曹蘊(yùn)寧，劉衛(wèi)國,2

(1.中國科學(xué)院地球環(huán)境研究所，黃土與第四紀(jì)地質(zhì)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710061；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

自從20世紀(jì)90年代建立氣相色譜-熱轉(zhuǎn)換-同位素比值質(zhì)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(xué)、石油天然氣、食品等諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)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(biāo)，但使用植物葉蠟氫同位素進(jìn)行古氣候重建需考慮植物種類的影響。Jia等[9]的研究認(rèn)為，高等植物正構(gòu)烷烴氫同位素有作為古高度重建代用指標(biāo)的應(yīng)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(biāo)記化合物的十年至數(shù)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(gòu)烷烴氫同位素的變化重建了季風(fēng)及降水演化歷史，對早全新世青海湖水位變化進(jìn)行了新的評估。

由于氫是自然界質(zhì)量數(shù)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(zhǔn)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(chǔ)和保證。而采用GC-TC-IRMS法進(jìn)行單體氫同位素測定，會有諸多因素影響測定結(jié)果。Liu等[12]研究了氣相色譜升溫程序?qū)误w氫同位素測定結(jié)果的影響；Cao等[13]研究了氫裂解管的涂碳方法對測定結(jié)果的影響；李立武等[14]研究了熱轉(zhuǎn)換溫度、進(jìn)樣量和分流比等條件對氫同位素測定結(jié)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(jié)果的影響。

此外，目前國際上對有機(jī)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(shí)驗(yàn)室要求1個樣品重復(fù)測定2～3次[16-22]，并且要加入很多的工作標(biāo)準(zhǔn)控制實(shí)驗(yàn)結(jié)果的校正。這樣，不僅浪費(fèi)了時間、加大了實(shí)驗(yàn)消耗，測定結(jié)果也會由于標(biāo)準(zhǔn)結(jié)果測定的不確定性帶來誤差。因此，獲得穩(wěn)定、準(zhǔn)確的測定結(jié)果是利用GC-TC-IRMS分析單體氫同位素急需解決的技術(shù)問題。

本工作擬通過大量的條件實(shí)驗(yàn)，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(biāo)樣氫同位素結(jié)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(jī)化合物氫同位素結(jié)果的穩(wěn)定性及精確度提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑和樣品

實(shí)驗(yàn)室工作標(biāo)樣(C21、C25、C27、C29、C31和C33正構(gòu)烷烴)：固體粉末，純度≥99.5%，美國Fluka公司產(chǎn)品；國際標(biāo)樣VSMOW(δ2HVSMOW=0‰)和GISP(δ2HVSMOW=-189.5±1.2‰)：由國際原子能機(jī)構(gòu)提供；印第安納國際標(biāo)樣(正構(gòu)烷烴C25、C29和C32)：純度≥99.5%，由美國印第安納大學(xué)提供；正己烷(高效液相色譜級)，二氯甲烷(農(nóng)殘級)：上海安譜公司產(chǎn)品；甲苯：高效液相色譜級，德國Merck公司產(chǎn)品；氫氣參考?xì)猓杭兌取?9.999 2%，空氣化工產(chǎn)品(淄博)有限公司產(chǎn)品；氦氣：純度≥99.999%，北京氦普北分氣體工業(yè)有限公司產(chǎn)品；甲烷氣：純度≥99.99%，成都天然氣化工總廠產(chǎn)品。

實(shí)驗(yàn)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(gòu)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(zhuǎn)換-同位素比值質(zhì)譜系統(tǒng)：由Delta V Advantage穩(wěn)定同位素比值質(zhì)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(chǎn)品；氫裂解管(陶瓷管，內(nèi)徑0.55 mm，長度320 mm)：美國Thermo Fisher公司產(chǎn)品，原產(chǎn)地德國。

裂解爐溫度設(shè)定為1 430 ℃。單體化合物由氣相色譜分離后，經(jīng)過裂解管裂解，定量轉(zhuǎn)化為H2，再由載氣通過open split裝置帶入質(zhì)譜離子源進(jìn)行2H/1H比值測定。

1.2.2色譜條件 Agilent HP-1MS毛細(xì)管色譜柱(60 m×0.32 mm×0.25 μm)；進(jìn)樣口溫度290 ℃，分流/不分流模式進(jìn)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(zhì)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(shí)驗(yàn)方法

