元素分析儀－穩(wěn)定同位素比例質(zhì)譜儀的使用及維護(hù)

嚴(yán)玉鵬，郭智成，張麗梅

(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.北京嘉德元素科技有限公司，北京 朝陽區(qū) 101318)

元素分析儀－穩(wěn)定同位素比例質(zhì)譜(EA－IRMS)分析法在同位素自然豐度和示蹤分析方面得到廣泛應(yīng)用，具有測試速度快、結(jié)果精確、樣品用量少等優(yōu)點(diǎn)[1]。作為便捷的分析測試儀器，EAIRMS被廣泛應(yīng)用于地球化學(xué)、地質(zhì)、環(huán)境、生物、農(nóng)業(yè)、生態(tài)系統(tǒng)以及食品檢測等各領(lǐng)域[2－13]。EA－IRMS技術(shù)可應(yīng)用于土壤、植物等樣品中H、C、N、O和S等元素的定量分析以及其穩(wěn)定碳同位素比例的高效精確測定和分析。EA－IRMS的科學(xué)管理和正確使用維護(hù)，是獲得良好測試數(shù)據(jù)和延長儀器使用壽命的前提和基礎(chǔ)。本文主要介紹了EA－IRMS的基本工作原理，結(jié)合對(duì)該實(shí)驗(yàn)室Vario PYRO cube元素分析儀－Isoprime100穩(wěn)定同位素比例質(zhì)譜儀的管理和使用經(jīng)驗(yàn)，較詳細(xì)地介紹了EA－IRMS在日常管理和使用維護(hù)等方面的一些體會(huì)，希望與同行們共享。

1 EA－IRMS的工作原理

元素分析儀－穩(wěn)定同位素比例質(zhì)譜儀整個(gè)分析系統(tǒng)主要包括 Vario PYRO cube元素分析儀、Isoprime100質(zhì)譜儀、稀釋器和參考?xì)膺M(jìn)樣器四部分，結(jié)構(gòu)示意簡圖如圖1(以CN模式為例)所示。

圖1 元素分析儀－穩(wěn)定同位素比例質(zhì)譜儀系統(tǒng)主要裝置結(jié)構(gòu)簡圖(以CN模式為例)

1.1 元素分析儀

元素分析儀由燃燒部分、熱導(dǎo)池檢測系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)組成。IsoPrime100質(zhì)譜儀適合分析簡單的氣體樣品，如 CO2、N2、CO、SO2和H2，元素分析儀則用于將固體或液體樣品轉(zhuǎn)化為上述氣體。

1.1.1 燃燒法工作原理

先將固體或液體樣品包入錫杯后稱重，再放入自動(dòng)進(jìn)樣器的樣品盤內(nèi)。液體樣品可使用液體封樣器進(jìn)行封口。分析開始后，自動(dòng)進(jìn)樣器將樣品送入燃燒管(950～1150℃)內(nèi)，不同的反應(yīng)模式下燃燒管的設(shè)置溫度不同。在燃燒管內(nèi)暫時(shí)的富氧條件下樣品和錫杯發(fā)生融化、燃燒，燃燒產(chǎn)物隨流速恒定的載氣He通過氧化催化劑，氧化產(chǎn)物再通過隨后的還原反應(yīng)管。還原管中的線狀銅將氮氧化物(NO、N2O和N2O2)還原成N2，將SO3還原成SO2，并且將多余的氧氣吸收[14]，揮發(fā)性的鹵素化合物則被位于還原管上方的銀絲層吸收。經(jīng)過還原管最后生成的CO2、N2和SO2(如果樣品中含有N和S)通過一根或幾根解吸附柱(取決于儀器類型和反應(yīng)模式)，解吸附柱可將混合氣中的特定氣體進(jìn)行物理吸附。通過對(duì)解吸附柱的溫度控制，可以將所吸附的氣體分別釋放出來。解吸出的氣體按順序通過熱導(dǎo)檢測器 (TCD)，最后從儀器尾部放空口放出。元素分析儀和質(zhì)譜儀連接后，放出的氣體通過開口分流器與質(zhì)譜儀的進(jìn)入口連接。樣品中的C、N和S同位素比值經(jīng)過已知組成的參考?xì)獾拿}沖峰校準(zhǔn)后獲得最終結(jié)果。參考?xì)饪梢酝ㄟ^參考?xì)膺M(jìn)樣器或者雙路進(jìn)樣系統(tǒng)引入到質(zhì)譜儀中，結(jié)構(gòu)示意簡圖如圖1所示。

