大氣濃度下N2O中氮穩(wěn)定同位素比值測(cè)定的GasBench-IRMS系統(tǒng)改造

崔杰華，孫 辭，李國(guó)琛，李 波，王顏紅

(中國(guó)科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所，遼寧 沈陽 110016)

人類生產(chǎn)和生活產(chǎn)生的溫室氣體是導(dǎo)致氣候變暖的主要原因，如何遏制氣候變暖是當(dāng)今全球所面臨的挑戰(zhàn)。氧化亞氮(N2O)作為大氣中最重要的溫室氣體之一[1-2]，對(duì)溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)約占5%[3]，僅次于CO2和CH4。雖然大氣中N2O的含量很低，僅為CO2含量的1‰，屬于痕量氣體，但其“壽命”超長(zhǎng)(114年)[4]，單分子增溫潛勢(shì)是CO2的120～330倍，它同時(shí)參與破壞平流層臭氧而增強(qiáng)地表的紫外輻射[5]。研究表明，大氣中N2O濃度每年以大約0.25%的速度增長(zhǎng)[6-7]，其中80%～90%來自土壤[3]。土壤產(chǎn)生的N2O主要來自硝化和反硝化過程，且這兩個(gè)過程同時(shí)發(fā)生[8-9]。但N2O濃度變化的檢測(cè)僅能表觀地反映其整個(gè)累積過程的情況，無法深入探究變化的原因及機(jī)理[10]。因此，深度研究N2O穩(wěn)定同位素的組成和變化是氣候、環(huán)境等學(xué)科領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，而準(zhǔn)確、簡(jiǎn)單、快速地檢測(cè)大氣中N2O的氮穩(wěn)定同位素是以上研究的基礎(chǔ)。

大氣中N2O的氮穩(wěn)定同位素通常采用預(yù)濃縮裝置-氣相色譜-同位素比值質(zhì)譜儀(PreCon-GC-IRMS)進(jìn)行測(cè)定。氣體樣品經(jīng)過預(yù)濃縮裝置純化，去除水蒸氣和CO2，然后低溫濃縮，注入氣相色譜柱中進(jìn)一步分離純化。經(jīng)過GC分離后，樣品氣在連續(xù)的He載氣流推動(dòng)下進(jìn)入同位素比值質(zhì)譜儀，完成氮穩(wěn)定同位素比值的測(cè)定[10-11]。由于PreCon系統(tǒng)只能離線制備待測(cè)樣品，手動(dòng)進(jìn)樣，無法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)連續(xù)流測(cè)定，增加了分析時(shí)間和成本。

本工作擬對(duì)多用途在線氣體制備和導(dǎo)入系統(tǒng)(GasBench)進(jìn)行改造，并從進(jìn)樣、濃縮和質(zhì)譜測(cè)定技術(shù)上進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)改造后的GasBench-IRMS系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，希望建立GasBench-IRMS自動(dòng)測(cè)定大氣中N2O氮穩(wěn)定同位素比值的分析方法。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要儀器

原有的GasBench由自動(dòng)頂空進(jìn)樣裝置、除水系統(tǒng)和氣相色譜柱組成。首先He通過一根雙孔針進(jìn)入樣品瓶中，將樣品氣體置換到連接八通閥的定量環(huán)中，然后自動(dòng)切換八通閥使其進(jìn)入氣相色譜柱，各種氣體分子得到分離后進(jìn)入質(zhì)譜儀進(jìn)行同位素測(cè)試。與PreCon-GC相比，該裝置缺少化學(xué)阱及起濃縮作用的冷阱，無法純化和濃縮大氣中N2O[12-13]。另外，它的自動(dòng)頂空進(jìn)樣裝置標(biāo)配是12 mL進(jìn)樣瓶和進(jìn)樣盤，進(jìn)樣體積較小，無法滿足大氣中N2O測(cè)定的要求。因此，改造的重點(diǎn)是在氣相色譜柱前增加預(yù)濃縮裝置(包括化學(xué)阱和2個(gè)自動(dòng)控制的冷阱)，調(diào)整氣體管路流程，并更換體積較大的樣品進(jìn)樣瓶和進(jìn)樣盤，改造后的系統(tǒng)裝置結(jié)構(gòu)示意圖示于圖1。

