CN106066368A - 快速测定有机物样品中碳同位素比值的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种快速测定有机物样品中碳同位素比值的方法，属于稳定同位素分析技术领域。该方法包括以下步骤：调整分析仪器至工作状态；确定有机物产生的二氧化碳的保留时间；编辑分析程序使得在一个分析进程中同时测定参考物质和有机物样品的碳同位素丰度；根据参考物质的测定结果得出有机物样品的碳同位素比值δ¹³C_PDB。本方法克服了以往直接测定时需使用离线方法制备的缺陷，也避免了快速分析系统中燃烧转化率漂移对碳同位素分析的影响，更是简化了分析和数据计算过程。该方法的总分析时间仅为13m i n，分析精度0.2‰(SD，1σ)可用于各类有机物样品中碳同位素比值的快速准确测定。

Description

快速测定有机物样品中碳同位素比值的方法

技术领域：

本发明涉及一种直接测定并得出有机物样品中碳同位素比值的方法，属于稳定同位素分析技术领域。

背景技术：

碳元素是一种重要的生命元素，对生命体的功能以及确保生态循环的完整都起着非常重要的作用。碳的稳定同位素有¹³C和¹²C，由于碳同位素的自然分馏作用，物质的碳同位素组成在地质、生物、环境、农业、生态系统等领域的研究中都有着越来越重要的作用。有机物的碳同位素组成是近年来研究的热点，其暗含了物质形成过程中的物理、化学、代谢过程以及气候环境等多方面的信息。

有机物中碳同位素分析的基本原理是在高温下使用过量的氧化剂将有机物转化成二氧化碳，然后将分离纯化后的二氧化碳气体导入稳定同位素比值质谱仪中测定其碳同位素比值。当前，有机物的碳同位素分析技术有两种，分别是传统的离线-双路进样测定法和近年来日益发展的元素分析仪-稳定同位素比值质谱法(EA-IRMS)：离线-双路进样测定法需要使用传统的密闭安瓶技术处理样品、高真空系统提纯转化后的二氧化碳气体、双路进样技术将二氧化碳导入质谱仪中分析，样品前处理过程繁琐，而且需要经验丰富的实验操作人员，因此该法难以大规模推广；EA-IRMS方法简化了前处理程序，只需将待分析样品放到仪器自带的自动进样器中，诸如氧化、纯化、导入等实验过程均交由EA-IRMS系统自动进行，操作简单、使用便捷，大大降低了人为造成的实验误差。

碳稳定同位素比值为碳元素的¹³C与¹²C的原子丰度之比，自然界中¹³C约占碳元素的1％，¹²C约占98.9％，然而不同物质¹³C与¹²C的原子丰度之比的差异及其微小，实际工作中很难精确测定，因此一般采用相对测量的方法，并以相对测量值作为通用的表述法(δ¹³C)。如此，稳定同位素比值质谱仪分析过程时需要用到国际公认的参考物质，尤其是该参考物质转化的二氧化碳气体作为基准才能得出待分析物质的碳同位素比值(δ¹³C_PDB)。传统的离线-双路进样测定法由于采用密闭安瓶技术处理样品、双路进样技术导入制备得到的二氧化碳气体，因此可以同时处理参考物质和待测样品，分别得到参考物质制备的二氧化碳气体和待测样品制备的二氧化碳气体，通过双路进样技术将其分别导入稳定同位素比值质谱仪的储气仓中，仓中气体能够缓慢、多次释放进入质谱仪的分析系统，多次对比可得出测定结果(δ¹³C_PDB)；EA-IRMS系统由于受制于其联机系统的性质，制备的二氧化碳气体在载气的运载下进入IRMS的分析系统，由于载气是持续通入的，因此制备的二氧化碳气体只能分析一次，在这种情况下，科研人员普遍采用了借助工作参考气进行分析的模式(工作参考气并不进入EA-IRMS的燃烧转化系统)，然而正如王旭等人提到的那样(《EA-Conflo-IRMS联机系统的燃烧转化率漂移及其对氮碳同位素比值测定的影响》)，EA-IRMS系统不能像密闭安瓶法中相互独立的氧化剂，而是n个有机物共用一管氧化剂，这样就产生了处理样品时燃烧转化效率变化的问题，与此同时也使得碳同位素测定结果变负。为校正仪器漂移的状态，他们提出了用反标定法不断地重新设定工作参考气的δ¹³C_PDB值，虽然该方法在理论上是可行的，但是实际工作中发现，使用这种校正方法增加了分析任务和成本(如单独测一个样品，必然先测一次或多次参考物质以反标定参考气)，降低了工作效率，而且不能迅速地测定得出样品准确的δ¹³C_PDB值。

