质谱法测量碳同位素丰度在气体扩散法分离乙醇中的应用

王 飞，潘建雄，周明胜，姜东君，李俊杰

(清华大学 工程物理系，北京 100084)

13C同位素的天然丰度为1.11 %，广泛应用于呼吸试验、临床诊断、碳循环研究和生物研究等方面[1-6]。13C同位素可以使用热扩散法、化学交换法、低温精馏法、气体离心法等方法进行富集[7]。其中，低温精馏法是目前国际上唯一用于大规模生产的分离方法[8]，但国内目前尚还不具备相应规模的生产能力，上海化工研究院建立了以一氧化碳为介质，基于低温精馏法分离碳同位素的中试装置[9]。清华大学工程物理系陆续开展了基于气体离心法，以正辛烷、一氟三氯甲烷和七氟丙烷等为介质的分离实验[10-12]，成功证明了这一系列方法的可行性。基于气体扩散法，以二氧化碳为介质的分离实验验证了二氧化碳用于气体扩散法分离碳同位素的可行性[13]。气体扩散法的基本原理是利用分子流条件下，不同相对分子质量的分子过膜时流量不同产生的同位素效应，从而实现对物质的分离[14]。气体扩散法分离同位素的效果受到分离膜材质与层数、膜前膜后压强等不同因素影响[13]。

在进行13C同位素分离研究时，除去对分离方法的改进和优化之外，分离介质的选择也不可忽视。乙醇作为一种常见的含有碳元素的物质，价格低廉、获取方便、清洁低毒、容易挥发，有利于形成乙醇蒸汽应用于气体扩散法以降低能耗。乙醇的饱和蒸汽压在25 ℃下约60 Torr[15]，具备应用气体扩散法分离同位素的条件。本研究为有效测量乙醇中碳同位素丰度，探索了元素分析-同位素比质谱法(EA-IRMS)测定碳同位素丰度在以乙醇为介质扩散分离碳同位素中的应用。

1 质谱分析

1.1 原理概述

乙醇常温下为液体，且具有强烈的挥发性。乙醇分子作为一种多原子分子，若将乙醇加热转化为气体直接通入质谱仪中进行测定，乙醇分子离子化后会产生较多碎片，导致质谱中的峰数量变多，存在峰与峰之间的重叠现象，故无法直接对乙醇进行质谱分析得到碳同位素丰度。通常需要将乙醇转化为二氧化碳进行碳同位素丰度测定。

本研究采用元素分析-同位素比质谱法(EA-IRMS)进行乙醇的质谱分析。

1.2 仪器与试剂

MAT-253稳定同位素质谱仪、Flash 2000 元素分析仪、银杯：Thermo Fisher Scientific 产品；乙醇：纯度99.9%。

1.3 基本原理与测定过程

EA-IRMS的基本原理是将元素分析仪与质谱仪联用，样品经进样、燃烧氧化、除杂、脱水、色谱分离和质谱分析得到相关同位素的丰度分布，一系列操作均由仪器自动进行[16]。样品经制样后包于银质样品杯中，从自动进样器投入元素分析仪。先在960 ℃左右的氧化炉中迅速升温，样品被氧化，同时生成二氧化碳、氮氧化物、氮气和水等，在载气(一般为氩气)的作用下，生成的气体经过氧化炉中的填料除去硫化物和卤化物，随后经过温度为600 ℃的高温铜丝除去氧气，再经除水柱除水，最后通过恒温的色谱柱将氮气和二氧化碳分离，二氧化碳气体进入质谱仪中进行质谱分析[16]。本研究使用的乙醇纯度为99.9%，含杂质较少。

进行测定时，需保证气路连通，各路气压正常，检漏无漏；为防止燃烧炉升温过快造成设备损坏，需将燃烧炉逐级升温到指定温度；在打开元素分析仪与质谱仪连接的针阀开关时，应保证离子源电流为0，避免发生危险；正式开始测定前还应进行稳定性测试以确保仪器工作状态正常；准备空白样本进行分析以扣除本底影响；设定样品测试的背景和时间间隔以及标准气标定值等。

1.4 取样与制样

使用移液枪吸取2 μL乙醇样品，将吸取的乙醇样品迅速转移到较硬的银质样品杯中，并用镊子迅速密封样品杯，完成取样和制样[17]。相较于锡制的样品杯，银质的样品杯有利于实现更牢固的密封，避免乙醇挥发。为了进一步减少乙醇挥发，将制取完成的样品迅速置于液氮环境中冷冻。待进样前5 s左右再将样品从液氮环境中移出投入元素分析仪进样器中，以避免因为乙醇挥发带来的同位素分馏效应以及样品量的减少甚至消失，也可以保证对同一样品多次取样时，每次的取样量可以保持一致。

