氣相色譜-熱轉換-同位素比值質譜法測定單體氫同位素穩(wěn)定性的影響因素分析

曹蘊寧，劉衛(wèi)國,2

(1.中國科學院地球環(huán)境研究所，黃土與第四紀地質國家重點實驗室，陜西 西安 710061；2.中國科學院大學，北京 100049)

自從20世紀90年代建立氣相色譜-熱轉換-同位素比值質譜(GC-TC-IRMS)法測定單體化合物氫同位素以來[1]，該方法已在古氣候、古環(huán)境、生物地球化學、石油天然氣、食品等諸多領域得到廣泛應用[2-6]。如Liu等[7-8]的研究表明，氫同位素可以作為黃土高原地區(qū)定量重建古氣候的代用指標，但使用植物葉蠟氫同位素進行古氣候重建需考慮植物種類的影響。Jia等[9]的研究認為，高等植物正構烷烴氫同位素有作為古高度重建代用指標的應用前景。Hou等[10]對于早全新世以來美國馬薩諸塞州Blood Pond的生物標記化合物的十年至數十年分辨率的C22烷酸的氫同位素記錄，可揭示該時期的溫度和AMOC變化。Liu等[11]利用全新世以來青海湖沉積物葉蠟長鏈正構烷烴氫同位素的變化重建了季風及降水演化歷史，對早全新世青海湖水位變化進行了新的評估。

由于氫是自然界質量數最小的元素，它的2種穩(wěn)定同位素相對豐度相差極大(2H的相對豐度僅0.015%)，故高精度和高準確度的氫同位素分析是單體氫同位素深入研究和發(fā)展的基礎和保證。而采用GC-TC-IRMS法進行單體氫同位素測定，會有諸多因素影響測定結果。Liu等[12]研究了氣相色譜升溫程序對單體氫同位素測定結果的影響；Cao等[13]研究了氫裂解管的涂碳方法對測定結果的影響；李立武等[14]研究了熱轉換溫度、進樣量和分流比等條件對氫同位素測定結果的影響；李中平等[15]研究了分流比對甲烷樣品氫同位素測定結果的影響。

此外，目前國際上對有機分子化合物氫同位素的測定也存在穩(wěn)定性較差的問題，因此很多實驗室要求1個樣品重復測定2～3次[16-22]，并且要加入很多的工作標準控制實驗結果的校正。這樣，不僅浪費了時間、加大了實驗消耗，測定結果也會由于標準結果測定的不確定性帶來誤差。因此，獲得穩(wěn)定、準確的測定結果是利用GC-TC-IRMS分析單體氫同位素急需解決的技術問題。

本工作擬通過大量的條件實驗，跟蹤GC-TC-IRMS系統(tǒng)使用同一根裂解管連續(xù)4個多月測試近1 100個樣品獲得的標樣氫同位素結果，分析GC-TC-IRMS系統(tǒng)獲得長期穩(wěn)定性的影響因素，希望獲取有效的分析方法，為提高該系統(tǒng)測定有機化合物氫同位素結果的穩(wěn)定性及精確度提供參考。

1 實驗部分

1.1 試劑和樣品

實驗室工作標樣(C21、C25、C27、C29、C31和C33正構烷烴)：固體粉末，純度≥99.5%，美國Fluka公司產品；國際標樣VSMOW(δ2HVSMOW=0‰)和GISP(δ2HVSMOW=-189.5±1.2‰)：由國際原子能機構提供；印第安納國際標樣(正構烷烴C25、C29和C32)：純度≥99.5%，由美國印第安納大學提供；正己烷(高效液相色譜級)，二氯甲烷(農殘級)：上海安譜公司產品；甲苯：高效液相色譜級，德國Merck公司產品；氫氣參考氣：純度≥99.999 2%，空氣化工產品(淄博)有限公司產品；氦氣：純度≥99.999%，北京氦普北分氣體工業(yè)有限公司產品；甲烷氣：純度≥99.99%，成都天然氣化工總廠產品。

