封管法制備有機碳穩(wěn)定同位素樣品存在的問題和改進

曹蘊寧，劉衛(wèi)國,

（1. 中國科學(xué)院地球環(huán)境研究所 黃土與第四紀(jì)地質(zhì)國家重點實驗室，西安 710061；2. 西安交通大學(xué) 人居環(huán)境與建筑工程學(xué)院，西安 710049）

封管法制備有機碳穩(wěn)定同位素樣品存在的問題和改進

曹蘊寧1，劉衛(wèi)國1,2

（1. 中國科學(xué)院地球環(huán)境研究所 黃土與第四紀(jì)地質(zhì)國家重點實驗室，西安 710061；2. 西安交通大學(xué) 人居環(huán)境與建筑工程學(xué)院，西安 710049）

有機碳穩(wěn)定同位素的高精度測定是利用地質(zhì)樣品有機碳同位素研究氣候和植被變化等的基礎(chǔ)。通過實驗發(fā)現(xiàn)低有機碳含量樣品同位素測定誤差相對較大，其中樣品收集過程是主要的影響因素之一。本文針對這個問題，主要從雜質(zhì)氣體干擾入手，在一步冷凍分離CO2和H2O，或分步冷凍分離CO2和H2O的收集方法，以及改變收樣管體積三方面進行條件實驗研究，討論了封管法制備有機碳穩(wěn)定同位素樣品氣體收集過程對有機碳穩(wěn)定同位素組成的影響。結(jié)果表明：（1）CO2氣體的純化收集是封管法制備有機碳穩(wěn)定同位素樣品的一個重要步驟，收集時雜質(zhì)氣體含量越高，對樣品有機碳穩(wěn)定同位素組成的影響越大；（2）在相同的雜質(zhì)氣體背景條件下，與一步冷凍分離CO2和H2O的方法相比，分步冷凍CO2和H2O的方法能夠顯著減小雜質(zhì)氣體對有機碳穩(wěn)定同位素測定的影響；（3）小體積收樣管能夠顯著提高有機碳穩(wěn)定同位素樣品的離子流強度，進而提高低有機碳含量樣品的穩(wěn)定碳同位素測定精度。

有機碳穩(wěn)定同位素；樣品制備；封管法

有機碳穩(wěn)定同位素在古環(huán)境、古植被、古氣候和土壤碳循環(huán)，以及有機質(zhì)來源等諸多研究領(lǐng)域已有廣泛應(yīng)用（林本海和劉榮謨，1992；段毅和羅斌杰，1998；沈吉等，1998；劉衛(wèi)國等，2002；張恩樓等，2002；Liu et al，2003；饒志國等，2005；于貴瑞等，2005；Liu et al，2005；羅光強等，2009；王國安等，2012；張成君等，2012；袁紅朝等，2014）。目前有機碳穩(wěn)定同位素分析方法主要有4種：（1）多次循環(huán)分析系統(tǒng)，（2）通用分析系統(tǒng)，（3）封管法，（4）連續(xù)流裝置。封管法也稱密閉安瓶法，在國內(nèi)，劉榮謨等（1990）首先建立并改進了封管法，該方法可用于分析黃土，纖維素等樣品的有機碳穩(wěn)定同位素。王楚等（1992）介紹了使用設(shè)備簡單，適合我國中小實驗室使用的一種封管法，能夠用于分析制備湖泊沉積物及各種物態(tài)的石油分餾物的有機碳穩(wěn)定同位素樣品。封管法與其他幾種有機碳穩(wěn)定同位素分析方法相比，操作稍復(fù)雜，但樣品氧化充分，無記憶效應(yīng)，分析精度高，因而廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外穩(wěn)定同位素實驗室。