1.5 分析条件

负载气：Ar，100 mL/min；氧化剂：O2,150 mL/min；标准气：CO2，200 mL/min；燃烧炉温度：960 ℃；色谱柱温度：60 ℃。

1.6 稳定性测试

对同一天然乙醇样品进行重复取样，采用前述方法进行制备与分析，用以判断仪器的稳定性。通过实验得到五组数据，测得δ13C的值如图1所示，数据的平均值为-29.18‰，数据的标准偏差为0.15‰，标准偏差值与已有研究中的标准偏差值类似[16]。说明使用的仪器与采用的方法在稳定性和可重复性上具有一定可信度。

图1 乙醇样品δ13C值连续测定结果Fig.1 Continuous determination results of ethanol sample δ13C-value

2 分离系数计算

2.1 基本全分离系数

乙醇中各组分的组成情况见表1。

在乙醇的各组分中，选取相对分子质量为46、47和48的三种组分进行分离系数的计算。

实验选择对乙醇的天然样进行分离，最终得到精料和贫料，在多组分分离中，可以把多元分离看作多个二元分离体系的线性组合，对于任意的两组分a、b，不妨设第a种组分比第b种组分的相对分子质量要小，则它们之间有全分离系数γab[18]：

(1)

表1 乙醇组成情况Table 1 Calculation of basic total separation coefficient

基本全分离系数γ0与第a种组分和第b种组分之间的全分离系数满足：

(2)

其中，ΔMab=Mb-Ma，表示两种组分的相对分子质量之差[19]。

(3)

(4)

由(1)式、(3)式和(4)式得：

γab=αβ

(5)

在分流比为0.5的情况下，分离过程为对称分离，此时浓化分离系数与贫化分离系数近似相等[14]，故均为全分离系数的0.5次方。

设在乙醇中的第l种组分的相对分子质量为46，第m种组分的相对分子质量为47，第n种组分的相对分子质量为48，可以分别得到第l种组分与第m种组分的浓化分离系数α1和第l种组分与第n种组分的浓化分离系数α2如下。

(6)

(7)

2.2 丰度计算

通过质谱分析，仪器测定的结果为相应样品中δ13C的值，有：

δ13C=

(8)

其中，(13C/12C)sample表示样品中13C同位素与12C同位素丰度的比值，(13C/12C)standard表示标准品中13C同位素与12C同位素丰度的比值。

则由式(8)可得：

(9)

碳同位素中仅考虑13C和12C两种同位素，可得到13C同位素的丰度C(13C)的大小为：

(10)

根据MAT-253稳定同位素质谱仪的程序设定可以查到本测定用到的标准品中13C同位素与12C同位素丰度的比值，有：

(11)

故可以根据测得的δ13C的值计算出不同样品中13C同位素的丰度。

天然样各组分的丰度可根据天然状态下各同位素的含量计算得出，假设13C同位素在每一种组分中的占比恒定，并联立式(6)～(11)，则可以计算得到γ0的值。

2.3 基本全分离系数计算

基于气体扩散法单级分离装置进行一系列气体扩散的分离实验，共开展四次实验，将这四次实验依次编号为实验1至实验4。

相对分子质量为46的组分和相对分子质量为47的组分之间的全分离系数γl,m的计算公式为：

(12)

通过EA-IRMS法可以测得各个组分的δ13C的值，再计算得到各组分的丰度，联立各式，可计算不同实验相对分子质量为46和相对分子质量为47的组分之间的分离系数。计算结果如表2所示。

表2 基本全分离系数计算Table 2 Calculation of basic total separation coefficient

从计算结果可以看出，在目前开展的实验条件下，以乙醇为介质分离碳同位素的基本全分离系数在1.007 2～1.008 1之间。

以实验1为例，精样和贫样的丰度数据及基本全分离系数的计算过程如表3所示。

表3 实验1丰度测定数据Table 3 Experiment 1 abundance measurement data

最终由精样和贫样13C的丰度可计算得到基本全分离系数为1.007 2。

3 结论

基于元素分析-稳定同位素比质谱法探究了以乙醇为介质扩散分离碳同位素基本全分离系数测定的测定方法。本研究进一步优化了乙醇样品的制取方法，通过液氮冷冻等方式减少乙醇样品挥发对丰度测量的影响。利用元素分析-稳定同位素比质谱法测定分离实验中乙醇精、贫料丰度数据，推导并计算得到以乙醇为介质气体扩散法分离碳同位素的基本全分离系数。

在本研究中，丰度分析在稳定性方面满足条件，但还欠缺与标准样品的比对，后续将通过测定标准样品开展校对工作。乙醇作为一种清洁物质，如果能够应用于碳同位素的分离，将有利于碳同位素得到更大范围的应用。有关以乙醇为介质分离碳同位素的研究仍在不断进行中，以期实现工业化应用。