CN109100452B - 一种碳酸盐耦合同位素测试用控温系统及制备测试一体化装置 - Google Patents

Abstract

提供一种碳酸盐耦合同位素制备装置控温系统，该控温系统包括多个温控设备，通过多个温控设备的温度变换，依次除去制备样品器产出物中的水分、含硫物质、烃类有机物，能够提高碳酸盐耦合同位素制备反应器中得到的CO₂的收集率，同时能够使得其在收集的过程中得到有效提纯。进一步地，提供一种碳酸盐耦合同位素的制备测试一体化装置，该装置包括制备含¹³C¹⁸O¹⁶O二氧化碳气体的碳酸盐耦合同位素制备器，以及前述温控系统。

Description

一种碳酸盐耦合同位素测试用控温系统及制备测试一体化 装置

技术领域

本发明涉及分析检测领域，特别地，涉及用于古气候、考古和矿产资源勘探等方面的碳酸盐耦合同位素的检测领域。

背景技术

碳酸盐耦合同位素(Clumped isotope)是国际上最近开发的一种新型古温度指标，由于它只受碳酸盐形成温度的控制，可以对环境温度进行精确重建，为恢复地质增温期的古温度提供了有效手段。耦合同位素是由两个或多个重同位素构成的同位素簇或分子(Eilerand Schauble,2004)。由于受测试能力的限制，碳酸盐耦合同位素目前主要是指碳酸盐中丰度最大的两个重同位素¹³C和¹⁸O键的丰度。由于在实际测量中采用传统磷酸法将碳酸盐反应成CO₂，而含有¹³C-¹⁸O键的CO₂分子(¹³C¹⁸O¹⁶O)质量数为47，因此表示为Δ₄₇。碳酸盐氧同位素古温度计是研发最早且用途最广的地质温度计，然而由于碳酸盐δ¹⁸O值不仅取决于碳酸盐沉淀水体的温度，而且与沉淀时水体的δ¹⁸O值有关，而该水体δ¹⁸O值很难准确获得，因此氧同位素古温度计存在不确定性。相比之下，碳酸盐Δ₄₇值是一种新型的古温度计，它仅受控于碳酸盐沉淀时的温度，而与水体的δ¹⁸O值、溶解无机碳的δ¹³C值以及其它因子无关，因此可真实记录地质时期的古温度(Gosh et al.,2006a)。作为一种精确的新型地质温度计，耦合同位素古温度计引起地球科学界的高度重视。然而，在我国，碳酸盐耦合同位素的研究却刚刚起步，主要原因在于¹³C¹⁸O¹⁶O分子的丰度很低(在纯CO₂气体中仅有47ppm)，实现精确分析测定较为困难。

目前，世界上绝大多数实验室对于碳酸盐耦合同位素分析均采用样品离线制备和仪器分析测试‘两步走’的方法。具体而言，碳酸盐耦合同位素样品制备采用传统的磷酸法，离线制备系统采用玻璃或不锈钢真空管路，主要包括样品反应单元、提纯单元和CO₂收集单元等部分。经制备纯化后的样品通过样品收集管转移到仪器测试。然而，目前存在的一个突出问题是，不同实验室测得的同一样品的耦合同位素数据差别很大，转化成温度相差几十度。造成上述差别的原因主要在于离线制备方法的缺陷：由于耦合同位素测定时间较长(通常测一个样品需要两个半小时)，制备出的CO₂气体要在样品收集管中放置一段时间，可能会与样品管壁吸附的痕量水发生同位素交换，从而影响Δ₄₇值的准确性；同时，在离线制备过程中手动操作会不可避免地引入人为误差。另外一个问题是尚无统一的样品制备和分析测试流程。例如，各实验室间采用的样品前处理制备方法各有不同，具体表现在：(1)碳酸盐与磷酸反应的温度不同：采用的反应温度有25℃、70℃和90℃，已有研究表明当样品量小于6mg时25℃和90℃下反应测得的Δ₄₇值存在明显差别(Wacker et al.,2013)；(2)磷酸浓度不同：采用的磷酸浓度有100％、103％和105％，对Δ₄₇值的影响尚不可知；(3)纯化方法不同：在碳酸盐耦合同位素制备过程中，最重要的一个步骤是要去除对Δ₄₇测量有干扰的有机化合物(如烃类和卤代烃类)，目前采用的方法是反应产生的CO₂在He气带动下通过气相色谱仪的毛细管柱或采用液氮冷冻使CO₂被动通过Porapak Q^TM填充柱与干扰物进行分离，这些毛细管柱或填充柱的温度通常被设定在-10℃、-15℃、-20℃和-25℃不等。同时，各实验室在仪器分析测试时采用的参数设置也有所差别，会影响Δ₄₇测定值。前人研究表明：质谱仪设定的提取电压(Extraction)不同或双路进样系统中样品气与参考气压力调节不平衡都会影响Δ₄₇测定精度(Cui and Wang,2014；Fiebig et al.,2016)。