高精度有機碳穩(wěn)定同位素分析方法近年來受到越來越多研究者的關(guān)注和重視。有機碳穩(wěn)定同位素分析過程主要包括樣品前處理，CO2氣體的制備以及質(zhì)譜分析。隨著高精度同位素質(zhì)譜分析儀器的不斷完善，儀器本身因素對樣品測定結(jié)果的影響越來越小。因此，近年來人們對如何提高有機碳穩(wěn)定同位素測定精度的研究多集中在樣品預(yù)處理方法和樣品制備條件上，如王金權(quán)（2005）對比研究了兩種不同預(yù)處理方法對巖石樣品有機碳同位素的影響，曹蘊寧等（2005）研究了不同酸處理條件去除碳酸鹽，樣品制備是否加銅絲以及氧化條件等對土壤有機碳同位素組成的影響，吳夏等（2008）研究了樣品的粒度，不同酸濃度，洗除樣品殘余酸和烘干溫度等前處理條件對巖石樣品有機碳同位素組成的影響，遲云平等（2012）研究了不同實驗材料，不同儀器及不同溫度對沉積物有機碳同位素組成的影響，李陽陽等（2012）對比研究了封管法和在線法對黃土有機碳同位素分析的影響，祝孟博等（2015）研究了不同酸處理方式，不同干燥方式等預(yù)處理方法對不同類型樣品有機碳同位素組成的影響。但對CO2氣體制備，尤其是CO2氣體純化收集過程對樣品有機碳穩(wěn)定同位素組成影響的研究很少。

實驗中筆者發(fā)現(xiàn)低有機碳含量樣品穩(wěn)定同位素測定誤差相對較大，這限制了有機碳穩(wěn)定同位素地球化學(xué)在環(huán)境研究中的應(yīng)用。而CO2氣體的純化收集是封管法制備有機碳穩(wěn)定同位素樣品的一個重要步驟，是影響樣品δ13C的可能因素之一。因此，本文研究封管法制備有機碳穩(wěn)定同位素樣品CO2氣體收集時雜質(zhì)氣體對有機碳穩(wěn)定同位素組成的影響；對比研究一步冷凍分離CO2和H2O及分步冷凍分離CO2和H2O的方法對樣品有機碳穩(wěn)定同位素組成的影響；對比研究大體積收樣管和小體積收樣管收集CO2對樣品離子流強度的影響。目的是找出低有機碳含量樣品同位素測定誤差相對較大的可能原因，探明封管法制備有機碳穩(wěn)定同位素樣品CO2氣體收集過程對穩(wěn)定碳同位素組成的影響及如何消除或減小該影響，從而進一步提高封管法測試樣品有機碳穩(wěn)定同位素組成的精度和準(zhǔn)確性。

1 實驗方法

1.1 有機碳穩(wěn)定同位素分析樣品制備

樣品有機碳穩(wěn)定同位素分析主要包括以下三個步驟：樣品前處理；CO2氣體的制備；質(zhì)譜分析。本文采用封管法進行有機碳穩(wěn)定同位素樣品制備，具體實驗步驟如圖1所示。

為避免空白影響，實驗所用器皿均先用稀酸浸泡，然后用蒸餾水沖洗干凈，在500℃加熱4小時。

本研究選用的樣品有國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW04407（炭黑）以及不同類型天然樣品。天然樣品包括洛川表土T-1，太白山表土SN-2，洛川黃土Luo-193，Luo-253，西峰黃土XF01(1)1392及青海巖石樣品泥巖，泥灰?guī)r和長石砂巖。對于天然樣品，及時置于烘箱中以40℃烘干，然后縮分、研磨，過100目篩，將過篩后的樣品保存于干凈鋁箔袋中。取適量樣品，加鹽酸去除其碳酸鹽，將除凈碳酸鹽的樣品沖洗至中性，烘干后研磨，保存在預(yù)處理過的玻璃小瓶中。將前處理好的樣品裝入石英樣品管中，同時加入氧化銅，銅絲和鉑絲，抽真空至10-3Pa，熔封石英樣品管，然后放入馬弗爐內(nèi)850℃恒溫至少2.5小時，以保證有機質(zhì)充分氧化。待樣品管爐冷至室溫后，取出，置于CO2氣體純化裝置上，用液氮和液氮-酒精冷阱除去水分，收集純凈的CO2氣體。對于有機碳穩(wěn)定同位素標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的制備，不需進行樣品前處理，CO2氣體的制備過程與天然樣品相同。

圖1 封管法制備有機碳穩(wěn)定同位素樣品流程圖Fig.1 Flow chart of organic carbon stable isotope analysis by using sealed tube method

