元素分析仪-同位素比质谱仪系统CN模式的日常维护及使用

李 会，丁瑞霞，靳静静，聂俊峰，杨宝平，徐 毅

(1.西北农林科技大学 中国旱区节水农业研究院，陕西 杨凌 712100；2.西北农林科技大学农学院，农业部西北黄土高原作物生理生态与耕作重点实验室，陕西 杨凌 712100； 3.艾力蒙塔贸易(上海)有限公司，上海 200000)

利用稳定同位素自然丰度技术研究轻元素的同位素组成特征、变化机理和分馏原理，可以探明这些元素在生态、环境体系中转化过程和循环规律[1].元素分析仪-同位素比质谱仪(EA-IRMS)联用技术具有样品前处理简单、用量少、仪器操作简便、测量精度高和分析速度快[2-4]等优点，在稳定同位素分析方面得到了广泛的应用.

本实验室购置的稳定同位素比质谱仪(Isoprime100, Elementar UK, Co., Ltd)可以和元素分析仪(Vario Pyro Cube Elementar Co., Ltd)相连接，用来进行 C、N、O、H稳定同位素比值分析，同时也可以给出相应元素的百分含量结果.本文总结了EA-IRMS系统CN分析模式的组成及功能、基本原理、日常维护注意事项、日常操作步骤等内容，以期为EA-IRMS系统的使用提供参考.从而提高仪器的使用效率，更好的为科研工作服务.

1 EA-IRMS系统组成及功能

EA-IRMS系统主要由4部分组成：元素分析仪、稀释器、参考气进样器和Isoprime100质谱仪.(1)元素分析仪由120位单层进样盘、燃烧/还原反应炉、热导池检测系统组成，为样品的前处理装置，通过高温燃烧，将样品转化为CO2和N2.(2)稀释器使用纯He气与进入到质谱仪的元素分析仪载气混合，达到降低样品浓度的作用.对于高C∶N比样品，如果CO2浓度过高，将会超出质谱仪检测器测量量程.(3)参考气进样器用于调谐和测试IRMS离子源参数，检验系统稳定性和线性.在测量样品时，用于计算校正样品的同位素结果.参考气即纯的CO2和N2，质量分数均为99.995%.(4)Isoprime100质谱仪由真空系统、控制系统、离子源、质量分析器、法拉第接收杯阵列和计算机系统组成.利用离子光学和电磁场原理，根据不同质荷比(m/e)离子在电磁场中飞行偏转半径的不同进行质量数分离，从而测定各个质量数同位素的离子流强度.

2 EA-IRMS系统工作原理简述

被测样品在锡舟的紧密包裹下通过自动进样器送入EA燃烧管(950 ℃)内，样品在填有CuO催化剂的燃烧管内富氧条件下充分燃烧，碳和氮组分分别生成CO2和氮氧化物.燃烧产物随流速恒定的载气 He气载入还原反应管，还原管中的线状铜将氮氧化物(NO、N2O、N2O2)还原成N2，并将多余的氧气吸收，挥发性的卤素化合物则被位于还原管上方的银丝层吸收[2-3].经过装有P2O5的干燥管将样品燃烧产生的H2O去除.混合样品气进入到CO2吸附柱.CO2吸附柱在室温下可完全将样品产生的CO2保留其中，而对N2无保留.待N2测量结束后系统自动加热CO2吸附柱至110 ℃，可将CO2脱附出来.N2和CO2从元素分析仪尾部由氦气引入IRMS的离子源中.离子源将N2或CO2样品中的原子、分子电离成为离子，质量分析器将离子按照质荷比的大小分离开，以离子检测器测量记录离子流强度，用高纯N2(99.995%)和高纯CO2(99.995%)作为参考标准，得出质谱图.最后通过数据处理系统进行计算，最终测得样品δ13C和δ15N值.

3 CN模式日常维护

在进行样品分析前，需要对EA-IRMS系统进行常规维护，确保系统的稳定性，保证测样的准确性.

3.1 EA部分

3.1.1 清理灰分管

通常每测试200个左右植物样或60个左右土壤样品需要清理一次灰分管.若灰分累积过高会堵塞加氧枪出口，导致无法通氧燃烧.

3.1.2 还原铜消耗情况

在升温前检查还原铜消耗情况，确保在样品连续分析过程中还原效率.如果还原铜消耗过度，则会出现：(1)产生的氮氧化物不能完全被还原为N2，仍存在少量氮氧化物分子.(2)无法完全吸收燃烧时多余的氧气，导致氧气和氮气同时进入到离子源内，形成NO+离子碎片，从而导致测试结果不准确.若还原铜完全消耗，EA软件监测程序自动终止仪器运行.

3.1.3 干燥剂P2O5变色情况

检查干燥剂P2O5变色情况，及时更换.干燥管中P2O5出现2/3变色时，需及时更换.如果气体中存在大量水，会影响CO2分析结果.

