元素分析儀-同位素比質(zhì)譜儀系統(tǒng)CN模式的日常維護及使用

李 會，丁瑞霞，靳靜靜，聶俊峰，楊寶平，徐 毅

(1.西北農(nóng)林科技大學 中國旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院，陜西 楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學農(nóng)學院，農(nóng)業(yè)部西北黃土高原作物生理生態(tài)與耕作重點實驗室，陜西 楊凌 712100； 3.艾力蒙塔貿(mào)易(上海)有限公司，上海 200000)

利用穩(wěn)定同位素自然豐度技術(shù)研究輕元素的同位素組成特征、變化機理和分餾原理，可以探明這些元素在生態(tài)、環(huán)境體系中轉(zhuǎn)化過程和循環(huán)規(guī)律[1].元素分析儀-同位素比質(zhì)譜儀(EA-IRMS)聯(lián)用技術(shù)具有樣品前處理簡單、用量少、儀器操作簡便、測量精度高和分析速度快[2-4]等優(yōu)點，在穩(wěn)定同位素分析方面得到了廣泛的應(yīng)用.

本實驗室購置的穩(wěn)定同位素比質(zhì)譜儀(Isoprime100, Elementar UK, Co., Ltd)可以和元素分析儀(Vario Pyro Cube Elementar Co., Ltd)相連接，用來進行 C、N、O、H穩(wěn)定同位素比值分析，同時也可以給出相應(yīng)元素的百分含量結(jié)果.本文總結(jié)了EA-IRMS系統(tǒng)CN分析模式的組成及功能、基本原理、日常維護注意事項、日常操作步驟等內(nèi)容，以期為EA-IRMS系統(tǒng)的使用提供參考.從而提高儀器的使用效率，更好的為科研工作服務(wù).

1 EA-IRMS系統(tǒng)組成及功能

EA-IRMS系統(tǒng)主要由4部分組成：元素分析儀、稀釋器、參考氣進樣器和Isoprime100質(zhì)譜儀.(1)元素分析儀由120位單層進樣盤、燃燒/還原反應(yīng)爐、熱導(dǎo)池檢測系統(tǒng)組成，為樣品的前處理裝置，通過高溫燃燒，將樣品轉(zhuǎn)化為CO2和N2.(2)稀釋器使用純He氣與進入到質(zhì)譜儀的元素分析儀載氣混合，達到降低樣品濃度的作用.對于高C∶N比樣品，如果CO2濃度過高，將會超出質(zhì)譜儀檢測器測量量程.(3)參考氣進樣器用于調(diào)諧和測試IRMS離子源參數(shù)，檢驗系統(tǒng)穩(wěn)定性和線性.在測量樣品時，用于計算校正樣品的同位素結(jié)果.參考氣即純的CO2和N2，質(zhì)量分數(shù)均為99.995%.(4)Isoprime100質(zhì)譜儀由真空系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、離子源、質(zhì)量分析器、法拉第接收杯陣列和計算機系統(tǒng)組成.利用離子光學和電磁場原理，根據(jù)不同質(zhì)荷比(m/e)離子在電磁場中飛行偏轉(zhuǎn)半徑的不同進行質(zhì)量數(shù)分離，從而測定各個質(zhì)量數(shù)同位素的離子流強度.

2 EA-IRMS系統(tǒng)工作原理簡述

被測樣品在錫舟的緊密包裹下通過自動進樣器送入EA燃燒管(950 ℃)內(nèi)，樣品在填有CuO催化劑的燃燒管內(nèi)富氧條件下充分燃燒，碳和氮組分分別生成CO2和氮氧化物.燃燒產(chǎn)物隨流速恒定的載氣 He氣載入還原反應(yīng)管，還原管中的線狀銅將氮氧化物(NO、N2O、N2O2)還原成N2，并將多余的氧氣吸收，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[2-3].經(jīng)過裝有P2O5的干燥管將樣品燃燒產(chǎn)生的H2O去除.混合樣品氣進入到CO2吸附柱.CO2吸附柱在室溫下可完全將樣品產(chǎn)生的CO2保留其中，而對N2無保留.待N2測量結(jié)束后系統(tǒng)自動加熱CO2吸附柱至110 ℃，可將CO2脫附出來.N2和CO2從元素分析儀尾部由氦氣引入IRMS的離子源中.離子源將N2或CO2樣品中的原子、分子電離成為離子，質(zhì)量分析器將離子按照質(zhì)荷比的大小分離開，以離子檢測器測量記錄離子流強度，用高純N2(99.995%)和高純CO2(99.995%)作為參考標準，得出質(zhì)譜圖.最后通過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進行計算，最終測得樣品δ13C和δ15N值.

