CN109775887B - 一种环境水体溶解性无机碳含量及碳同位素值全程获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种环境水体溶解性无机碳含量及碳同位素值全程获取方法，采用饱和磷酸二氢铵溶液（现用现配），解决磷酸在使用过程造成的不便以及反应时间长的问题。在实验室用高纯氦气（99.999%）赶净12mL顶空瓶中残留的CO₂，可以在实验室提前注入饱和磷酸二氢铵溶液，也可以在野外现场注入饱和磷酸二氢铵溶液，同时在野外可以先注入环境水体，后注入饱和磷酸二氢铵，因此操作灵活方便。本发明实现了从野外样品处理到实验室测定全过程的环境水体样品DIC含量及同位素测定的质量控制工作，能够最大程度上保证野外水体DIC含量及同位素数据的真实再现，对于研究全球碳循环以及人类活动对水体污染的影响具有重大突出作用。

Description

一种环境水体溶解性无机碳含量及碳同位素值全程获取方法

技术领域

本发明涉及水体溶解无机碳检测领域，具体涉及一种环境水体溶解性无机碳含量及碳同位素值全程获取方法。

背景技术

水中溶解性无机碳（Dissolved Inorganic Carbon, DIC）存在形式包括溶解性CO₂、H₂CO₃、HCO₃ ^-以及CO₃ ^2-等，各存在形式的含量受水体pH值控制。水体DIC来自岩石风化过程吸收的大气/土壤CO₂以及碳酸盐岩矿物，因此在全球碳循环研究中占据重要作用。

δ¹³C-DIC值广泛用于水体DIC来源以及迁移转化机制研究，目前普遍采用的δ¹³C-DIC测定方法是多用途气体制备装置+稳定同位素质谱仪（Gasbench II+IRMS），能够获取稳定可靠的δ¹³C-DIC数据，但是这种方法只针对受测水体有良好的精度，而不涉及水体样品野外采集以及运输过程产生的干扰，因此如何保持环境水体样品从野外采集到实验室测试全过程碳同位素组成不发生变化，对于借助δ¹³C-DIC研究全球碳循环至关重要。

目前常用水体DIC样品含量及碳同位素值获取方法主要包括两部分：

(1)野外水体DIC样品制备

①BaCl₂沉淀法

野外用孔径为0.45μm醋酸纤维或混合纤维滤膜过滤水样，分装200mL于塑料瓶内，加入6mL浓度为2mol/L氢氧化钠溶液，调节pH为12左右，然后加入过量BaCl₂粉末，产生BaCO₃沉淀，运回实验室后将BaCO₃沉淀过滤后，烘干备用。

②HgCl₂保存法

野外用孔径为0.45μm醋酸纤维或混合纤维滤膜过滤水样，分装25~100mL于塑料瓶内，加入几滴饱和HgCl₂溶液，杀死水中微生物，灌满塑料瓶，不产生气泡，封口后运回到实验室再进一步处理。

③ 顶空瓶法

野外用1mL医用注射器，配合孔径为0.45μm过滤头，直接吸取0.6mL左右水样，过滤入Gasbench II专用的12mL玻璃瓶内，该玻璃瓶采样前在实验室内先加入无水磷酸，然后用高纯氦气赶净CO₂备用。过滤后0.6mL水样与无水磷酸反应产生CO₂，拿到实验室直接测试其碳同位素值。

(2) 实验室水体DIC碳同位素测定

针对上述三种不同处理方式得到的样品，在实验室内分别做以下处理后直接测定产生的CO₂气体，获取δ¹³C-DIC数据。

① 野外BaCl₂法产生的BaCO₃沉淀

BaCO₃固体烘干后，取微量置于Gasbench II专用12mL玻璃顶空瓶内，用高纯氦气赶净瓶内CO₂气体，然后加入热的无水磷酸，在75℃左右反应产生CO₂气体，2h后直接用Gasbench II+IRMS测定碳同位素。

② 野外HgCl₂保存法得到的水样

加入饱和HgCl₂溶液的目的是防止微生物利用水中DIC，进而造成碳同位素分馏，影响待测水体DIC碳同位素真实值。实验室内用1mL医用注射器吸取1mL水样注入事先氦气吹扫并加入无水磷酸的12mL玻璃顶空瓶内，水样中DIC与磷酸反应产生CO₂，18h后直接用Gasbench II+IRMS测定碳同位素。

③ 野外顶空瓶法得到的样品

野外顶空瓶法处理得到的样品，实质上将方法②的实验室处理过程直接拿到野外，省去了样品保存以及运输环节，玻璃顶空瓶内产生的CO₂拿回实验室后直接GasbenchII+IRMS测定碳同位素（因为从野外到实验室一般耗时超过18h）。

