元素分析仪-同位素比值质谱测量碳氮同位素比值最佳反应温度和进样量的确定.docx

元素-同位素比值质谱测量碳氮同位素比值最正确反响温度和进样量确实定徐丽;邢蓝田;王鑫;李中平;毛俊丽【摘 要】沉积有机质的碳氮稳定同位素值是进展古气候、古环境及生态系统争论不行或缺的主要争论手段,目前碳氮同位素主要利用元素-同位素比值质谱(EA-IRMS)系统来测定.EA-IRMS 测定过程中的反响温度及样品进样量直接影响反响物在测试中的燃烧程度,从而影响测试数据的精度.本文利用 EA-IRMS 技术,以标准样品为参考,在不同转化温度下测试碳氮同位素值,争论保证测试精度的最正确反响温度条件;同时,通过分析不同含氮量样品的检测限,明确了样品含氮量与最低检测限之间的关系,确定了准确测定氮同位素值的最低进样量.结果说明:反响温度对测试精度有显著影响,在碳同位素测定时,将反响温度设定为 900或以上时测试精度均能到达±0.2;氮同位素测定时,反响温度须设定为 950时测试精度才能到达±0.3.试验得出样品含氮量与检测限之间的线性相关性为 R2=0.873,开展氮同位素测定时可依据此关系来推断和掌握进样量.%Carbon and nitrogen isotopes are essential tools to study paleoclimate, palaeoenvironment, and ecosystem. At present,carbon and nitrogen isotopes are commonly determined by Elemental Analyzer-Isotope Ratio Mass Spectrometer (EA- IRMS).Reaction temperature and sampling weight directly affect the burning of samples,and thus affect analytical precision.Using EA-IRMS technology and taking standard samples as references,the carbon and nitrogen isotope values were determined at different conversion temperatures to study the optimum reaction temperature,in order to ensure the accuracy of the analysis presented in this paper.At the sametime,by analyzing the detection limits of samples with different nitrogencontents,the relationship between the nitrogen content of the sample and the lowest detection limit was determined and thus the lowest quantity of samples for accurate determination of nitrogen isotopes were also defined.The results show that reaction temperature has a significant effect on analytical precision.Analytical precision of carbon isotope is less than±0.2 when the reaction temperature is either 900 or higher than 900,but the precision of nitrogen isotope can reach ±0.3 only when the reaction temperature is no lower than 950.The linear relationship between nitrogen content and detection limit was expressed as R2=0.873 according to the data. According to this relationship,the sample introduction quantity can be determined and controlled when analyzing nitrogen isotope.【期刊名称】岩矿测试【年(卷),期】2023(037)001【总页数】6 页(P15-20)【关键词】元素-同位素比值质谱;碳氮同位素比值;反响温度;检测限【作 者】徐丽;邢蓝田;王鑫;李中平;毛俊丽【作者单位】勘探开发争论院西北分院,甘肃 兰州 730020;甘肃省油气资源争论重点试验室/中国科学院油气资源争论重点试验室,甘肃 兰州 730000;勘探开发争论院西北分院,甘肃 兰州 730020;甘肃省油气资源争论重点试验室/中国科学院油气资源争论重点试验室,甘肃 兰州 730000;甘肃省地质矿产勘查开发局其次地勘院,甘肃 兰州 730020【正文语种】中 文【中图分类】O657.63;O613.71;O613.2近年来元素-同位素比值质谱(EA-IRMS)系统的快速进展，大大提高了碳、氮、氧、氢等同位素的测定速度。