質(zhì)譜法測(cè)量碳同位素豐度在氣體擴(kuò)散法分離乙醇中的應(yīng)用

王 飛，潘建雄，周明勝，姜東君，李俊杰

(清華大學(xué) 工程物理系，北京 100084)

13C同位素的天然豐度為1.11 %，廣泛應(yīng)用于呼吸試驗(yàn)、臨床診斷、碳循環(huán)研究和生物研究等方面[1-6]。13C同位素可以使用熱擴(kuò)散法、化學(xué)交換法、低溫精餾法、氣體離心法等方法進(jìn)行富集[7]。其中，低溫精餾法是目前國(guó)際上唯一用于大規(guī)模生產(chǎn)的分離方法[8]，但國(guó)內(nèi)目前尚還不具備相應(yīng)規(guī)模的生產(chǎn)能力，上海化工研究院建立了以一氧化碳為介質(zhì)，基于低溫精餾法分離碳同位素的中試裝置[9]。清華大學(xué)工程物理系陸續(xù)開(kāi)展了基于氣體離心法，以正辛烷、一氟三氯甲烷和七氟丙烷等為介質(zhì)的分離實(shí)驗(yàn)[10-12]，成功證明了這一系列方法的可行性。基于氣體擴(kuò)散法，以二氧化碳為介質(zhì)的分離實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了二氧化碳用于氣體擴(kuò)散法分離碳同位素的可行性[13]。氣體擴(kuò)散法的基本原理是利用分子流條件下，不同相對(duì)分子質(zhì)量的分子過(guò)膜時(shí)流量不同產(chǎn)生的同位素效應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)物質(zhì)的分離[14]。氣體擴(kuò)散法分離同位素的效果受到分離膜材質(zhì)與層數(shù)、膜前膜后壓強(qiáng)等不同因素影響[13]。

在進(jìn)行13C同位素分離研究時(shí)，除去對(duì)分離方法的改進(jìn)和優(yōu)化之外，分離介質(zhì)的選擇也不可忽視。乙醇作為一種常見(jiàn)的含有碳元素的物質(zhì)，價(jià)格低廉、獲取方便、清潔低毒、容易揮發(fā)，有利于形成乙醇蒸汽應(yīng)用于氣體擴(kuò)散法以降低能耗。乙醇的飽和蒸汽壓在25 ℃下約60 Torr[15]，具備應(yīng)用氣體擴(kuò)散法分離同位素的條件。本研究為有效測(cè)量乙醇中碳同位素豐度，探索了元素分析-同位素比質(zhì)譜法(EA-IRMS)測(cè)定碳同位素豐度在以乙醇為介質(zhì)擴(kuò)散分離碳同位素中的應(yīng)用。

1 質(zhì)譜分析

1.1 原理概述

乙醇常溫下為液體，且具有強(qiáng)烈的揮發(fā)性。乙醇分子作為一種多原子分子，若將乙醇加熱轉(zhuǎn)化為氣體直接通入質(zhì)譜儀中進(jìn)行測(cè)定，乙醇分子離子化后會(huì)產(chǎn)生較多碎片，導(dǎo)致質(zhì)譜中的峰數(shù)量變多，存在峰與峰之間的重疊現(xiàn)象，故無(wú)法直接對(duì)乙醇進(jìn)行質(zhì)譜分析得到碳同位素豐度。通常需要將乙醇轉(zhuǎn)化為二氧化碳進(jìn)行碳同位素豐度測(cè)定。

本研究采用元素分析-同位素比質(zhì)譜法(EA-IRMS)進(jìn)行乙醇的質(zhì)譜分析。

1.2 儀器與試劑

MAT-253穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀、Flash 2000 元素分析儀、銀杯：Thermo Fisher Scientific 產(chǎn)品；乙醇：純度99.9%。

1.3 基本原理與測(cè)定過(guò)程

EA-IRMS的基本原理是將元素分析儀與質(zhì)譜儀聯(lián)用，樣品經(jīng)進(jìn)樣、燃燒氧化、除雜、脫水、色譜分離和質(zhì)譜分析得到相關(guān)同位素的豐度分布，一系列操作均由儀器自動(dòng)進(jìn)行[16]。樣品經(jīng)制樣后包于銀質(zhì)樣品杯中，從自動(dòng)進(jìn)樣器投入元素分析儀。先在960 ℃左右的氧化爐中迅速升溫，樣品被氧化，同時(shí)生成二氧化碳、氮氧化物、氮?dú)夂退?，在載氣(一般為氬氣)的作用下，生成的氣體經(jīng)過(guò)氧化爐中的填料除去硫化物和鹵化物，隨后經(jīng)過(guò)溫度為600 ℃的高溫銅絲除去氧氣，再經(jīng)除水柱除水，最后通過(guò)恒溫的色譜柱將氮?dú)夂投趸挤蛛x，二氧化碳?xì)怏w進(jìn)入質(zhì)譜儀中進(jìn)行質(zhì)譜分析[16]。本研究使用的乙醇純度為99.9%，含雜質(zhì)較少。