上述三种不同前处理方法处理得到的CO₂气体，可以直接用Gasbench II+IRMS测定碳同位素值。Gasbench II多用途气体制备装置包括：GC-PAL自动进样器、PoraPolt Q色谱柱（25m×0.32mm）、恒温样品盘（控温精度0.1℃）；稳定同位素质谱仪为MAT253或者DELTAV系列同位素质谱仪（美国赛默飞世尔公司）。

(3) 效果比对

吴夏等（水样中溶解性无机碳同位素测试前处理方法对比研究[J].岩矿测试,2013, 32(4):659-664）对比分析了上述三种野外水体DIC样品前处理方法的处理效果，结果发现野外顶空瓶法效果最佳，稳定性最好。

环境水体DIC碳同位素测定方法的缺陷主要包括：

(1) 野外不同前处理方法的缺点

前期研究表明：野外顶空瓶法比BaCl₂沉淀法和HgCl₂保存法效果更好，结果更稳定（吴夏等, 2013），同时可以避免HgCl₂对环境的危害。但是前人对野外顶空法的效果没有进一步研究，缺乏系统的验证工作。

(2) 磷酸法的缺点

目前通用的Gasbench II制取CO₂气体的方法是借助无水磷酸与水体中DIC组分反应产生CO₂，经过除水和色谱柱分离后，测定CO₂碳同位素值，进而获取环境水体DIC碳同位素值。磷酸法存在以下几个缺点：

① 无水固体磷酸操作性差，易堵针

无水磷酸在常温下固体，如果保存不好容易吸收空气中的水汽和CO₂，同时在使用过程中需要加热变为粘稠的液体后注射到12mL玻璃顶空瓶内，注射过程中磷酸容易残留在瓶盖上面，堵塞Gasbench II气体采样针。

② 磷酸法需要18h反应时间

通常情况下，野外取回来的水样与磷酸反应后，常温下需要经过18h才能完全把水样中DIC全部转化为CO₂，不能立即测试。即使是在野外反应完毕，运回实验室进行测试，也需要满足18h的反应时间，否则测定出的碳同位素值不能完全代表环境水体的DIC碳同位素值。

基于以上存在问题，有必要开发一种方法能够避免上述缺陷，在野外能灵活处理环境水体样品，并且在实验室能够获取高精度碳同位素值的方法，用于环境水体从野外到实验室测定全过程的质量控制，同时获取环境水体DIC浓度和δ¹³C-DIC值。

发明内容

本发明为准确获取环境水体样品DIC浓度和δ¹³C-DIC值，克服前人使用无水磷酸带来的不便以及样品保存以及转运过程中干扰因素，发明了一种野外快速灵活处理DIC样品的方法，能够在野外替代无水磷酸直接将水中DIC生成CO₂气体，缩短反应时间，最大程度上保持水体DIC样品原始δ¹³C-DIC值。

实现本发明的技术方案是：一种环境水体溶解性无机碳含量及碳同位素值全程获取方法，向野外采集的水体中加入饱和磷酸二氢盐溶液，采用顶空瓶法测定水体中DIC浓度和DIC碳同位素。

所述饱和磷酸二氢盐为磷酸二氢铵。

所述的环境水体溶解性无机碳含量及碳同位素值全程获取方法，步骤如下：

（1）将磷酸二氢盐固体加入到无CO₂超纯水中，直到有磷酸二氢盐固体析出，得到饱和磷酸二氢盐溶液；

（2）利用高纯氦气吹扫玻璃顶空瓶，在同位素质谱仪上检测无CO₂残留，向瓶内注入步骤（1）的饱和磷酸二氢盐溶液；

（3）到达野外后，先将医用注射器用环境水体润洗三遍，注射器顶端配套0.45μm孔径水系滤膜，准确吸取环境水体，过滤至步骤（2）的玻璃顶空瓶内，注射完毕后快速拔针，然后剧烈晃动瓶体；

（4）利用离心机将步骤（3）装有水样的玻璃顶空瓶盖底部的水分甩干，然后置于进样盘上，依次测定顶空瓶内的CO₂气体；

（5）用实验室标准物质建立DIC浓度方程，实验室标准物质是碳酸钠或者碳酸氢钠固体配制的溶液，浓度梯度设定为1mol/L、2mol/L和4mol/L，各自取1mL溶液置于玻璃顶空瓶内，加入饱和磷酸二氢盐溶液，产生CO₂，根据同位素质谱仪给出的CO₂峰电压数，建立CO₂浓度值与仪器信号值之间的方程，用于反推实际待测样品的DIC浓度。