该系统具有适应面宽、样品纯度要求不高、用量微、适合大批量样品测定等优点1-2，因而已被广泛应用于地球科学、生态学、环境科学等领域3-10。然而，在测试过程中不同的测试条件及不同性质的样品都会造成测试结果的不准确，为了获得更准确的测试值，已有学者针对性地开展了测试方法争论，如王周锋等11开展了 EA-MS 测试过程中添加助燃剂的影响效应争论，提高了测试样品中碳元素的转化程度，从而提升了测试精度；王旭等12探讨了 EA-MS 联机系统的燃烧转化率漂移及其对碳氮同位素比值测定的影响，通过反标定来消退燃烧转化率漂移对同位素值的影响；张媛媛等13初步建立了一套适合低碳含量的海洋沉积物测定方法。金贵善等14探讨了 EA-IRMS 测定有机氮及无机氮同位素的条件，明确了样品化学性质对氮同位素测试结果的影响。王政等15 生疏到由于样品中各元素含量的不均一性或样品特别的化学性质，会造成测试结果的不确定性，如对于土壤样品，由于其中的碳元素含量高，而氮、硫等元素含量较低，不能完全沿用 EA-IRMS 分析法。前人这些争论为碳、氮同位素的准确测试供给了参考。从前人争论成果中可以看出，提高元素的转化率是提高其同位素值准确度的主要途径，而测试时的反响温度与样品的进样量均可影响元素的转化率，但是，目前关于样品中碳氮元素的测定方法，反响温度及含氮样品的进样量对碳氮同位素值准确性的影响等问题缺乏系统性探讨。因此，本文利用 EA-IRMS 系统，以碳氮同位素比值的尿素、磺胺、小麦粉标准样品为参照，开展了不同反响温度对同位素比值测试的影响、不同含氮量样品氮同位素测试的准确性争论，旨在为该项技术的进展及应用供给科学依据。1 试验局部1.1 仪器和主要装置本试验所用 EA-IRMS 系统由 Flash EA 2023 型元素、Conflo型气体接口和 MAT253 同位素比值质谱仪三局部组成，均为美国 ThermoFisher 公司产品。1.2 样品与主要材料标准样品为尿素(德国)，样品分为两类：一类为碳氮同位素比值的磺胺 (德国)、小麦粉(英国)，均为元素分析系列标准物质；另一类为未知碳氮同位素比值的咔唑、2,7-二甲基咔唑、甘氨酸、苏氨酸(均产自中国)。样品信息见表 1。反响管填充物选用 Cr2O3 作为氧化剂，装填于反响管上端，高度为 3 cm；选用线状铜作为复原剂，装填于反响管下端，高度为 10 cm。1.3 试验方法与碳氮同位素测量条件称取肯定量的被测样品(称样量见表 2)在锡舟包裹后参加 Flash EA 2023 的进样盘中，自动进样程序掌握下每次送入一个样品至吹扫室，由氦气吹扫 30 s 并送入氧化炉中，在过氧环境下闪燃形成碳、氮氧化物混合气体，在高纯氦气的运载下经复原转化成二氧化碳和氮气，经色谱柱分别并依次通过 Conflo型气体分流接口进入质谱仪，分别以高纯二氧化碳(99.999%)和高纯氮气(99.999%)作为参考标准测定碳氮同位素比值。表 1 样品具体信息Table 1 Details of the sample样品名称产地纯度(%)化学式碳氮含量(%)CN 样品类型同位素参考值()CN 尿素德国>995CN2H4O200467STD-2825±024-036±025 磺胺德国>995C6H8N2O2S529137STD-2656-123 小麦粉英国STD-2721±013285±017 咔唑中国>980C12H9N86284S-2，7-二甲基咔唑中国>980C14H13N86272S-甘氨酸中国>985C2H5NO2320187S-苏氨酸中国>991C4H9NO3403118S-注： STD 代表元素分析标准样品；S 代表被测样品(碳、氮同位素值未知)。表 2 样品称样量Table 2 The sampling weight测试次数称样量(g)磺胺小麦粉咔唑 2，7 二甲基咔唑甘氨酸苏氨酸1014102950097007001300056200510265003800570015002130028016100630041004300544001202510 0730057009600185005402060042004300560045600510173004400310062004070047060000230059004600758003803660048007700490030在本次试验争论中，为了实现同位素比值样品的碳氮同位素准确测定和未知同位素比值样品的标定，考虑到锡舟的充分燃烧与否和反响管的最高耐受温度(小于1000)，选择 800、850、900、950四个反响温度开放试验，整个测试过程中 He 载气流量为 100 mL/min。同时，在样品燃烧时，氧气注入流速设定为180 mL/min，通氧气时间设定为 3 s8。本项争论所测样品的用量最多不超过 1 mg，在该用量条件下样品在元素的燃烧室可以完全燃烧，因而不用考虑样品测试过程的转化完全程度以及燃烧产生的灰烬对后续样品测试的影响。