包裹式植物茎流系统

植物样品中稳定碳同位素的EA-IRMS系统分析方法 2=================================================2.1 样品制备和称样原则2.1.1 样品制备 为了准确测定植物中的碳同位素比值，需要将植物样品按照一定的要求进行处理和制备。将植物样品清洗干净，等间距置于60℃~70℃鼓风干燥箱中干燥12 h。同时，样品在干燥过程中要注意防止因局部过热而导致表面炭化。将充分干燥后的植物样品粉碎，并使之混合均匀，缩分，用玛瑙研钵研磨至0.250 mm（60目）以下，常温干燥保存，备用。2.1.2 称样原则 植物样品中富含碳素，因此称样量不宜过大。一般，植物样品的称样量要求其形成的CO2的离子流强度应在标准参考气的离子流强度的线性范围之内。因此，就需要根据不同植物样品中碳含量以及被测气体进入IRMS所产生的离子流强度的大小来确定样品的称样量。本方法在确定以1.5 V～5 V作为实验测定的线性范围时（参见 3.1），根据预试验统计，通常以植物碳素平均含量为40%计，样品适宜的称样量一般应在0.1 mg～0.25 mg之间为宜。此外，由于植物样品称样量较小，在将称取的样品以锡舟包裹时，要特别注意锡舟包裹的紧密性。称样时，在锡囊中称量好所样品后，用弯曲镊子将锡囊置于洁净平磁板上，并用镊子轻轻镊紧锡囊侧壁使之闭合，以侧面平置锡囊，用一只镊子压住其底部，以另一只镊子的扁平面适当用力刮压锡囊使之侧壁完全闭合成扁平状，然后将其这叠成小方块或小圆球状，并将其压紧实。注意每折叠一次需用镊子扁平面用力挤压其折叠面，尽量将锡舟中的空气排挤干净，否则空气中的CO2会影响到样品测定值的准确性。2.2 载气条件的确定EA-IRMS系统使用两路高纯氦气作为载气：一是Carrier-He载气，输送样品燃烧生成的气体经EA进入Conflo Ⅲ，以流量mL/min计量；二是Conflo Ⅲ-He载气，将样品气体和标准参考气体经Conflo Ⅲ被交替输送到质谱仪，以压力单位psi计量。载气的流量影响到样品产生的离子流强度、样品峰的峰形以及本底值的情况，因此要首先确定适宜量的载气条件。2.2.1 Conflo Ⅲ-He载气条件的确定 Conflo Ⅲ-He载气在一定程度上影响着测定灵敏度，而对测定精度影响极小［7］。通入60kP压力的标准CO2气体（δ13C值为-24.340），改变Conflo Ⅲ-He压力，其对应产生的离子流强度和δ13C值如图2所示。[img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2009/04/200904131419_143860_1626579_3.jpg[/img]图2 Conflo Ⅲ-He压力对离子流强度和δ13C值的影响Fig.2 Influence of different pressure of Conflo-He for Ion intensity and δ13C改变Conflo Ⅲ-He载气压力，等量进入IRMS的标准二氧化碳气体所产生的离子流强度随着载气压力的增大而逐渐衰减，而同位素比值基本没有变化。Conflo Ⅲ-He压力由50kPa增加到110kPa，离子流强度衰减了60％以上，其灵敏度和精度差别在质谱线性变化范围内。在测定植物样品时，如果使用较大的Conflo—He载气压力，可能使样品反应产生的CO2被大幅度稀释，离子流强度过小，达不到质谱要求的线性范围；而过小的载气量又往往使得样品峰加宽拖尾，造成样品气体的残留，同样影响测定准确度。考虑这两方面影响，为了在保证足够的离子流强度，同时兼顾较好的峰形，Conflo Ⅲ-He载气选择80kPa的压力作为使用值比较理想。2.2.2 EA系统Carrier-He载气流量的确定 Conflo Ⅲ-He压力恒定为80kPa，改变Carrier-He流量，测定一组等量的相同植物样品SN001，其样品离子流强度和δ13C值的变化如图3所示。样品离子流强度总体呈现非线性递减，在80 mL/min～90 mL/min时降幅很大，其对灵敏度的影响较大。而随着载气流量增大，在一定程度上起到了从内部“封堵”EA气路漏点的作用，降低了测量本底，测定准确度提高。在90 mL/min～100 mL/min时，样品离子流强度和δ13C值相对较稳定。此后，随着流量增大，空白校正幅度也在变小，从而使δ13C值略微偏小。加大Carrier-He载气流量既降低本底又稀释样品，利弊兼有。对于碳含量较高的植物而言，所产生的离子流强度一般较大，对样品的稀释影响很小，加大Carrier-He流量降低本底干扰的方法是可行的。因此测定植物样品时选择90 mL/min～100 mL/min流量值，使得反应样品的离子流强度能进入仪器的线性要求较好的范围。[img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2009/04/200904131421_143861_1626579_3.jpg[/img]图3 Carrier-He压力对离子流强度和δ13C值的影响Fig.3 Influence of different pressure of Carrier-He for Ion intensity and δ13C

