激光水穩(wěn)定性同位素分析儀的操作步驟與注意事項(xiàng)

靳靜靜　李俊超

摘 要：氫氧穩(wěn)定同位素示蹤技術(shù)是研究土壤—植物—大氣連續(xù)體水分利用來(lái)源、水循環(huán)演化過(guò)程及形成機(jī)理分析等的重要手段。美國(guó)Los Gatos Research公司最新研發(fā)的激光水穩(wěn)定性同位素分析儀（LWA-45EP），可同時(shí)測(cè)量水中同位素δ2H、δ18O和δ17O。該文根據(jù)筆者實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)該儀器的操作步驟及注意事項(xiàng)等內(nèi)容進(jìn)行了介紹和總結(jié)，以期為相關(guān)人員提供參考。

關(guān)鍵詞：激光水穩(wěn)定性同位素分析儀 操作步驟 注意事項(xiàng)

中圖分類號(hào)：S124 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）06（b）-0011-03

Abstract： Hydrogen and oxygen stable isotope tracing is an important means in studying the hydrological cycle in soil-plant-atmosphere continuum. The Los Gatos Research company's laser stable isotopes of water analyzer （LWA-45EP）， can simultaneously measure the δ2H、δ18O and δ17O of water. This paper introduced its operation， common problems and solutions， so as to provide reference for relevant users.

Key Words： Laser stable isotopes of water analyzer； Operation； Announcement

在自然界水文循環(huán)過(guò)程中，同位素分餾導(dǎo)致水中氫氧同位素組成具有時(shí)空差異。氫氧穩(wěn)定同位素為土壤—植物—大氣連續(xù)體水分利用來(lái)源、水循環(huán)演化過(guò)程及形成機(jī)理分析等研究提供了行之有效的方法，在農(nóng)業(yè)水文學(xué)、土壤學(xué)、生態(tài)學(xué)等學(xué)科研究中具有重要作用[1-2]。

目前，測(cè)氫氧穩(wěn)定性同位素的方法有同位素比率質(zhì)譜儀法（Isotope Ratio Mass Spectrometor，IRMS）和光譜法。質(zhì)譜儀因其體積較大，測(cè)試成本昂貴，操作復(fù)雜而限制其廣泛應(yīng)用。而光譜儀體積小重量輕，攜帶便捷，可用于野外實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，成本低廉，操作簡(jiǎn)單，分析速度快，且在性能方面已經(jīng)接近IRMS法[3]。因此，近幾年得到廣泛應(yīng)用。

該文介紹的是美國(guó)Los Gatos Research公司最新研發(fā)的激光水穩(wěn)定性同位素分析儀（型號(hào)為L(zhǎng)WA-45EP），可同時(shí)測(cè)量水中同位素δ2H、δ18O和δ17O。筆者通過(guò)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)該儀器的操作步驟及注意事項(xiàng)等內(nèi)容進(jìn)行介紹和總結(jié)，以期為相關(guān)的用戶人員提供參考。

1 工作原理

IWA-45EP儀器基于高分辨率的離軸積分振腔輸出光譜技術(shù)（Off-Axis Integrated Cavity Output Spectroscopy）。Off-Axis ICOS技術(shù)將激光諧振腔和氣體測(cè)量室合為一體，激光在諧振腔兩端的反射鏡中反復(fù)震蕩，其中有少部分透過(guò)反射鏡，到達(dá)檢測(cè)器。利用這種裝置，進(jìn)入測(cè)量室的激光必先在氣體中反復(fù)通過(guò)上萬(wàn)次，才能到達(dá)檢測(cè)器，這相當(dāng)于增加了測(cè)量室的厚度，從而使吸收信號(hào)明顯增強(qiáng)，因此可以測(cè)定含量極低的氣體，大大提高了測(cè)量精度和速度[3]。