自動(dòng)頂空進(jìn)樣裝置包括頂空自動(dòng)進(jìn)樣器、54位樣品盤、60 mL帶有密封墊的樣品瓶。

預(yù)濃縮裝置包括化學(xué)阱、2個(gè)冷阱和八通閥。化學(xué)阱是填充有高氯酸鎂和燒堿石棉的玻璃管，可以吸收和去除空氣樣品中99.99%的CO2，也可以捕獲氦氣流中的水分。冷阱T1是外套不銹鋼管的毛細(xì)管，它能冷凍空氣樣品中的N2O和剩余的CO2，同時(shí)也是八通閥的采樣環(huán)。冷阱T2是內(nèi)徑0.5 mm的不銹鋼管，N2O從T1轉(zhuǎn)移到T2再次被冷凍，富集濃縮。八通閥是在2個(gè)固定的方向間旋轉(zhuǎn)的閥，呈現(xiàn)2種工作方式，示于圖2。順時(shí)針旋轉(zhuǎn)是進(jìn)樣方式(inject)，此時(shí)He推動(dòng)T2采集到的組分流向氣相色譜柱，然后進(jìn)入質(zhì)譜儀；而從T1流出的氣體和另外一路He放空。逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)是取樣方式(load)，此時(shí)從T1采集到的組分流向T2，進(jìn)一步冷凍收集待測(cè)組分，其它組分放空；而另外一路He放空。

圖1 改造后的GasBench-IRMS分析系統(tǒng)裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Sketch map of the modified GasBench-IRMS device

圖2 八通閥兩種工作方式示意圖Fig.2 Two working modes of eight-way valve

MAT253同位素比值質(zhì)譜儀(IRMS)：美國(guó)Thermo Fisher公司產(chǎn)品；氣相色譜柱：Poraplot Q(25 m×0.32 mm×0.20 μm)。

1.2 主要材料與試劑

高氯酸鎂、燒堿石棉、玻璃棉：均為光譜純，美國(guó)Thermo Fisher公司產(chǎn)品；高純He氣(濃度≥99.999%)，高純N2O氣(濃度≥99.995%)；實(shí)驗(yàn)室N2O標(biāo)準(zhǔn)氣體(δ15NAir值7.309‰)，液氮N2(-196 ℃)：均為沈陽順泰特種氣體有限公司產(chǎn)品。

1.3 氣體樣品采集

樣品瓶插入帶有注射針頭的三通閥，用真空抽氣泵抽真空，然后三通閥的一端連接樣品氣袋，打開閥門置換收集樣品氣，最后關(guān)閉閥門拔出注射針，或?qū)⒊槌烧婵盏臉悠菲恐糜诖郎y(cè)大氣區(qū)域，旋開瓶塞，使大氣樣品進(jìn)入樣品瓶，隨即旋緊瓶塞，待測(cè)。

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

1.4.1實(shí)驗(yàn)條件 GasBench He壓力125 kPa，F(xiàn)lush He壓力300 kPa，色譜柱柱溫25 ℃，Reference-N2O壓力100 kPa，IRMS真空度1.2×10-6kPa，加速電壓9.55 kV，Box電流0.44 mA，Trap電流1.06 mA。

1.4.2測(cè)定方法 大氣中N2O濃度極低，需要對(duì)其進(jìn)行富集濃縮，在ISODAT工作站中編輯富集濃縮的方法程序，時(shí)間設(shè)置列于表1。

樣品測(cè)定流程如下：1) 八通閥處于進(jìn)樣方式，樣品瓶中的氣體被He氣流帶出，經(jīng)過化學(xué)阱吸收大部分CO2和H2O，然后進(jìn)入處于液氮的冷阱T1中，冷凍殘留的少量CO2和待測(cè)組分N2O，其他易揮發(fā)組分由Vent放空。2) 八通閥處于取樣方式，冷阱T1富集一定時(shí)間后，移出液氮，滯留其中的氣體隨溫度上升流出，進(jìn)入處于液氮的T2，進(jìn)一步冷凍濃縮，除去殘留的易揮發(fā)氣體。3) 八通閥重新處于進(jìn)樣方式，T2移出液氮后，N2O進(jìn)入氣相色譜柱分離，經(jīng)過Split進(jìn)入IRMS。同時(shí)，每隔30 s連續(xù)10次向離子源送入標(biāo)定過的高純N2O參考?xì)?，設(shè)定4號(hào)峰為標(biāo)準(zhǔn)參考峰。參考?xì)夂蜆悠窔夥謩e經(jīng)各自氣路依次經(jīng)過離子源電離、質(zhì)量分析器分離和離子檢測(cè)器檢測(cè)，并進(jìn)行信號(hào)分析和處理。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)參考峰和樣品峰離子流強(qiáng)度的比值，得出N2O中氮同位素δ15NAir值。

