量在15～50 μg時(shí)，δ13C的內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.01‰～0.07‰，δ18O的內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.01‰～0.08‰，滿足測(cè)試要求。所以，當(dāng)樣品量較少時(shí)，GasBench Ⅱ在線制樣裝置可以通過改用3.7 mL樣品瓶，實(shí)現(xiàn)對(duì)低至15 μg微量碳酸鹽樣品的碳氧同位素精確測(cè)量。同時(shí)，碳酸鹽樣品的質(zhì)量與峰面積具有很好的線性關(guān)系(R2>0.993 2)，表明該方法也可用于樣品中碳酸鹽含量的測(cè)定。

微量碳酸鹽；碳氧同位素；GasBench Ⅱ-IRMS

碳酸鹽碳氧同位素研究在地質(zhì)和環(huán)境方面可以用于碳酸鹽巖成因與來源的識(shí)別、沉積相的判斷、古水溫與鹽度的推斷等方面的研究[1-5]。利用海洋生物化石鈣質(zhì)外殼的碳氧同位素比值估算古海洋環(huán)境溫度是古海洋學(xué)研究的一個(gè)重要方向。在陸地氣候研究中，碳酸鹽碳氧同位素經(jīng)常作為氣候的代用指標(biāo)[6-9]，是地球化學(xué)研究中重要的示蹤手段之一，可以評(píng)估海水原始碳氧同位素組成，地質(zhì)歷史時(shí)期生物盛衰和氣候變化特征，并借由這些變化特征，預(yù)測(cè)將來氣候變化趨勢(shì)，因此碳酸鹽碳氧同位素研究一直是碳酸鹽生物地球化學(xué)研究領(lǐng)域中最重要課題之一。

傳統(tǒng)的碳酸鹽碳氧同位素的分析方法是在真空系統(tǒng)中，將碳酸鹽樣品與100%的磷酸反應(yīng)，收集生成二氧化碳?xì)怏w，通過雙路進(jìn)樣系統(tǒng)手動(dòng)導(dǎo)入穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀進(jìn)行測(cè)試，該方法需要樣品量較大(數(shù)十毫克)，且每個(gè)樣品必須手工制備，人為因素導(dǎo)致的測(cè)試誤差相對(duì)較大。隨著連續(xù)流穩(wěn)定同位素質(zhì)譜(Continuous Flow MS)技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，對(duì)碳酸鹽碳氧同位素測(cè)試實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)酸化、分離制備，將待測(cè)氣樣用載氣直接帶入離子源進(jìn)行分析測(cè)試。目前，多用途在線氣體制備和導(dǎo)入系統(tǒng)與穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀聯(lián)用(GasBench Ⅱ-IRMS)技術(shù)，由于前處理步驟自動(dòng)化，所需樣品量少，且具備高精密度和準(zhǔn)確性等優(yōu)點(diǎn)[10]得到廣泛應(yīng)用。但是，該裝置配置的12 mL樣品瓶用于碳酸鹽碳氧同位素分析時(shí)，所需碳酸鹽樣品量一般大于40 μg。在許多氣候記錄研究中(珊瑚、有孔蟲、石筍,等)，由于樣品量小于40 μg，導(dǎo)致該方法的應(yīng)用受到一定的限制[11-12]。為了解決這個(gè)問題，本研究通過減小樣品瓶體積，建立了一種準(zhǔn)確、快速分析碳酸鹽碳氧同位素的方法，并盡可能減少取樣量，該方法可用于古氣候和其他地質(zhì)方面的研究。

1 儀器及試劑

GasBench Ⅱ在線制樣裝置：美國賽默飛世爾科技有限公司產(chǎn)品；Delta V Advantage穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀：美國賽默飛世爾科技有限公司產(chǎn)品；METTLER TOLEDO MX5微量天平：瑞士梅特勒-托利多公司產(chǎn)品，d=1 μg；3.7 mL和12 mL圓底硼硅酸瓶：英國Labco公司產(chǎn)品；1 mL醫(yī)用注射器：德國HSW公司產(chǎn)品；He氣：中國百斯特氣體工程有限公司產(chǎn)品，高純氦，純度>99.999%；CO2標(biāo)準(zhǔn)氣：福州新航工業(yè)氣體有限公司產(chǎn)品，純度>99.999%；碳酸鹽巖標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)：IAEA-CO-1、IAEA-CO-8；100%磷酸：德國Merk公司，根據(jù)Burman等[13]的方法制備；儀器的主要工作參數(shù)見表1。