本文的研究內(nèi)容僅涉及流程圖中“純化并收集生成的CO2氣體”這一實驗環(huán)節(jié)。

1.2 質(zhì)譜分析

將收集到的CO2氣體在MAT-251型質(zhì)譜儀雙路進樣系統(tǒng)上進行穩(wěn)定碳同位素分析。

穩(wěn)定碳同位素組成的表達式為：

式中，R樣品為樣品的穩(wěn)定碳同位素比值（13C /12C），R標(biāo)準(zhǔn)為標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)定碳同位素比值（13C/12C）。

穩(wěn)定碳同位素組成相對V-PDB標(biāo)準(zhǔn)。所有樣品的同位素分析均在中國科學(xué)院地球環(huán)境研究所同位素實驗室進行，各類樣品的測定精度用實驗室工作標(biāo)準(zhǔn)控制，每批樣品至少帶1個工作標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)樣品的重復(fù)分析誤差＜0.2‰。

2 結(jié)果與討論

2.1 雜質(zhì)氣體對收集CO2穩(wěn)定碳同位素組成的影響

有機質(zhì)碳氧化生成的CO2氣體需經(jīng)純化收集（去除H2O和雜質(zhì)氣體）才能進行質(zhì)譜測定。為研究純化收集過程雜質(zhì)氣體是否會對有機碳穩(wěn)定同位素結(jié)果產(chǎn)生影響，人為給真空管路中放入適量空氣，通過平衡擴散調(diào)節(jié)管路內(nèi)空氣的壓力在0.05—15.7 mbar。

選取有機碳穩(wěn)定同位素國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW04407（炭黑，δ13C = （-22.43 ± 0.07）‰）和洛川表土樣品T-1，按1.1中方法對表土樣品進行前處理。測定了炭黑和T-1表土樣品純化收集CO2時不同空氣與CO2壓力比值下的有機碳穩(wěn)定同位素組成，結(jié)果如圖2所示?？諝馀cCO2的壓力比值分別為0.007，0.48以及2.96時，炭黑的δ13C值分別為-22.61‰，-23.38‰以及-25.14‰?？諝馀cCO2的比值分別為0.004，0.17以及0.5時，T-1表土的δ13C值分別為-24.70‰，-25.01‰以及-25.15‰。炭黑和T-1表土樣品的有機碳穩(wěn)定同位素結(jié)果均表現(xiàn)出冷凍收集CO2氣體時，雜質(zhì)氣體含量越高，碳同位素組成越偏負的趨勢。當(dāng)雜質(zhì)氣體與CO2的壓力比值超過0.2，炭黑和T-1有機碳穩(wěn)定同位素的偏差均大于0.2‰。

圖2 雜質(zhì)氣體對收集CO2氣體穩(wěn)定碳同位素組成的影響Fig.2 Effect of air background on theδ13C of CO2gas collection

文獻中報道大氣穩(wěn)定碳同位素組成通常在-8‰左右（Robinson and Scrimgeour，1995；Kuzyakov，2006），比炭黑的穩(wěn)定碳同位素組成-22.43‰明顯偏正，收集反應(yīng)生成的CO2氣體時，若混入空氣中的CO2，穩(wěn)定碳同位素比值理論上應(yīng)比-22.43‰偏正。但目前大氣中CO2的含量一般為380 μmol · mol-1，在本實驗中，大氣中CO2與樣品CO2的量相比不足以對其δ13C值產(chǎn)生顯著的影響。在T-1樣品的實驗中筆者觀察到相同樣品用量條件下雜質(zhì)氣體含量越高，冷凍收集的CO2氣體的離子流強度相對越低。這表明冷凍收集CO2氣體時，不是由于雜質(zhì)氣體（空氣）本身的碳同位素對樣品碳同位素組成產(chǎn)生影響，而是由于管路中雜質(zhì)氣體，其中包括氮氣等不能被液氮冷凍住的雜質(zhì)氣體壓力高干擾了CO2氣體的冷凍收集，使CO2氣體沒有被完全冷凍。冷凍收集CO2的過程產(chǎn)生了同位素分餾，導(dǎo)致先收集到的CO2氣體穩(wěn)定碳同位素組成偏負，而剩余的未收集完全的CO2氣體穩(wěn)定碳同位素組成偏正。