碳同位素值获取方法如下：

（1）配制碳酸氢钠溶液与饱和磷酸二氢铵溶液发生反应，产生CO₂，用Gasbench II和IRMS测定其碳同位素值，以该碳同位素值作为标准δ¹³C；

（2）将实验室标准-碳酸氢钠溶液按照同样的方法处理后，插入到实际环境水体样品序列中，来控制仪器的漂移，我们采用的方案为每12个环境水体样品，前后放置两个不同碳同位素值的碳酸氢钠实验室标准，每个标准重复测定2次，共计4个实验室标准。

碳同位素值获取具体原理和内容如下：1）标准物质的作用：标准物质是已知浓度值或同位素值的样品，这些标准物质的浓度和同位素值应该涵盖所有待测样品的范围，如标准物质A和B的浓度或同位素值分别为a和b，从a到b的范围应该包括所有待测样品的浓度或同位素值范围，这样从最开始测量A和B物质得出的a和b值，到间隔12个样品后测量A和B物质的a′和b′值，如果仪器十分稳定，则a和a′以及b和b′应该非常接近，因为是同样的标准物质A和B。即使由于仪器的漂移，a和a′以及b和b′有少许的差异，也可以认为仪器的漂移是线性的，及呈现稳步增加或降低的趋势，那么我们就可以通过标准物质A和B在这段时间内的漂移，来反校准实际待测物质的漂移情况，从而获取真实的待测样品的浓度或者同位素值。

所述步骤（3）中环境水体的体积与饱和磷酸二氢盐溶液体积比为（1-4）:1；视环境水体的溶解性无机碳含量而定，但最终的落脚点在于产生足够的可供测试的CO₂气体。

所述步骤（4）中进样温度为室温，色谱柱温度为50℃。

所述步骤（2）中瓶内不注入饱和磷酸二氢盐溶液，饱和磷酸二氢盐溶液在步骤（3）环境水体注入玻璃顶空瓶内后注入。

本发明的有益效果是：本发明能够摈弃无水磷酸，采用饱和磷酸二氢铵溶液（现用现配），解决磷酸在使用过程造成的不便以及反应时间长的问题。在实验室用高纯氦气（99.999%）赶净12mL顶空瓶中残留的CO₂，可以在实验室提前注入饱和磷酸二氢铵溶液，也可以在野外现场注入饱和磷酸二氢铵溶液，同时在野外可以先注入环境水体，后注入饱和磷酸二氢铵，因此操作灵活方便。本发明实现了从野外样品处理到实验室测定全过程的环境水体样品DIC含量及同位素测定的质量控制工作，能够最大程度上保证野外水体DIC含量及同位素数据的真实再现，对于研究全球碳循环以及人类活动对水体污染的影响具有重大突出作用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为无水磷酸与磷酸二氢铵处理标准物质结果。

图2为野外无水磷酸和磷酸二氢铵处理实际水体样品对比。

图3为磷酸二氢铵处理标准物质反应时间序列。

图4为本发明从野外到实验室全流程实验方法方案简图。

图5为实施例饱和磷酸二氢铵溶液野外与实验室处理环境水体样品结果对比。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明详细技术方案如下：

(1) 饱和磷酸二氢铵溶液配制工作

购买市售高纯度磷酸二氢铵固体，制取无CO₂超纯水（密理博超纯水机制取超纯水，电阻大于18MΩ，煮沸冷却待用；也可以直接用市售怡宝纯净水代替超纯水，煮沸冷却待用，二者无明显差别），根据野外样品量，配制饱和磷酸二氢铵溶液（高纯磷酸二氢铵固体溶于超纯水中，直到有固体析出）。

(2) 野外12mL玻璃顶空瓶准备工作

实验室内用高纯氦气吹扫Gasbench II专用12mL玻璃顶空瓶（英国Labco公司），可以在同位素质谱仪上检测是否有CO₂残留。吹扫过程可以在Gasbench II设备上完成，也可以在线下手动吹扫完成。

(3) 野外环境水体样品采集工作

到达野外后，先将1mL医用注射器用环境水体润洗三遍，注射器顶端配套0.45μm孔径水系滤膜，准确吸取1mL环境水体，过滤至玻璃顶空瓶内，注意不要出现气体外溢现象，注射完毕后快速拔针，然后剧烈晃动瓶体，使其反应完全。

