激光水稳定性同位素分析仪的操作步骤与注意事项

2016-05-30靳静静李俊超

科技创新导报 2016年17期

靳静静　李俊超

摘要：氢氧稳定同位素示踪技术是研究土壤—植物—大气连续体水分利用来源、水循环演化过程及形成机理分析等的重要手段。美国Los Gatos Research公司最新研发的激光水稳定性同位素分析仪（LWA-45EP），可同时测量水中同位素δ2H、δ18O和δ17O。该文根据笔者实践经验，对该仪器的操作步骤及注意事项等内容进行了介绍和总结，以期为相关人员提供参考。

关键词：激光水稳定性同位素分析仪操作步骤注意事项

中图分类号：S124 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）06（b）-0011-03

Abstract： Hydrogen and oxygen stable isotope tracing is an important means in studying the hydrological cycle in soil-plant-atmosphere continuum. The Los Gatos Research company's laser stable isotopes of water analyzer （LWA-45EP）， can simultaneously measure the δ2H、δ18O and δ17O of water. This paper introduced its operation， common problems and solutions， so as to provide reference for relevant users.

Key Words： Laser stable isotopes of water analyzer； Operation； Announcement

在自然界水文循环过程中，同位素分馏导致水中氢氧同位素组成具有时空差异。氢氧稳定同位素为土壤—植物—大气连续体水分利用来源、水循环演化过程及形成机理分析等研究提供了行之有效的方法，在农业水文学、土壤学、生态学等学科研究中具有重要作用[1-2]。

目前，测氢氧稳定性同位素的方法有同位素比率质谱仪法（Isotope Ratio Mass Spectrometor，IRMS）和光谱法。质谱仪因其体积较大，测试成本昂贵，操作复杂而限制其广泛应用。而光谱仪体积小重量轻，携带便捷，可用于野外实时监测，成本低廉，操作简单，分析速度快，且在性能方面已经接近IRMS法[3]。因此，近几年得到广泛应用。

该文介绍的是美国Los Gatos Research公司最新研发的激光水稳定性同位素分析仪（型号为LWA-45EP），可同时测量水中同位素δ2H、δ18O和δ17O。笔者通过实践经验，对该仪器的操作步骤及注意事项等内容进行介绍和总结，以期为相关的用户人员提供参考。

1 工作原理

IWA-45EP仪器基于高分辨率的离轴积分振腔输出光谱技术（Off-Axis Integrated Cavity Output Spectroscopy）。Off-Axis ICOS技术将激光谐振腔和气体测量室合为一体，激光在谐振腔两端的反射镜中反复震荡，其中有少部分透过反射镜，到达检测器。利用这种装置，进入测量室的激光必先在气体中反复通过上万次，才能到达检测器，这相当于增加了测量室的厚度，从而使吸收信号明显增强，因此可以测定含量极低的气体，大大提高了测量精度和速度[3]。

对于液态水样品，IWA-45EP可以以最快的速度同步精确地测量D/H、18O/16O、17O/16O的同位素比率，其保证精度分别为0.5‰、0.1‰和0.1‰。该仪器内置计算机，能够连续测量和储存数据，且使用了LGR专利的内部控温技术，确保仪器漂移最小化。它包含了先进的数据后处理软件，自动执行液态水测量的分析程序，能自动执行数据分析与校准功能，图形化显示测量结果，诊断仪器运行状态。后处理软件还包含了LGR专利的光谱污染诊断技术，能通过详细的分析高分辨率吸收光谱，检查、量化并修正水样中有机污染物的干扰。

2 仪器操作步骤

2.1 开机顺序

（1）检查稳压电源、仪器的各处插头、连接处等是否正确安装。

（2）先打开稳压电源开关，再打开LC-PAL高速全自动进样器，最后打开激光水稳定性同位素分析仪。

（3）分析仪打开后，电脑显示屏上会出现两种测量模式，请选择“T-LWIA Launch the Triple Liquid Isotope Analyzer”模式。

（4）分析仪开始预热，直到“Gas Temperature”达到44 ℃左右。为了延长分析仪的使用寿命，所以预热时请不要开泵。

（5）预热完成后，打开泵的开关。

（6）安装进样口隔膜，每1～2 d连续测量后需要更换一个新隔膜。

（7）自动进样器定位检查与调整（如此前检查或调整过，无移动或变化可忽略此步骤）。

（8）润洗进样针：先用超纯水润洗进样针（垂直上下抽拉约30～50次），再用润滑剂（NMP：1-甲基-2-吡咯烷酮）润洗进样针，直到手动抽拉的时候感觉有明显阻力，但无粘滞感，无强摩擦感，感觉平滑、圆润。

（9）安装进样针。

①在进样器的控制表上，按“F1”进入菜单，再按“F1（Change Syr）”。

②垂直进样臂会移动到换针的位置。

③把进样针的内芯提到0.4 μL左右。

④抬起进样臂下端的进样针导轨，使两个孔重合。

⑤把进样针插入，注意内芯的上端插入其定位槽中。

⑥旋转进样臂中的黑色开关，把进样针固定住。

⑦旋转进样针固定螺丝，把内芯的顶部固定住。

⑧上针完成，按“Enter”键（读表下部圆形按钮）回到主菜单。

（10）检查隔膜注入口（汽化室进样口 Injector）的位置。

①按“F1（Menu））”。

②选“Setup”，按“Enter”键。

③选“Objects”，按“Enter”键。

④选“Injectors”，按“Enter”键。

⑤选“LC Vlv1”，按“Enter”键。

⑥按“F1（Check Pos）”键。

⑦如需调整x，y和z，应选择“Position x-、y-、z-”，按“Enter”键，通过旋转旋钮进行调节；确保针管固定器正好位于进样口的正中心（x和y方向上）并略微高一点（1 mm左右）。