发明内容：

(1)拟解决的问题

EA-IRMS法测定有机物样品的碳同位素比值具有简单、便捷的优点，是今后研究与推广应用的发展方向，但是急需能够快速、直接测定得出样品碳同位素比值的方法。

(2)本发明的具体方案

为解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了在一个分析进程中同时分析参考物质和有机物样品的碳同位素丰度进而得出有机物样品的碳同位素比值的方法。

具体而言，本发明使用了EA-IRMS系统，在同一个分析进程中通过自动进样器连续进样进行参考物质和样品碳同位素的转化、分析，直接将有机物样品的碳同位素丰度与参考物质进行对比而得出碳同位素比值(δ¹³C_PDB)，优选地，其中所述的参考物质包括IAEA-CH-6、USGS-34、GBW04407、GBW04408等国际和国家认证认可的物质，其中所述的有机物样品是各种碳氢化合物，如糖类、纤维素、土壤有机质、蛋白质、脂肪等。

可选择地，本发明的方法包括以下步骤：

1)调整元素分析仪-稳定同位素比值质谱参数至工作状态；

2)确定元素分析仪-稳定同位素比值质谱分析有机物碳同位素比值时有机物产生的二氧化碳的保留时间；

3)编辑元素分析仪-稳定同位素比值质谱直接测定有机物样品中碳同位素比值的程序方法；

4)将参考物质和有机物样品分别放置在样品盘上；

5)执行测定程序，根据参考物质的测定值得出有机物样品的碳同位素比值δ¹³C_PDB。

进一步地，本发明的方法包括：

a)元素分析仪中填充氧化剂、还原剂和除水剂，所述氧化剂为氧化铬、含银氧化钴，所述还原剂为铜丝，所述除水剂为高氯酸镁；

b)连接元素分析仪与稳定同位素比值质谱仪气路和通讯；

c)控制元素分析仪的载气流速和进样盘中的吹扫气流速，所述载气和吹扫气均为氦气；

d)检查元素分析仪-稳定同位素比值质谱系统的Ar背景值；

e)将元素分析仪的色谱柱和将反应炉升至工作温度；

f)用锡杯包裹一定质量的炭黑样品，用元素分析仪配套的自动进样器进样后确定产生的CO₂的保留时间和色谱峰峰宽；

g)根据CO₂的保留时间和色谱峰峰宽编辑自动进样器的进样程序，确保同一分析进程中连续进样而不互相干扰；

h)分别用锡杯包裹一定质量的碳同位素参考物质和有机物样品，置于自动进样器上；

i)开启一个分析进程，连续进样使参考物质、有机物样品先后经自动进样器进样转化并分析各自产生的CO₂的碳同位素比值；

j)根据参考物质的碳同位素组成和给定的δ¹³C_PDB值直接得到有机物样品的δ¹³C_PDB(样品)值。

优选地，载气流速为100mL/min，吹扫气流速为175mL/min，Ar的背景值应符合EA-IRMS的工作要求，色谱柱温度设定为60℃，反应炉的氧化炉温度为980℃、还原炉温度为700℃，锡杯中有机物样品质量为0.1mg。

