元素分析仪－稳定同位素比例质谱仪的使用及维护

严玉鹏，郭智成，张丽梅

(1.华中农业大学 资源与环境学院，湖北 武汉 430070；2.北京嘉德元素科技有限公司，北京 朝阳区 101318)

元素分析仪－稳定同位素比例质谱(EA－IRMS)分析法在同位素自然丰度和示踪分析方面得到广泛应用，具有测试速度快、结果精确、样品用量少等优点[1]。作为便捷的分析测试仪器，EAIRMS被广泛应用于地球化学、地质、环境、生物、农业、生态系统以及食品检测等各领域[2－13]。EA－IRMS技术可应用于土壤、植物等样品中H、C、N、O和S等元素的定量分析以及其稳定碳同位素比例的高效精确测定和分析。EA－IRMS的科学管理和正确使用维护，是获得良好测试数据和延长仪器使用寿命的前提和基础。本文主要介绍了EA－IRMS的基本工作原理，结合对该实验室Vario PYRO cube元素分析仪－Isoprime100稳定同位素比例质谱仪的管理和使用经验，较详细地介绍了EA－IRMS在日常管理和使用维护等方面的一些体会，希望与同行们共享。

1 EA－IRMS的工作原理

元素分析仪－稳定同位素比例质谱仪整个分析系统主要包括 Vario PYRO cube元素分析仪、Isoprime100质谱仪、稀释器和参考气进样器四部分，结构示意简图如图1(以CN模式为例)所示。

图1 元素分析仪－稳定同位素比例质谱仪系统主要装置结构简图(以CN模式为例)

1.1 元素分析仪

元素分析仪由燃烧部分、热导池检测系统和数据采集分析系统组成。IsoPrime100质谱仪适合分析简单的气体样品，如 CO2、N2、CO、SO2和H2，元素分析仪则用于将固体或液体样品转化为上述气体。

1.1.1 燃烧法工作原理

先将固体或液体样品包入锡杯后称重，再放入自动进样器的样品盘内。液体样品可使用液体封样器进行封口。分析开始后，自动进样器将样品送入燃烧管(950～1150℃)内，不同的反应模式下燃烧管的设置温度不同。在燃烧管内暂时的富氧条件下样品和锡杯发生融化、燃烧，燃烧产物随流速恒定的载气He通过氧化催化剂，氧化产物再通过随后的还原反应管。还原管中的线状铜将氮氧化物(NO、N2O和N2O2)还原成N2，将SO3还原成SO2，并且将多余的氧气吸收[14]，挥发性的卤素化合物则被位于还原管上方的银丝层吸收。经过还原管最后生成的CO2、N2和SO2(如果样品中含有N和S)通过一根或几根解吸附柱(取决于仪器类型和反应模式)，解吸附柱可将混合气中的特定气体进行物理吸附。通过对解吸附柱的温度控制，可以将所吸附的气体分别释放出来。解吸出的气体按顺序通过热导检测器 (TCD)，最后从仪器尾部放空口放出。元素分析仪和质谱仪连接后，放出的气体通过开口分流器与质谱仪的进入口连接。样品中的C、N和S同位素比值经过已知组成的参考气的脉冲峰校准后获得最终结果。参考气可以通过参考气进样器或者双路进样系统引入到质谱仪中，结构示意简图如图1所示。

1.1.2 裂解模式工作原理

先将固体样品包入银杯后称重，再放入自动进样器的样品盘内。液体水样品可使用液体进样器进样。分析开始后，自动进样器将样品送入裂解管(1 450℃)内，裂解管内填充有玻璃碳颗粒，在无氧的环境下样品通过与还原碳高温裂解转化为H2和CO，然后将分离纯化得到的纯净H2和CO气体送入质谱仪，测定其δ2H和δ18O值。

1.2 IRMS的工作原理

稳定同位素比例质谱仪与其他质谱仪一样，其结构主要可分为进样系统、离子源、质量分析器和离子流检测器、真空系统、电气系统和数据处理系统等部分构成。

稳定同位素比例质谱仪是利用离子光学和电磁原理，按照质荷比(m/e)进行分离，从而测定同位素质量和相对含量。其原理是在离子源中将从元素分析仪导入的气体分子离子化(从每个分子中剥离一个电子，导致每个分子带有一个正电荷)，接着离子化的气体经离子源加速电压加速后打入由电磁铁提供的磁场中，带电分子依质量不同而分离，含有重同位素的分子弯曲程度小于含轻同位素的分子。在离子飞行路径上，每种待测离子对应一个法拉第收集器，用以测量经过磁体分离之后，具有特定质量的离子束强度。记录并测定各离子束的强度，应用计算机程序将离子束强度转化为同位素比值，然后将待测样品与参考气相比较，得到相对于国际标准的同位素比值[15]。