2011年，瑞士苏黎世联邦理工大学(ETH)的研究人员在美国Thermo公司的微量碳酸盐碳、氧同位素反应装置Kiel IV的基础上通过加设一个吸附阱(填充Porapak Q^TM聚合物填料)首次实现了耦合同位素的在线制备。样品反应温度为70℃，反应时间为480秒。然而，该碳酸盐反应装置尚存在如下问题：(1)反应容器与真空管线间的密封连接方式存在缺陷：其连接是采用负压下容器内壁与O型圈挤压的方式来实现，导致样品反应过程中反应容器内真空不能持久，微小的空气渗漏就会影响碳酸盐耦合同位素分析的准确性；(2)采用滴酸的方式进行反应，可装载的样品量相对较少(最大在250μg左右)，反应产生的CO₂信号强度衰减较快，无法获得长时间稳定的积分信号，所以分析精度较差(Δ₄₇精度为±0.02‰，相当于±4℃)。由此，该制备装置不能满足高精度温度重建的要求。或许由于上述原因，该制备方法并没有在国际上得到推广。在这里，我们只能称之为准在线分析系统。

如前所述，人工离线制备方法过程繁琐、效率低下，每天只能分析4～5个样品，难以满足广大研究者对大量样品分析测试的需求。因此，研制一个真正意义上的大样品量(10～15mg)样品耦合同位素自动制备分析系统，实现高精度(Δ₄₇精度＜±0.01‰，相当于＜±2℃)耦合同位素测定显得尤为重要。

发明内容

基于前述问题，本申请首先提供一种碳酸盐耦合同位素制备装置控温系统，该控温系统能够提高碳酸盐耦合同位素制备反应器中得到的含¹³C¹⁸O¹⁶O二氧化碳气体的收集率，同时能够使得其在收集的过程中得到有效提纯。进一步地，本申请提供一种碳酸盐耦合同位素的制备测试一体化装置，该装置包括前述的控温系统，以及一种制备含¹³C¹⁸O¹⁶O二氧化碳气体的碳酸盐耦合同位素制备器，该装置能够减少含¹³C¹⁸O¹⁶O二氧化碳气体制备过程中本底气体的干扰，并且能够实现连续进料制备不同样品，以及减少样品浪费，提高含¹³C¹⁸O¹⁶O二氧化碳气体的收集率，同时使得其在收集的过程中得到有效提纯，并在不离开制备和提纯设备的情况下实现连续测试。

本申请首先提供一种碳酸盐耦合同位素制备装置控温系统，该系统包括多个温控设备，通过多个温控设备的温度变换，依次除去制备样品器产出物中的水分、含硫物质、烃类有机物。

所述温控设备以串联的方式依次包括：第一冷阱Z4，用于除去产出物中的水分；S冷阱Z5，用于除去产出物中的含硫物质；色谱柱冷阱Z6，用于除去产出物中的烃类有机物；第二冷阱Z7，进一步除去产出物中残留的水分；冷指Z8，用于提纯后的含¹³C¹⁸O¹⁶O的二氧化碳气体收集。

优选地，所述色谱柱冷阱、第一冷阱和第二冷阱中填充有聚合物填料，优选Porapak Q^TM，且所述色谱柱冷阱、第一冷阱和第二冷阱的外部包裹有金属，用于控制温度，所述金属的选择能够使得所述色谱柱冷阱、第一冷阱和第二冷阱的温度在冷冻阶段能够达到－100～－200℃，优选－180～－200℃。