(3)有益效果：

本发明提供的直接测定有机物样品中δ¹³C_PDB值的方法具有操作简单、分析快捷的特点，与现有技术相比具有以下优点：

1.本发明提供的分析方法不需要使用工作参考气，而是在同一个分析进程中同时分析参考物质和有机物样品各自转化的CO₂的同位素组成，借鉴了双路进样-稳定同位素比值质谱仪的运行原理，直接通过参考物质的实际值和测定值得出样品的碳同位素比值，因此，避免了元素分析仪中反应状态的改变而造成的需要不断反标定参考气的麻烦；

2.由于本发明提到的分析方法省去了工作参考气的使用，而是在同一个分析进程中同时分析参考物质和有机物样品，大大缩短了分析时间，并且可以根据需要在该分析进程中使用多个参考物质，因此结果的准确性更高。

附图说明：

图1：有机物转化的CO₂的保留时间。

图2：有机物样品δ¹³C_PDB测定的离子流图。

具体实施方式：

下面将通过借助以下实施例来更详细地说明本发明。以下实施例仅是说明性的，应该明白，本发明并不受下述实施例的限制。

实施例一：

1材料方法

1.1仪器

元素分析仪-稳定同位素比值质谱(EA-IRMS)，其中元素分析仪的型号为Flash2000，稳定同位素比值质谱仪的型号为Delta V Advantage，上述仪器均购自赛默飞世尔科技(中国)有限公司；电子分析天平(梅特勒-托利多国际股份有限公司)。

1.2试剂

氦气(纯度≥99.999％)，氧气(纯度≥99.99％)，炭黑(δ¹³C_PDB＝-22.43‰)。

1.3分析过程

1.3.1检查元素分析仪的氧化剂、还原剂和除水剂，确保具有工作能力(不足时需更换)；

1.3.2检查元素分析仪和稳定同位素比值质谱间的连接气路和通讯是否正常；

1.3.3调节载气流速为100mL/min，吹扫气流速为175mL/min；

1.3.4检查元素分析仪-稳定同位素比值质谱系统中氩气(Ar)的背景值是否＜70mv(Ar在质谱仪的法拉第第二收集杯上显示的信号)；

1.3.5打开氧气钢瓶，控制样品分析过程中氧气的注入速度为250mL/min；

1.3.6元素分析仪的氧化炉升温至980℃，还原炉升温至700℃，色谱柱温度为60℃；

1.3.7称取了0.09mg炭黑，用锡杯包裹后置于自动进样器的进样盘上；

1.3.8设定自动进样器在分析进程开始后40s时将装有炭黑的锡杯导入到氧化炉中；

1.3.9开始一个分析进程，监测到炭黑在氧化炉中产生的CO₂的保留时间为238s，色谱峰的峰宽为120s左右(见附图1)；

1.3.10根据1.3.9的监测结果，重新设定自动进样程序：在40s、240s和440s分别进样(任选地，可以自选进样次数，进样间隔为200s)；

1.3.11称取三份GBW04407，每份均重约0.09mg，分别用锡杯包裹后放置在进样盘上；

1.3.12开始一个分析进程，连续进样分析GBW04407(见附图2)，并以第一个色谱峰的碳同位素丰度为基准得出第二、第三个试样的δ¹³C_PDB值。

1.4测定结果

由图2可知，整个分析时间仅750s。上述分析过程中，为第一个色谱峰赋值为-22.43‰，由此得到了第二和第三个色谱峰的δ¹³C_PDB值分别为-22.51‰和-22.38‰，据此分析可得其测定均值为-22.44‰，测定标准偏差(SD，1σ)为0.065‰，符合稳定同位素分析的精密度要求。

实施例二：

根据实施例一提供的仪器装置和分析过程，以国际碳同位素参考物质和GBW04408(δ¹³C_PDB＝-36.91‰)为试验对象展开方法的准确性研究。进样时，第一个和第三个试样均为GBW04407，第二个试样为IAEA-CH-6或GBW04408，并以GBW04407产生的色谱峰的碳同位素丰度为基准得出IAEA-CH-6和GBW04408的δ¹³C_PDB值，结果见表1。