2 结果与争论2.1 反响温度对碳氮同位素比值测试的影响碳氮同位素比值样品的测试数据见表 3，表 3 中列出的碳氮同位素测定结果与参考值之间的偏差在图 1 中呈现，分别用 13C 测-13C 参和 15N 测-15N 参表示碳、氮同位素偏差。结果说明，不同反响温度下，碳同位素比值比较接近，而氮同位素比值具有显著差异。对于碳同位素而言，不管是磺胺还是小麦粉样品，不同的反响温度其测试数据具有很小的变化区间，并且接近于同位素参考值。而对于氮同位素，两个样品在不同反响温度下的测定结果差异较大，具体是：反响温度为950和 900时，每个样品的氮同位素测定结果较为接近；反响温度为 850时， 磺胺样品的氮同位素测定结果偏负，小麦粉样品的氮同位素测试结果偏正；反响温 度为 800时，氮同位素测试结果与参考值相比较均偏负，这可能与样品本身的含氮量凹凸以及反响程度有关。表 3 比值样品的碳氮同位素测定结果Table 3 Analytical results of samples with known carbon and nitrogen isotope ratio同位素系列 13C 测试值()15N 测试值()磺胺小麦粉磺胺小麦粉950900850800950900850800950900850800950900850800系列 1-2642-2627-2646-2630-2694-2723-2775-2996-157-162-252050281239352191 系列 2-2635-2628-2630-2645-2702-2726-2764-2703-163-158-197047284329408169 系列 3-2642-2634-2644-2631-2702-2731-2720-2698-114-150-259109268345612203 系列 4-2638-2621-2645-2624-2701-2728-2729-2707-171-131-229119309404468411 系列 5-2637-2629-2633-2612-2704-2721-2758-2693-111-166-277035245383541703 系列 6-2640-2626-2641-2625-2702-2705-2743-2991-132-170-189159285234574121 系列 7-2632-2629-2640-2627-2698-2715-2754-2696-154-147-208-056266372490978 系列 8-2645-2633-2639-2633-2703-2730-2711-2697-126-155-295078302303396769 平均值-2639-2630-2640-2628-2701-2722-2733-2773-141-155-238068280326480443 标准偏差004006006009003009019136023012039065020064092330 平均值- 参考值 017025016028020-001-012023-018-032-115191-005041195158图 1 各个设定温度时碳氮同位素测试结果及相对偏差 Fig.1 Measured values of carbon and nitrogen isotope at each designed temperature and their standard deviation分析以上测试结果可以得出，对于碳同位素而言，反响温度在 850950区间， 样品中的碳均能完全转化为二氧化碳，其反响温度的凹凸对测试稳定性和数据精度根本上没有影响，磺胺和小麦粉样品的碳同位素测试精度分别能到达±0.2和±0.4；而对于氮同位素，设定的反响温度为 900和 850时，两个样品的测定值与参考值之间偏差均较大，只有反响温度为950时，测定值与参考值相近。以上分析结果说明，对于碳同位素测试，转化温度设定为 850即可满足测试条件并能到达较高的测试精度，而开展氮同位素测试时，须设定转化温度为950， 才能保证测试结果的准确性。2.2 进样量对不同含氮量样品氮同位素测试的影响对样品进展氮同位素测定时，由于被测样品中的氮元素含量往往远低于碳元素，因此，在开展氮同位素测定时，为了避开 N2 信号峰受基线的影响，必需加大进样量或是对被测样品进展纯化，这为测试过程带来了很多不便。假设把握不同含氮量的样品的最低进样量，这将提高测试的准确性。对于样品最低进样量确实定，主要取决于样品的元素含量和反响程度，而以上两者又打算了测试样品的检测限，因此通过确定不同样品的含氮量与检测限的相关性，就可以间接确定样品的最低进样量。为此，本次试验中针对几种不同含氮量的样品，以碳、氮同位素比值测定时质谱仪接收信号强度的最小积分高度(40 mV)为限，即为最低检测限，初步探讨了准确测定氮同位素比值时相应的最低检测限，拟为开展氮同位素争论供给参考和借鉴。本次试验测定了 5 个样品在不同反响温度时的检测限，具体测试数据见表 4，获得的含氮量与样品检测限之间的线性关系见图 2。