⑧按“F4（Home）”键返回主菜单。

（11）将待测样品用1 mL医用注射器和13 mm直径、0.45μm孔径的聚四氟乙烯的针筒式过滤器过滤，样品量要一致（1 mL），不能过多或过少。样品中含有油脂等污染性物质的，建议采用有机系过滤器或Teflon过滤器。

（12）将加好样品的样品瓶放在对应的样品盘上的位置，每隔10个样品要核对一下放置的位置是否正确，一定要保证样品盘上的位置与样品表的位置一致。

（13）点击“Display”，在“Tray Population”菜单中，分别选择“Available Standards”和“Available Samples”设置样品测量顺序，并分别选中设置好的样品表，把其分别转入“Standards To Measure”和“Samples To Measure”。

（14）“Prep Inj/Vial”设置为“0”“Measured Inj/Vial”设置为“6”。

（15）“Start with”选择“Standards”“Run after”选择“3”samples（从标样开始测量，每测量3个样品测量1个标样），“Standards Interleave Type”选择“One Standard per Sample Set”。

（16）可以点“Save Cfg”对样品表进行保存，保存后点击“Make Run”，切换至运行界面。

（17）再次检查设置是否正确（一定要检查泵是否打开），确认无误后按“Start”，开始运行测量，并同时观察“H2O_N/cm3（进样量）”“Raw delta的稳定性”“Flag”“Gas Pressure的变化”“Laser A和Laser B的衰荡时间”及光谱以进行调整。

2.2 数据软件分析

（1）测量完成后，点击屏幕底部的“Files”按钮，根据屏幕提示插入U盘，进入资源管理器。

（2）点“Mount USB”，选中左边窗口的“.txt”数据文件，拖拽复制到U盘中。

（3）点“Unmount USB”，点击“Exit”按钮退回到主菜单。

（4）拔出U盘，并把数据文件（每测1次样品均会产生“f”、“l”和“s”3个文件夹）复制到用户的计算机使用。

（5）在安装数据后处理软件的计算机上打开“LWIA-Post Analysis（Version 3.1.0.9）”软件。

（6）选择“File”菜单中“Load LWIA Date File”，将需要分析的原始数据的“f”文件导入软件中。

（7）选择“Options”菜单中“Advanced Settings”，在“Date Filtering”菜单中设置各参数，其中重要的参数有：①“Leading Injections to Ignore Per Measurement”设为“2”，即每个样品测6针，其前2针不参与计算，目的是为了减小记忆效应。②“Running Avg Points”设为“72”，“Rejection Bounds（±%）”设为“3”。③分别设置“Standard Deviation Limit （δ2H、δ18O、δ17O）”为1.0‰、0.2‰和0.2‰。在“User Settings”菜单中设置“Injection Fitting Method”为“Group Averaging”“Sample Averaging Mode”中的“Measurement Averaging #”为“4”。参数设置完毕后，点击“OK”保存。

（8）选择“Post Processing”菜单中“Run Post Processing”，软件即可根据标样的真值与测量值拟合的方程对未知样品自动进行校准，并显示每个样品的δ2H、δ18O、δ17O的真值和标准差，以及所有标样和未知样品的δ2H、δ18O、δ17O的精确度。

（9）点击“View”中“Dataset Plots”，选择“Plot Type”中的各参数，观察各参数的连续变化，其中重要的参数包括：①“Volume Running Average（fvol）”，进样量稳定性，用于表征进样量是否稳定，此参数与进样针有关。②“Volum StDev（svol）”，进样量标准差，可表征汽化管路的洁净程度。③“Temperature（tvar）”，温度的稳定性，表征预热程度及环境的变化，因为温度对于液态水δ18O和δ17O的测量精度影响比较大。

（10）选择“File”菜单中“Save Processed Data”，以保存最后结果文件。

（11）用Excel打开结果文件，以使用校准后的测量数据。

2.3 关机顺序

（1）点击主菜单右下角的“Exit”按钮，关机，约需等待3 min，直到出现“You may turn off the instrument”提示后，关闭分析仪电源开关。

（2）卸下进样针（卸针顺序与安装针的顺序相反），使用NMP润洗进样针（此时无需再使用超纯水润洗），将其放回针盒中。

（3）关闭自动进样器电源开关。

3 注意事项

（1）进样口隔膜一般情况下测量102个样品左右需要更换1次。

（2）推荐使用Hamilton生产的1.2 μL高精度自动进样针。为避免样品中的盐分、钙质、油脂等杂质沉积在进样针中，务必在使用前和使用后，仔细地用润滑剂（NMP（1-methyl-2-pyrrolidinone，1-甲基-2-吡咯烷酮））润洗针，以保证其稳定性，并提高其使用寿命。

（3）推荐采用美国Microliter公司生产的2 mL微量瓶，也可以选择安捷伦的产品。瓶盖内隔垫推荐采用双层Teflon膜，其稳定性好，延展性好，不易掉碎屑，但是价格昂贵。经过多次长期试验发现，安捷伦公司生产的单层Teflon膜，也不易产生碎屑，完全可以达到实验要求，物美价廉，可以考虑使用。

（4）样品加入前应该确保其温度与当前室温一致。

（5）样品中存在的杂质（无法过滤掉的部分），以及隔膜碎片（包含来自于进样口和瓶盖的）等，可能会残留在汽化室接口处2～3 cm处及进样管中。这些物质会吸附水气，导致汽化速度降低甚至残留。因此，必须使用一段时间后对汽化室和进样管进行清理维护。