3 CN模式日常維護

在進行樣品分析前，需要對EA-IRMS系統(tǒng)進行常規(guī)維護，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性，保證測樣的準確性.

3.1 EA部分

3.1.1 清理灰分管

通常每測試200個左右植物樣或60個左右土壤樣品需要清理一次灰分管.若灰分累積過高會堵塞加氧槍出口，導(dǎo)致無法通氧燃燒.

3.1.2 還原銅消耗情況

在升溫前檢查還原銅消耗情況，確保在樣品連續(xù)分析過程中還原效率.如果還原銅消耗過度，則會出現(xiàn)：(1)產(chǎn)生的氮氧化物不能完全被還原為N2，仍存在少量氮氧化物分子.(2)無法完全吸收燃燒時多余的氧氣，導(dǎo)致氧氣和氮氣同時進入到離子源內(nèi)，形成NO+離子碎片，從而導(dǎo)致測試結(jié)果不準確.若還原銅完全消耗，EA軟件監(jiān)測程序自動終止儀器運行.

3.1.3 干燥劑P2O5變色情況

檢查干燥劑P2O5變色情況，及時更換.干燥管中P2O5出現(xiàn)2/3變色時，需及時更換.如果氣體中存在大量水，會影響CO2分析結(jié)果.

3.2 質(zhì)譜儀部分

3.2.1 系統(tǒng)真空度值偏高或偏低

當High Vac 小于2×10-11MPa，Low Vac小于3×10-6MPa時，說明儀器達到理想水平.系統(tǒng)真空值受質(zhì)譜儀連接的毛細管長短的影響.如果真空值異常，需從以下方面進行解決：(1)毛細管或其他部分堵塞.(2)質(zhì)譜儀中進空氣.(3)載氣不純.(4)毛細管折斷，導(dǎo)致氣路漏氣等.

3.2.2 峰型異常

峰中心掃描是指離子流進入到法拉第接收杯中心位置時對應(yīng)的加速電壓值，通常會得到一個對稱的、頂部平坦的峰.當質(zhì)譜儀受環(huán)境溫度影響，磁場或離子源溫度輕微變化也不會對測量信號的準確性產(chǎn)生影響.如果峰型異常，需從以下方面進行解決：(1)調(diào)諧離子源參數(shù).(2)檢查電磁鐵物理位置.(3)更換燈絲.(4)清洗離子源.

3.2.3 本底信號值異常

正常的本底信號值為：N2Mass 28<3×10-11A，Mass 29<3×10-13A.CO2Mass 44<2×10-11A，Mass 45<2×10-13A，Mass 46<2×10-13A.如果儀器首次開啟，氣路內(nèi)會吸附或殘留一些雜質(zhì)氣體，建議將氦氣打開吹掃12 h后再進行測試.

3.2.4 檢漏背景掃描信號值高

N2氣Mass 28信號值很高或Mass 28/32(N2/O2)信號強度比值接近3∶1或4∶1，說明系統(tǒng)有漏氣的地方，需進行分步檢漏進行排查.

3.2.5 參考氣穩(wěn)定性和線性測試

樣品分析開始前，需要利用參考氣進行系統(tǒng)穩(wěn)定性測試和線性測試.穩(wěn)定性分析結(jié)果標準偏差要求如下：CO2≤0.06‰，N2≤0.06‰.如果結(jié)果不符合要求，需要檢查判斷：(1)本底信號是否太高.(2)離子源參數(shù)是否正常.(3)峰中心是否正確.(4)氦氣質(zhì)量是否達到要求.(5)參考氣針閥是否工作正常.(6)元素分析儀是否有干擾.線性分析結(jié)果要求斜率：CO2≤0.02‰/nA，N2≤0.02‰/nA.如果結(jié)果不符合要求，需要檢查判斷：(1)穩(wěn)定性測試結(jié)果是否符合要求.(2)離子源參數(shù)是否需要調(diào)諧.

3.3 外設(shè)部分

(1)機械泵泵油顏色：正常為無色透明，如果發(fā)黃或渾濁則需要換掉.(2)機械泵泵油油位線：泵油的液面在最高線和最低線之間.(3)鋼瓶的壓力：總壓力表壓力低于1 Mpa時，需要更換鋼瓶.

