谷淑波 ，徐 毅 ，金 敏

（1. 山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院/作物生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 泰安 271018；2. 艾力蒙塔貿(mào)易（上海）有限公司，上海 200123）

任何大型貴重精密儀器在使用過程中都會(huì)由于各種原因，不可避免地出現(xiàn)一些故障[1-3]，維修不僅耗費(fèi)大量財(cái)力，同時(shí)還非常耗時(shí)[4]，嚴(yán)重影響儀器在教學(xué)與科研中的使用. 因此在儀器管理過程中，根據(jù)儀器運(yùn)行狀態(tài)提前診斷儀器故障，并及時(shí)排除故障，顯得尤為重要[5-6]. 氣體穩(wěn)定性同位素比質(zhì)譜儀是專門測定C、N等穩(wěn)定同位素比值的儀器，其首先將樣品通過外設(shè)轉(zhuǎn)化為氣體再進(jìn)入質(zhì)譜儀內(nèi)部進(jìn)行分析，在離子源中氣體分子被電離成帶正電荷的離子，并經(jīng)電場和磁場的作用將離子按照它們的質(zhì)荷比分開，然后根據(jù)不同離子束流的強(qiáng)度測定穩(wěn)定同位素的比值. 氣體穩(wěn)定性同位素比質(zhì)譜儀的測定數(shù)據(jù)精度高、穩(wěn)定性強(qiáng)、檢測速度快. 元素分析儀與氣體穩(wěn)定同位素比質(zhì)譜儀聯(lián)用系統(tǒng)不僅廣泛應(yīng)用于農(nóng)作物溯源等領(lǐng)域[7-9]，還應(yīng)用于植物養(yǎng)分利用效率、同化物運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制、土壤生態(tài)環(huán)境的研究[10-15].穩(wěn)定性同位素測定過程中，從樣品制備、稱量包樣、儀器調(diào)試、上機(jī)檢測等每個(gè)環(huán)節(jié)，都會(huì)對最終數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響，操作不當(dāng)則會(huì)使儀器出現(xiàn)故障. 本文以Isoprime 100穩(wěn)定性同位素比質(zhì)譜儀-Elementar Micro cube元素分析儀聯(lián)用系統(tǒng)為例，闡述作物和土壤中δ13C和δ15N同位素檢測過程常見的故障及解決辦法.

1 系統(tǒng)漏氣故障

Isoprime 100穩(wěn)定性同位素比質(zhì)譜儀與Elementar Micro cube元素分析儀聯(lián)用的工作示意圖如圖1所示.

圖1 穩(wěn)定性同位素比質(zhì)譜儀與元素分析儀工作示意圖Fig. 1 Working diagram of stable isotope ratio mass spectrometer and elemental analyzer

試驗(yàn)過程中，每批樣品測試完畢，需要更換試劑. 更換前要對球閥、燃燒管、還原管等相應(yīng)接頭處進(jìn)行拆卸，不可避免地會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)漏氣等現(xiàn)象. 因此，進(jìn)行δ13C和δ15N檢測前，首先要對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，確定系統(tǒng)壓強(qiáng)（Pressure）達(dá)到0.12 MPa，系統(tǒng)流速（MFC TCD和He Flow）達(dá)到200 mL/min. 然后從軟件菜單依次選擇“Option”“Dignostics”“Rough leak test”，運(yùn)行自動(dòng)檢漏程序. 如果顯示“Leak check passed”，說明系統(tǒng)不漏氣. 如果顯示“Leak check failed”，則說明系統(tǒng)漏氣.

1. 1 系統(tǒng)漏氣部位的確定

（1）采用“Fine leak test”模式分段查找系統(tǒng)漏氣部位，根據(jù)軟件提示進(jìn)行操作. 把鼠標(biāo)指針懸停在檢漏氣路圖標(biāo)識數(shù)字上時(shí)，會(huì)彈出示意圖，根據(jù)提示使用“Elementar”檢漏工具對相應(yīng)的接口進(jìn)行封堵.