本发明还提供一种碳酸盐耦合同位素的制备测试一体化装置，该装置包括用于制备含¹³C¹⁸O¹⁶O二氧化碳气体的碳酸盐耦合同位素制备器，用于将含¹³C¹⁸O¹⁶O二氧化碳气体除杂的控温系统，以及用于检测¹³C¹⁸O¹⁶O二氧化碳的气体同位素比值质谱仪。

优选地，本申请的制备器、多个温控设备、以及气体同位素比值质谱仪通过管路连接，并通过多个阀门控制，所述阀门可以是自动控制阀门。

优选地，所述制备测试一体化装置还包括抽真空系统和氦气通入系统，在所述含¹³C¹⁸O¹⁶O二氧化碳气体的制备和输送过程步骤之前，分别对相关设备进行抽真空处理，在含¹³C¹⁸O¹⁶O二氧化碳气体的输送过程中，以氦气作为载气。

优选地，所述碳酸盐耦合同位素制备器包括样品盘、反应容器和磁流体密封装置，样品盘周边设有多个贯通孔的样品位，样品盘下设与样品盘同等大小的隔板，隔板上有一个与样品位的贯通孔大小相同的圆形通孔，隔板下设有能够与所述圆形通孔联通的管路，该管路下方与反应容器相连，样品盘通过驱动轴的驱动可转动，不进样时，样品位与隔板上的圆形通孔处于错位不连通的状态，此时，样品在隔板的阻挡作用下静置处于样品位中，当需要进样时，样品盘在驱动轴的驱动下转动使得目标样品位与隔板的圆形通孔对齐，从而目标样品位中的样品穿过隔板上的圆形通孔和所述管路进入到反应容器中。

优选的，所述样品盘、隔板、管路和反应容器构成了密闭系统，从而避免了外界空气中的二氧化碳对样品中碳酸盐碳元素的干扰。

优选地，所述样品盘、隔板、管路和反应容器的密闭空腔还跟抽真空设备相连，进样之前，首先对密闭空腔进行抽真空处理。

优选地，设置一腔体，将样品盘和隔板包裹入其中，所述腔体的底部与样品盘驱动轴的上边缘采用磁流体密封技术密封，并与管路和反应容器构成密闭系统。

此外，本申请还提供所述碳酸盐耦合同位素的制备测试一体化装置在古气候研究、考古或矿产资源勘探中的应用。

附图说明

图1为本发明所述制备测试一体化装置的示意图。

图2为本发明所述所述碳酸盐耦合同位素制备器的示意图。

具体实施方式

为了使得本申请的技术方案更加容易理解，下面提供本申请所述系统和设备的全流程运行示例，结合说明书附图，本领域技术人员能够更好地理解本申请的系统或设备。

第一步，预先将待测样品放入样品盘Z1的样品位W中，并编号。对整个系统和制备器抽真空，操作如下：打开阀V2和V3通过低真空泵2对进样与反应单元抽低真空，真空达到1*10⁰Pa后，关闭阀V2，打开阀V1通过高真空泵1抽高真空；与此同时，打开阀V8、V10、V12、V13和V15通过低真空泵4对纯化与收集单元抽低真空，同时将Z4、Z6、Z7和Z8冷阱的温度升至140℃，真空达到1*10⁰Pa后，关闭阀V15，打开阀V14通过高真空泵3抽高真空。当真空达到10^-3Pa时，将冷阱温度降至25℃，然后关闭阀V8、V10、V12、V13和V14。此时，整个系统达到了可以测样的状态。

第二步，样品反应与收集，操作如下：将冷阱Z4温度降至-196℃，关闭阀门V1，打开阀门V3和V4，转动制备器样品盘Z1，将待测样品掉入酸浴反应瓶Z2中，在90度下与磷酸发生反应，此时产生的含¹³C¹⁸O¹⁶O的二氧化碳气体被收集到第一冷阱(Z4)，收集时间为30分钟，然后关闭阀门V3和V4，完成样品收集。