實驗樣品分別來自植物、表土、沉積物等天然樣品抽提純化所得的正構烷烴或衍生化后的脂肪酸甲酯。

1.2 儀器及工作條件

1.2.1儀器 氣相色譜-熱轉換-同位素比值質譜系統(tǒng)：由Delta V Advantage穩(wěn)定同位素比值質譜儀、Trace GC Ultra氣相色譜和GC-C/TC Ⅲ接口裝置組成，均為美國Thermo公司產品；氫裂解管(陶瓷管，內徑0.55 mm，長度320 mm)：美國Thermo Fisher公司產品，原產地德國。

裂解爐溫度設定為1 430 ℃。單體化合物由氣相色譜分離后，經過裂解管裂解，定量轉化為H2，再由載氣通過open split裝置帶入質譜離子源進行2H/1H比值測定。

1.2.2色譜條件 Agilent HP-1MS毛細管色譜柱(60 m×0.32 mm×0.25 μm)；進樣口溫度290 ℃，分流/不分流模式進樣，不分流時間1 min，分流流速60 mL/min；載氣(He)流速1.0 mL/min，恒流工作模式；升溫程序：起始溫度40 ℃，保持1 min，以10 ℃/min升至150 ℃，以6 ℃/min升至310 ℃，保持10 min，再以6 ℃/min升至315 ℃，保持10 min。

1.2.3質譜條件 電子轟擊(EI)離子源；加速電壓3.09 kV；阱電壓40.0 V；電子能量100 eV；陰極發(fā)射電流1.5 mA；接收器：多接收法拉第杯。

1.3 實驗方法

樣品測試前，先對氫裂解管進行涂碳處理，涂碳方法詳見文獻[13]。天然樣品正構烷烴組分和脂肪酸甲酯組分的抽提純化方法參考相關文獻[7,23-24]。對于受非正構組分干擾較大的正構烷烴樣品，采用尿素絡合的方法能夠消除雜質峰的干擾，實現(xiàn)較好地提純[25]。

印第安納國際標樣：由美國印第安納大學的C25、C29和C32正構烷烴固體溶于甲苯配制而成，濃度約為300 mg/L。實驗室工作標樣：由購自美國Fluka公司的C21、C25、C27、C29、C31和C33正構烷烴固體溶于甲苯配制而成，濃度約為300 mg/L。氫同位素比值相對氫氣參考氣測定給出，氫氣參考氣在MAT 252雙路進樣系統(tǒng)上用國際標樣VSMOW(δ2HVSMOW=0‰)和GISP(δ2HVSMOW=-189.5±1.2‰)標定為-255±2‰。實驗室工作標樣C21、C25、C27、C29、C31和C33正構烷烴的δ2H值在GC-TC-IRMS系統(tǒng)上標定，當儀器達到穩(wěn)定狀態(tài)后多次重復測試印第安納標樣C25(δ2HVSMOW=-215.8±1.6‰)、C29(δ2HVSMOW=-242.6±2.9‰)和C32(δ2HVSMOW=-212.4±1.0%)正構烷烴的δ2H值，待其值穩(wěn)定且均與給定值在±3‰誤差范圍內后，再多次重復測定實驗室工作標樣，求得δ2H平均值作為實驗室工作標樣的標定值。標定的C21、C25、C27、C29、C31和C33正構烷烴的氫同位素比值分別為-219±1.2‰、-128±1.8‰、-180±1.6‰、-243±1.5‰、-146±1.1‰及-195±2.0‰(相對于VSMOW)。測定過程中，每天檢測Ar、H2O、H2等本底，其本底值變化范圍分別為20～25 mV、400～800 mV、165～180 mV。每天測定氫氣參考氣的穩(wěn)定性和H3+因子。H3+因子的變化小于0.1×10-6nA/天。測定過程中，每5個天然樣品測定1個實驗室工作標樣。

2 結果與討論

2.1 測量長期穩(wěn)定性

將2017年3～7月GC-TC-IRMS系統(tǒng)使用同一根裂解管連續(xù)測試的實驗室工作標樣C21、C25、C27、C29、C31和C33正構烷烴氫同位素結果進行統(tǒng)計，共測定實驗室工作標樣293個。實驗室工作標樣各碳數峰的氫同位素測定結果統(tǒng)計示于圖1。GC-TC-IRMS系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài)后，工作標樣各碳數峰氫同位素測定平均值與標準偏差值列于表1。C21、C25、C27、C29、C31及C33正構烷烴氫同位素的測定均值分別為(-216±1.6)‰、(-129±1.6)‰、(-180±1.5)‰、(-244±1.8)‰、(-146±1.7)‰及(-195±1.9)‰，各碳數的測量精度均優(yōu)于2‰。而各碳數均值與標定值的差值除第1個碳數C21為2.7‰外，其余的均優(yōu)于2‰。以上數據表明，在嚴格的實驗條件下，實驗室工作標樣單體氫同位素的比值可以保持長期穩(wěn)定且準確。