（2）順著氣路對每個(gè)接口進(jìn)行封堵，對封堵部位進(jìn)行檢漏，按順序提示進(jìn)行檢漏測試，以縮小確定漏點(diǎn)的范圍. 每一階段測試成功后，會(huì)彈出一個(gè)窗口表明當(dāng)前階段檢漏成功的氣路范圍.

（3）可能漏氣的部位有球閥密封件、燃燒管、還原管、干燥管的連接處.

1. 2 造成漏氣的原因

（1）更換石英反應(yīng)管內(nèi)耗材時(shí)，反應(yīng)管頂部接口處清理不干凈，造成密封不嚴(yán). （2）石英反應(yīng)管經(jīng)過長時(shí)間使用，表面產(chǎn)生細(xì)微裂痕，如圖2所示. （3）連接處密封墊圈位置發(fā)生偏移，或長時(shí)間使用發(fā)生老化. （4）包樣不規(guī)范導(dǎo)致錫杯破裂，進(jìn)樣時(shí)部分樣品撒漏進(jìn)入球閥，導(dǎo)致球閥密封圈磨損.

圖2 出現(xiàn)裂紋的石英反應(yīng)管Fig. 2 Cracked quartz reaction tube

1. 3 解決辦法

（1）檢查接口處密封圈位置是否有異物. 取下反應(yīng)管頂部管塞，將石英管內(nèi)壁及管塞上的密封圈清理干凈，可在管塞上的密封圈稍涂一點(diǎn)潤滑脂. 裝入時(shí)管塞與管口要垂直對正并緩慢旋轉(zhuǎn)插入，取出時(shí)也應(yīng)如此操作，否則易造成反應(yīng)管崩口. 反應(yīng)管裝入儀器前應(yīng)使用酒精清除外管壁沾污的指印，避免高溫加熱后形成結(jié)晶區(qū)域而引起石英管過早老化.

（2）更換有裂紋的反應(yīng)管. 石英反應(yīng)管在高溫下會(huì)與樣品中微量的堿金屬、堿土金屬或鹵族離子結(jié)合，從內(nèi)壁開始逐漸產(chǎn)生晶化. 長時(shí)間使用會(huì)產(chǎn)生細(xì)小裂紋. 為了避免石英管漏氣甚至爆裂造成的損失，建議根據(jù)情況更換新的反應(yīng)管.

（3）在安裝各連接處的球形夾時(shí)，同時(shí)檢查密封圈是否處于正確位置.

（4）清洗球閥. 使用專用工具將球閥密封及球取下，如圖3所示. 使用絲綢布或脫脂棉、無水酒精將球閥密封表面附著的污染物清洗干凈，不要使用酒精清洗O型圈. 清洗完畢后再將球閥裝配好，注意安裝好后球的孔對著燃燒管，即方向向下.

圖3 球閥密封組件示意圖Fig. 3 Diagram of ball valve sealing assembly

球閥裝配好后，通過軟件測試球閥裝配的松緊程度. 如果擠壓件太緊，則可能損壞電機(jī)，太松可能漏氣，可通過菜單依次選擇“Options” “ Maintenance”“ Adjust ball valve”，使用球閥工具調(diào)節(jié)扭矩，根據(jù)狀態(tài)欄顏色提示進(jìn)行調(diào)整. 顯示灰色說明球閥裝的太松，紅色則太緊，綠色表明球閥位于合適的扭矩范圍.

（5）正確包樣. 稱取樣品后，用鑷子將錫杯上口封閉壓緊，將錫杯內(nèi)殘留的空氣盡可能擠出. 包樣過程中注意不要弄破錫杯，否則會(huì)造成樣品損失.將樣品包成球狀，有助于隨后的燃燒反應(yīng)，也可以防止樣品卡在自動(dòng)進(jìn)樣器中.

