GasBench Ⅱ-IRMS測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 海洋與地球學院，福建 廈門 361005；2.國家海洋局 第三海洋研究所 海洋與海岸地質環境開放實驗室，福建 廈門 361005)

GasBench Ⅱ-IRMS測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 海洋與地球學院，福建 廈門 361005；2.國家海洋局 第三海洋研究所 海洋與海岸地質環境開放實驗室，福建 廈門 361005)

采用Delta V Advantage 質譜儀與GasBench Ⅱ在線制樣裝置，分別用12 mL和3.7 mL的樣品瓶，對不同質量(5～50 μg)的碳酸鹽標準樣品(IAEA-CO-1)進行碳氧同位素組成測定。測試結果表明，當取樣量小于40 μg，且用12 mL樣品瓶進行酸化測試時，δ13C和δ18O測量結果的內部標準偏差一半以上大于0.1‰，不能滿足測試要求。當改用3.7 mL樣品瓶，樣品取樣量在15～50 μg時，δ13C的內部標準偏差為0.01‰～0.07‰，δ18O的內部標準偏差為0.01‰～0.08‰，滿足測試要求。所以，當樣品量較少時，GasBench Ⅱ在線制樣裝置可以通過改用3.7 mL樣品瓶，實現對低至15 μg微量碳酸鹽樣品的碳氧同位素精確測量。同時，碳酸鹽樣品的質量與峰面積具有很好的線性關系(R2>0.993 2)，表明該方法也可用于樣品中碳酸鹽含量的測定。

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和環境方面可以用于碳酸鹽巖成因與來源的識別、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外殼的碳氧同位素比值估算古海洋環境溫度是古海洋學研究的一個重要方向。在陸地氣候研究中，碳酸鹽碳氧同位素經常作為氣候的代用指標[6-9]，是地球化學研究中重要的示蹤手段之一，可以評估海水原始碳氧同位素組成，地質歷史時期生物盛衰和氣候變化特征，并借由這些變化特征，預測將來氣候變化趨勢，因此碳酸鹽碳氧同位素研究一直是碳酸鹽生物地球化學研究領域中最重要課題之一。

傳統的碳酸鹽碳氧同位素的分析方法是在真空系統中，將碳酸鹽樣品與100%的磷酸反應，收集生成二氧化碳氣體，通過雙路進樣系統手動導入穩定同位素質譜儀進行測試，該方法需要樣品量較大(數十毫克)，且每個樣品必須手工制備，人為因素導致的測試誤差相對較大。隨著連續流穩定同位素質譜(Continuous Flow MS)技術的出現和發展，對碳酸鹽碳氧同位素測試實現了自動酸化、分離制備，將待測氣樣用載氣直接帶入離子源進行分析測試。目前，多用途在線氣體制備和導入系統與穩定同位素質譜儀聯用(GasBench Ⅱ-IRMS)技術，由于前處理步驟自動化，所需樣品量少，且具備高精密度和準確性等優點[10]得到廣泛應用。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，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，導致該方法的應用受到一定的限制[11-12]。為了解決這個問題，本研究通過減小樣品瓶體積，建立了一種準確、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品；Delta V Advantage穩定同位素質譜儀：美國賽默飛世爾科技有限公司產品；METTLER TOLEDO MX5微量天平：瑞士梅特勒-托利多公司產品，d=1 μg；3.7 mL和12 mL圓底硼硅酸瓶：英國Labco公司產品；1 mL醫用注射器：德國HSW公司產品；He氣：中國百斯特氣體工程有限公司產品，高純氦，純度>99.999%；CO2標準氣：福州新航工業氣體有限公司產品，純度>99.999%；碳酸鹽巖標準物質：IAEA-CO-1、IAEA-CO-8；100%磷酸：德國Merk公司，根據Burman等[13]的方法制備；儀器的主要工作參數見表1。