表1 GasBench-IRMS主要工作參數(shù)Table 1 Experimental details of GasBench-IRMS

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 樣品前處理

用天平準(zhǔn)確稱取碳酸鹽巖標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)IAEA-CO-1(5～50 μg)于3.7 mL和12 mL樣品瓶中，擰緊瓶蓋，將樣品瓶置于試樣盤上；用GC PAL自動(dòng)進(jìn)樣器，依次對(duì)樣品瓶以100 mL/s的流速進(jìn)行氦氣吹掃240 s，相當(dāng)于220 mL的沖洗量；向每個(gè)樣品瓶中手動(dòng)加入3～4滴磷酸，將樣品瓶置于加熱至70 ℃的試樣盤上加熱60 min。

2.2 分析過程

GasBench Ⅱ-IRMS分析程序示意圖示于圖1。在分析樣品之前，先進(jìn)行自動(dòng)聚焦、定峰中心過程，再測(cè)量三個(gè)參考?xì)獾姆?。隨后，反應(yīng)產(chǎn)生的CO2氣體由氦氣引入質(zhì)譜儀，高能電子束轟擊離子化，經(jīng)過電場(chǎng)加速，不同質(zhì)荷比離子在磁場(chǎng)分離成不同的離子束，進(jìn)入接收器并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，測(cè)定碳氧同位素比值，每個(gè)樣品測(cè)定5次(即譜圖中出現(xiàn)5個(gè)樣品峰)，由于第一個(gè)樣品峰可能受前一個(gè)樣品的影響，故結(jié)果取后4次測(cè)量結(jié)果的平均值。

圖1 GasBench Ⅱ-IRMS分析程序示意圖Fig.1 Schematic diagram of GasBench Ⅱ-IRMS analysis procedure

3 結(jié)果與討論

3.1 樣品瓶空白的影響

空氣對(duì)同位素質(zhì)譜儀穩(wěn)定測(cè)量存在較大的影響，因此在測(cè)試之前用高純He對(duì)樣品瓶中的空氣進(jìn)行置換，盡量減小空氣對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。為了檢驗(yàn)樣品瓶中的空氣是否置換完全，測(cè)量時(shí)先加入兩個(gè)空白樣品瓶(1號(hào)空白樣為空瓶，2號(hào)空白樣只加磷酸)，以檢測(cè)樣品瓶中是否有殘存空氣。兩個(gè)空白樣品中m/z44信號(hào)的峰高分別是26 mV和28 mV ，2號(hào)空白

樣峰高大于1號(hào)空白樣，這可能是在加酸過程中引入微量空氣所致。穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀設(shè)定的m/z44峰高積分的閾值是40 mV，兩個(gè)空白樣品的m/z44信號(hào)值均小于40 mV，且該值遠(yuǎn)小于樣品的峰高，對(duì)檢測(cè)結(jié)果影響可忽略。

3.2 不同體積樣品瓶樣品量峰高的差異

當(dāng)取樣量為15 μg，且用12 mL樣品瓶進(jìn)行酸化測(cè)試時(shí)，產(chǎn)生的樣品峰高大約為400 mV(見圖2)，而采用3.7 mL樣品瓶時(shí)，峰高約為2 000 mV(見圖3) 。這是由于減小頂空瓶的體積后，氦氣對(duì)樣品所產(chǎn)生CO2的稀釋作用降低，樣品瓶中CO2濃度增加，生成色譜峰強(qiáng)度增加。在Gasbench連續(xù)測(cè)試取樣過程中，由于CO2的減少，五次測(cè)量之后峰強(qiáng)減少為原始強(qiáng)度的50%。通常穩(wěn)定同位素質(zhì)譜測(cè)試CO2的碳氧同位素過程中，m/z44信號(hào)的峰高超過1 000 mV，其測(cè)量結(jié)果可以認(rèn)為較穩(wěn)定。

圖2 15 μg樣品用12 mL樣品瓶測(cè)量的色譜圖Fig.2 Chromatogram obtained from a small (15 μg) sample with 12 mL vials

圖3 15 μg樣品用3.7 mL樣品瓶測(cè)量的色譜圖Fig.3 Chromatogram obtained from a small (15 μg) sample with 3.7 mL vials

3.3 碳酸鹽質(zhì)量與峰面積相關(guān)性分析

在測(cè)量5～50 μg質(zhì)量范圍的碳酸鹽中碳氧同位素的過程中，對(duì)每個(gè)樣品后4個(gè)峰的峰面積平均值與取樣量進(jìn)行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)峰面積與取樣量具有很好的線性關(guān)系(R2>0.993 2，n=10)，然而，在不同批次測(cè)量中由于穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀的測(cè)試條件存在差異(如Gasbench的He流速和穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀離子源參數(shù)的改變等 )，可能導(dǎo)致這種線性關(guān)系存在批次差異，因此在改變穩(wěn)定同位素質(zhì)譜測(cè)試條件時(shí)，需要重新建立峰面積和樣品碳含量的標(biāo)準(zhǔn)曲線。