为避免野外环境水体DIC含量较低，产生CO₂气体不能被很好检测，需要备份一份环境水体样品。野外水样过滤后，装入10mL塑料瓶或玻璃瓶内，加入几滴HgCl₂饱和溶液，一起运回实验室，尽快测定样品的DIC碳同位素值。据以往经验，碳酸盐岩地区水体一般含有较高的DIC浓度（2-5mmol/L），野外吸取1mL环境水体可以产生足够的CO₂，因此能够获取稳定可靠的碳同位素值。

(4) 实验室DIC浓度及碳同位素值测定工作

前面提到，除非发现野外环境水体样品DIC浓度过低（小于0.5mmol/L），否则不用再重新测定备份样品。

① 玻璃顶空瓶离心

野外用饱和磷酸二氢铵溶液与环境水体样品DIC产生的CO₂气体运回到实验室后，先用离心机将玻璃顶空瓶盖底部的水分甩干，防止堵塞Gasbench II进样针，然后排好顺序置于进样盘上，设定温度为室温25℃，色谱柱温度50℃，调用程序，依次测定顶空瓶内的CO₂气体。

② 建立DIC浓度方程

测定过程中事先用实验室标准物质建立DIC浓度方程，实验室标准物质可以是碳酸钠或者碳酸氢钠固体配制的溶液，浓度梯度设定为1mol/L、2mol/L和4mol/L，各自取1mL溶液置于玻璃顶空瓶内，加入饱和磷酸二氢铵溶液，产生CO₂，根据同位素质谱仪给出的CO₂峰电压数，建立CO₂浓度值与仪器信号值（电压mv数）之间的方程，用于反推实际待测样品的DIC浓度。

③ 实验室标准物质及结果校准

目前测试环境水体样品DIC碳同位素工作没有国际标准物质（比如已经标定碳同位素的碳酸氢盐溶液），主要是因为配制的碳酸氢盐溶液极易与空气CO₂发生交换反应，改变溶液碳同位素值。因此我们在实验室中需要建立实验室标准，购买高纯的碳酸氢钠固体粉末，用Gasbench II+IRMS测定其碳同位素值（根据国际标准物质，如NBS18，δ¹³C=-5.014‰VPDB）。配制的碳酸氢钠溶液（浓度在2mmol/L左右）与饱和磷酸二氢铵溶液发生酸碱反应，产生CO₂，反应彻底，碳同位素不发生分馏，因此CO₂碳同位素值应为我们借助NBS18标定的碳酸氢钠的碳同位素值。然后我们将实验室标准-碳酸氢钠溶液按照同样的方法处理后，插入到实际环境水体样品序列中，来控制仪器的漂移，我们采用的方案为每12个环境水体样品，前后放置两个不同碳同位素值的碳酸氢钠实验室标准，每个标准重复测定2次，共计4个实验室标准。最后根据实验室标准物质的碳同位素值来校准我们野外实际环境水体样品的DIC碳同位素值。

备注：SDA和SDB为实验室标准物质，经过NBS18国际标准物质（δ¹³C=-5.014‰）校准后得出其真实的δ¹³C值分别为-20.94‰和-10.48‰。

测试结果的准确性

① 实验室标准物质对比结果

选择两种实验室购买的优级纯碳酸氢钠固体粉末，配制成2mmol/L左右的溶液，对比分析加入无水磷酸和饱和磷酸二氢铵溶液的实验结果。实验室标准物质对比试验表明（附图1a和附图1b），饱和磷酸二氢铵溶液处理后标准物质碳同位素值与无水磷酸处理后得到的结果无明显差异。单因素ANOVA检验，0.05水平上，F值分别为0.8和0.9，P值均为0.3（附图1a），二者没有明显区别，因此饱和磷酸二氢铵溶液完全可以替代无水磷酸。但是两种方法得出的DIC含量值存在差异（附图1b），这可能与12mL玻璃顶空瓶内加入3滴无水磷酸和1mL饱和磷酸二氢铵溶液后，瓶内剩余体积差异明显，因此后期注入待测物质溶液1mL时，瓶内压力变化差异较大有关，注入液体时会遇到更大阻力，因此进入玻璃瓶内待测液体体积减少，差异值在150mv左右，约占总CO₂量的比例约5%左右，在误差允许范围之内。

② 野外实际样品对比结果

野外试验也证明，无论是实验室提前加入饱和磷酸二氢铵溶液，还是野外现场加入饱和磷酸二氢铵溶液，所得到的DIC碳含量和碳同位素值无明显差异（附图2a和附图2b）。因此该方法可以灵活方便地在野外对水体DIC样品进行前处理，最大程度保证野外环境水体样品DIC浓度以及碳同位素值的真实有效性。