進(jìn)行測(cè)定時(shí)，需保證氣路連通，各路氣壓正常，檢漏無(wú)漏；為防止燃燒爐升溫過(guò)快造成設(shè)備損壞，需將燃燒爐逐級(jí)升溫到指定溫度；在打開(kāi)元素分析儀與質(zhì)譜儀連接的針閥開(kāi)關(guān)時(shí)，應(yīng)保證離子源電流為0，避免發(fā)生危險(xiǎn)；正式開(kāi)始測(cè)定前還應(yīng)進(jìn)行穩(wěn)定性測(cè)試以確保儀器工作狀態(tài)正常；準(zhǔn)備空白樣本進(jìn)行分析以扣除本底影響；設(shè)定樣品測(cè)試的背景和時(shí)間間隔以及標(biāo)準(zhǔn)氣標(biāo)定值等。

1.4 取樣與制樣

使用移液槍吸取2 μL乙醇樣品，將吸取的乙醇樣品迅速轉(zhuǎn)移到較硬的銀質(zhì)樣品杯中，并用鑷子迅速密封樣品杯，完成取樣和制樣[17]。相較于錫制的樣品杯，銀質(zhì)的樣品杯有利于實(shí)現(xiàn)更牢固的密封，避免乙醇揮發(fā)。為了進(jìn)一步減少乙醇揮發(fā)，將制取完成的樣品迅速置于液氮環(huán)境中冷凍。待進(jìn)樣前5 s左右再將樣品從液氮環(huán)境中移出投入元素分析儀進(jìn)樣器中，以避免因?yàn)橐掖紦]發(fā)帶來(lái)的同位素分餾效應(yīng)以及樣品量的減少甚至消失，也可以保證對(duì)同一樣品多次取樣時(shí)，每次的取樣量可以保持一致。

1.5 分析條件

負(fù)載氣：Ar，100 mL/min；氧化劑：O2,150 mL/min；標(biāo)準(zhǔn)氣：CO2，200 mL/min；燃燒爐溫度：960 ℃；色譜柱溫度：60 ℃。

1.6 穩(wěn)定性測(cè)試

對(duì)同一天然乙醇樣品進(jìn)行重復(fù)取樣，采用前述方法進(jìn)行制備與分析，用以判斷儀器的穩(wěn)定性。通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到五組數(shù)據(jù)，測(cè)得δ13C的值如圖1所示，數(shù)據(jù)的平均值為-29.18‰，數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.15‰，標(biāo)準(zhǔn)偏差值與已有研究中的標(biāo)準(zhǔn)偏差值類(lèi)似[16]。說(shuō)明使用的儀器與采用的方法在穩(wěn)定性和可重復(fù)性上具有一定可信度。

圖1 乙醇樣品δ13C值連續(xù)測(cè)定結(jié)果Fig.1 Continuous determination results of ethanol sample δ13C-value

2 分離系數(shù)計(jì)算

2.1 基本全分離系數(shù)

乙醇中各組分的組成情況見(jiàn)表1。

在乙醇的各組分中，選取相對(duì)分子質(zhì)量為46、47和48的三種組分進(jìn)行分離系數(shù)的計(jì)算。

實(shí)驗(yàn)選擇對(duì)乙醇的天然樣進(jìn)行分離，最終得到精料和貧料，在多組分分離中，可以把多元分離看作多個(gè)二元分離體系的線性組合，對(duì)于任意的兩組分a、b，不妨設(shè)第a種組分比第b種組分的相對(duì)分子質(zhì)量要小，則它們之間有全分離系數(shù)γab[18]：

(1)

表1 乙醇組成情況Table 1 Calculation of basic total separation coefficient

基本全分離系數(shù)γ0與第a種組分和第b種組分之間的全分離系數(shù)滿足：

(2)

其中，ΔMab=Mb-Ma，表示兩種組分的相對(duì)分子質(zhì)量之差[19]。

(3)

(4)

由(1)式、(3)式和(4)式得：

γab=αβ

(5)

在分流比為0.5的情況下，分離過(guò)程為對(duì)稱(chēng)分離，此時(shí)濃化分離系數(shù)與貧化分離系數(shù)近似相等[14]，故均為全分離系數(shù)的0.5次方。