4 儀器操作步驟

4.1 EA-IRMS系統(tǒng)開機

4.1.1 質(zhì)譜儀開機

(1)接通Isoprime100質(zhì)譜儀主機電源.(2)打開電腦主機，運行IonVantage 質(zhì)譜控制軟件.(3)確認質(zhì)譜儀上黃色隔離閥處于關(guān)閉狀態(tài).(4)開空氣壓縮機.(5)開機械泵.(6)啟動渦輪分子泵.

4.1.2 EA開機

(1)打開測試所需He、N2、CO2、O2鋼瓶總閥，O2分壓表壓力調(diào)至0.2 MPa，其他氣體鋼瓶分壓表壓力調(diào)至0.4 MPa.確認參考氣進樣器上He壓力顯示正常，打開稀釋器后面的綠色閥門.(2)打開EA電源，待完成自檢后運行EA軟件.(3)EA內(nèi)部氣路檢漏.系統(tǒng)升溫前，需要對EA內(nèi)部氣路進行檢漏，通過后再升溫.如果EA內(nèi)部氣路漏氣將導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定.(4)反應(yīng)管升溫.升溫前確保氦氣有流速.燃燒管920 ℃，還原管600 ℃.

4.1.3 EA和質(zhì)譜儀聯(lián)機

(1)確認離子源處于關(guān)閉狀態(tài).(2)打開質(zhì)譜儀主機上黃色隔離閥.(3)打開離子源.

4.2 系統(tǒng)測試

4.2.1 EA空白樣品測試

EA軟件中，Name、Weight、Method為必填參數(shù)，測試結(jié)果：N Area ≤100，C Area≤100，說明EA穩(wěn)定性好.系統(tǒng)本底空白過高會影響結(jié)果.

4.2.2 離子源調(diào)諧控制測試

隨著時間和環(huán)境的改變，每個質(zhì)量數(shù)對應(yīng)的磁場或加速電壓可能會發(fā)生微小的偏移.因此在測試樣品前必須進行離子源調(diào)諧，以保證質(zhì)譜儀離子束處于最優(yōu)化的狀態(tài).經(jīng)離子源調(diào)諧，優(yōu)化加速電壓，優(yōu)化后的加速電壓分別為：N24 153.92 V；CO23 930.90 V.

離子源調(diào)諧控制測試方法，以N2參考氣為例：(1)在 Iso Prime Tune Page 窗口→File→Load Tuning→調(diào)出CF- N2.itf- Iso Prime Tune Page窗口.(2)打開N2參考氣進樣閥，在Inlet Method 窗口雙擊RN圖標.(3)從工具欄中選擇 Acquire → Run Peak Centre，運行峰中心掃描.(4)掃描結(jié)束后，Peak Centre Results窗口自動彈出.點擊 Accept Peak Centre按鍵，確認掃描完成.(5)雙擊RN，關(guān)閉N2參考氣.

4.2.3 參考氣穩(wěn)定性測試

峰面積不穩(wěn)定會對結(jié)果產(chǎn)生很大影響，因此在進行樣品測試前，要保證空白樣品產(chǎn)生的峰面積已經(jīng)穩(wěn)定，故要對N2和CO2標準氣進行空白測定.

穩(wěn)定性測試方法，以N2參考氣為例：(1)在質(zhì)譜儀軟件Ionvantage主窗口中點擊File，調(diào)出所需要的Open快捷圖標，從彈出窗口中調(diào)用N2參考氣的Sample list，選擇N2Ref gas tests .(2)選擇需要測試樣品行，點擊Run快捷圖標，勾選Aquire Sample Data和Auto process sample，點擊確定.等待30 s左右，系統(tǒng)開始測試.

測試完成后，檢查參考氣穩(wěn)定性結(jié)果是否符合要求.

4.2.4 參考氣線性測試

在參考氣穩(wěn)定性測試符合要求后，再進行線性測試.在質(zhì)譜儀正常的動態(tài)檢查范圍內(nèi)，測量的同位素比值不會隨信號強弱的不同而改變，這樣才能確保對不同樣品進行分析時,可以獲得可信的同位素結(jié)果.

線性測試方法，以N2參考氣為例.測試方法和上述參考氣穩(wěn)定性測試相同，只是在進樣過程中改變參考氣進樣器上相對應(yīng)的參考氣壓力，從1 nA逐步調(diào)至10 nA，一般調(diào)9次壓力，使每個參考氣峰都具有不同的信號高度.

(1)雙擊打開RN.(2)將信號調(diào)至1 nA，等待RN自動關(guān)閉.(3)RN再自動打開.(4)RN再自動關(guān)閉.(5)第一次調(diào)信號.