對(duì)于液態(tài)水樣品，IWA-45EP可以以最快的速度同步精確地測(cè)量D/H、18O/16O、17O/16O的同位素比率，其保證精度分別為0.5‰、0.1‰和0.1‰。該儀器內(nèi)置計(jì)算機(jī)，能夠連續(xù)測(cè)量和儲(chǔ)存數(shù)據(jù)，且使用了LGR專利的內(nèi)部控溫技術(shù)，確保儀器漂移最小化。它包含了先進(jìn)的數(shù)據(jù)后處理軟件，自動(dòng)執(zhí)行液態(tài)水測(cè)量的分析程序，能自動(dòng)執(zhí)行數(shù)據(jù)分析與校準(zhǔn)功能，圖形化顯示測(cè)量結(jié)果，診斷儀器運(yùn)行狀態(tài)。后處理軟件還包含了LGR專利的光譜污染診斷技術(shù)，能通過(guò)詳細(xì)的分析高分辨率吸收光譜，檢查、量化并修正水樣中有機(jī)污染物的干擾。

2 儀器操作步驟

2.1 開機(jī)順序

（1）檢查穩(wěn)壓電源、儀器的各處插頭、連接處等是否正確安裝。

（2）先打開穩(wěn)壓電源開關(guān)，再打開LC-PAL高速全自動(dòng)進(jìn)樣器，最后打開激光水穩(wěn)定性同位素分析儀。

（3）分析儀打開后，電腦顯示屏上會(huì)出現(xiàn)兩種測(cè)量模式，請(qǐng)選擇“T-LWIA Launch the Triple Liquid Isotope Analyzer”模式。

（4）分析儀開始預(yù)熱，直到“Gas Temperature”達(dá)到44 ℃左右。為了延長(zhǎng)分析儀的使用壽命，所以預(yù)熱時(shí)請(qǐng)不要開泵。

（5）預(yù)熱完成后，打開泵的開關(guān)。

（6）安裝進(jìn)樣口隔膜，每1～2 d連續(xù)測(cè)量后需要更換一個(gè)新隔膜。

（7）自動(dòng)進(jìn)樣器定位檢查與調(diào)整（如此前檢查或調(diào)整過(guò)，無(wú)移動(dòng)或變化可忽略此步驟）。

（8）潤(rùn)洗進(jìn)樣針：先用超純水潤(rùn)洗進(jìn)樣針（垂直上下抽拉約30～50次），再用潤(rùn)滑劑（NMP：1-甲基-2-吡咯烷酮）潤(rùn)洗進(jìn)樣針，直到手動(dòng)抽拉的時(shí)候感覺有明顯阻力，但無(wú)粘滯感，無(wú)強(qiáng)摩擦感，感覺平滑、圓潤(rùn)。

（9）安裝進(jìn)樣針。

①在進(jìn)樣器的控制表上，按“F1”進(jìn)入菜單，再按“F1（Change Syr）”。

②垂直進(jìn)樣臂會(huì)移動(dòng)到換針的位置。

③把進(jìn)樣針的內(nèi)芯提到0.4 μL左右。

④抬起進(jìn)樣臂下端的進(jìn)樣針導(dǎo)軌，使兩個(gè)孔重合。

⑤把進(jìn)樣針插入，注意內(nèi)芯的上端插入其定位槽中。

⑥旋轉(zhuǎn)進(jìn)樣臂中的黑色開關(guān)，把進(jìn)樣針固定住。

⑦旋轉(zhuǎn)進(jìn)樣針固定螺絲，把內(nèi)芯的頂部固定住。

⑧上針完成，按“Enter”鍵（讀表下部圓形按鈕）回到主菜單。

（10）檢查隔膜注入口（汽化室進(jìn)樣口 Injector）的位置。

①按“F1（Menu））”。

②選“Setup”，按“Enter”鍵。

③選“Objects”，按“Enter”鍵。

④選“Injectors”，按“Enter”鍵。

⑤選“LC Vlv1”，按“Enter”鍵。

⑥按“F1（Check Pos）”鍵。

⑦如需調(diào)整x，y和z，應(yīng)選擇“Position x-、y-、z-”，按“Enter”鍵，通過(guò)旋轉(zhuǎn)旋鈕進(jìn)行調(diào)節(jié)；確保針管固定器正好位于進(jìn)樣口的正中心（x和y方向上）并略微高一點(diǎn) （1 mm左右）。

⑧按“F4（Home）”鍵返回主菜單。

（11）將待測(cè)樣品用1 mL醫(yī)用注射器和13 mm直徑、0.45μm孔徑的聚四氟乙烯的針筒式過(guò)濾器過(guò)濾，樣品量要一致（1 mL），不能過(guò)多或過(guò)少。樣品中含有油脂等污染性物質(zhì)的，建議采用有機(jī)系過(guò)濾器或Teflon過(guò)濾器。