2 峰中心檢測不通過

2. 1 檢測不通過的原因

隨著時(shí)間和環(huán)境溫度的改變，質(zhì)譜儀的真實(shí)磁場強(qiáng)度會(huì)發(fā)生微小的偏移，導(dǎo)致離子束無法完全落到法拉第杯中，因此需要調(diào)整加速電壓進(jìn)行偏移校正. 通過峰中心（Peak Centre）掃描，觀察峰中心圖形以及結(jié)果中的參數(shù)，進(jìn)而判斷離子源是否正常.

2. 2 解決辦法

（1）離子源參數(shù)重新設(shè)置. 從之前任意一個(gè)數(shù)據(jù)正常的樣品結(jié)果文件夾中選擇參數(shù)記錄文件“Sample Record.ini”，找到相應(yīng)N2/CO2條件下離子源參數(shù)，將參數(shù)值輸入到當(dāng)前軟件“Tunepage”窗口內(nèi)，如圖4所示，再點(diǎn)擊“Cycle Magnet”使質(zhì)譜儀磁場復(fù)位. 在“Peak Centre”掃描結(jié)束后，從圖5中檢查“Focus”結(jié)果，通常大于0.550即可.

圖4 離子源參數(shù)Fig. 4 Parameters of ion source

圖5 峰中心掃描結(jié)果Fig. 5 Result of peak center scan

（2）清洗離子源. 若“Focus”結(jié)果小于0.550，且無法通過調(diào)諧離子源參數(shù)恢復(fù)正常峰形，可能是由于離子源過分污染所致. 清洗離子源操作必須全程佩戴手套，避免污染. 注意燈絲在任何情況下都不應(yīng)清洗和觸碰.

應(yīng)小心地從儀器上拆卸離子源，放在干凈的白紙或鋁箔紙上，將所有部件完全拆開. 粗洗時(shí)使用北極星粉末（Al2O3粉末）或6.5 μm砂紙去除不銹鋼部件以及陶瓷墊圈表面離子濺射沉積痕跡，注意打磨光滑，但是不要過分傷害金屬表面. 預(yù)清洗時(shí)，將不銹鋼部件浸泡在水溶液清洗劑中進(jìn)行熱超聲波清洗15 min，然后在去離子水中漂洗，去除有機(jī)污染物. 最終清洗時(shí)，將不銹鋼和陶瓷部件分別裝入燒杯內(nèi)，加入色譜純丙酮溶液超聲10 min，更換新丙酮溶液再超聲10 min，重復(fù)操作2次. 最后置于80~100 ℃烘箱內(nèi)干燥2 h. 注意離子源的2個(gè)磁鐵不能放入烘箱，否則會(huì)造成磁鐵消磁.

（3）安裝. 將烘干的離子源按照說明書操作步驟重新組裝.

3 參考?xì)夥€(wěn)定性測試達(dá)不到要求

系統(tǒng)穩(wěn)定性是衡量穩(wěn)定性同位素比質(zhì)譜儀質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，直接影響檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度與精確度[16]. 在樣品測試前，要進(jìn)行參考?xì)夥€(wěn)定性測試，檢查系統(tǒng)是否達(dá)到穩(wěn)定的分析狀態(tài)，如CO2的穩(wěn)定性分析結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)偏差要求13C不高于0.06‰，N2的穩(wěn)定性分析結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)偏差要求15N不高于0.06‰.

3. 1 穩(wěn)定性達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)的原因

（1）系統(tǒng)參考?xì)?元素分析儀氣路內(nèi)部未達(dá)到平衡狀態(tài). （2）離子源臟或參數(shù)不當(dāng)造成信號不穩(wěn)定.（3）氣路漏氣或載氣質(zhì)量不純.