表1 N2O穩(wěn)定氮同位素測(cè)定時(shí)間設(shè)置程序Table 1 Time sequence of measurement of stability nitrogen isotope in N2O

注：對(duì)于參考?xì)?、分流和沖洗，●表示打開閥，○表示關(guān)閉閥；對(duì)于冷阱1和冷阱2，●表示放入液氮罐，○表示提出液氮罐；對(duì)于閥，●表示八通閥為進(jìn)樣模式，○表示八通閥為取樣模式

1.4.3富集和濃縮時(shí)間選擇 在1.4.2節(jié)所述的方法下，通過ISODAT中方法時(shí)間程序設(shè)定冷阱T1的富集時(shí)間為800、900、1 000、1 100、1 200、1 300和1 400 s，冷阱T2的濃縮時(shí)間為300、400、500和600 s，分別測(cè)定不同收集時(shí)間下大氣中N2O離子強(qiáng)度，根據(jù)其相關(guān)性確定采樣時(shí)間。

1.4.4系統(tǒng)線性測(cè)試 將GasBench的參考?xì)釴2O壓力調(diào)為40 kPa，通過ISODAT方法時(shí)間程序設(shè)置，由表1中所述的20 s起每隔30 s連續(xù)11次向IRMS離子源通入標(biāo)定過的高純N2O參考?xì)?，每次通?0 s，并設(shè)定2號(hào)峰為標(biāo)準(zhǔn)樣品峰，調(diào)用該時(shí)間程序，啟動(dòng)IRMS質(zhì)譜掃描；同時(shí)通過GasBench上的Reference閥調(diào)節(jié)參考?xì)獾牧髁?，每通入一組N2O參考?xì)夂?，在間隔的30 s內(nèi)增大壓力20 kPa。最后在IRMS中得到11組離子流強(qiáng)度依次增大的參考?xì)釴2O的穩(wěn)定氮同位素質(zhì)譜圖及其對(duì)應(yīng)的δ15NAir值。

1.4.5系統(tǒng)穩(wěn)定性測(cè)試 將GasBench的參考?xì)釴2O壓力分別設(shè)定為100、160和220 kPa，按1.4.2節(jié)所述方法設(shè)置時(shí)間程序，在不同的壓力條件下，分別連續(xù)11次重復(fù)注入恒定流量的高純工作標(biāo)準(zhǔn)N2O進(jìn)行On/Off檢測(cè)，即在IRMS中得到3組離子流強(qiáng)度相對(duì)一致的工作參考?xì)釴2O的穩(wěn)定氮同位素質(zhì)譜圖及其對(duì)應(yīng)的δ15NAir值，統(tǒng)計(jì)其標(biāo)準(zhǔn)偏差，以檢驗(yàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1.4.6方法準(zhǔn)確性驗(yàn)證 將高純N2O標(biāo)準(zhǔn)氣體用99.999%高純He氣稀釋至近大氣N2O濃度，配制成大約400 mg/L的N2O標(biāo)準(zhǔn)樣品氣。采用改造后的GasBench系統(tǒng)，依照所述條件與方法測(cè)定配制N2O標(biāo)準(zhǔn)樣品氣的δ15NAir值，與N2O標(biāo)準(zhǔn)氣的氮穩(wěn)定同位素標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，并統(tǒng)計(jì)其標(biāo)準(zhǔn)偏差和回收率，以檢驗(yàn)方法的準(zhǔn)確性和精密度。

2 結(jié)果與討論

2.1 樣品富集濃縮時(shí)間的確定

GasBench改造的重點(diǎn)是在氣相色譜柱前增加濃縮裝置，包括化學(xué)阱和2個(gè)冷阱?；瘜W(xué)阱的作用是去除樣品中的CO2，而冷阱的作用是利用液氮富集濃縮樣品中的N2O氣體，其中冷阱T1用于大量地富集目的氣體，冷阱T2則是進(jìn)一步濃縮純化。因此，樣品富集濃縮時(shí)間是測(cè)定N2O的關(guān)鍵，直接影響δ15NAir值的準(zhǔn)確性。

