GasBench Ⅱ-IRMS测定微量碳酸盐中碳氧同位素比值方法研究

梁翠翠，尹希杰，徐勇航，李云海

(1.厦门大学 海洋与地球学院，福建 厦门 361005；2.国家海洋局 第三海洋研究所 海洋与海岸地质环境开放实验室，福建 厦门 361005)

GasBench Ⅱ-IRMS测定微量碳酸盐中碳氧同位素比值方法研究

梁翠翠1，尹希杰2，徐勇航2，李云海2

(1.厦门大学 海洋与地球学院，福建 厦门 361005；2.国家海洋局 第三海洋研究所 海洋与海岸地质环境开放实验室，福建 厦门 361005)

采用Delta V Advantage 质谱仪与GasBench Ⅱ在线制样装置，分别用12 mL和3.7 mL的样品瓶，对不同质量(5～50 μg)的碳酸盐标准样品(IAEA-CO-1)进行碳氧同位素组成测定。测试结果表明，当取样量小于40 μg，且用12 mL样品瓶进行酸化测试时，δ13C和δ18O测量结果的内部标准偏差一半以上大于0.1‰，不能满足测试要求。当改用3.7 mL样品瓶，样品取样量在15～50 μg时，δ13C的内部标准偏差为0.01‰～0.07‰，δ18O的内部标准偏差为0.01‰～0.08‰，满足测试要求。所以，当样品量较少时，GasBench Ⅱ在线制样装置可以通过改用3.7 mL样品瓶，实现对低至15 μg微量碳酸盐样品的碳氧同位素精确测量。同时，碳酸盐样品的质量与峰面积具有很好的线性关系(R2>0.993 2)，表明该方法也可用于样品中碳酸盐含量的测定。

微量碳酸盐；碳氧同位素；GasBench Ⅱ-IRMS

碳酸盐碳氧同位素研究在地质和环境方面可以用于碳酸盐岩成因与来源的识别、沉积相的判断、古水温与盐度的推断等方面的研究[1-5]。利用海洋生物化石钙质外壳的碳氧同位素比值估算古海洋环境温度是古海洋学研究的一个重要方向。在陆地气候研究中，碳酸盐碳氧同位素经常作为气候的代用指标[6-9]，是地球化学研究中重要的示踪手段之一，可以评估海水原始碳氧同位素组成，地质历史时期生物盛衰和气候变化特征，并借由这些变化特征，预测将来气候变化趋势，因此碳酸盐碳氧同位素研究一直是碳酸盐生物地球化学研究领域中最重要课题之一。

传统的碳酸盐碳氧同位素的分析方法是在真空系统中，将碳酸盐样品与100%的磷酸反应，收集生成二氧化碳气体，通过双路进样系统手动导入稳定同位素质谱仪进行测试，该方法需要样品量较大(数十毫克)，且每个样品必须手工制备，人为因素导致的测试误差相对较大。随着连续流稳定同位素质谱(Continuous Flow MS)技术的出现和发展，对碳酸盐碳氧同位素测试实现了自动酸化、分离制备，将待测气样用载气直接带入离子源进行分析测试。目前，多用途在线气体制备和导入系统与稳定同位素质谱仪联用(GasBench Ⅱ-IRMS)技术，由于前处理步骤自动化，所需样品量少，且具备高精密度和准确性等优点[10]得到广泛应用。但是，该装置配置的12 mL样品瓶用于碳酸盐碳氧同位素分析时，所需碳酸盐样品量一般大于40 μg。在许多气候记录研究中(珊瑚、有孔虫、石笋,等)，由于样品量小于40 μg，导致该方法的应用受到一定的限制[11-12]。为了解决这个问题，本研究通过减小样品瓶体积，建立了一种准确、快速分析碳酸盐碳氧同位素的方法，并尽可能减少取样量，该方法可用于古气候和其他地质方面的研究。