植物样品中稳定碳同位素的EA-IRMS系统分析方法 3=================================================2.3 氧喷条件的确定上述两种载气条件确定后，准确称取6份植物样品各（0.20±0.05）mg，分别在80 mL/min、90 mL/min、100 mL/min、120 mL/min、130 mL/min五种不同氧喷条件下反应，记录样品进样后连续反应产生的离子流强度，考察样品是否反应完全，见表1。氧气喷入量较小时，第一次反应产生的离子流强度较小，且在第二次反应时有40 mV～80 mV的残留量；而在100 mL/min喷量以上时，第一次反应即可完全。可见，加大氧气喷量也是增加对植物样品氧化程度的一种有效手段。而过大的氧气喷入量对还原炉有损害，氧喷量只需保证样品完全反应即可。因此设置EA 1112系统110 mL/min的氧喷量对于植物样品测定较为合适。表 1 不同氧气喷量对反应的影响Table 1 Influence of different oxygen injection[img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2009/04/200904131425_143866_1626579_3.jpg[/img]2.4 参考气条件的确定参考气和样品进样量的大小是影响δ13C值的另一关键因素。比较参考气进样量与样品进样量的变化情况，参考气进样量的离子流强在2 V～5 V 所测碳同位素误差均小于0.05％ ，参考气流量过高，容易造成本底值升高，影响本次或下次样品的测定值，同时样品的离子流强度相对偏低，也会造成测定值产生偏差；参考气流量过低，样品离子流强度相对偏高，同样会产生测定值的偏差。因此，参考气流量可控制在110 mL/min为最佳选择，同时通过对Conflo Ⅲ装置上参考气压力调整，使其进样量的离子流强度在2 V～5V。2.5 EA系统温度的确定氧化温度直接影响到样品是否被充分氧化，从而关系到δ13C值的稳定性。设置Conflo Ⅲ-He压力为80kPa，EA系统Carrier-He流量为96mL/min，110 mL/min的氧喷量，参考气流量为110 mL/min，测定一组等量（0.20±0.05mg）植物样品SN001，在不同氧化温度下反应，记录样品进样后连续反应产生的离子流强度和δ13C值，考察样品是否反应完全，见表2。表 2 不同氧化温度对反应的影响Table 2 Influence of different oxidation temperature[img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2009/04/200904131427_143868_1626579_3.jpg[/img]植物样品中的碳素几乎都是有机态碳，无碳的矿物包裹体，所以相对易于氧化充分。由表2可以看出，850 ℃时植物样品即可充分氧化，无残留，与曹蕴宁等人［8］的研究结果相一致；且在温度达到950℃以上时，样品δ13C值更趋于稳定，不会产生碳同位素分馏。基于对植物样品的充分氧化，同时考虑到仪器系统对温度的要求， EA 1112系统开机通Carrier-He载气恒定2.5 h后升温，设置氧化柱温度为980 ℃，还原柱温度为640 ℃，吸水柱温度为40 ℃，对植物样品有机碳样品的氧化和CO2气体的纯化分离能达到较好的效果。2.6 氧化炉氧化剂填料的选择EA氧化柱通常所选用的氧化剂填料，目前主要有两种：氧化铜一铜（CuO/Cu）和氧化铬一氧化钴（Cr2O3/CoO）。根据所测定样品的不同测试者选择其中之一作为填料。但据研究报道，Cr2O3/CoO的氧化能力优于CuO/Cu，用Cr2O3/CoO作为氧化柱填料能够更为真实地反映样品的同位素组成［7］，而且相对于氧化铜柱，Cr2O3/CoO柱在高温下不易破裂［9］。此外，通过长期实验观察发现，Cr2O3/CoO柱对于植物样品氧化较为完全，同时氧化剂使用时间也较长，还具有便于清理、更换的优点。据此，EA装置的氧化柱选用Cr2O3/CoO作为氧化剂填充料更为有效。