CO2調(diào)節(jié)方式與N2相同.在完成參考氣線性測試后，根據(jù)樣品出峰順序，將離子源參數(shù)調(diào)回到第一個出峰元素所對應(yīng)的參數(shù)下面.如CN模式分析，將離子源參數(shù)選擇為N2.當上述各項狀態(tài)指標都確認在正常范圍，表明系統(tǒng)達到了理想穩(wěn)定的樣品分析狀態(tài)，可以根據(jù)需要進行樣品分析.

4.2.5 標準樣品測試

(1)使用實驗室質(zhì)控標準，如乙酰苯胺、甘氨酸等，重復(fù)測試3～5次.檢查結(jié)果外精度是否符合要求：δ15N ≤0.15 ‰，δ13C ≤0.10 ‰.

(2)使用國際標準物質(zhì)，進行單點或多點校正.如果樣品測定的同位素值范圍變化不大，可以使用單點校正法.如果樣品測定的同位素值范圍變化較大，建議使用多點校正法.

單點較正法具體步驟，以硫酸銨標樣為例：首先至少重復(fù)測量3～5個標準樣品，δ15N值精度(標準偏差)小于 0.15‰，即表明系統(tǒng)分析結(jié)果穩(wěn)定.硫酸銨標樣δ15N 值Tstd為20.3‰，分析結(jié)果的平均值Mstd 為21.8‰，首先計算這個差值diff=Mstd-Tstd=21.8‰-(20.3‰)=1.5‰.在 Inlet Method 窗口下，選擇 Data Processing→Edit Species，在彈出窗口中選擇N2參考氣體，選擇 Edit.進入后點擊 Reference gas 后面的Edit 鍵.在Calibration Delta Values中，重新計算 Ratio1 的值.目前顯示值為0.3‰，則其真實的 δ15N值=0.3‰-1.5‰=-1.2‰.在上欄中，將計算好的 δ 值重新輸入，保存后即可.在以后的樣品計算時就會按照這個新的 δ 值進行計算.

多點校正法具體步驟 ：選擇多種不同豐度的同位素標準樣品，一般3個以上.每個標樣重復(fù)測量5次，確保標準偏差小于0.15‰.使用測量值的平均值與標準值擬合標準曲線，建立測量值與標準值之間的回歸關(guān)系，一般要求R2大于0.999 9.利用該曲線將樣品的測量值進行回歸處理，最終得到樣品的標定值.

(3)測試樣品，每分析10～15個樣品后測實驗室質(zhì)控標準，用于檢測數(shù)據(jù)分析穩(wěn)定性和準確性.

4.3 EA-IRMS系統(tǒng)待機、關(guān)機及從待機狀態(tài)恢復(fù)到測樣狀態(tài)

4.3.1 質(zhì)譜儀日常待機

質(zhì)譜儀需在高真空狀態(tài)下運行，頻繁開關(guān)機不僅對分子泵的壽命有影響，也會降低日常工作效率.如果測樣間隔2周以內(nèi)，可使質(zhì)譜儀進入待機狀態(tài)：(1)EA降溫至100 ℃以下后，關(guān)EA軟件，關(guān)EA主機.(2)關(guān)閉離子源.(3)關(guān)閉質(zhì)譜儀上黃色隔離閥.

4.3.2 儀器從待機狀態(tài)恢復(fù)到測樣狀態(tài)

(1)按步驟EA開機.(2)確認離子源處于關(guān)閉狀態(tài).(3)打開質(zhì)譜儀黃色隔離閥.(4)打開離子源.

4.3.3 質(zhì)譜儀關(guān)機

如果間隔2周以上不測試樣品，質(zhì)譜儀需關(guān)機：(1)確認質(zhì)譜儀黃色隔離閥處于關(guān)閉狀態(tài).(2)關(guān)閉離子源.(3)停止分子泵.待IP Turbo Speed 轉(zhuǎn)速下降至10%以后，關(guān)閉質(zhì)譜儀背后圓形黑色隔離閥.(4)關(guān)閉機械泵.(5)關(guān)閉Ionvantage軟件，關(guān)閉計算機.(6)關(guān)閉實驗室電源.

5 結(jié)語

EA-IRMS系統(tǒng)在國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于植物生理生態(tài)學、農(nóng)田土壤結(jié)構(gòu)、生物地球化學、氣候變化、物質(zhì)溯源以及摻假辨識、原油氮沉積環(huán)境、城市湖泊沉積物、農(nóng)業(yè)面源污染[5-19]等領(lǐng)域中碳氮同位素組成的測定.正確的操作步驟和日常的維護保養(yǎng)對保證儀器分析數(shù)據(jù)的準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.