1.1.2 裂解模式工作原理

先將固體樣品包入銀杯后稱重，再放入自動(dòng)進(jìn)樣器的樣品盤內(nèi)。液體水樣品可使用液體進(jìn)樣器進(jìn)樣。分析開始后，自動(dòng)進(jìn)樣器將樣品送入裂解管(1 450℃)內(nèi)，裂解管內(nèi)填充有玻璃碳顆粒，在無氧的環(huán)境下樣品通過與還原碳高溫裂解轉(zhuǎn)化為H2和CO，然后將分離純化得到的純凈H2和CO氣體送入質(zhì)譜儀，測定其δ2H和δ18O值。

1.2 IRMS的工作原理

穩(wěn)定同位素比例質(zhì)譜儀與其他質(zhì)譜儀一樣，其結(jié)構(gòu)主要可分為進(jìn)樣系統(tǒng)、離子源、質(zhì)量分析器和離子流檢測器、真空系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等部分構(gòu)成。

穩(wěn)定同位素比例質(zhì)譜儀是利用離子光學(xué)和電磁原理，按照質(zhì)荷比(m/e)進(jìn)行分離，從而測定同位素質(zhì)量和相對(duì)含量。其原理是在離子源中將從元素分析儀導(dǎo)入的氣體分子離子化(從每個(gè)分子中剝離一個(gè)電子，導(dǎo)致每個(gè)分子帶有一個(gè)正電荷)，接著離子化的氣體經(jīng)離子源加速電壓加速后打入由電磁鐵提供的磁場中，帶電分子依質(zhì)量不同而分離，含有重同位素的分子彎曲程度小于含輕同位素的分子。在離子飛行路徑上，每種待測離子對(duì)應(yīng)一個(gè)法拉第收集器，用以測量經(jīng)過磁體分離之后，具有特定質(zhì)量的離子束強(qiáng)度。記錄并測定各離子束的強(qiáng)度，應(yīng)用計(jì)算機(jī)程序?qū)㈦x子束強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為同位素比值，然后將待測樣品與參考?xì)庀啾容^，得到相對(duì)于國際標(biāo)準(zhǔn)的同位素比值[15]。

2 操作流程

2.1 元素分析儀開機(jī)

1)根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求，在元素分析儀上安裝好CN模式的燃燒管、還原管和進(jìn)樣器，或HO模式的裂解管及進(jìn)樣器等；

2)打開電腦，選擇對(duì)應(yīng)的反應(yīng)模式；

3)打開元素分析儀電源，做元素分析儀內(nèi)部氣路檢漏，設(shè)置相應(yīng)模式的反應(yīng)溫度，分析空白。

2.2 IRMS開機(jī)

1)Isoprime100質(zhì)譜儀主機(jī)上沒有總電源開關(guān)，在打開UPS電源及插線板電源開關(guān)后，主機(jī)即接通電源，此時(shí)主機(jī)風(fēng)扇開始工作，可聽到風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)的聲音；

2)打開空氣壓縮機(jī)電源，等待空壓機(jī)工作正常后，確認(rèn)出口壓力為55 psi；

3)打開He氣鋼瓶總閥，將分壓表壓力調(diào)到0.4 MPa(CN模式)或0.2 MPa(HO模式)；打開所需參考?xì)怃撈靠傞y，將分壓表壓力調(diào)到0.4 MPa；調(diào)節(jié)參考?xì)膺M(jìn)樣器上各氣的壓力 [N2(15－20 psi)、CO(20－25 psi)、 CO2(10－15 psi)、 H2(25－30 psi)、He(0.2 MPa)]打開稀釋器氦氣進(jìn)氣閥；