表 4 不同含氮量样品各个反响温度相应的检测限Table 4 The detection limit of different nitrogen content samples at each reaction temperature样品含氮量(%)样品检测限(g)9509008502，7-二甲基咔唑 72324590 咔唑 84263085 苏氨酸 118162152 磺胺 137121846 甘氨酸 18791542图 2 样品含氮量与检测限线性关系 Fig.2 The linear relationship between nitrogen content and detection limit从图 2 所示的线性关系来看，不同样品的含氮量与检测限均成负相关关系，其中850数据显示出其检测限变化幅度较大，检测限在 9030 g 范围内，表达出样品测试具有较大的不稳定性，而在 950和 900时温度下，样品的检测限范围在相对较小的范围变化，变化比较稳定，线性关系的斜率根本全都，但其线性相关度却存在肯定的差异。两者的线性相关系数(R2)分别为 0.873、0.818，说明900时氮同位素测定结果的稳定性较差，可能是由于该反响温度与 950相差50，导致低温时氮元素未完全转化为 N2，而在相对高温的 950下氮元素的转化比较充分，从而表现出较高的测试稳定性和较好的线性相关度。因此，本次争论认为 950下样品含氮量与检测限关系式具有较高的稳定性，其关系为 y=- 1.98x+42.67(x 为含氮量，单位为%；y 为样品检测限，单位为 g)，相关系数R2=0.873，在样品含氮量的前提下，可以利用该关系式来掌握被测样品的进样量。3 结论本文对碳氮同位素比值的标准样品进展不同反响温度下碳氮同位素值的重测定，获得了样品在测定碳氮同位素时最正确反响的温度条件。争论说明，碳同位素测定时反响温度设定为 900或以上时精度均能到达±0.2，而氮同位素测定时须设定为 950时精度才能到达±0.3，说明测试温度对碳氮同位素的测试精度具有显著影响；针对单个有机化合物的碳氮同位素测定条件进展了比较，尤其是针对氮同位素分析得到一个最优的试验条件。另外，还对不同类型化合物的氮同位素分析检测限与待测样品中的氮含量进展了争论，确定出一个最正确的检测限公式，获得测定氮同位素的最正确进样量。这些争论结果为碳氮同位素的准确测定供给了科学依据。4 参考文献1 储雪蕾.一种的、快速的碳、氮、硫同位素测定手段EA-IRMS 连线分析技术J.矿物岩石地球化学通报,1996,15(4):259-262.Chu X L.A new method of rapid measurements for C,N and S isotope ratios-on-line analytical method of EA-IRMSJ.Bulletin of Mineralogy Petrology and Geochemistry,1996,15(4):259-262.2 Glesemann A,Jager H J,Norman H R,et al.On-line sulfur-isotopedetermination using an elemental analyzer coupled to a massspectrometerJ.Analytical Chemistry,1994,66:2816-2819.3 Sun W W,Shen J,Zhang E L,et al.Stable nitrogen isotope record of lacustrine sediments in Lake Onuma (Northern Japan) indicates regional hydrological variability during the past four centuriesJ.Quaternary International,2023,397:307-316.doi:org/10.1016/j.quaint.2023.07.036.4 Calleja M L,Batista F,Peacock M,et al.Changes in compound specific 15N amino acid signatures and D/L ratios in marine dissolved organic matter induced by heterotrophic bacterial reworkingJ.Marine Chemistry,2023,149:32-44.doi:org/10.1016/j.marchem.2023.12.001.5 Valery J T, Zewdu E,Albert G,et al.Reconstructing palaeoenvironment from 13C and 15N ransects values of soil organic matter：A calibration from arid and wetter elevation transects in EthiopiaJ.Geoderma,2023,147:197-210.6 Reynard L M, Hedges R E. Stable hydrogen isotopes of bone collagen in palaeodietary and palaeoenvironmental reconstructionJ.Journal of Archaeological Science,2023,35:1934-1942.7 