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

2 實驗方法

2.1 樣品前處理

用天平準確稱取碳酸鹽巖標準物質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自動進樣器，依次對樣品瓶以100 mL/s的流速進行氦氣吹掃240 s，相當于220 mL的沖洗量；向每個樣品瓶中手動加入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，先進行自動聚焦、定峰中心過程，再測量三個參考氣的峰。隨后，反應產生的CO2氣體由氦氣引入質譜儀，高能電子束轟擊離子化，經過電場加速，不同質荷比離子在磁場分離成不同的離子束，進入接收器并轉換成電信號，測定碳氧同位素比值，每個樣品測定5次(即譜圖中出現5個樣品峰)，由于第一個樣品峰可能受前一個樣品的影響，故結果取后4次測量結果的平均值。

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

3 結果與討論

3.1 樣品瓶空白的影響

空氣對同位素質譜儀穩定測量存在較大的影響，因此在測試之前用高純He對樣品瓶中的空氣進行置換，盡量減小空氣對測量結果的影響。為了檢驗樣品瓶中的空氣是否置換完全，測量時先加入兩個空白樣品瓶(1號空白樣為空瓶，2號空白樣只加磷酸)，以檢測樣品瓶中是否有殘存空氣。兩個空白樣品中m/z44信號的峰高分別是26 mV和28 mV ，2號空白

樣峰高大于1號空白樣，這可能是在加酸過程中引入微量空氣所致。穩定同位素質譜儀設定的m/z44峰高積分的閾值是40 mV，兩個空白樣品的m/z44信號值均小于40 mV，且該值遠小于樣品的峰高，對檢測結果影響可忽略。

3.2 不同體積樣品瓶樣品量峰高的差異

當取樣量為15 μg，且用12 mL樣品瓶進行酸化測試時，產生的樣品峰高大約為400 mV(見圖2)，而采用3.7 mL樣品瓶時，峰高約為2 000 mV(見圖3) 。這是由于減小頂空瓶的體積后，氦氣對樣品所產生CO2的稀釋作用降低，樣品瓶中CO2濃度增加，生成色譜峰強度增加。在Gasbench連續測試取樣過程中，由于CO2的減少，五次測量之后峰強減少為原始強度的50%。通常穩定同位素質譜測試CO2的碳氧同位素過程中，m/z44信號的峰高超過1 000 mV，其測量結果可以認為較穩定。

圖2 15 μg樣品用12 mL樣品瓶測量的色譜圖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 碳酸鹽質量與峰面積相關性分析

在測量5～50 μg質量范圍的碳酸鹽中碳氧同位素的過程中，對每個樣品后4個峰的峰面積平均值與取樣量進行相關性分析，發現峰面積與取樣量具有很好的線性關系(R2>0.993 2，n=10)，然而，在不同批次測量中由于穩定同位素質譜儀的測試條件存在差異(如Gasbench的He流速和穩定同位素質譜儀離子源參數的改變等 )，可能導致這種線性關系存在批次差異，因此在改變穩定同位素質譜測試條件時，需要重新建立峰面積和樣品碳含量的標準曲線。

圖4 樣品質量和峰面積的線性關系Fig.4 Sample weight vs. peak area within an individual run

3.4 不同體積樣品瓶測試結果的標準偏差

分別用12 mL和3.7 mL 樣品瓶測量不同質量的IAEA-CO-1標樣的碳氧同位素，每個樣品連續重復測量5次，取后4次測量結果計算其標準偏差。圖5(a)為使用12 mL樣品瓶測量不同質量樣品。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個樣品為一組，重復測試三組，共42個樣品，所得碳氧同位素數據的標準偏差 。圖5(b)為使用3.7 mL樣品瓶測量不同質量樣品。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個樣品為一組，重復測試三組，共30個樣品，所得碳氧同位素數據的標準偏差。