3. 2 解決辦法

（1）若參考?xì)庵貜?fù)性分析連續(xù)測量比值結(jié)果呈現(xiàn)逐漸變大或變小的現(xiàn)象，表明系統(tǒng)還未達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài). （2）若測試比值結(jié)果呈現(xiàn)無規(guī)律波動(dòng)變化，檢查峰中心結(jié)果是否正常，重新進(jìn)行離子源參數(shù)調(diào)節(jié). （3）檢查元素分析儀是否漏氣，系統(tǒng)背景信號是否符合標(biāo)準(zhǔn). 若背景信號過高，系統(tǒng)可能存在漏氣或氣體不純的問題，則需儀器檢漏測試或更換氣體.

4 元素分析儀系統(tǒng)空白達(dá)不到要求

元素分析儀在加氧空白測試的條件下，N/C的空白峰面積應(yīng)均小于100才可符合試驗(yàn)要求，否則會(huì)對分析結(jié)果產(chǎn)生影響.

4. 1 產(chǎn)生的原因

可能產(chǎn)生的原因有球閥密封不嚴(yán)、錫囊（錫箔紙）污染、氧氣純度問題、解析附柱污染等.

4. 2 解決辦法

（1）檢查球閥. 使用EA軟件檢查球閥工作是否正常，如果球閥密封壓環(huán)過松、磨損或有錫囊殘留在球閥內(nèi)，則會(huì)造成系統(tǒng)空白升高.

（2）檢查錫囊是否被污染. 分別進(jìn)行不放錫囊和放置空錫囊的分析，根據(jù)測量結(jié)果判斷是否存在問題.

（3）判斷是否氧氣不純. 分別運(yùn)行2次“Blank with O2（加氧空白）”和“Blank without O2（無氧空白）”. 根據(jù)空白結(jié)果來判斷問題是否是由O2純度所引起.

（4）老化解析附柱. 解析附柱長時(shí)間使用不可避免會(huì)受到污染，特別是受水汽的影響，通常在停機(jī)很長一段時(shí)間后再開啟會(huì)出現(xiàn)此問題. 可以通過軟件Column heat out功能將解析附柱老化去除雜質(zhì).

5 檢測不到信號

5. 1 產(chǎn)生的原因

（1）未正確打開隔離閥，氣體無法進(jìn)入到質(zhì)譜離子源內(nèi)部. （2）真空未達(dá)到正常閾值，載氣He流速不正常，導(dǎo)致空氣進(jìn)入到質(zhì)譜中，質(zhì)譜高真空度會(huì)變?yōu)?×10-9~2×10-9MPa，觸發(fā)軟件離子源保護(hù)功能，自動(dòng)關(guān)閉離子源. （3）離子源參數(shù)異常，無法檢測到離子信號. （4）離子源故障，無法正常開啟離子源.

5. 2 解決辦法

（1）正確打開隔離閥，質(zhì)譜高真空度顯示2×10?10~4×10?10MPa. 隔離閥打開后元素分析儀的樣品氣才能進(jìn)入到質(zhì)譜中. （2）檢查元素分析儀軟件中載氣流速顯示是否正確，檢查參考?xì)膺M(jìn)樣器即稀釋器出口的氦氣流速是否正常. （3）檢查“Tunepage”窗口中離子源各項(xiàng)參數(shù)是否正常. （4）檢查軟件，檢測離子源各項(xiàng)電壓反饋參數(shù)是否正常，若讀數(shù)異常，可能存在離子源內(nèi)部短路或硬件故障.

6 樣品分析時(shí)重復(fù)性和線性達(dá)不到要求

在質(zhì)譜儀常規(guī)的動(dòng)態(tài)檢測范圍內(nèi)（通常主同位素信號Major 1×10?9~5×10?8A），離子源應(yīng)具有良好的線性特征，同時(shí)元素分析儀具有寬范圍的樣品完全燃燒和還原能力，即測量的同位素比值不會(huì)隨樣品產(chǎn)生的信號高低而顯示線性關(guān)系，這樣才能確保樣品分析結(jié)果的可信性.