2.2 兩種冷凍收集CO2氣體方法對有機碳穩(wěn)定同位素組成的影響

張鴻斌（1986）指出燃燒生成的CO2和H2O先用液氮冷凍在冷指中，然后換用- 60℃冷凍劑凍住H2O分離出CO2。而多數(shù)文章中提到的冷凍方法均是用不同冷凍劑一步分離冷凍H2O和CO2（王楚等，1992；沈吉和王楚，1997）。那么不同冷凍收集CO2氣體的方法是否會對其穩(wěn)定碳同位素組成產(chǎn)生影響？

封管法制備有機碳穩(wěn)定同位素樣品的冷凍收集示意圖如圖3所示，A為收樣管，B為冷阱，C為樣品管，裝在可彎折的波紋管內(nèi)。第一種是一步冷凍分離CO2和H2O的收集方法，也是目前收集CO2氣體的通常做法：先將整個真空管路抽好真空，然后將冷阱B的溫度用液氮-酒精冷凍劑調(diào)至-60—-80℃，用于冷凍樣品氧化生成的H2O，同時將收樣管A浸在液氮中，準(zhǔn)備收集CO2氣體。抽好波紋管腔內(nèi)真空后折斷其內(nèi)石英樣品管C，樣品中的H2O被冷凍在冷阱B內(nèi)，而CO2氣體則經(jīng)過冷阱B，被液氮冷凍在收樣管A內(nèi)。冷凍5分鐘后，抽掉管路中不能被冷凍住的雜質(zhì)氣體，以獲得純凈的CO2氣體供質(zhì)譜測定。第二種是分步冷凍分離CO2和H2O的收集方法：抽好整個真空管路的真空，先將冷阱B的溫度用液氮冷凍劑調(diào)至-196℃，將石英樣品管C折斷，樣品氧化生成的H2O和CO2同時被冷凍在冷阱B內(nèi)。冷凍5分鐘后，抽掉管路中不能被冷凍住的雜質(zhì)氣體，然后將收樣管A浸在液氮中，將冷阱B的液氮換成液氮-酒精冷凍劑，這時H2O仍被冷凍在冷阱B內(nèi)，而CO2氣體被釋放出來，再被液氮冷凍收集在收樣管A內(nèi)。

本研究選取炭黑標(biāo)準(zhǔn)，測定不同雜質(zhì)氣體比例條件下，分別用兩種冷凍收集方法收集的CO2的有機碳穩(wěn)定同位素組成，結(jié)果如圖4所示。雜質(zhì)氣體與CO2的比值為 0.008，用兩種冷凍方法測得的結(jié)果很接近，均在誤差范圍內(nèi)；雜質(zhì)氣體與CO2的比值為0.5，用第一種冷凍方法測得的結(jié)果比標(biāo)準(zhǔn)值偏負0.9‰，而用第二種方法測得的結(jié)果偏負0.17‰；雜質(zhì)氣體與CO2的比值為3時，用第一種方法測得的結(jié)果比標(biāo)準(zhǔn)值偏負2.71‰，而用第二種方法測得的結(jié)果僅偏負0.47‰。

從圖中可以看出，雜質(zhì)氣體與CO2的比值低于0.2時，用兩種冷凍方法收集得到的CO2氣體穩(wěn)定碳同位素組成沒有顯著差異。隨著雜質(zhì)氣體的比例增高，兩種冷凍方法獲得的樣品穩(wěn)定碳同位素組成均呈偏負趨勢，但第一種方法的結(jié)果比第二種方法的結(jié)果偏負的趨勢更為顯著，表明第二種收集方法能顯著減小CO2收集過程中產(chǎn)生的同位素分餾。這可能是由于在相同的雜質(zhì)氣體背景條件下，第二種方法首先將CO2和H2O同時冷凍在冷阱B內(nèi)，冷阱B的體積和液氮直接接觸的表面積均比收樣管A大，能夠冷凍住更多的CO2氣體，減小了因收集不完全產(chǎn)生的同位素分餾。第二種方法的第二步將CO2從冷阱B再冷凍至收樣管A內(nèi)的收集基本是完全的，因為收集5分鐘后再次抽管路真空時真空計的讀數(shù)幾乎沒有變化。以上結(jié)果表明第二種冷凍方法雖然也不能夠完全收集CO2氣體，但在相同雜質(zhì)氣體背景條件下，與第一種冷凍方法相比，顯著減小了雜質(zhì)氣體對收集CO2的影響，提高了有機碳穩(wěn)定同位素測定的準(zhǔn)確度。