3.2 质谱仪部分

3.2.1 系统真空度值偏高或偏低

当High Vac 小于2×10-11MPa，Low Vac小于3×10-6MPa时，说明仪器达到理想水平.系统真空值受质谱仪连接的毛细管长短的影响.如果真空值异常，需从以下方面进行解决：(1)毛细管或其他部分堵塞.(2)质谱仪中进空气.(3)载气不纯.(4)毛细管折断，导致气路漏气等.

3.2.2 峰型异常

峰中心扫描是指离子流进入到法拉第接收杯中心位置时对应的加速电压值，通常会得到一个对称的、顶部平坦的峰.当质谱仪受环境温度影响，磁场或离子源温度轻微变化也不会对测量信号的准确性产生影响.如果峰型异常，需从以下方面进行解决：(1)调谐离子源参数.(2)检查电磁铁物理位置.(3)更换灯丝.(4)清洗离子源.

3.2.3 本底信号值异常

正常的本底信号值为：N2Mass 28<3×10-11A，Mass 29<3×10-13A.CO2Mass 44<2×10-11A，Mass 45<2×10-13A，Mass 46<2×10-13A.如果仪器首次开启，气路内会吸附或残留一些杂质气体，建议将氦气打开吹扫12 h后再进行测试.

3.2.4 检漏背景扫描信号值高

N2气Mass 28信号值很高或Mass 28/32(N2/O2)信号强度比值接近3∶1或4∶1，说明系统有漏气的地方，需进行分步检漏进行排查.

3.2.5 参考气稳定性和线性测试

样品分析开始前，需要利用参考气进行系统稳定性测试和线性测试.稳定性分析结果标准偏差要求如下：CO2≤0.06‰，N2≤0.06‰.如果结果不符合要求，需要检查判断：(1)本底信号是否太高.(2)离子源参数是否正常.(3)峰中心是否正确.(4)氦气质量是否达到要求.(5)参考气针阀是否工作正常.(6)元素分析仪是否有干扰.线性分析结果要求斜率：CO2≤0.02‰/nA，N2≤0.02‰/nA.如果结果不符合要求，需要检查判断：(1)稳定性测试结果是否符合要求.(2)离子源参数是否需要调谐.

3.3 外设部分

(1)机械泵泵油颜色：正常为无色透明，如果发黄或浑浊则需要换掉.(2)机械泵泵油油位线：泵油的液面在最高线和最低线之间.(3)钢瓶的压力：总压力表压力低于1 Mpa时，需要更换钢瓶.

4 仪器操作步骤

4.1 EA-IRMS系统开机

4.1.1 质谱仪开机

(1)接通Isoprime100质谱仪主机电源.(2)打开电脑主机，运行IonVantage 质谱控制软件.(3)确认质谱仪上黄色隔离阀处于关闭状态.(4)开空气压缩机.(5)开机械泵.(6)启动涡轮分子泵.

4.1.2 EA开机

(1)打开测试所需He、N2、CO2、O2钢瓶总阀，O2分压表压力调至0.2 MPa，其他气体钢瓶分压表压力调至0.4 MPa.确认参考气进样器上He压力显示正常，打开稀释器后面的绿色阀门.(2)打开EA电源，待完成自检后运行EA软件.(3)EA内部气路检漏.系统升温前，需要对EA内部气路进行检漏，通过后再升温.如果EA内部气路漏气将导致系统不稳定.(4)反应管升温.升温前确保氦气有流速.燃烧管920 ℃，还原管600 ℃.

4.1.3 EA和质谱仪联机

(1)确认离子源处于关闭状态.(2)打开质谱仪主机上黄色隔离阀.(3)打开离子源.

4.2 系统测试

4.2.1 EA空白样品测试

EA软件中，Name、Weight、Method为必填参数，测试结果：N Area ≤100，C Area≤100，说明EA稳定性好.系统本底空白过高会影响结果.

4.2.2 离子源调谐控制测试

随着时间和环境的改变，每个质量数对应的磁场或加速电压可能会发生微小的偏移.因此在测试样品前必须进行离子源调谐，以保证质谱仪离子束处于最优化的状态.经离子源调谐，优化加速电压，优化后的加速电压分别为：N24 153.92 V；CO23 930.90 V.

离子源调谐控制测试方法，以N2参考气为例：(1)在 Iso Prime Tune Page 窗口→File→Load Tuning→调出CF- N2.itf- Iso Prime Tune Page窗口.(2)打开N2参考气进样阀，在Inlet Method 窗口双击RN图标.(3)从工具栏中选择 Acquire → Run Peak Centre，运行峰中心扫描.(4)扫描结束后，Peak Centre Results窗口自动弹出.点击 Accept Peak Centre按键，确认扫描完成.(5)双击RN，关闭N2参考气.

4.2.3 参考气稳定性测试

峰面积不稳定会对结果产生很大影响，因此在进行样品测试前，要保证空白样品产生的峰面积已经稳定，故要对N2和CO2标准气进行空白测定.