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

印第安納國際標(biāo)樣：由美國印第安納大學(xué)的C25、C29和C32正構(gòu)烷烴固體溶于甲苯配制而成，濃度約為300 mg/L。實(shí)驗(yàn)室工作標(biāo)樣：由購自美國Fluka公司的C21、C25、C27、C29、C31和C33正構(gòu)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?xì)鉁y定給出，氫氣參考?xì)庠贛AT 252雙路進(jìn)樣系統(tǒng)上用國際標(biāo)樣VSMOW(δ2HVSMOW=0‰)和GISP(δ2HVSMOW=-189.5±1.2‰)標(biāo)定為-255±2‰。實(shí)驗(yàn)室工作標(biāo)樣C21、C25、C27、C29、C31和C33正構(gòu)烷烴的δ2H值在GC-TC-IRMS系統(tǒng)上標(biāo)定，當(dāng)儀器達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后多次重復(fù)測試印第安納標(biāo)樣C25(δ2HVSMOW=-215.8±1.6‰)、C29(δ2HVSMOW=-242.6±2.9‰)和C32(δ2HVSMOW=-212.4±1.0%)正構(gòu)烷烴的δ2H值，待其值穩(wěn)定且均與給定值在±3‰誤差范圍內(nèi)后，再多次重復(fù)測定實(shí)驗(yàn)室工作標(biāo)樣，求得δ2H平均值作為實(shí)驗(yàn)室工作標(biāo)樣的標(biāo)定值。標(biāo)定的C21、C25、C27、C29、C31和C33正構(gòu)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?xì)獾姆€(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(shí)驗(yàn)室工作標(biāo)樣。

2 結(jié)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(shí)驗(yàn)室工作標(biāo)樣C21、C25、C27、C29、C31和C33正構(gòu)烷烴氫同位素結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，共測定實(shí)驗(yàn)室工作標(biāo)樣293個。實(shí)驗(yàn)室工作標(biāo)樣各碳數(shù)峰的氫同位素測定結(jié)果統(tǒng)計(jì)示于圖1。GC-TC-IRMS系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，工作標(biāo)樣各碳數(shù)峰氫同位素測定平均值與標(biāo)準(zhǔn)偏差值列于表1。C21、C25、C27、C29、C31及C33正構(gòu)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(shù)的測量精度均優(yōu)于2‰。而各碳數(shù)均值與標(biāo)定值的差值除第1個碳數(shù)C21為2.7‰外，其余的均優(yōu)于2‰。以上數(shù)據(jù)表明，在嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)條件下，實(shí)驗(yàn)室工作標(biāo)樣單體氫同位素的比值可以保持長期穩(wěn)定且準(zhǔn)確。

注：a.C21正構(gòu)烷烴；b.C25正構(gòu)烷烴；c.C27正構(gòu)烷烴；d.C29正構(gòu)烷烴；e.C31正構(gòu)烷烴；f.C33正構(gòu)烷烴；g.圖a的局部放大圖圖1 實(shí)驗(yàn)室正構(gòu)烷烴工作標(biāo)樣氫同位素測定結(jié)果Fig.1 Hydrogen isotopes of n-alkanes working standards