4)運(yùn)行IonVangtage軟件；

5)確認(rèn)質(zhì)譜儀上黃色隔離閥處于關(guān)閉狀態(tài)；

6)打開機(jī)械泵電源開關(guān)，等待1～2 min，確認(rèn)機(jī)械泵工作正常；

7)旋開位于質(zhì)譜儀背部連接機(jī)械泵的圓形黑色隔離閥，旋開后會(huì)露出隔離閥紅色部分，注意不要完全旋松；

8)在Isoprime Tune Page窗口Instrument下拉菜單中選擇Pumping，啟動(dòng)渦輪分子泵工作，一般需要抽真空過夜，儀器真空度才可達(dá)到理想狀態(tài)；

9)真空抽好后打開黃色隔離閥，待真空穩(wěn)定后，從Isoprime Tune page窗口的Instrument菜單中選擇Source on，將離子源打開。

2.3 測試

1)進(jìn)行參考?xì)夥€(wěn)定性及線性測試，在完成參考?xì)鉁y試后，根據(jù)樣品出鋒順序，將離子源參數(shù)調(diào)回到第一個(gè)元素所對(duì)應(yīng)的參數(shù)下面；

2)編輯并建立樣品(含有空白樣品、標(biāo)準(zhǔn)樣品和實(shí)驗(yàn)樣品)測定序列；

3)分析測試。

2.4 EA－IRMS從待機(jī)狀態(tài)到完全停機(jī)

1)關(guān)閉質(zhì)譜儀上黃色隔離閥；

2)從Isoprime Tune page窗口的Instrument菜單中選擇Source on，關(guān)閉離子源，在此窗口下方的Source Status狀態(tài)欄中可見狀態(tài)顯示為 Source off，后面顏色為紅色；

3)設(shè)置元素分析儀反應(yīng)管的溫度為零，待冷卻后關(guān)閉電源；

4)關(guān)稀釋器閥；

5)停止分子泵，從Isoprime Tune page窗口的Instrument菜單中選擇Pumping選項(xiàng)，在彈出窗口中確認(rèn)停止分子泵；

6)待IP TurboSpeed轉(zhuǎn)速下降至10%后，關(guān)閉質(zhì)譜儀背后圓形黑色隔離閥；

7)從機(jī)械泵側(cè)面關(guān)閉機(jī)械泵電源，關(guān)空氣壓縮機(jī)電源；

8)按順序關(guān)閉Ionvantage軟件，關(guān)閉計(jì)算機(jī)及各個(gè)鋼瓶減壓閥和總閥；

9)關(guān)閉實(shí)驗(yàn)室電源。

3 問題分析與對(duì)策

3.1 樣品分析重現(xiàn)性問題

首先用參考?xì)膺M(jìn)行穩(wěn)定性和線性測試，確保質(zhì)譜儀本身及參考?xì)夤ぷ髡?。如果樣品分析時(shí)出現(xiàn)重現(xiàn)性和線性問題，多是由以下問題造成的:

1)漏氣；

2)元素分析儀燃燒管/還原管填料需要再生或更換；

3)干燥劑需要更換；

4)燃燒管中灰分過多，需要清空灰分管；5)錫杯受到不同程度有機(jī)物污染；

6)燃燒條件設(shè)置不對(duì)，燃燒反應(yīng)不完全；7)方法中的時(shí)間參數(shù)設(shè)置不對(duì)；

8)在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間內(nèi)基線無法下降回正常水平，檢查是否有樣品峰拖尾，或者由于閥切換或跳峰造成的對(duì)基線的干擾；

9)需要調(diào)整球閥吹掃的時(shí)間和流速。

3.2 線性問題

在確保質(zhì)譜儀本身的穩(wěn)定性和線性正常情況下，樣品分析結(jié)果的非線性問題通常由以下4方面因素引起。

1)空白扣除不當(dāng):檢查是否進(jìn)行了空白扣除計(jì)算，系統(tǒng)的空白是否穩(wěn)定，以及是否在合理的范圍。

2)不完全燃燒:檢查燃燒管內(nèi)的催化劑和灰分，將灰分管清空。

3)不正確的積分參數(shù)，通過查看樣品峰的積分圖像進(jìn)行判斷。

4)方法文件中的時(shí)間參數(shù)需要進(jìn)一步優(yōu)化。

3.3 準(zhǔn)確性問題

標(biāo)準(zhǔn)樣品分析中持續(xù)性不準(zhǔn)確問題，可以檢查以下7方面因素:

1)檢查參考?xì)獾臉?biāo)定值；

2)確認(rèn)系統(tǒng)沒有漏氣；

3)檢查確認(rèn)參考?xì)鉀]有受到污染，參考?xì)膺M(jìn)樣器的放空口有持續(xù)的放空氣流；

4)檢查元素分析儀內(nèi)部和其他接口管線是否受到污染；

5)檢查確認(rèn)燃燒反應(yīng)完全；6)檢查陶瓷氧槍是否被堵塞；7)檢查干燥阱(水阱)是否正常。

3.4 標(biāo)準(zhǔn)樣品分析中隨機(jī)性不準(zhǔn)確問題

標(biāo)準(zhǔn)樣品分析中持續(xù)性不準(zhǔn)確問題，可以檢查以下4方面因素:

1)檢查元素分析儀內(nèi)部和其他接口管線是否受到污染；

2)檢查確認(rèn)燃燒反應(yīng)完全；

3)檢查燃燒管狀態(tài)是否正常，清理多余的灰分；

4)檢查干燥阱(水阱)是否正常。

3.5 靈敏度問題

首先要確認(rèn)參考?xì)獾撵`敏度是正常的，只是樣品峰的靈敏度出現(xiàn)異常。如果方法中設(shè)置使用稀釋器，要檢查稀釋器的稀釋倍數(shù)是否合理。如果以上均正常，可以檢查以下因素:

1)檢查元素分析儀是否漏氣；

2)檢查元素分析儀背部連接稀釋器處的分流比是否正常，以及進(jìn)入到稀釋器的He氣流速是否比手冊(cè)的要求高很多，靈敏度問題是否發(fā)生在使用稀釋器的階段；

3)檢查解析附柱的溫度設(shè)置是否正常。

4 儀器維護(hù)及注意事項(xiàng)

4.1 儀器日常維護(hù)

元素分析儀－穩(wěn)定同位素比例質(zhì)譜儀是比較昂貴和精密的儀器，日常維護(hù)非常重要。

1)要保證元素分析儀－穩(wěn)定同位素比例質(zhì)譜儀的工作環(huán)境，溫度恒定為(22±2)℃，相對(duì)濕度為45%～75%之間。

2)需要做好其他附屬設(shè)備的日常維護(hù)，如空氣壓縮機(jī)和電子天平的維護(hù)等。

3)CN固體模式條件下，要注意大約200次實(shí)驗(yàn)后，要對(duì)燃燒管中的灰分管清灰，以免堵塞陶瓷氧槍；大約500～1 000次實(shí)驗(yàn)后，要更換燃燒管中的氧化銅填料。注意大約200次實(shí)驗(yàn)后，更換還原管銅填料。HO固體模式條件下，要注意大約150次實(shí)驗(yàn)后，要對(duì)裂解管中的灰分管清灰。

4)水阱中的干燥劑在1/2～2/3變色時(shí)，需要更換。

5)鋼瓶及減壓閥要經(jīng)常檢漏，要求使用氣體的純度應(yīng)大于等于99.999%。

4.2 儀器使用注意事項(xiàng)

1)壓縮空氣鋼瓶必須固定在不可移動(dòng)的建筑物或堅(jiān)固的墻壁上，必須要執(zhí)行必要的防護(hù)措施(整個(gè)系統(tǒng)上配有排風(fēng)設(shè)備，在適當(dāng)位置安裝危險(xiǎn)氣體報(bào)警器)。

2)更換新的鋼瓶后，需要將管路吹掃一段時(shí)間，使殘留的空氣完全清除干凈?？梢詫⒖?xì)膺M(jìn)樣器上的放空閥開大進(jìn)行吹掃。

3)樣品避免含有Cl/Br等鹵族元素以及酸堿。

4)稱樣量要適當(dāng)，既可以確保樣品被充分反應(yīng)，以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，也可以節(jié)省填料銅和氧氣等的消耗。

5)將錫杯或銀舟折疊幾次并壓緊，最好形成一個(gè)球狀。在折疊時(shí)特別注意不要弄破錫杯，否則會(huì)造成樣品損失。將樣品包成球狀，不僅可以確保樣品完全包裹在錫杯或銀舟里，有助于隨后的燃燒反應(yīng)，也可以防止樣品卡在自動(dòng)進(jìn)樣器中。