1 仪器及试剂

GasBench Ⅱ在线制样装置：美国赛默飞世尔科技有限公司产品；Delta V Advantage稳定同位素质谱仪：美国赛默飞世尔科技有限公司产品；METTLER TOLEDO MX5微量天平：瑞士梅特勒-托利多公司产品，d=1 μg；3.7 mL和12 mL圆底硼硅酸瓶：英国Labco公司产品；1 mL医用注射器：德国HSW公司产品；He气：中国百斯特气体工程有限公司产品，高纯氦，纯度>99.999%；CO2标准气：福州新航工业气体有限公司产品，纯度>99.999%；碳酸盐岩标准物质：IAEA-CO-1、IAEA-CO-8；100%磷酸：德国Merk公司，根据Burman等[13]的方法制备；仪器的主要工作参数见表1。

表1 GasBench-IRMS主要工作参数Table 1 Experimental details of GasBench-IRMS

2 实验方法

2.1 样品前处理

用天平准确称取碳酸盐岩标准物质IAEA-CO-1(5～50 μg)于3.7 mL和12 mL样品瓶中，拧紧瓶盖，将样品瓶置于试样盘上；用GC PAL自动进样器，依次对样品瓶以100 mL/s的流速进行氦气吹扫240 s，相当于220 mL的冲洗量；向每个样品瓶中手动加入3～4滴磷酸，将样品瓶置于加热至70 ℃的试样盘上加热60 min。

2.2 分析过程

GasBench Ⅱ-IRMS分析程序示意图示于图1。在分析样品之前，先进行自动聚焦、定峰中心过程，再测量三个参考气的峰。随后，反应产生的CO2气体由氦气引入质谱仪，高能电子束轰击离子化，经过电场加速，不同质荷比离子在磁场分离成不同的离子束，进入接收器并转换成电信号，测定碳氧同位素比值，每个样品测定5次(即谱图中出现5个样品峰)，由于第一个样品峰可能受前一个样品的影响，故结果取后4次测量结果的平均值。

图1 GasBench Ⅱ-IRMS分析程序示意图Fig.1 Schematic diagram of GasBench Ⅱ-IRMS analysis procedure

3 结果与讨论

3.1 样品瓶空白的影响

空气对同位素质谱仪稳定测量存在较大的影响，因此在测试之前用高纯He对样品瓶中的空气进行置换，尽量减小空气对测量结果的影响。为了检验样品瓶中的空气是否置换完全，测量时先加入两个空白样品瓶(1号空白样为空瓶，2号空白样只加磷酸)，以检测样品瓶中是否有残存空气。两个空白样品中m/z44信号的峰高分别是26 mV和28 mV ，2号空白

样峰高大于1号空白样，这可能是在加酸过程中引入微量空气所致。稳定同位素质谱仪设定的m/z44峰高积分的阈值是40 mV，两个空白样品的m/z44信号值均小于40 mV，且该值远小于样品的峰高，对检测结果影响可忽略。

3.2 不同体积样品瓶样品量峰高的差异

当取样量为15 μg，且用12 mL样品瓶进行酸化测试时，产生的样品峰高大约为400 mV(见图2)，而采用3.7 mL样品瓶时，峰高约为2 000 mV(见图3) 。这是由于减小顶空瓶的体积后，氦气对样品所产生CO2的稀释作用降低，样品瓶中CO2浓度增加，生成色谱峰强度增加。在Gasbench连续测试取样过程中，由于CO2的减少，五次测量之后峰强减少为原始强度的50%。通常稳定同位素质谱测试CO2的碳氧同位素过程中，m/z44信号的峰高超过1 000 mV，其测量结果可以认为较稳定。

图2 15 μg样品用12 mL样品瓶测量的色谱图Fig.2 Chromatogram obtained from a small (15 μg) sample with 12 mL vials

图3 15 μg样品用3.7 mL样品瓶测量的色谱图Fig.3 Chromatogram obtained from a small (15 μg) sample with 3.7 mL vials