稳定性测试方法，以N2参考气为例：(1)在质谱仪软件Ionvantage主窗口中点击File，调出所需要的Open快捷图标，从弹出窗口中调用N2参考气的Sample list，选择N2Ref gas tests .(2)选择需要测试样品行，点击Run快捷图标，勾选Aquire Sample Data和Auto process sample，点击确定.等待30 s左右，系统开始测试.

测试完成后，检查参考气稳定性结果是否符合要求.

4.2.4 参考气线性测试

在参考气稳定性测试符合要求后，再进行线性测试.在质谱仪正常的动态检查范围内，测量的同位素比值不会随信号强弱的不同而改变，这样才能确保对不同样品进行分析时,可以获得可信的同位素结果.

线性测试方法，以N2参考气为例.测试方法和上述参考气稳定性测试相同，只是在进样过程中改变参考气进样器上相对应的参考气压力，从1 nA逐步调至10 nA，一般调9次压力，使每个参考气峰都具有不同的信号高度.

(1)双击打开RN.(2)将信号调至1 nA，等待RN自动关闭.(3)RN再自动打开.(4)RN再自动关闭.(5)第一次调信号.

CO2调节方式与N2相同.在完成参考气线性测试后，根据样品出峰顺序，将离子源参数调回到第一个出峰元素所对应的参数下面.如CN模式分析，将离子源参数选择为N2.当上述各项状态指标都确认在正常范围，表明系统达到了理想稳定的样品分析状态，可以根据需要进行样品分析.

4.2.5 标准样品测试

(1)使用实验室质控标准，如乙酰苯胺、甘氨酸等，重复测试3～5次.检查结果外精度是否符合要求：δ15N ≤0.15 ‰，δ13C ≤0.10 ‰.

(2)使用国际标准物质，进行单点或多点校正.如果样品测定的同位素值范围变化不大，可以使用单点校正法.如果样品测定的同位素值范围变化较大，建议使用多点校正法.

单点较正法具体步骤，以硫酸铵标样为例：首先至少重复测量3～5个标准样品，δ15N值精度(标准偏差)小于 0.15‰，即表明系统分析结果稳定.硫酸铵标样δ15N 值Tstd为20.3‰，分析结果的平均值Mstd 为21.8‰，首先计算这个差值diff=Mstd-Tstd=21.8‰-(20.3‰)=1.5‰.在 Inlet Method 窗口下，选择 Data Processing→Edit Species，在弹出窗口中选择N2参考气体，选择 Edit.进入后点击 Reference gas 后面的Edit 键.在Calibration Delta Values中，重新计算 Ratio1 的值.目前显示值为0.3‰，则其真实的 δ15N值=0.3‰-1.5‰=-1.2‰.在上栏中，将计算好的 δ 值重新输入，保存后即可.在以后的样品计算时就会按照这个新的 δ 值进行计算.

多点校正法具体步骤 ：选择多种不同丰度的同位素标准样品，一般3个以上.每个标样重复测量5次，确保标准偏差小于0.15‰.使用测量值的平均值与标准值拟合标准曲线，建立测量值与标准值之间的回归关系，一般要求R2大于0.999 9.利用该曲线将样品的测量值进行回归处理，最终得到样品的标定值.

(3)测试样品，每分析10～15个样品后测实验室质控标准，用于检测数据分析稳定性和准确性.

4.3 EA-IRMS系统待机、关机及从待机状态恢复到测样状态

4.3.1 质谱仪日常待机

质谱仪需在高真空状态下运行，频繁开关机不仅对分子泵的寿命有影响，也会降低日常工作效率.如果测样间隔2周以内，可使质谱仪进入待机状态：(1)EA降温至100 ℃以下后，关EA软件，关EA主机.(2)关闭离子源.(3)关闭质谱仪上黄色隔离阀.

4.3.2 仪器从待机状态恢复到测样状态

(1)按步骤EA开机.(2)确认离子源处于关闭状态.(3)打开质谱仪黄色隔离阀.(4)打开离子源.

4.3.3 质谱仪关机

如果间隔2周以上不测试样品，质谱仪需关机：(1)确认质谱仪黄色隔离阀处于关闭状态.(2)关闭离子源.(3)停止分子泵.待IP Turbo Speed 转速下降至10%以后，关闭质谱仪背后圆形黑色隔离阀.(4)关闭机械泵.(5)关闭Ionvantage软件，关闭计算机.(6)关闭实验室电源.

5 结语

EA-IRMS系统在国内外已广泛应用于植物生理生态学、农田土壤结构、生物地球化学、气候变化、物质溯源以及掺假辨识、原油氮沉积环境、城市湖泊沉积物、农业面源污染[5-19]等领域中碳氮同位素组成的测定.正确的操作步骤和日常的维护保养对保证仪器分析数据的准确性和精密度等具有重要意义.因此，建议规范化操作，专人管理，定期维护.