圖5 樣品用12 mL(a)和3.7 mL(b)樣品瓶測得δ18O和δ13C的標準偏差和重量的關系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，當取樣量大于40 μg 時，δ18O和δ13C的標準偏差波動范圍較小，其中δ13C的標準偏差為0.01‰～0.1‰，δ18O的標準偏差為0.03‰～0.1‰，均滿足分析測試精度的要求。當取樣量小于40 μg時，δ18O和δ13C的標準偏差波動范圍增大，δ13C的標準偏差為0.03‰～0.20‰，δ18O的標準偏差為0.04‰～0.21‰，大部分樣品的標準偏差大于0.1‰，不能滿足分析測試精度要求。所以，用12 mL樣品瓶進行分析測試時，樣品量必須大于40 μg。

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

3.5 不同質量樣品對測試結果準確度分析

對用3.7 mL樣品瓶測定的30個標樣IAEA-CO-1碳氧同位素值準確度進行分析，δ13C和δ18O測量值與樣品質量的相關性示于圖6。實線是取樣量大于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數據與所有樣品質量的線性擬合結果。從圖6(a)可知，當樣品質量在15～50 μg時，樣品的δ13C值在實線(樣品的標準值+2.49‰)上下波動，絕對誤差范圍為-0.13‰～0.11‰；但當樣品量小于15 μg時，樣品的δ13C值具有明顯的變小的趨勢，逐漸偏離其真實值。從圖6(b)可知，當樣品質量在15～50 μg時，樣品的δ18O值在實線(樣品的標準值-2.4‰)上下波動，絕對誤差范圍為0.4‰～0.3‰，當樣品量小于15 μg時，其波動范圍變大并有變小的趨勢。當樣品量小于15 μg時，樣品中δ18O和δ13C值具有明顯降低的趨勢，這可能是由于樣品中含有微量的空氣，空氣中的氮氣和氧氣在離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)，當較高濃度的CO2進入離子源時，氧化亞氮的影響較小，隨著進入離子源CO2濃度降低，而氧化亞氮的濃度基本不變，相當于間接的增大了m/z44的信號，因此導致了樣品中δ18O和δ13C值降低。

3.6 標準物質和有孔蟲樣品測試

采用上文描述測試方法對碳酸鹽巖標準物質IAEA-CO-1、IAEA-CO-8和有孔蟲樣品進行碳氧同位素分析測試。用3.7 mL樣品瓶對兩組標準物質分別作8次重復實驗，取樣量為15～50 μg，最終結果取8次測量的平均值，并與標準值比較，結果列于表2。表2結果表明，標準物質分析結果與標準值相吻合，滿足測量的準確度和精密度要求。

分別稱取用不同質量的有孔蟲樣品，對其碳含量和碳氧同位素進行分析(見表3)，測試結果表明，當取樣量大于15 μg時，有孔蟲碳同位素標準偏差為0.02‰，氧同位素的標準偏差小于0.1‰，滿足相關的分析測試精度的要求。

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 碳酸鹽巖標準物質分析(n=8)Table 2 Analysis of carbonate reference materials(n=8)

4 結論

通過減小GasBench Ⅱ- IRMS樣品瓶體積的方法，實現了對低至15 μg微量碳酸鹽樣品中的碳氧同位素在線精確測量。本方法處理流程相對簡單，δ13C和δ18O標準偏差和準確度滿足相關分析的要求，基本解決某些碳酸鹽樣品因量少而無法使用常規在線測量的難題，拓展了GasBench Ⅱ- IRMS在線連續流分析測試碳酸鹽碳氧同位素方法在地質、海洋和環境等領域的應用范圍。

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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“河口地區硫酸鹽還原過程隨鹽度梯度的變化規律及其控制因素”(41006072)

梁翠翠(1988—)，女，河北邢臺人，碩士研究生，從事同位素海洋學研究

尹希杰，副研究員，E-mail: yinxijie@tio.org.cn

TL92+2

A

1000-7512(2015)01-0041-07