3.3 碳酸盐质量与峰面积相关性分析

在测量5～50 μg质量范围的碳酸盐中碳氧同位素的过程中，对每个样品后4个峰的峰面积平均值与取样量进行相关性分析，发现峰面积与取样量具有很好的线性关系(R2>0.993 2，n=10)，然而，在不同批次测量中由于稳定同位素质谱仪的测试条件存在差异(如Gasbench的He流速和稳定同位素质谱仪离子源参数的改变等 )，可能导致这种线性关系存在批次差异，因此在改变稳定同位素质谱测试条件时，需要重新建立峰面积和样品碳含量的标准曲线。

图4 样品质量和峰面积的线性关系Fig.4 Sample weight vs. peak area within an individual run

3.4 不同体积样品瓶测试结果的标准偏差

分别用12 mL和3.7 mL 样品瓶测量不同质量的IAEA-CO-1标样的碳氧同位素，每个样品连续重复测量5次，取后4次测量结果计算其标准偏差。图5(a)为使用12 mL样品瓶测量不同质量样品。取样量从5 μg 开始，以5 μg为间隔，逐渐增加到70 μg，从低到高的14个样品为一组，重复测试三组，共42个样品，所得碳氧同位素数据的标准偏差 。图5(b)为使用3.7 mL样品瓶测量不同质量样品。取样量从5 μg 开始，5 μg为间隔，逐渐增加到50 μg，从低到高10个样品为一组，重复测试三组，共30个样品，所得碳氧同位素数据的标准偏差。

图5 样品用12 mL(a)和3.7 mL(b)样品瓶测得δ18O和δ13C的标准偏差和重量的关系Fig.5 The internal standard deviation (STDEV) of δ18O and δ13C with 12 mL(a) and 3.7 mL (b) vials is shown against sample weight.

图5(a)显示，当取样量大于40 μg 时，δ18O和δ13C的标准偏差波动范围较小，其中δ13C的标准偏差为0.01‰～0.1‰，δ18O的标准偏差为0.03‰～0.1‰，均满足分析测试精度的要求。当取样量小于40 μg时，δ18O和δ13C的标准偏差波动范围增大，δ13C的标准偏差为0.03‰～0.20‰，δ18O的标准偏差为0.04‰～0.21‰，大部分样品的标准偏差大于0.1‰，不能满足分析测试精度要求。所以，用12 mL样品瓶进行分析测试时，样品量必须大于40 μg。

图5(b)显示，当取样量大于20 μg时，δ18O和δ13C的标准偏差均小于0.07‰；当取样量为15～20 μg时，δ13C和δ18O的标准偏差略微增大，δ13C的内部标准偏差为0.01‰～0.07‰，δ18O的内部标准偏差为0.01‰～0.08‰，仍都小于0.08‰，满足分析测试要求；而当取样量小于15 μg，其样品的δ13C和δ18O标准偏差明显增大，大部分超过0.09‰，不能满足分析测试精度的要求。所以，用3.7 mL样品瓶进行分析测试时，样品量可以低至15 μg。

3.5 不同质量样品对测试结果准确度分析

对用3.7 mL样品瓶测定的30个标样IAEA-CO-1碳氧同位素值准确度进行分析，δ13C和δ18O测量值与样品质量的相关性示于图6。实线是取样量大于15 μg样品的碳、氧同位素值的平均值，而虚线是所有碳和氧同位素数据与所有样品质量的线性拟合结果。从图6(a)可知，当样品质量在15～50 μg时，样品的δ13C值在实线(样品的标准值+2.49‰)上下波动，绝对误差范围为-0.13‰～0.11‰；但当样品量小于15 μg时，样品的δ13C值具有明显的变小的趋势，逐渐偏离其真实值。从图6(b)可知，当样品质量在15～50 μg时，样品的δ18O值在实线(样品的标准值-2.4‰)上下波动，绝对误差范围为0.4‰～0.3‰，当样品量小于15 μg时，其波动范围变大并有变小的趋势。当样品量小于15 μg时，样品中δ18O和δ13C值具有明显降低的趋势，这可能是由于样品中含有微量的空气，空气中的氮气和氧气在离子源中被电子轰击的过程中，形成了少量的氧化亚氮(m/z44为主)，当较高浓度的CO2进入离子源时，氧化亚氮的影响较小，随着进入离子源CO2浓度降低，而氧化亚氮的浓度基本不变，相当于间接的增大了m/z44的信号，因此导致了样品中δ18O和δ13C值降低。