6. 1 問題產(chǎn)生的原因

（1）分析方法中的時(shí)間參數(shù)設(shè)置不對，導(dǎo)致數(shù)據(jù)積分偏差. （2）元素分析系統(tǒng)耗材更換不及時(shí). （3）燃燒管中灰分未及時(shí)清理. （4）錫杯受到不同程度的有機(jī)物污染. （5）檢測樣品前未做系統(tǒng)測試（如穩(wěn)定性，線性及空白等），系統(tǒng)處于非正常狀態(tài). （6）樣品前處理過程，如烘干、粉碎、過篩未達(dá)到要求，樣品顆粒過大造成不均勻或不能完全燃燒，導(dǎo)致數(shù)據(jù)重復(fù)性不好. （7）所用氣體純度達(dá)不到要求，有雜質(zhì)污染.

6. 2 解決辦法

（1）檢查方法參數(shù)設(shè)置. 查看參考?xì)夥迨欠窈蜆悠贩逋耆珠_，質(zhì)譜跳峰時(shí)間和稀釋器切換時(shí)間是否與元素分析軟件時(shí)間匹配.

（2）定期更換試劑耗材. 元素分析儀干燥管中有一半以上干燥劑變色，則需更換，防止水分去除不完全造成的影響. 還原管中線狀銅顏色大部分變黑，或N的測定值異常變高，或N有2個(gè)峰時(shí)則需更換. 當(dāng)測試“Factor”不在0.9~1.1之間，需重新填裝燃燒管，甚至重新作工作曲線. 選擇不同批次的錫杯包樣測試.

（3）清理灰分管. 每次開機(jī)前清理灰分管中的灰分，并根據(jù)樣品的性質(zhì)和樣品包樣量確定清理周期，保證灰分不要超過氧槍下端，防止氧槍下端被灰分堵塞，導(dǎo)致氧氣無法通入到燃燒管內(nèi)，造成樣品不能完全燃燒.

（4）檢查樣品峰峰形. 樣品峰拖尾可能是由于樣品未完全燃燒造成的，CO2提前出峰可能是由于解吸附柱失效造成的.

（5）嚴(yán)格測試前的系統(tǒng)調(diào)試準(zhǔn)備工作. 測試前必須進(jìn)行參考?xì)夥逯行臏y試、穩(wěn)定性和線性測試，確保質(zhì)譜儀本身及參考?xì)夤ぷ髡?

（6）加強(qiáng)測試過程監(jiān)控. 測樣前要用標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行校正，測樣過程中也必須經(jīng)常用標(biāo)準(zhǔn)品進(jìn)行監(jiān)控，避免因儀器本身故障產(chǎn)生測試不準(zhǔn)確.

（7）準(zhǔn)確制樣. 由于稱樣時(shí)樣品量很少，只有幾毫克，因此要求樣品粉碎一定要達(dá)到一定的細(xì)度，并要混合均勻，保證取樣的一致性.

（8）選擇合格氣體. 選擇能夠提供滿足測試要求的供氣廠家供氣，純度達(dá)不到的氣體會(huì)增高本底，測試不準(zhǔn)確.

7 測得的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確

7. 1 產(chǎn)生的原因

（1）參考?xì)馕催M(jìn)行校正. 參考?xì)怃撈拷?jīng)長期使用或更換后，需要使用已知同位素值的標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行校正.

（2）灰分管灰分過多. 灰分管殘留灰分堆積過高，導(dǎo)致樣品無法向下掉落到燃燒管溫度最高的中心區(qū)域發(fā)生反應(yīng). 若灰分高度超過加氧槍下端，造成加氧槍出口被堵，氧氣無法通入到燃燒管內(nèi)產(chǎn)生助燃作用.

（3）氧氣調(diào)節(jié)閥故障，加氧量不足.

7. 2 解決辦法

（1）校正參考?xì)猞闹? 根據(jù)同位素比值δ的計(jì)算公式：

通過相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)樣品（已知同位素δ值，如國標(biāo)炭黑，IAEA標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)咖啡因、尿素等）反算出參考?xì)獾恼鎸?shí)δ值.