注：a.C21正構烷烴；b.C25正構烷烴；c.C27正構烷烴；d.C29正構烷烴；e.C31正構烷烴；f.C33正構烷烴；g.圖a的局部放大圖圖1 實驗室正構烷烴工作標樣氫同位素測定結果Fig.1 Hydrogen isotopes of n-alkanes working standards

表1 實驗室正構烷烴工作標樣氫同位素均值Table 1 Mean values of hydrogen isotopes of n-alkanes working standards

2.2 不同碳數峰達到穩(wěn)定狀態(tài)所需時間比較

新裂解管為空的氧化鋁管，必須經涂碳處理后測定樣品才能提高有機物的裂解效率，獲得準確的氫同位素比值[13,26-27]，本實驗采用的涂碳方法為反吹狀態(tài)通甲烷3 s。實驗室工作標樣氫同位素測定結果示于圖1，各碳數峰的氫同位素比值在爐管使用的初始階段均變化劇烈，且呈現(xiàn)快速由負偏向正的趨勢。在分析數據時，使用的原則是當連續(xù)3個測定結果在3‰誤差范圍內時，則認為該碳數峰的測試達到穩(wěn)定狀態(tài)。根據此原則，將最初變化劇烈的，達到穩(wěn)定狀態(tài)前的氫同位素比值用線性趨勢線擬合，通過比較趨勢線的斜率值判斷不同碳數峰達到穩(wěn)定值的速度。相對斜率值越大，氫同位素比值偏正的速度越快，即趨于穩(wěn)定狀態(tài)的速度越快。

C21正構烷烴氫同位素比值由-229‰迅速正偏，連續(xù)測定8個樣品后，其氫同位素測定值與標定值-219‰的誤差均在±3‰以內，但C21正構烷烴氫同位素的測定均值為-216‰，與標定值相比偏正2.7‰，故本實驗以平均值(-216±3)‰來判定結果是否達到穩(wěn)定值。圖1中，C21、C25、C27、C29、C31及C33正構烷烴分別在連續(xù)測定22、27、30、38、37及35個樣品后，達到與測定均值誤差小于3‰的穩(wěn)定狀態(tài)。

C25、C27、C29、C31及C33正構烷烴測定均值與標定值的差值分別為-0.8‰、-0.1‰、-1.6‰、-0.3‰、0‰?？梢?，第1個峰C21的測定誤差相對較大，這在前人的研究中也有報道[19]。圖1顯示，達到穩(wěn)定狀態(tài)前C21～C33正構烷烴氫同位素結果的線性擬合趨勢線的斜率分別為0.380 4、0.124、0.147 9、0.125 8、0.066 5、0.104 7。C21正構烷烴氫同位素結果的線性擬合趨勢線斜率最大，且明顯大于其他碳數峰，表明低碳數C21正構烷烴氫同位素比值達到穩(wěn)定值的時間最短、速度最快。

為清晰地展示C21正構烷烴氫同位素結果從初始到穩(wěn)定狀態(tài)的變化，圖1a的局部細節(jié)放大圖示于圖1g。C25～C33正構烷烴隨鏈長增加，達到穩(wěn)定狀態(tài)所需時間呈增加趨勢，這可能是由于低碳數峰C21相對容易裂解為C+H2，爐管高溫區(qū)有相對少量碳即可達到高的裂解效率，所以達到穩(wěn)定值的時間最短。而隨著正構烷烴碳數的增加，裂解時需要破壞的碳鏈數增加，每個基團還要裂解為C+H2，其裂解難度相應增大，爐管高溫區(qū)需要更多的碳才能達到較高的裂解效率，因此達到穩(wěn)定狀態(tài)所需時間呈增加趨勢(測試時，反吹通甲烷3 s的涂碳方法和樣品裂解本身都會給爐管內涂碳)。