3.6 标准物质和有孔虫样品测试

采用上文描述测试方法对碳酸盐岩标准物质IAEA-CO-1、IAEA-CO-8和有孔虫样品进行碳氧同位素分析测试。用3.7 mL样品瓶对两组标准物质分别作8次重复实验，取样量为15～50 μg，最终结果取8次测量的平均值，并与标准值比较，结果列于表2。表2结果表明，标准物质分析结果与标准值相吻合，满足测量的准确度和精密度要求。

分别称取用不同质量的有孔虫样品，对其碳含量和碳氧同位素进行分析(见表3)，测试结果表明，当取样量大于15 μg时，有孔虫碳同位素标准偏差为0.02‰，氧同位素的标准偏差小于0.1‰，满足相关的分析测试精度的要求。

图6 δ13C和δ18O随着样品重量的变化Fig.6 Changes in measured δ13C andδ18O values with sample weight

表2 碳酸盐岩标准物质分析(n=8)Table 2 Analysis of carbonate reference materials(n=8)

4 结论

通过减小GasBench Ⅱ- IRMS样品瓶体积的方法，实现了对低至15 μg微量碳酸盐样品中的碳氧同位素在线精确测量。本方法处理流程相对简单，δ13C和δ18O标准偏差和准确度满足相关分析的要求，基本解决某些碳酸盐样品因量少而无法使用常规在线测量的难题，拓展了GasBench Ⅱ- IRMS在线连续流分析测试碳酸盐碳氧同位素方法在地质、海洋和环境等领域的应用范围。

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Analytical Method for Carbon and Oxygen Isotope of Small Carbonate Samples with the GasBench Ⅱ-IRMS Device

LIANG Cui-cui1, YIN Xi-jie2, XU Yong-hang2, LI Yun-hai2

(1.CollegeofOcean&EarthSciences,XiamenUniversity,Xiamen361005,China;2.OpenLaboratoryofOcean&CoastEnvironmentalGeology,ThirdInstituteofOceanographyStateOceanicAdministration,Xiamen361005,China)

An analytical method for measuring carbon and oxygen isotopic compositions of trace amount carbonate (>15 μg) was established by Delta V Advantage isotope Ratio MS coupled with GasBench Ⅱ. Different trace amount (5-50 μg) carbonate standard samples (IAEA-CO-1) were measured by GasBench Ⅱ with 12 mL and 3.7 mL vials. When the weight of samples was less than 40 μg and it was acidified in 12 mL vials, most standard deviations of the δ13C and δ18O were more than 0.1‰, which couldn’t satisfied high-precision measurements. When the weight of samples was greater than 15 μg and it was acidified in 3.7 mL vials, standard deviations for the δ13C and δ18O were 0.01‰-0.07‰ and 0.01‰-0.08‰ respectively, which satisfied high-precision measurements. Therefore, small 3.7 mL vials were used to increase the concentration of carbon dioxide in headspace, carbonate samples even less as 15 μg can be analyzed routinely by a GasBench Ⅱ continuous-flow IRMS. Meanwhile, the linear relationship between sample’s weight and peak’s area was strong (R2>0.993 2) and it can be used to determine the carbon content of carbonate samples.

trace carbonate; carbon and oxygen isotopes; GasBench Ⅱ-IRMS

10.7538/tws.2015.28.01.0041

2014-00-00;

2014-00-00

国家青年基金“河口地区硫酸盐还原过程随盐度梯度的变化规律及其控制因素”(41006072)

梁翠翠(1988—)，女，河北邢台人，硕士研究生，从事同位素海洋学研究

尹希杰，副研究员，E-mail: yinxijie@tio.org.cn

TL92+2

A

1000-7512(2015)01-0041-07