設(shè)在乙醇中的第l種組分的相對(duì)分子質(zhì)量為46，第m種組分的相對(duì)分子質(zhì)量為47，第n種組分的相對(duì)分子質(zhì)量為48，可以分別得到第l種組分與第m種組分的濃化分離系數(shù)α1和第l種組分與第n種組分的濃化分離系數(shù)α2如下。

(6)

(7)

2.2 豐度計(jì)算

通過(guò)質(zhì)譜分析，儀器測(cè)定的結(jié)果為相應(yīng)樣品中δ13C的值，有：

δ13C=

(8)

其中，(13C/12C)sample表示樣品中13C同位素與12C同位素豐度的比值，(13C/12C)standard表示標(biāo)準(zhǔn)品中13C同位素與12C同位素豐度的比值。

則由式(8)可得：

(9)

碳同位素中僅考慮13C和12C兩種同位素，可得到13C同位素的豐度C(13C)的大小為：

(10)

根據(jù)MAT-253穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀的程序設(shè)定可以查到本測(cè)定用到的標(biāo)準(zhǔn)品中13C同位素與12C同位素豐度的比值，有：

(11)

故可以根據(jù)測(cè)得的δ13C的值計(jì)算出不同樣品中13C同位素的豐度。

天然樣各組分的豐度可根據(jù)天然狀態(tài)下各同位素的含量計(jì)算得出，假設(shè)13C同位素在每一種組分中的占比恒定，并聯(lián)立式(6)～(11)，則可以計(jì)算得到γ0的值。

2.3 基本全分離系數(shù)計(jì)算

基于氣體擴(kuò)散法單級(jí)分離裝置進(jìn)行一系列氣體擴(kuò)散的分離實(shí)驗(yàn)，共開(kāi)展四次實(shí)驗(yàn)，將這四次實(shí)驗(yàn)依次編號(hào)為實(shí)驗(yàn)1至實(shí)驗(yàn)4。

相對(duì)分子質(zhì)量為46的組分和相對(duì)分子質(zhì)量為47的組分之間的全分離系數(shù)γl,m的計(jì)算公式為：

(12)

通過(guò)EA-IRMS法可以測(cè)得各個(gè)組分的δ13C的值，再計(jì)算得到各組分的豐度，聯(lián)立各式，可計(jì)算不同實(shí)驗(yàn)相對(duì)分子質(zhì)量為46和相對(duì)分子質(zhì)量為47的組分之間的分離系數(shù)。計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 基本全分離系數(shù)計(jì)算Table 2 Calculation of basic total separation coefficient

從計(jì)算結(jié)果可以看出，在目前開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)條件下，以乙醇為介質(zhì)分離碳同位素的基本全分離系數(shù)在1.007 2～1.008 1之間。

以實(shí)驗(yàn)1為例，精樣和貧樣的豐度數(shù)據(jù)及基本全分離系數(shù)的計(jì)算過(guò)程如表3所示。

表3 實(shí)驗(yàn)1豐度測(cè)定數(shù)據(jù)Table 3 Experiment 1 abundance measurement data

最終由精樣和貧樣13C的豐度可計(jì)算得到基本全分離系數(shù)為1.007 2。

3 結(jié)論

基于元素分析-穩(wěn)定同位素比質(zhì)譜法探究了以乙醇為介質(zhì)擴(kuò)散分離碳同位素基本全分離系數(shù)測(cè)定的測(cè)定方法。本研究進(jìn)一步優(yōu)化了乙醇樣品的制取方法，通過(guò)液氮冷凍等方式減少乙醇樣品揮發(fā)對(duì)豐度測(cè)量的影響。利用元素分析-穩(wěn)定同位素比質(zhì)譜法測(cè)定分離實(shí)驗(yàn)中乙醇精、貧料豐度數(shù)據(jù)，推導(dǎo)并計(jì)算得到以乙醇為介質(zhì)氣體擴(kuò)散法分離碳同位素的基本全分離系數(shù)。

在本研究中，豐度分析在穩(wěn)定性方面滿足條件，但還欠缺與標(biāo)準(zhǔn)樣品的比對(duì)，后續(xù)將通過(guò)測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)樣品開(kāi)展校對(duì)工作。乙醇作為一種清潔物質(zhì)，如果能夠應(yīng)用于碳同位素的分離，將有利于碳同位素得到更大范圍的應(yīng)用。有關(guān)以乙醇為介質(zhì)分離碳同位素的研究仍在不斷進(jìn)行中，以期實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。