(2) 大大缩短了反应时间

将原来的18h反应时间缩短为1.5h以内，加速了样品测试进度，同时保持样品测试精度，实验结果如附图3所示。

实施例

2018年12月采集伊河水样，现场采用饱和磷酸二氢铵溶液与现场采集并过滤水样直接反应产生CO₂，产生的CO₂一直保存在顶空瓶内，室温放置。30天后，实验室随机抽取5个样品，用饱和磷酸二氢铵溶液与野外备份的水样再次进行反应，产生CO₂，与之前采集的样品一起测试，结果如下图5所示。

从图5可以看出，无论是在野外现场直接用饱和磷酸二氢铵溶液处理水样，还是将样品运输后再用饱和磷酸二氢铵溶液处理水样，二者具有良好的线性关系，说明这种方法稳定性好。但是结果表明，野外直接处理水样得出的DIC碳同位素值更偏负，将样品运回实验室后再处理，水样的DIC碳同位素值偏正，说明发生同位素分馏，原因可能包括样品运输和保存过程中水中CO₂溢出，实验室处理过程中，如瓶盖打开，CO₂溢出等，这些环节均会导致富集轻同位素的CO₂逸散，从而造成剩余水体DIC碳同位素偏正。

因此本发明的一套从野外取样到实验室测试全过程的环境水体DIC含量及同位素获取方法是可靠的，能最大程度上保持环境水样DIC碳同位素的原始状态，最接近其真实数值，对于全球碳循环研究具有重要作用。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种环境水体溶解性无机碳含量及碳同位素值全程获取方法，其特征在于：向野外采集的水体中加入饱和磷酸二氢盐溶液，采用顶空瓶法测定水体中DIC浓度和DIC碳同位素，其步骤如下：

(1)将磷酸二氢盐固体加入到无CO₂的超纯水中，直到有磷酸二氢盐固体析出，得到饱和磷酸二氢盐溶液；

(2)利用高纯氦气吹扫玻璃顶空瓶，在同位素质谱仪上检测无CO₂残留，向瓶内注入步骤(1)的饱和磷酸二氢盐溶液；

(3)到达野外后，先将医用注射器用环境水体润洗三遍，注射器顶端配套0.45μm孔径水系滤膜，准确吸取环境水体，过滤至步骤(2)的玻璃顶空瓶内，注射完毕后快速拔针，然后剧烈晃动瓶体；

(4)利用离心机将步骤(3)装有水样的玻璃顶空瓶盖底部的水分甩干，然后置于进样盘上，依次测定顶空瓶内的CO₂气体；

(5)用实验室标准物质建立DIC浓度方程，实验室标准物质是碳酸钠或者碳酸氢钠固体配制的溶液，浓度梯度设定为1mol/L、2mol/L和4mol/L，各自取1mL溶液置于玻璃顶空瓶内，加入饱和磷酸二氢盐溶液，产生CO₂，根据同位素质谱仪给出的CO₂峰电压数，建立CO₂浓度值与仪器信号值之间的方程，用于反推实际待测样品的DIC浓度；

所述步骤(4)中进样温度为室温，色谱柱温度为50℃。

2.根据权利要求1所述的环境水体溶解性无机碳含量及碳同位素值全程获取方法，其特征在于：所述磷酸二氢盐为磷酸二氢铵。

3.根据权利要求1所述的环境水体溶解性无机碳含量及碳同位素值全程获取方法，其特征在于碳同位素值获取方法如下：

(1)配制碳酸氢钠溶液与饱和磷酸二氢铵溶液发生反应，产生CO₂，用Gasbench II和IRMS测定其碳同位素值，以该碳同位素值作为标准δ¹³C；

(2)将实验室标准-碳酸氢钠溶液按照同样的方法处理后，插入到实际环境水体样品序列中，来控制仪器的漂移，采用的方案为每12个环境水体样品，前后放置两个不同碳同位素值的碳酸氢钠实验室标准，每个标准重复测定2次，共计4个实验室标准。

4.根据权利要求1所述的环境水体溶解性无机碳含量及碳同位素值全程获取方法，其特征在于：所述步骤(3)中环境水体的体积与饱和磷酸二氢盐溶液体积比为(1-4)∶1。

5.根据权利要求1所述的环境水体溶解性无机碳含量及碳同位素值全程获取方法，其特征在于：所述步骤(2)中瓶内不注入饱和磷酸二氢盐溶液，饱和磷酸二氢盐溶液在步骤(3)环境水体注入玻璃顶空瓶内后注入。

Images