圖3 封管法有機碳穩(wěn)定同位素分析CO2氣體純化收集裝置示意圖Fig.3 Sketch of CO2gas puri fi cation and collection device by using sealed tube method for stable carbon isotope analysis

兩種冷凍收集方法獲得的不同天然樣品的有機碳穩(wěn)定同位素組成結(jié)果如表1所示。從結(jié)果中可以看出，兩個裝樣量最多的樣品（2）泥巖和Luo-193，也是有機碳含量相對較低的樣品，用兩種冷凍收集方法獲得的有機碳同位素的差值最大，用第一種冷凍方法比第二種冷凍方法獲得的碳同位素組成分別偏負0.52‰和0.56‰。同時在樣品收集過程中也注意到（2）泥巖樣品在冷凍收集CO2氣體后，抽雜氣時真空度下降最多，說明樣品氧化生成的氣體中雜質(zhì)氣體相對較多。

圖4 兩種冷凍方法收集CO2對GBW04407標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)定碳同位素組成的影響Fig.4 The effects of two freezing methods on theδ13C of GBW04407 standard

因此，對于有機碳含量低，氧化產(chǎn)物中除CO2和H2O外，雜質(zhì)氣體含量高的天然樣品，在純化收集CO2氣體時設(shè)法消除或減小收集過程中可能產(chǎn)生的碳同位素分餾，是減小樣品有機碳穩(wěn)定同位素測定誤差的一個有效措施。

2.3 改進的小體積收樣管

質(zhì)譜測定要求被分析氣體的離子流強度在一定的范圍內(nèi)，強度過高會超出檢測限，過低會降低質(zhì)譜的測定精度。因此樣品生成CO2氣體的離子流強度應(yīng)在合適的范圍內(nèi)才能保證有機碳穩(wěn)定同位素的測定精度和準(zhǔn)確度。

傳統(tǒng)使用的CO2氣體收樣管是油脂活塞收樣管，活塞部分依靠真空脂密封。收樣管內(nèi)部體積為28 ± 2 mL。對于植物樣品或有機質(zhì)含量相對較高的土壤和沉積物樣品，一般樣品用量從2 —500 mg，用該收樣管收集的CO2氣體的離子流強度一般可達到1 V以上，能滿足質(zhì)譜儀準(zhǔn)確測定的下限需要。但對于有機碳含量很低的樣品，特別是老地層或巖石樣品等，樣品制備受樣品量和石英反應(yīng)管體積等的限制，樣品氧化生成的CO2氣體離子流強度非常低，僅零點幾伏或更低，質(zhì)譜測定的偏差會明顯增大。

為提高此類樣品測定的精確度，本研究從提高樣品的離子流強度著手，將大體積油脂收樣管改進為小體積無油脂收樣管。改進的小體積收樣管內(nèi)部體積為1.4 ± 0.1 mL，僅為傳統(tǒng)收樣管體積的4%—6%。而且小體積收樣管依靠優(yōu)質(zhì)橡膠圈密封，不使用真空脂，可避免真空油脂對系統(tǒng)的可能污染。

表1 兩種冷凍方法收集CO2對不同天然樣品有機碳穩(wěn)定同位素組成的影響Tab.1 The effects of two freezing methods on theδ13C values of natural samples

為測試小體積收樣管對提高樣品離子流強度的效果，本研究選用太白山土壤樣品，準(zhǔn)確稱量樣品量，比較了傳統(tǒng)油脂收樣管與小體積無油脂收樣管在相同樣品用量條件下收集到的土壤樣品SN-2產(chǎn)生的CO2氣體的離子流強度，結(jié)果如圖5所示。從圖中可以看出，SN-2的樣品量分別為5 mg、10 mg、15 mg、20 mg以及40 mg，用小體積收樣管收集的CO2氣體的m/z44離子流強度分別為0.8 V、1.5 V、2.2 V、2.8 V以及5.2 V，均顯著高于用大體積收樣管收集的CO2氣體的m/z44離子流強度：0.4 V、0.9 V、1.4 V、2.0 V及4.2 V。離子流強度提高的幅度為24%—100%，平均提高58%。從結(jié)果中還可以看出，CO2氣體的m/z44離子流強度相對越低，用小體積收樣管收集的CO2氣體的離子流強度提高的幅度相對越大，這將顯著提高相同樣品量條件下低有機碳含量樣品的m/z44離子流強度。