表1 實(shí)驗(yàn)室正構(gòu)烷烴工作標(biāo)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(shù)峰達(dá)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(jīng)涂碳處理后測定樣品才能提高有機(jī)物的裂解效率，獲得準(zhǔn)確的氫同位素比值[13,26-27]，本實(shí)驗(yàn)采用的涂碳方法為反吹狀態(tài)通甲烷3 s。實(shí)驗(yàn)室工作標(biāo)樣氫同位素測定結(jié)果示于圖1，各碳數(shù)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(fù)偏向正的趨勢。在分析數(shù)據(jù)時，使用的原則是當(dāng)連續(xù)3個測定結(jié)果在3‰誤差范圍內(nèi)時，則認(rèn)為該碳數(shù)峰的測試達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。根據(jù)此原則，將最初變化劇烈的，達(dá)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(shù)峰達(dá)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(gòu)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(biāo)定值-219‰的誤差均在±3‰以內(nèi)，但C21正構(gòu)烷烴氫同位素的測定均值為-216‰，與標(biāo)定值相比偏正2.7‰，故本實(shí)驗(yàn)以平均值(-216±3)‰來判定結(jié)果是否達(dá)到穩(wěn)定值。圖1中，C21、C25、C27、C29、C31及C33正構(gòu)烷烴分別在連續(xù)測定22、27、30、38、37及35個樣品后，達(dá)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(gòu)烷烴測定均值與標(biāo)定值的差值分別為-0.8‰、-0.1‰、-1.6‰、-0.3‰、0‰?？梢姡?個峰C21的測定誤差相對較大，這在前人的研究中也有報(bào)道[19]。圖1顯示，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)前C21～C33正構(gòu)烷烴氫同位素結(jié)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(gòu)烷烴氫同位素結(jié)果的線性擬合趨勢線斜率最大，且明顯大于其他碳數(shù)峰，表明低碳數(shù)C21正構(gòu)烷烴氫同位素比值達(dá)到穩(wěn)定值的時間最短、速度最快。

為清晰地展示C21正構(gòu)烷烴氫同位素結(jié)果從初始到穩(wěn)定狀態(tài)的變化，圖1a的局部細(xì)節(jié)放大圖示于圖1g。C25～C33正構(gòu)烷烴隨鏈長增加，達(dá)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(shù)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(dá)到高的裂解效率，所以達(dá)到穩(wěn)定值的時間最短。而隨著正構(gòu)烷烴碳數(shù)的增加，裂解時需要破壞的碳鏈數(shù)增加，每個基團(tuán)還要裂解為C+H2，其裂解難度相應(yīng)增大，爐管高溫區(qū)需要更多的碳才能達(dá)到較高的裂解效率，因此達(dá)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(nèi)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(shí)驗(yàn)使用爐管連續(xù)測試時間為4個多月，測試的樣品數(shù)共計(jì)近1 100個，其中包括293個實(shí)驗(yàn)室工作標(biāo)樣，460個天然樣品中提取的正構(gòu)烷烴樣品和310個脂肪酸甲酯樣品。根據(jù)表1的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，在測試達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，實(shí)驗(yàn)室正構(gòu)烷烴工作標(biāo)樣C21～C33碳數(shù)峰氫同位素均可獲得優(yōu)于2‰的標(biāo)準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)過程始終嚴(yán)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(jìn)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(zhǔn)確進(jìn)行氫同位素分析的基本條件。2) 從氫裂解管的品質(zhì)角度分析，統(tǒng)計(jì)對比不同品牌、不同批次裂解管近年來的使用壽命，結(jié)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(xiàn)[20]報(bào)道通常連續(xù)使用2～4周必須更換爐管。本實(shí)驗(yàn)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(gòu)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(jī)分子化合物樣品不僅對氣相色譜進(jìn)樣口及色譜柱造成的污染小，而且爐管內(nèi)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(jìn)樣口和色譜柱易污染，影響結(jié)果的穩(wěn)定性，而且由于有大量非目標(biāo)化合物進(jìn)入裂解管，裂解后會產(chǎn)生更多的碳沉積在裂解管壁上，造成裂解管內(nèi)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(jié)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(jié)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(gòu)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(jié)論

采用氣相色譜-熱轉(zhuǎn)換-同位素比值質(zhì)譜法測定單體氫同位素時，從使用一個新的裂解管開始，實(shí)驗(yàn)室工作標(biāo)樣中不同碳數(shù)正構(gòu)烷烴達(dá)到長期穩(wěn)定狀態(tài)所需的時間有所差異，C21正構(gòu)烷烴達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)最快。

GC-TC-IRMS系統(tǒng)測定實(shí)驗(yàn)室工作標(biāo)樣可獲得長期穩(wěn)定、可靠的結(jié)果。一根爐管可連續(xù)測定4個多月，C21、C25、C27、C29、C31及C33正構(gòu)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(zhì)材料裂解管，通過嚴(yán)格控制實(shí)驗(yàn)條件，樣品氣相色譜圖顯示被測樣品雜質(zhì)少、目標(biāo)化合物峰分離良好，這是保證GC-TC-IRMS測定有機(jī)單體氫同位素結(jié)果準(zhǔn)確、穩(wěn)定的重要條件。