第三步，对含¹³C¹⁸O¹⁶O的二氧化碳气体的纯化，包括去除水分、脱去硫化物和去除烃类有机干扰物等，具体操作如下：首先，打开阀门V6，调节氦气装置Z3的压力，使氦气以2ml/min的流量从单向阀D1流出；然后，依次将第一冷阱Z4温度升至-85℃，将S冷阱Z5温度升至30℃，将色谱柱冷阱Z6温度降至-196℃，此时依次关闭阀门V6、打开阀门V5、V8和V9，氦气会带动CO₂气体流经第一冷阱Z4和S冷阱Z5，实现与痕量水(保留到第一冷阱Z4)和含硫化合物(被S冷阱Z5吸收)的分离，最终被收集到色谱柱冷阱Z6中，此时氦气流从单向阀D2流出，收集时间持续5分钟后依次关闭阀门V9、V8和V5，打开阀门V6；接下来，将色谱柱冷阱Z6温度升至-20℃，将第二冷阱Z7温度降至-196℃，当温度达到后关闭阀门V6，并依次打开阀门V7、V10和V11，氦气带动含¹³C¹⁸O¹⁶O的二氧化碳气体离开色谱柱冷阱Z6，实现与有机烃类化合物的分离，然后被收集到第二冷阱Z7，此时氦气流从单向阀D3流出，持续收集5分钟后，依次关闭阀门V11、V10和V7，打开阀门V6，让氦气流从单向阀D1流出。

第四步，含¹³C¹⁸O¹⁶O的二氧化碳气体纯化后的收集与测定，具体流程如下：首先，打开阀门V12和V14，将不锈钢管线内的氦气抽掉，时间持续1分钟后，关闭阀门V12和V14；然后，将第二冷阱Z7的温度升至-85℃，将冷指Z8的温度降到-196℃，温度达到后，依次打开阀门V12和V13，CO₂气体再次与痕量水(如果有的话)分离，被收集到冷指Z8中，5分钟后关闭阀门V12和V13；最后，将冷指Z8温度升至30℃，将纯化后的含¹³C¹⁸O¹⁶O的二氧化碳气体转移到同位素质谱仪样品仓中，通过气体同位素质谱仪5进行耦合同位素测定。

当测试完一个样品，改换另一个样品的制备和测试时，也不用打开样品器，只需要重新对整个系统和制备器抽真空，转动样品盘完成另一个样品的进样即可继续进行纯化与测试。

Claims (2)

1.一种碳酸盐耦合同位素的制备测试一体化装置，该装置包括用于制备含¹³C¹⁸O¹⁶O二氧化碳气体的碳酸盐耦合同位素制备器、控温系统，以及用于检测¹³C¹⁸O¹⁶O二氧化碳的气体同位素比值质谱仪；

所述碳酸盐耦合同位素制备器包括样品盘、反应容器和磁流体密封装置，样品盘周边设有多个贯通孔的样品位，样品盘下设与样品盘同等大小的隔板，隔板上有一个与样品位的贯通孔大小相同的圆形通孔，隔板下设有能够与所述圆形通孔联通的管路，该管路下方与反应容器相连，样品盘通过驱动轴的驱动可转动，不进样时，样品位与隔板上的圆形通孔处于错位不连通的状态，此时，样品在隔板的阻挡作用下静置处于样品位中，当需要进样时，样品盘在驱动轴的驱动下转动使得目标样品位与隔板的圆形通孔对齐，从而目标样品位中的样品穿过隔板上的圆形通孔和所述管路进入到反应容器中；所述样品盘、隔板、管路和反应容器构成了密闭空腔，从而避免了外界空气中的二氧化碳对样品中碳酸盐碳元素的干扰，设置一腔体，将样品盘和隔板包裹入其中，所述腔体的底部与驱动轴的上边缘采用磁流体密封技术密封；所述反应容器为酸浴反应瓶；

所述控温系统包括多个温控设备，所述温控设备以串联的方式依次包括：第一冷阱(Z4)，用于除去产出物中的水分；S冷阱(Z5)，用于除去产出物中的含硫物质；色谱柱冷阱(Z6)，用于除去产出物中的烃类有机物；第二冷阱(Z7)，进一步除去产出物中残留的水分；冷指(Z8)，用于提纯后的含¹³C¹⁸O¹⁶O的二氧化碳气体收集；色谱柱冷阱(Z6)、所述第一冷阱(Z4)和第二冷阱(Z7)的外部包裹有金属，用于控制温度；