用改進的小體積收樣管收集的CO2氣體的m/z44離子流強度顯著高于大體積收樣管收集到的CO2氣體的離子流強度。這是由于在質(zhì)譜儀上使用雙路進樣系統(tǒng)測試時，進樣系統(tǒng)管路的體積是一定的，小體積收樣管內(nèi)CO2氣體的壓力相對較高，能夠使收樣管內(nèi)的CO2氣體更多地平衡到質(zhì)譜儀的進樣系統(tǒng)管路中，提高質(zhì)譜儀管路中CO2氣體的壓力，從而提高樣品m/z44的離子流強度，進而可提高低含量樣品的測定精度。

圖5 兩種體積收樣管收集的土壤樣品（SN-2）離子流強度的比較Fig.5 Comparison of ion current intensities of soil sample (SN-2) by using collecting tubes with different volumes

3 結(jié)論

通過對封管法制備有機碳穩(wěn)定同位素樣品CO2氣體收集過程的研究，得到以下結(jié)論：

（1）CO2氣體純化收集是封管法制備有機碳穩(wěn)定同位素樣品過程中一個重要的步驟。雜質(zhì)氣體干擾是CO2氣體收集過程中一個重要影響因素，雜質(zhì)氣體與CO2氣體的壓力比值超過0.2，對GBW04407（炭黑）穩(wěn)定碳同位素組成有顯著影響，且雜質(zhì)氣體含量越高，對穩(wěn)定碳同位素組成的影響越大。

（2）一步冷凍分離CO2和H2O及分步冷凍分離CO2和H2O這兩種冷凍方法在雜質(zhì)氣體含量較低時對炭黑的有機碳穩(wěn)定同位素組成沒有顯著影響；而當(dāng)雜質(zhì)氣體與CO2的壓力比值大于0.2時，一步冷凍分離CO2和H2O收集的CO2穩(wěn)定碳同位素組成明顯偏負，而分步冷凍CO2和H2O的方法能夠顯著減小CO2收集過程中產(chǎn)生的同位素分餾。

（3）利用改進的小體積收樣管能有效提高樣品CO2的離子流強度，尤其是當(dāng)CO2氣體的m/z44離子流強度低于1 V時，小體積收樣管能夠提高CO2氣體的離子流強度60%以上，這將顯著提高相同樣品量條件下低有機碳含量樣品的m/z44離子流強度，進而能夠提高樣品的質(zhì)譜測定精度。

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Problems and improvements of preparing organic carbon stable isotope samples by sealing tube method

CAO Yunning1, LIU Weiguo1,2
（1. State Key Laboratory of Loess and Quaternary Geology, Institute of Earth Environment, Chinese Academy of Sciences , Xi'an 710061, China; 2. School of Human Settlement and Civil Engineering, Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049, China）