2.3 影響GC-TC/IRMS系統(tǒng)長期穩(wěn)定性的因素分析

本實驗使用爐管連續(xù)測試時間為4個多月，測試的樣品數共計近1 100個，其中包括293個實驗室工作標樣，460個天然樣品中提取的正構烷烴樣品和310個脂肪酸甲酯樣品。根據表1的統(tǒng)計結果，在測試達到穩(wěn)定狀態(tài)后，實驗室正構烷烴工作標樣C21～C33碳數峰氫同位素均可獲得優(yōu)于2‰的標準偏差。

分析此爐管長期連續(xù)獲得高精度氫同位素比值的影響因素，可能有以下幾個方面：1) 實驗過程始終嚴格控制儀器狀態(tài)，尤其要保證系統(tǒng)的氣密性，保持色譜進樣口襯管潔凈，色譜柱無污染，盡量減少空白本底，這是儀器能夠準確進行氫同位素分析的基本條件。2) 從氫裂解管的品質角度分析，統(tǒng)計對比不同品牌、不同批次裂解管近年來的使用壽命，結果列于表2?？梢?，不同裂解管的連續(xù)使用壽命差異很大，最短的使用6天即出現(xiàn)明顯泄漏，平均使用壽命約為1個半月。文獻[20]報道通常連續(xù)使用2～4周必須更換爐管。本實驗使用的是表2中序號17的裂解管，在1 430 ℃高溫下連續(xù)使用超過4個多月爐管才出現(xiàn)明顯泄漏。3) 從樣品色譜圖分析，此裂解管測試的天然樣品的氣相色譜圖基線良好，正構烷烴和脂肪酸甲酯組分峰均較純凈，分離良好，典型譜圖示于圖2?？梢?，較純凈的有機分子化合物樣品不僅對氣相色譜進樣口及色譜柱造成的污染小，而且爐管內碳的積累速度相對緩慢，故測試的穩(wěn)定狀態(tài)能夠長期保持。相反，測試一批色譜圖有大鼓包或基線高的樣品，典型譜圖示于圖3。不僅進樣口和色譜柱易污染，影響結果的穩(wěn)定性，而且由于有大量非目標化合物進入裂解管，裂解后會產生更多的碳沉積在裂解管壁上，造成裂解管內碳積累加快，測試該批樣品的裂解管僅使用了24天就出現(xiàn)了明顯堵塞(表2中序號13的裂解管)。因此，良好的氣相色譜結果是獲得GC-TC-IRMS系統(tǒng)長期穩(wěn)定性的重要因素之一，而色譜圖有大鼓包或基線高的樣品容易出現(xiàn)結果穩(wěn)定性差以及裂解管堵塞的情況。

表2 裂解管使用壽命比較Table 2 Comparison of lifetime of ceramic tubes

注：a.正構烷烴；b.脂肪酸甲酯圖2 基線良好的典型氣相色譜圖Fig.2 Typical gas chromatograms with good baseline

圖3 具有大鼓包(a)和高基線(b)的氣相色譜圖Fig.3 Typical gas chromatograms with unresolved complex mixture (a) and high base line (b)

3 結論

采用氣相色譜-熱轉換-同位素比值質譜法測定單體氫同位素時，從使用一個新的裂解管開始，實驗室工作標樣中不同碳數正構烷烴達到長期穩(wěn)定狀態(tài)所需的時間有所差異，C21正構烷烴達到穩(wěn)定狀態(tài)最快。

GC-TC-IRMS系統(tǒng)測定實驗室工作標樣可獲得長期穩(wěn)定、可靠的結果。一根爐管可連續(xù)測定4個多月，C21、C25、C27、C29、C31及C33正構烷烴氫同位素的測定均值分別為(-216±1.6)‰、(-129±1.6)‰、(-180±1.5)‰、(-244±1.8)‰、(-146±1.7)‰及(-195±1.9)‰。

選用優(yōu)質材料裂解管，通過嚴格控制實驗條件，樣品氣相色譜圖顯示被測樣品雜質少、目標化合物峰分離良好，這是保證GC-TC-IRMS測定有機單體氫同位素結果準確、穩(wěn)定的重要條件。