碳酸盐耦合同位素的制备测试一体化装置，具体通过下述方式实现对碳酸盐耦合同位素的制备和测试：

预先将待测样品放入样品盘(Z1)的样品位(W)中，并编号，对整个系统和制备器抽真空，操作如下：打开阀V2和阀V3通过低真空泵2对进样与反应单元抽低真空，真空达到1*100Pa后，关闭阀V2，打开阀V1通过高真空泵1抽高真空；与此同时，打开阀V8、阀V10、阀V12、阀V13和阀V15通过低真空泵4对纯化与收集单元抽低真空，同时将第一冷阱(Z4)、色谱柱冷阱(Z6)、第二冷阱(Z7)和冷指(Z8)的温度升至140℃，真空达到1*100Pa后，关闭阀V15，打开阀V14通过高真空泵3抽高真空，当真空达到10^-3Pa时，将第一冷阱(Z4)、色谱柱冷阱(Z6)、第二冷阱(Z7)和冷指(Z8)的温度降至25℃，然后关闭阀V8、阀V10、阀V12、阀V13和阀V14，此时，整个系统达到了可以测样的状态；

第二步，样品反应与收集，操作如下：将第一冷阱(Z4)温度降至-196℃，关闭阀V1，打开阀V3和阀V4，转动制备器样品盘(Z1)，将待测样品掉入酸浴反应瓶(Z2)中，在90度下与磷酸发生反应，此时产生的含¹³C¹⁸O¹⁶O的二氧化碳气体被收集到第一冷阱(Z4)，收集时间为30分钟，然后关闭阀V3和阀V4，完成样品收集；

第三步，对含¹³C¹⁸O¹⁶O的二氧化碳气体的纯化，包括去除水分、脱去硫化物和去除烃类有机干扰物，具体操作如下：首先，打开阀V6，调节氦气装置(Z3)的压力，使氦气以2ml/min的流量从单向阀D1流出；然后，依次将第一冷阱(Z4)温度升至-85℃，将S冷阱(Z5)温度升至30℃，将色谱柱冷阱(Z6)温度降至-196℃，此时依次关闭阀V6、打开阀V5、阀V8和阀V9，氦气会带动含¹³C¹⁸O¹⁶O的二氧化碳气体流经第一冷阱(Z4)和S冷阱(Z5)，实现与保留到第一冷阱(Z4)中的痕量水和被S冷阱(Z5)吸收的含硫化合物的分离，最终被收集到色谱柱冷阱(Z6)中，此时氦气流从单向阀D2流出，收集时间持续5分钟后依次关闭阀V9、阀V8和阀V5，打开阀V6；接下来，将色谱柱冷阱(Z6)温度升至-20℃，将第二冷阱(Z7)温度降至-196℃，当温度达到后关闭阀V6，并依次打开阀V7、阀V10和阀V11，氦气带动含¹³C¹⁸O¹⁶O的二氧化碳气体离开色谱柱冷阱(Z6)，实现与有机烃类化合物的分离，然后被收集到第二冷阱(Z7)，此时氦气流从单向阀D3流出，持续收集5分钟后，依次关闭阀V11、阀V10和阀V7，打开阀V6，让氦气流从单向阀D1流出；

第四步，含¹³C¹⁸O¹⁶O的二氧化碳气体纯化后的收集与测定，具体流程如下：首先，打开阀V12和阀V14，将不锈钢管线内的氦气抽掉，时间持续1分钟后，关闭阀V12和阀V14；然后，将第二冷阱(Z7)的温度升至-85℃，将冷指(Z8)的温度降到-196℃，温度达到后，依次打开阀V12和阀V13，含¹³C¹⁸O¹⁶O的二氧化碳气体再次与痕量水分离，被收集到冷指(Z8)中，5分钟后关闭阀V12和阀V13；最后，将冷指(Z8)温度升至30℃，将纯化后的含¹³C¹⁸O¹⁶O的二氧化碳气体转移到同位素质谱仪样品仓中，通过气体同位素质谱仪(5)进行耦合同位素测定；

上述所有阀均为自动控制阀。

2.权利要求1所述碳酸盐耦合同位素的制备测试一体化装置在古气候、考古或矿产资源勘探中的应用。

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