6)只要質(zhì)譜儀隔離閥和離子源打開，必須保證系統(tǒng)He氣供應(yīng)正常。更換He時(shí)，質(zhì)譜儀隔離閥和離子源必須關(guān)閉。

7)為了避免干擾，同位素比例質(zhì)譜儀部分做參考?xì)夥€(wěn)定性和線性分析時(shí)，元素分析儀部分不要進(jìn)樣分析或做空白。

5 結(jié)束語

元素分析儀－穩(wěn)定同位素比例質(zhì)譜儀，在同位素自然豐度和示蹤分析方面得到廣泛應(yīng)用。以上介紹了元素分析儀－穩(wěn)定同位素比例質(zhì)譜儀的工作原理、一些故障分析與維護(hù)方法。正確使用和維護(hù)保養(yǎng)不僅能提高分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，還可延長儀器的使用壽命，提高儀器的使用效率。減少儀器的故障率，是順利開展分析檢測工作的有力保障。

[1]程青，趙建梅，龐麗勤.全自動(dòng)碳硫元素分析儀的使用和日常維護(hù)[J].江蘇教育學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2013， 29(3):45－46.

[2]崔杰華，祁彪，王顏紅.植物樣品中穩(wěn)定碳同位素的EA－IRMS系統(tǒng)分析方法[J].質(zhì)譜學(xué)報(bào)，2008，29(1):24－29.

[3]張林，孫向陽，高程達(dá)，等.穩(wěn)定同位素比例質(zhì)譜儀在土壤碳循環(huán)研究中的應(yīng)用[J].分析儀器，2010(1):18－23.

[4]姚志鵬，郭智成，李玉中，等.有機(jī)與非有機(jī)萵苣的氮穩(wěn)定同位素辨識(shí)研究[J].園藝學(xué)報(bào)，2014，41(12):2507－2512.

[5]郭智成，李玉中，董一威，等.不同氮肥處理對(duì)土壤和番茄中穩(wěn)定性氮同位素豐度的影響[J].中國農(nóng)業(yè)氣象，2013，34(5):545－550.

[6]GROSS A，ANGERT A.What processes control the oxygen isotopes of soil bio－available phosphate[J].Geochimica et Cosmochimica Acta， 2015(159):100－111.

[7]JAISI D P，BLAKE R E.Advances in using oxygen isotope ratios of phosphate to understand phosphorus cycling in the environment[J].Advances in Agronomy，2014(125):1－53.

[8]張晗，王佳妮，郭慶軍，等.土壤磷酸鹽氧同位素分析方法和應(yīng)用研究進(jìn)展[J].土壤學(xué)報(bào)，2015，52(1):19－27.

[9]田麗艷，郭慶軍，何會(huì)軍，等.磷酸鹽氧同位素技術(shù)在環(huán)境科學(xué)中的研究進(jìn)展[J].生態(tài)學(xué)雜志，2016，35(7):1947－1956.

[10]張媛媛，賀行良，孫書文，等.元素分析儀－同位素比值質(zhì)譜儀測定海洋沉積物有機(jī)碳穩(wěn)定同位素方法初探[J].巖礦測試，2012，31(4):627－631.

[11]GROSS A， TURNER B L， GOREN T， et al.Tracing the sources of atmospheric phosphorus deposition to a tropical rain forest in panama using stable oxygen isotopes[J].Environmental Science＆ Technology，2016，50(3):1147－1156.

[12]GRANGER S J， HEATON T H E， PFAHLER V， et al.The oxygen isotopic composition of phosphate in river water and its potential sources in the Upper River Taw catchment， UK[J].Science of the Total Environment，2017(574):680－690.

[13]LI H， YU C， WANG F， et al.Probing the metabolic water contribution to intracellular water using oxygen isotope ratios of PO4[J].Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America， 2016，113(21):5862－5867.

[14]盧平，丁曉燕.Vario EL III元素分析儀故障分析與維護(hù)[J].儀器分析，2011(6):80－82.

[15]繆清玲.用多種穩(wěn)定同位素分析法追溯褐飛虱遠(yuǎn)距離遷飛蟲源地[D].杭州:浙江大學(xué)，2012.