圖4 樣品質(zhì)量和峰面積的線性關(guān)系Fig.4 Sample weight vs. peak area within an individual run

3.4 不同體積樣品瓶測(cè)試結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差

分別用12 mL和3.7 mL 樣品瓶測(cè)量不同質(zhì)量的IAEA-CO-1標(biāo)樣的碳氧同位素，每個(gè)樣品連續(xù)重復(fù)測(cè)量5次，取后4次測(cè)量結(jié)果計(jì)算其標(biāo)準(zhǔn)偏差。圖5(a)為使用12 mL樣品瓶測(cè)量不同質(zhì)量樣品。取樣量從5 μg 開始，以5 μg為間隔，逐漸增加到70 μg，從低到高的14個(gè)樣品為一組，重復(fù)測(cè)試三組，共42個(gè)樣品，所得碳氧同位素?cái)?shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差 。圖5(b)為使用3.7 mL樣品瓶測(cè)量不同質(zhì)量樣品。取樣量從5 μg 開始，5 μg為間隔，逐漸增加到50 μg，從低到高10個(gè)樣品為一組，重復(fù)測(cè)試三組，共30個(gè)樣品，所得碳氧同位素?cái)?shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差。

圖5 樣品用12 mL(a)和3.7 mL(b)樣品瓶測(cè)得δ18O和δ13C的標(biāo)準(zhǔn)偏差和重量的關(guān)系Fig.5 The internal standard deviation (STDEV) of δ18O and δ13C with 12 mL(a) and 3.7 mL (b) vials is shown against sample weight.

圖5(a)顯示，當(dāng)取樣量大于40 μg 時(shí)，δ18O和δ13C的標(biāo)準(zhǔn)偏差波動(dòng)范圍較小，其中δ13C的標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.01‰～0.1‰，δ18O的標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.03‰～0.1‰，均滿足分析測(cè)試精度的要求。當(dāng)取樣量小于40 μg時(shí)，δ18O和δ13C的標(biāo)準(zhǔn)偏差波動(dòng)范圍增大，δ13C的標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.03‰～0.20‰，δ18O的標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.04‰～0.21‰，大部分樣品的標(biāo)準(zhǔn)偏差大于0.1‰，不能滿足分析測(cè)試精度要求。所以，用12 mL樣品瓶進(jìn)行分析測(cè)試時(shí)，樣品量必須大于40 μg。

圖5(b)顯示，當(dāng)取樣量大于20 μg時(shí)，δ18O和δ13C的標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于0.07‰；當(dāng)取樣量為15～20 μg時(shí)，δ13C和δ18O的標(biāo)準(zhǔn)偏差略微增大，δ13C的內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.01‰～0.07‰，δ18O的內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.01‰～0.08‰，仍都小于0.08‰，滿足分析測(cè)試要求；而當(dāng)取樣量小于15 μg，其樣品的δ13C和δ18O標(biāo)準(zhǔn)偏差明顯增大，大部分超過0.09‰，不能滿足分析測(cè)試精度的要求。所以，用3.7 mL樣品瓶進(jìn)行分析測(cè)試時(shí)，樣品量可以低至15 μg。

3.5 不同質(zhì)量樣品對(duì)測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確度分析

對(duì)用3.7 mL樣品瓶測(cè)定的30個(gè)標(biāo)樣IAEA-CO-1碳氧同位素值準(zhǔn)確度進(jìn)行分析，δ13C和δ18O測(cè)量值與樣品質(zhì)量的相關(guān)性示于圖6。實(shí)線是取樣量大于15 μg樣品的碳、氧同位素值的平均值，而虛線是所有碳和氧同位素?cái)?shù)據(jù)與所有樣品質(zhì)量的線性擬合結(jié)果。從圖6(a)可知，當(dāng)樣品質(zhì)量在15～50 μg時(shí)，樣品的δ13C值在實(shí)線(樣品的標(biāo)準(zhǔn)值+2.49‰)上下波動(dòng)，絕對(duì)誤差范圍為-0.13‰～0.11‰；但當(dāng)樣品量小于15 μg時(shí)，樣品的δ13C值具有明顯的變小的趨勢(shì)，逐漸偏離其真實(shí)值。從圖6(b)可知，當(dāng)樣品質(zhì)量在15～50 μg時(shí)，樣品的δ18O值在實(shí)線(樣品的標(biāo)準(zhǔn)值-2.4‰)上下波動(dòng)，絕對(duì)誤差范圍為0.4‰～0.3‰，當(dāng)樣品量小于15 μg時(shí)，其波動(dòng)范圍變大并有變小的趨勢(shì)。當(dāng)樣品量小于15 μg時(shí)，樣品中δ18O和δ13C值具有明顯降低的趨勢(shì)，這可能是由于樣品中含有微量的空氣，空氣中的氮?dú)夂脱鯕庠陔x子源中被電子轟擊的過程中，形成了少量的氧化亞氮(m/z44為主)，當(dāng)較高濃度的CO2進(jìn)入離子源時(shí)，氧化亞氮的影響較小，隨著進(jìn)入離子源CO2濃度降低，而氧化亞氮的濃度基本不變，相當(dāng)于間接的增大了m/z44的信號(hào)，因此導(dǎo)致了樣品中δ18O和δ13C值降低。