Background, aim, and scopeHigh precision measurement of organic carbon stable isotope (δ13C) is the basis for its application in the reconstruction of past changes in climate and vegetation types. It has been observed that the measurement error ofδ13C for samples with low organic carbon content was relatively large, partly due to the problem in the CO2collecting process. To solve this problem, the effect of CO2gas collecting process on theδ13C of organic carbon was investigated from three aspects: impurity gas on the process of CO2freezing, freezing CO2and H2O by one step and freezing CO2and H2O step by step, and the effect of collection tubes with different volumes.Materials and methodsThe national standard material (GBW04407) and different types of natural samples were analyzed using sealed tube method to study the effect of CO2gas collecting process on theδ13C oforganic carbon. The natural samples were treated with 2 mol·L-1HCl for 24 h at room temperature to remove carbonates and acid soluble organic material. The treated samples were washed with distilled water and dried at 40℃, and then were combusted for at least 2.5 h at 850℃ in an evacuated and sealed quartz tube in the presence of Cu oxide, Cu wire and Pt wire. The CO2was then puri fi ed and isolated by cryogenic distillation for C isotope analysis. To investigate the effect of CO2gas collecting process on theδ13C of organic carbon, the air pressure in the vacuum line was arti fi cially adjusted within the range of 0.05 mbar to 15.7 mbar; two CO2freezing methods were used, freezing CO2and H2O by one step and freezing CO2and H2O step by step; and two kinds of collection tubes with different volumes were used.ResultsThe results showed that: (1) in the CO2gas collection process, theδ13C values of standard material (GBW04407) were -22.61‰, -23.38‰ and -25.14‰ when the pressure ratio of air to CO2gas were 0.007, 0.48 and 2.96. Theδ13C values of soil sample (T-1) were -24.70‰, -25.01‰ and -25.15‰ when the pressure ratio of air to CO2gas were 0.004, 0.17 and 0.5. The results both showed a trend that the higher concentration of impurity gas, the lowerδ13C value of sample. When the impurity gas and CO2pressure ratio is larger than 0.2, the deviations ofδ13C values of GBW04407 and T-1 were greater than 0.2‰. (2) When the ratio of impurity gas to CO2ranges from 0 to 0.008, theδ13C values of GBW04407 obtained by the two freezing methods were very close, both within the error range; when the ratio of impurity gas to CO2was 0.5, theδ13C value of GBW04407 obtained by the fi rst freezing method (freezing CO2and H2O by one step) was 0.9‰ negative than the standard value, while the result by the second method (freezing CO2and H2O step by step) was 0.17‰ negative than the standard value; when the ratio of impurity gas to CO2was 3, theδ13C value of GBW04407 obtained by the fi rst freezing method was 2.71‰ negative than the standard value, while the result by the second method was only 0.47‰negative than the standard value. (3) A surface soil sample SN-2 were weighed 5 mg, 10 mg, 15 mg, 20 mg and 40 mg, the ion current intensity ofm/z44 produced by these samples were 0.8 V, 1.5 V, 2.2 V, 2.8 V, and 5.2 V, respectively by using a small volume of sample collection tube. Those were signi fi cantly higher than values obtained by using a large volume of sample collection tube, which are 0.4 V, 0.9 V, 1.4 V, 2.0 V, and 4.2 V, respectively.DiscussionIn experiments, we noted that the higher the content of impurity gases in the vacuum line, the lower the ion current intensity and theδ13C values of CO2gas. This suggests that the negative trend ofδ13C values of CO2with increasing content of impurity gases in vacuum line is not due to theδ13C values of impurity gas (air) itself, but because the CO2gas is not completely frozen. The method of freezing CO2and H2O step by step can decrease the fractionation of carbon isotope than freezing CO2and H2O by one step. Probably because with larger surface area of trap B, more CO2can be frozen there by liquid nitrogen. Therefore, this method decreases the fractionation of carbon isotope due to incomplete CO2freezing. The ion current intensity ofm/z44 of samples increased 100%—24%, 58% averagely by using small volume collection. This is because the CO2gas pressure is relatively high in small volume collection tube, so more CO2gas can balance into the mass spectrometer to enhance the ion current intensity ofm/z44 of sample, furthermore, enhancing ion current intensity ofm/z44 can improve the accuracy of isotope measurement.Conclusions(1) The puri fi cation and collection of CO2gas is an important step in the preparation of testing samples organic carbon stable isotope. The higher the concentrations of impurity gas in the sample, the greater the impact on theδ13C of sample; (2) with same impurity gas background, freezing CO2and H2O step by step can signi fi cantly reduce the in fl uence of impurity gas onδ13C of samples; (3) using collection tubes with small volume could significantly enhance the ion current intensity of CO2, and therefore can improve the accuracy ofδ13C measurements for samples with low organic carbon contents.Recommendations and perspectivesThe results provide a signi fi cant improvement for reducing errors ofδ13C measurements with low organic carbon contents. It is recommended that appropriate freezing method and sample collection tube can improve the accuracyand precision ofδ13C measurement.

organic carbon stable isotope; sample preparation; sealing tube method

LIU Weiguo, E-mail: liuwg@loess.llqg.ac.cn

10.7515/JEE201602010

2015-11-17；錄用日期：2015-12-07

Received Date:2015-11-17;Accepted Date:2015-12-07

國家自然科學(xué)基金項目（41303010）

Foundation Item:National Natural Science Foundation of China (41303010)

劉衛(wèi)國，E-mail: liuwg@loess.llqg.ac.cn