首先至少重復(fù)測量3~5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣品，確保標(biāo)準(zhǔn)樣品重復(fù)精度（標(biāo)準(zhǔn)偏差）小于0.15‰，即表明系統(tǒng)分析穩(wěn)定. 舉例說明，假設(shè)某標(biāo)準(zhǔn)樣品標(biāo)準(zhǔn)δ13C的理論值（Tstd值）為?23‰，標(biāo)準(zhǔn)樣品實(shí)際測試結(jié)果的平均值（Mstd）為?28.5‰，首先計(jì)算這個(gè)差值（diff）：

在“Inlet Method”窗 口 下，選 擇“Data Processing”“Edit Species”，在彈出窗口中選擇相應(yīng)的參考?xì)怏w，如CO2，選擇“Edit”. 進(jìn)入后點(diǎn)擊“Reference gas”后面的“Edit”鍵. 出現(xiàn)參考?xì)猞闹翟O(shè)置界面. Ratio 1的值顯示為?30‰，則其真實(shí)的δ13C值：?30‰?（?5.5‰）=?24.5‰. 在“Calibration delta values”一欄中，將計(jì)算好的δ值輸入進(jìn)去，保存后即可. 在以后檢測中就會(huì)按照這個(gè)新的δ值進(jìn)行計(jì)算.

（2）保證加氧槍暢通. 為確?；曳植欢氯友鯓尦隹?，要及時(shí)清理灰分管，通常植物樣品每200個(gè)清理一次，土壤樣品每150個(gè)清理一次，每次清理時(shí)用吸耳球吹一下加氧槍，確保其暢通.

（3）調(diào)節(jié)控氧閥. 做加氧空白試驗(yàn)時(shí)觀察加氧流速曲線，若氧氣流速不在工作范圍內(nèi)，需通過調(diào)節(jié)控氧針閥來調(diào)整氧氣流速. 若調(diào)節(jié)后氧氣流速仍不受控制，需要更換控氧閥.

8 外置機(jī)械泵故障及維護(hù)

8. 1 故障及原因

（1）泵向外噴油. 檢查泵油是否超過最高刻度線，或油霧過濾器是否過臟. （2）泵油顏色變深. 真空泵在使用過程中，會(huì)被灰塵、水分或其它物質(zhì)污染或者皂化和碳化，泵油顏色會(huì)逐漸變深，泵的性能將逐漸下降. （3）泵頭過熱. 可能是真空泵的軸承、葉片損壞，或者是泵油失效、油霧過濾器老化失效導(dǎo)致.

8. 2 解決辦法

（1）檢查真空泵油液位是否在上下刻度線之間，通常液位在油鏡2/3處，使用同一牌號和型號真空泵油. （2）定期清理油霧過濾網(wǎng)，保持泵油清潔，避免油被污染影響性能，一般用汽油或丙酮清洗. （3）以上辦法若無法排除故障，則需更換新的油霧過濾器.若是故障仍未能解決，則需進(jìn)行軸承及葉片的維修.

9 結(jié)論

大型貴重精密儀器運(yùn)行過程中，儀器操作人員要及時(shí)關(guān)注儀器狀態(tài)，定期維護(hù)儀器，就可以避免或減少儀器出現(xiàn)故障. 作為儀器管理人員要熟悉掌握大型貴重精密儀器的工作原理及結(jié)構(gòu)組成，具備一定基礎(chǔ)的電子學(xué)、光學(xué)、計(jì)算機(jī)、物理、化學(xué)和農(nóng)學(xué)等相關(guān)學(xué)科知識，利用這些知識就能夠?qū)崿F(xiàn)對儀器故障的快速診斷及維護(hù)保養(yǎng)，保障儀器的完好率，提高儀器的利用率，更好地發(fā)揮其在教學(xué)、科研及社會(huì)服務(wù)中的作用.