3.6 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)和有孔蟲樣品測(cè)試

采用上文描述測(cè)試方法對(duì)碳酸鹽巖標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)IAEA-CO-1、IAEA-CO-8和有孔蟲樣品進(jìn)行碳氧同位素分析測(cè)試。用3.7 mL樣品瓶對(duì)兩組標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)分別作8次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，取樣量為15～50 μg，最終結(jié)果取8次測(cè)量的平均值，并與標(biāo)準(zhǔn)值比較，結(jié)果列于表2。表2結(jié)果表明，標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)分析結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值相吻合，滿足測(cè)量的準(zhǔn)確度和精密度要求。

分別稱取用不同質(zhì)量的有孔蟲樣品，對(duì)其碳含量和碳氧同位素進(jìn)行分析(見表3)，測(cè)試結(jié)果表明，當(dāng)取樣量大于15 μg時(shí)，有孔蟲碳同位素標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.02‰，氧同位素的標(biāo)準(zhǔn)偏差小于0.1‰，滿足相關(guān)的分析測(cè)試精度的要求。

圖6 δ13C和δ18O隨著樣品重量的變化Fig.6 Changes in measured δ13C andδ18O values with sample weight

表2 碳酸鹽巖標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)分析(n=8)Table 2 Analysis of carbonate reference materials(n=8)

4 結(jié)論

通過減小GasBench Ⅱ- IRMS樣品瓶體積的方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)低至15 μg微量碳酸鹽樣品中的碳氧同位素在線精確測(cè)量。本方法處理流程相對(duì)簡單，δ13C和δ18O標(biāo)準(zhǔn)偏差和準(zhǔn)確度滿足相關(guān)分析的要求，基本解決某些碳酸鹽樣品因量少而無法使用常規(guī)在線測(cè)量的難題，拓展了GasBench Ⅱ- IRMS在線連續(xù)流分析測(cè)試碳酸鹽碳氧同位素方法在地質(zhì)、海洋和環(huán)境等領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。

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Analytical Method for Carbon and Oxygen Isotope of Small Carbonate Samples with the GasBench Ⅱ-IRMS Device

LIANG Cui-cui1, YIN Xi-jie2, XU Yong-hang2, LI Yun-hai2

(1.CollegeofOcean&EarthSciences,XiamenUniversity,Xiamen361005,China;2.OpenLaboratoryofOcean&CoastEnvironmentalGeology,ThirdInstituteofOceanographyStateOceanicAdministration,Xiamen361005,China)

An analytical method for measuring carbon and oxygen isotopic compositions of trace amount carbonate (>15 μg) was established by Delta V Advantage isotope Ratio MS coupled with GasBench Ⅱ. Different trace amount (5-50 μg) carbonate standard samples (IAEA-CO-1) were measured by GasBench Ⅱ with 12 mL and 3.7 mL vials. When the weight of samples was less than 40 μg and it was acidified in 12 mL vials, most standard deviations of the δ13C and δ18O were more than 0.1‰, which couldn’t satisfied high-precision measurements. When the weight of samples was greater than 15 μg and it was acidified in 3.7 mL vials, standard deviations for the δ13C and δ18O were 0.01‰-0.07‰ and 0.01‰-0.08‰ respectively, which satisfied high-precision measurements. Therefore, small 3.7 mL vials were used to increase the concentration of carbon dioxide in headspace, carbonate samples even less as 15 μg can be analyzed routinely by a GasBench Ⅱ continuous-flow IRMS. Meanwhile, the linear relationship between sample’s weight and peak’s area was strong (R2>0.993 2) and it can be used to determine the carbon content of carbonate samples.

trace carbonate; carbon and oxygen isotopes; GasBench Ⅱ-IRMS

10.7538/tws.2015.28.01.0041

2014-00-00;

2014-00-00

國家青年基金“河口地區(qū)硫酸鹽還原過程隨鹽度梯度的變化規(guī)律及其控制因素”(41006072)

梁翠翠(1988—)，女，河北邢臺(tái)人，碩士研究生，從事同位素海洋學(xué)研究

尹希杰，副研究員，E-mail: yinxijie@tio.org.cn

TL92+2

A

1000-7512(2015)01-0041-07