（12）將加好樣品的樣品瓶放在對(duì)應(yīng)的樣品盤上的位置，每隔10個(gè)樣品要核對(duì)一下放置的位置是否正確，一定要保證樣品盤上的位置與樣品表的位置一致。

（13）點(diǎn)擊“Display”，在“Tray Population”菜單中，分別選擇“Available Standards”和“Available Samples”設(shè)置樣品測(cè)量順序，并分別選中設(shè)置好的樣品表，把其分別轉(zhuǎn)入“Standards To Measure”和“Samples To Measure”。

（14）“Prep Inj/Vial”設(shè)置為“0”“Measured Inj/Vial”設(shè)置為“6”。

（15）“Start with”選擇“Standards”“Run after”選擇“3”samples（從標(biāo)樣開始測(cè)量，每測(cè)量3個(gè)樣品測(cè)量1個(gè)標(biāo)樣），“Standards Interleave Type”選擇“One Standard per Sample Set”。

（16）可以點(diǎn)“Save Cfg”對(duì)樣品表進(jìn)行保存，保存后點(diǎn)擊“Make Run”，切換至運(yùn)行界面。

（17）再次檢查設(shè)置是否正確（一定要檢查泵是否打開），確認(rèn)無(wú)誤后按“Start”，開始運(yùn)行測(cè)量，并同時(shí)觀察“H2O_N/cm3（進(jìn)樣量）”“Raw delta的穩(wěn)定性”“Flag”“Gas Pressure的變化”“Laser A和Laser B的衰蕩時(shí)間”及光譜以進(jìn)行調(diào)整。

2.2 數(shù)據(jù)軟件分析

（1）測(cè)量完成后，點(diǎn)擊屏幕底部的“Files”按鈕，根據(jù)屏幕提示插入U(xiǎn)盤，進(jìn)入資源管理器。

（2）點(diǎn)“Mount USB”，選中左邊窗口的“.txt”數(shù)據(jù)文件，拖拽復(fù)制到U盤中。

（3）點(diǎn)“Unmount USB”，點(diǎn)擊“Exit”按鈕退回到主菜單。

（4）拔出U盤，并把數(shù)據(jù)文件（每測(cè)1次樣品均會(huì)產(chǎn)生“f”、“l(fā)”和“s”3個(gè)文件夾）復(fù)制到用戶的計(jì)算機(jī)使用。

（5）在安裝數(shù)據(jù)后處理軟件的計(jì)算機(jī)上打開“LWIA-Post Analysis（Version 3.1.0.9）”軟件。

（6）選擇“File”菜單中“Load LWIA Date File”，將需要分析的原始數(shù)據(jù)的“f”文件導(dǎo)入軟件中。

（7）選擇“Options”菜單中“Advanced Settings”，在“Date Filtering”菜單中設(shè)置各參數(shù)，其中重要的參數(shù)有：①“Leading Injections to Ignore Per Measurement”設(shè)為“2”，即每個(gè)樣品測(cè)6針，其前2針不參與計(jì)算，目的是為了減小記憶效應(yīng)。②“Running Avg Points”設(shè)為“72”，“Rejection Bounds（±%）”設(shè)為“3”。③分別設(shè)置“Standard Deviation Limit （δ2H、δ18O、δ17O）”為1.0‰、0.2‰和0.2‰。在“User Settings”菜單中設(shè)置“Injection Fitting Method”為“Group Averaging”“Sample Averaging Mode”中的“Measurement Averaging #”為“4”。參數(shù)設(shè)置完畢后，點(diǎn)擊“OK”保存。

（8）選擇“Post Processing”菜單中“Run Post Processing”，軟件即可根據(jù)標(biāo)樣的真值與測(cè)量值擬合的方程對(duì)未知樣品自動(dòng)進(jìn)行校準(zhǔn)，并顯示每個(gè)樣品的δ2H、δ18O、δ17O的真值和標(biāo)準(zhǔn)差，以及所有標(biāo)樣和未知樣品的δ2H、δ18O、δ17O的精確度。