Wang G A,Li J Z,Liu X Z,et al.Variations in carbon isotope ratios of plants across a temperature gradient along the 400mm isoline of mean annual precipitation in North China and their relevance to paleovegetation reconstructionJ.Quaternary Science Reviews,2023,63:83-92.8 Handley L L,Raven J A.The use of natural abundance of nitrogen isotopes in plant physiology and ecologyJ.Plant Cell and Environment,1992,15(9):965-985.9 刘贤赵,张勇,宿庆,等.陆生植物氮同位素组成与气候环境变化争论进展J.地球科学进展,2023,29(2):216-226.Liu X Z,Zhang Y,Su Q,et al.Progress of research on relationships between terrestrial plant nitrogen isotope composition and climate environment changeJ.Advances in Earth Science,2023,29(2):216-226.10 梁越,肖化云,刘小真,等.13C 和 15N 指示不同生态类型湖泊无机氮及有机质来源J.湖泊科学,2023,26(5):691-697.Liang Y,Xiao H Y,Liu X Z,et al.Identifying provenance of inorganic and organic matter in different ecotype lakes using 13C and 15NJ.Journal of Lake Sciences,2023,26(5):691-697.11 王周锋,王政,胡婧,等.EA-MS 测试过程中添加助燃剂的影响效应争论J.质谱学报,2023,29(5):290-294.Wang Z F,Wang Z,Hu J,et al.The effect of oxidizer appended during testing sample by EA-MSJ.Journal of Chinese Mass Spectrometry Society,2023,29(5):290-294.12 王旭,张福松,丁仲礼.EA-Conflo-IRMS 联机系统的燃烧转化率漂移及其对氮、碳同位素比值测定的影响J.质谱学报,2023,27(2):104-109.Wang X,Zhang F S,Ding Z L.Changes in the combustion transformation capability of EA-Conflo-IRMS and their impacts on nitrogen and carbon isotope ratio measurementJ.Journal of Chinese Mass Spectrometry Society,2023,27(2):104-109.13 张媛媛,贺行良,孙书文,等.元素-同位素比值质谱仪测定海洋沉积物有机碳稳定同位素方法初探J.岩矿测试,2023,31(4):627-631.Zhang Y Y,He X L,Sun S W,et al.A preliminary study on the determinationof organic carbon stable isotope of marine sediment by element analyzer-isotope ratio mass spectrometerJ.Rock and Mineral Analysis,2023,31(4):627-631.14 金贵善,刘汉彬,张建峰,等.EA-IRMS 测定有机及无机氮同位素条件探讨J.地质学报,2023,89(增刊): 85-86.Jin G S,Liu H B,Zhang J F,et al.The conditions discussion of organic and inorganic nitrogen isotope by EA-IRMSJ.Acta Geologica Sinica,2023,89(Supplement):85-86.15 王政,刘卫国,文启彬.土壤样品中氮同位素组成的元素-同位素养谱分析方法J.质谱学报,2023,26(2):71-75.Wang Z,Liu W G,Wen Q B.Measurement of nitrogen isotopic composition of soil samples by element analysis-isotope mass spectrometryJ.Journal of Chinese Mass Spectrometry Society,2023,26(2):71-75.