2 操作流程

2.1 元素分析仪开机

1)根据实验需求，在元素分析仪上安装好CN模式的燃烧管、还原管和进样器，或HO模式的裂解管及进样器等；

2)打开电脑，选择对应的反应模式；

3)打开元素分析仪电源，做元素分析仪内部气路检漏，设置相应模式的反应温度，分析空白。

2.2 IRMS开机

1)Isoprime100质谱仪主机上没有总电源开关，在打开UPS电源及插线板电源开关后，主机即接通电源，此时主机风扇开始工作，可听到风扇转动的声音；

2)打开空气压缩机电源，等待空压机工作正常后，确认出口压力为55 psi；

3)打开He气钢瓶总阀，将分压表压力调到0.4 MPa(CN模式)或0.2 MPa(HO模式)；打开所需参考气钢瓶总阀，将分压表压力调到0.4 MPa；调节参考气进样器上各气的压力 [N2(15－20 psi)、CO(20－25 psi)、 CO2(10－15 psi)、 H2(25－30 psi)、He(0.2 MPa)]打开稀释器氦气进气阀；

4)运行IonVangtage软件；

5)确认质谱仪上黄色隔离阀处于关闭状态；

6)打开机械泵电源开关，等待1～2 min，确认机械泵工作正常；

7)旋开位于质谱仪背部连接机械泵的圆形黑色隔离阀，旋开后会露出隔离阀红色部分，注意不要完全旋松；

8)在Isoprime Tune Page窗口Instrument下拉菜单中选择Pumping，启动涡轮分子泵工作，一般需要抽真空过夜，仪器真空度才可达到理想状态；

9)真空抽好后打开黄色隔离阀，待真空稳定后，从Isoprime Tune page窗口的Instrument菜单中选择Source on，将离子源打开。

2.3 测试

1)进行参考气稳定性及线性测试，在完成参考气测试后，根据样品出锋顺序，将离子源参数调回到第一个元素所对应的参数下面；

2)编辑并建立样品(含有空白样品、标准样品和实验样品)测定序列；

3)分析测试。

2.4 EA－IRMS从待机状态到完全停机

1)关闭质谱仪上黄色隔离阀；

2)从Isoprime Tune page窗口的Instrument菜单中选择Source on，关闭离子源，在此窗口下方的Source Status状态栏中可见状态显示为 Source off，后面颜色为红色；

3)设置元素分析仪反应管的温度为零，待冷却后关闭电源；

4)关稀释器阀；

5)停止分子泵，从Isoprime Tune page窗口的Instrument菜单中选择Pumping选项，在弹出窗口中确认停止分子泵；

6)待IP TurboSpeed转速下降至10%后，关闭质谱仪背后圆形黑色隔离阀；

7)从机械泵侧面关闭机械泵电源，关空气压缩机电源；

8)按顺序关闭Ionvantage软件，关闭计算机及各个钢瓶减压阀和总阀；

9)关闭实验室电源。

3 问题分析与对策

3.1 样品分析重现性问题

首先用参考气进行稳定性和线性测试，确保质谱仪本身及参考气工作正常。如果样品分析时出现重现性和线性问题，多是由以下问题造成的:

1)漏气；

2)元素分析仪燃烧管/还原管填料需要再生或更换；

3)干燥剂需要更换；

4)燃烧管中灰分过多，需要清空灰分管；5)锡杯受到不同程度有机物污染；

6)燃烧条件设置不对，燃烧反应不完全；7)方法中的时间参数设置不对；

8)在适当的时间内基线无法下降回正常水平，检查是否有样品峰拖尾，或者由于阀切换或跳峰造成的对基线的干扰；

9)需要调整球阀吹扫的时间和流速。

3.2 线性问题

在确保质谱仪本身的稳定性和线性正常情况下，样品分析结果的非线性问题通常由以下4方面因素引起。

1)空白扣除不当:检查是否进行了空白扣除计算，系统的空白是否稳定，以及是否在合理的范围。

2)不完全燃烧:检查燃烧管内的催化剂和灰分，将灰分管清空。

3)不正确的积分参数，通过查看样品峰的积分图像进行判断。

4)方法文件中的时间参数需要进一步优化。

3.3 准确性问题

标准样品分析中持续性不准确问题，可以检查以下7方面因素:

1)检查参考气的标定值；

2)确认系统没有漏气；

3)检查确认参考气没有受到污染，参考气进样器的放空口有持续的放空气流；

4)检查元素分析仪内部和其他接口管线是否受到污染；

5)检查确认燃烧反应完全；6)检查陶瓷氧枪是否被堵塞；7)检查干燥阱(水阱)是否正常。

3.4 标准样品分析中随机性不准确问题

标准样品分析中持续性不准确问题，可以检查以下4方面因素:

1)检查元素分析仪内部和其他接口管线是否受到污染；

2)检查确认燃烧反应完全；

3)检查燃烧管状态是否正常，清理多余的灰分；

4)检查干燥阱(水阱)是否正常。

3.5 灵敏度问题

首先要确认参考气的灵敏度是正常的，只是样品峰的灵敏度出现异常。如果方法中设置使用稀释器，要检查稀释器的稀释倍数是否合理。如果以上均正常，可以检查以下因素:

1)检查元素分析仪是否漏气；

2)检查元素分析仪背部连接稀释器处的分流比是否正常，以及进入到稀释器的He气流速是否比手册的要求高很多，灵敏度问题是否发生在使用稀释器的阶段；

3)检查解析附柱的温度设置是否正常。

4 仪器维护及注意事项

4.1 仪器日常维护

元素分析仪－稳定同位素比例质谱仪是比较昂贵和精密的仪器，日常维护非常重要。

1)要保证元素分析仪－稳定同位素比例质谱仪的工作环境，温度恒定为(22±2)℃，相对湿度为45%～75%之间。

2)需要做好其他附属设备的日常维护，如空气压缩机和电子天平的维护等。

3)CN固体模式条件下，要注意大约200次实验后，要对燃烧管中的灰分管清灰，以免堵塞陶瓷氧枪；大约500～1 000次实验后，要更换燃烧管中的氧化铜填料。注意大约200次实验后，更换还原管铜填料。HO固体模式条件下，要注意大约150次实验后，要对裂解管中的灰分管清灰。

4)水阱中的干燥剂在1/2～2/3变色时，需要更换。

5)钢瓶及减压阀要经常检漏，要求使用气体的纯度应大于等于99.999%。

4.2 仪器使用注意事项

1)压缩空气钢瓶必须固定在不可移动的建筑物或坚固的墙壁上，必须要执行必要的防护措施(整个系统上配有排风设备，在适当位置安装危险气体报警器)。

2)更换新的钢瓶后，需要将管路吹扫一段时间，使残留的空气完全清除干净。可以将参考气进样器上的放空阀开大进行吹扫。

3)样品避免含有Cl/Br等卤族元素以及酸碱。

4)称样量要适当，既可以确保样品被充分反应，以保证数据的准确性，也可以节省填料铜和氧气等的消耗。

5)将锡杯或银舟折叠几次并压紧，最好形成一个球状。在折叠时特别注意不要弄破锡杯，否则会造成样品损失。将样品包成球状，不仅可以确保样品完全包裹在锡杯或银舟里，有助于随后的燃烧反应，也可以防止样品卡在自动进样器中。

6)只要质谱仪隔离阀和离子源打开，必须保证系统He气供应正常。更换He时，质谱仪隔离阀和离子源必须关闭。

7)为了避免干扰，同位素比例质谱仪部分做参考气稳定性和线性分析时，元素分析仪部分不要进样分析或做空白。

5 结束语

元素分析仪－稳定同位素比例质谱仪，在同位素自然丰度和示踪分析方面得到广泛应用。以上介绍了元素分析仪－稳定同位素比例质谱仪的工作原理、一些故障分析与维护方法。正确使用和维护保养不仅能提高分析结果的准确性，还可延长仪器的使用寿命，提高仪器的使用效率。减少仪器的故障率，是顺利开展分析检测工作的有力保障。

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