基于1.4.3節(jié)的測(cè)定數(shù)據(jù)，擬合不同采樣時(shí)間與所獲得的N2O分子電離后產(chǎn)生m/z44離子流強(qiáng)度的相關(guān)性，結(jié)果示于圖3?？梢钥闯?，N2O產(chǎn)生的m/z44離子流強(qiáng)度隨樣品在冷阱T1中采樣時(shí)間的增加而增加，在1 000 s后趨于穩(wěn)定，雖在1 400 s時(shí)有明顯的增強(qiáng)，但δ15NAir值相差不大。因此，為了避免樣品測(cè)定時(shí)間過長(zhǎng)，設(shè)定冷阱T1富集時(shí)間為1 000 s。冷阱T2的濃縮時(shí)間對(duì)m/z44離子流強(qiáng)度影響不大，選擇300 s即可滿足分析要求。

圖3 冷阱T1富集時(shí)間(a)、冷阱T2濃縮時(shí)間(b)與m/z 44離子流強(qiáng)度的關(guān)系Fig.3 Correlations of freeze trap concentrating time of T1 (a) and T2 (b) vs m/z 44 ion intensity

2.2 改造后GasBench系統(tǒng)的線性與穩(wěn)定性測(cè)試

2.2.1線性測(cè)試 按1.4.4節(jié)所述方法，獲得11組不同流量N2O的m/z44離子流強(qiáng)度和對(duì)應(yīng)的δ15NAir值，結(jié)果列于表2。δ15NAir值變化不大，其平均值為7.183‰，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.056‰。另外，將δ15NAir值和m/z44離子流強(qiáng)度進(jìn)行線性擬合統(tǒng)計(jì)，結(jié)果示于圖4。圖中曲線斜率為-5e-5，無限接近于0，說明δ15NAir值隨m/z44離子流強(qiáng)度的增加而變化不大，證明儀器系統(tǒng)狀態(tài)良好。

表2 系統(tǒng)的線性測(cè)試結(jié)果Table 2 Linear of GasBench-IRMS system instrument

圖4 系統(tǒng)的線性范圍測(cè)試結(jié)果Fig.4 Linear range of GasBench-IRMS system instrument

2.2.2穩(wěn)定性測(cè)試 按1.4.5節(jié)所述方法，在不同的壓力條件下，連續(xù)11次重復(fù)注入恒定流量的高純工作標(biāo)準(zhǔn)N2O進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)On/Off檢測(cè)，分別得到3組δ15NAir值，計(jì)算其標(biāo)準(zhǔn)偏差，具體結(jié)果列于表3?？梢钥闯?，δ15NAir測(cè)定值的標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于0.04‰，可達(dá)到儀器穩(wěn)定性指標(biāo)0.05‰的要求，表明該系統(tǒng)的測(cè)量穩(wěn)定性較高。

表3 系統(tǒng)的測(cè)試穩(wěn)定性Table 3 Stability of GasBench-IRMS system instrument

2.3 方法準(zhǔn)確性測(cè)試

依據(jù)1.4.6節(jié)所述方法測(cè)定N2O標(biāo)準(zhǔn)樣品氣的穩(wěn)定氮同位素組成，將測(cè)定結(jié)果與N2O標(biāo)準(zhǔn)氣的氮同位素標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，以評(píng)價(jià)該方法的測(cè)定準(zhǔn)確性和精密度。標(biāo)準(zhǔn)樣品氣的11次δ15NAir測(cè)定結(jié)果列于表4。由測(cè)定結(jié)果可知，標(biāo)準(zhǔn)樣品氣中N2O的δ15NAir平均值為7.253‰，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.140‰，接近于標(biāo)準(zhǔn)氣的氮同位素標(biāo)準(zhǔn)值(7.309‰)，說明該方法對(duì)大氣N2O穩(wěn)定氮同位素組成的測(cè)定是可靠的。

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)將GasBench-IRMS系統(tǒng)增加在線自動(dòng)進(jìn)樣和樣品預(yù)濃縮裝置，能夠產(chǎn)生純化的氣體樣品，保證同位素質(zhì)譜儀的分析測(cè)試要求。改造后的系統(tǒng)用于空氣背景濃度下N2O中氮穩(wěn)定同位素比值的測(cè)定，具有全自動(dòng)進(jìn)樣、操作簡(jiǎn)便、精度較高(偏差)等優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)具有良好的線性(S<0.06‰/V)和穩(wěn)定性(S.D<0.038‰)，標(biāo)準(zhǔn)樣品氣中N2O的δ15NAir測(cè)試值接近于標(biāo)準(zhǔn)值，可應(yīng)用于溫室氣體效應(yīng)、生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)以及氮穩(wěn)定同位素示蹤等研究。

表4 標(biāo)準(zhǔn)樣品氣的δ15NAir測(cè)定結(jié)果Table 4 Measurement of δ15NAir for standard sample