（9）點(diǎn)擊“View”中“Dataset Plots”，選擇“Plot Type”中的各參數(shù)，觀察各參數(shù)的連續(xù)變化，其中重要的參數(shù)包括：①“Volume Running Average（fvol）”，進(jìn)樣量穩(wěn)定性，用于表征進(jìn)樣量是否穩(wěn)定，此參數(shù)與進(jìn)樣針有關(guān)。②“Volum StDev（svol）”，進(jìn)樣量標(biāo)準(zhǔn)差，可表征汽化管路的潔凈程度。③“Temperature（tvar）”，溫度的穩(wěn)定性，表征預(yù)熱程度及環(huán)境的變化，因?yàn)闇囟葘?duì)于液態(tài)水δ18O和δ17O的測(cè)量精度影響比較大。

（10）選擇“File”菜單中“Save Processed Data”，以保存最后結(jié)果文件。

（11）用Excel打開結(jié)果文件，以使用校準(zhǔn)后的測(cè)量數(shù)據(jù)。

2.3 關(guān)機(jī)順序

（1）點(diǎn)擊主菜單右下角的“Exit”按鈕，關(guān)機(jī)，約需等待3 min，直到出現(xiàn)“You may turn off the instrument”提示后，關(guān)閉分析儀電源開關(guān)。

（2）卸下進(jìn)樣針（卸針順序與安裝針的順序相反），使用NMP潤(rùn)洗進(jìn)樣針（此時(shí)無(wú)需再使用超純水潤(rùn)洗），將其放回針盒中。

（3）關(guān)閉自動(dòng)進(jìn)樣器電源開關(guān)。

3 注意事項(xiàng)

（1）進(jìn)樣口隔膜一般情況下測(cè)量102個(gè)樣品左右需要更換1次。

（2）推薦使用Hamilton生產(chǎn)的1.2 μL高精度自動(dòng)進(jìn)樣針。為避免樣品中的鹽分、鈣質(zhì)、油脂等雜質(zhì)沉積在進(jìn)樣針中，務(wù)必在使用前和使用后，仔細(xì)地用潤(rùn)滑劑（NMP（1-methyl-2-pyrrolidinone，1-甲基-2-吡咯烷酮））潤(rùn)洗針，以保證其穩(wěn)定性，并提高其使用壽命。

（3）推薦采用美國(guó)Microliter公司生產(chǎn)的2 mL微量瓶，也可以選擇安捷倫的產(chǎn)品。瓶蓋內(nèi)隔墊推薦采用雙層Teflon膜，其穩(wěn)定性好，延展性好，不易掉碎屑，但是價(jià)格昂貴。經(jīng)過(guò)多次長(zhǎng)期試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，安捷倫公司生產(chǎn)的單層Teflon膜，也不易產(chǎn)生碎屑，完全可以達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求，物美價(jià)廉，可以考慮使用。

（4）樣品加入前應(yīng)該確保其溫度與當(dāng)前室溫一致。

（5）樣品中存在的雜質(zhì)（無(wú)法過(guò)濾掉的部分），以及隔膜碎片（包含來(lái)自于進(jìn)樣口和瓶蓋的）等，可能會(huì)殘留在汽化室接口處2～3 cm處及進(jìn)樣管中。這些物質(zhì)會(huì)吸附水氣，導(dǎo)致汽化速度降低甚至殘留。因此，必須使用一段時(shí)間后對(duì)汽化室和進(jìn)樣管進(jìn)行清理維護(hù)。

4 常見問(wèn)題與措施

測(cè)試過(guò)程出現(xiàn)的各種錯(cuò)誤提示的含義及解決方法見表1。

5 結(jié)語(yǔ)

激光水穩(wěn)定性同位素分析儀（IWA-45EP）已經(jīng)廣泛用于水文學(xué)、大氣科學(xué)等多學(xué)科中氫氧同位素組成的測(cè)定。正確的操作步驟和注意事項(xiàng)對(duì)保證儀器分析數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和精密度等具有重要意義。因此，建議規(guī)范化操作，專人管理，定期維護(hù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 馬濤，劉九夫，張建云，等.氫氧同位素測(cè)試分析的記憶效應(yīng)及標(biāo)定研究[J].永文，2015，35（1）：26-33，67.

[2] 劉文茹，彭新華，沈業(yè)杰，等.激光同位素分析儀測(cè)定液態(tài)水的氫氧同位素及其光譜污染修正[J].生態(tài)學(xué)雜志，2013，32（5）：1181-1186.

[3] 顧慰祖，龐忠和，王全九，等.同位素水文學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，2011.