表1方法的准确性验证结果

由上表可知，该方法测定的结果，与试验对象给定值之间的差异＜0.15‰，符合国内认的对碳同位素分析误差小于0.2‰的要求。该项研究是在同一个分析进程中(750s)完成的，而不需两个或两个以上独立的分析进程(有工作参考气参与时)，因此本发明提供的方法能够直接、快速且准确地测定有机物样品的碳同位素比值。

实施例三：

根据实施例一提供的仪器装置和分析过程，以GBW04407为参考物质分析白砂糖、淀粉和果汁中总糖的δ¹³C_PDB值(样品前处理过程参照QB/T2015-4854)，每个样品测定3次，结果见表2。

表2不同样品的δ¹³C_PDB值

由上表可知，本批有机物样品的δ¹³C_PDB值分布范围为-27.53‰～-10.93‰，其中样品“白砂糖-1#”、“白砂糖-2#”和“玉米淀粉”明显符合C4植物有机成分的碳同位素比值特征，因此可推测这两个白砂糖的生产原料为于甘蔗，“玉米淀粉”的生产原料为C4类植物；样品“白砂糖-3#”、“小麦淀粉”、“大米淀粉”以及“橙汁”、“苹果汁”和“葡萄汁”的总糖的δ¹³C_PDB值表现出了明显的C3植物的碳同位素比值特征，因此可推断“白砂糖-3#”的生产原料为甜菜，而“小麦淀粉”和“大米淀粉”确实来自于C3类植物，“橙汁”、“苹果汁”和“葡萄汁”样品的总糖来自于C3类水果。

最后应当说明的是，以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围内。

Claims (10)

1.一种直接测定有机物样品中碳同位素比值的方法，其是使用元素分析仪-稳定同位素比值质谱技术在同一个分析进程中同时分析碳同位素参考物质和样品而直接得出样品的碳同位素比值的方法，包括以下步骤：

在同一分析进程的不同时间点进样并测定参考物质和有机物样品的碳同位素丰度，并以参考物质转化的二氧化碳的同位素丰度为基准得出有机物样品的碳同位素比值δ¹³C_PDB。

2.根据权利要求1所述的方法，在测定有机物样品中碳同位素比值之前，包括如下步骤：

1)调整元素分析仪-稳定同位素比值质谱的工作状态；

2)确定元素分析仪-稳定同位素比值质谱分析有机物碳同位素比值时有机物产生的二氧化碳的保留时间；和

3)编辑元素分析仪-稳定同位素比值质谱直接测定有机物样品中碳同位素比值的进样程序，以确保同一分析进程中连续进样而不互相干扰。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在同一进程中的测定一个或多个参考物质和一个或多个有机物样品的碳同位素丰度。

4.根据权利要求3所述的方法，其中在同一进程中第一时间点和最后时间点测定的碳同位素丰度均为碳同位素参考物质的碳同位素丰度。

5.根据权利要求3所述的方法，其中在进样程序的编辑中，设置3个或3个以上进样过程，第一个和最后一个均进样分析参考物质的碳同位素丰度，中间分析有机物样品的碳同位素丰度。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中进样间隔应大于有机物产生的二氧化碳在稳定同位素比值质谱上的保留时间。

7.根据权利要求6所述的方法，其中所述的有机物样品为碳氢化合物或含有碳氢化合物的样品。

8.根据权利要求7所述的方法，其中所述的碳氢化合物为糖类、纤维素、土壤有机质、蛋白质、脂肪或其混合物。

9.根据权利要求8所述的方法，其中所述的有机物样品为白砂糖、玉米淀粉、小麦淀粉、大米淀粉、橙汁、苹果汁或葡萄汁。

10.根据权利要求6所述的方法，其中参考物质为IAEA-CH-6、USGS-34、GBW04407或GBW04408的国际公认的标准物质。