大气浓度下N2O中氮稳定同位素比值测定的GasBench-IRMS系统改造

崔杰华，孙 辞，李国琛，李 波，王颜红

(中国科学院沈阳应用生态研究所，辽宁 沈阳 110016)

人类生产和生活产生的温室气体是导致气候变暖的主要原因，如何遏制气候变暖是当今全球所面临的挑战。氧化亚氮(N2O)作为大气中最重要的温室气体之一[1-2]，对温室效应的贡献约占5%[3]，仅次于CO2和CH4。虽然大气中N2O的含量很低，仅为CO2含量的1‰，属于痕量气体，但其“寿命”超长(114年)[4]，单分子增温潜势是CO2的120～330倍，它同时参与破坏平流层臭氧而增强地表的紫外辐射[5]。研究表明，大气中N2O浓度每年以大约0.25%的速度增长[6-7]，其中80%～90%来自土壤[3]。土壤产生的N2O主要来自硝化和反硝化过程，且这两个过程同时发生[8-9]。但N2O浓度变化的检测仅能表观地反映其整个累积过程的情况，无法深入探究变化的原因及机理[10]。因此，深度研究N2O稳定同位素的组成和变化是气候、环境等学科领域的研究热点，而准确、简单、快速地检测大气中N2O的氮稳定同位素是以上研究的基础。

大气中N2O的氮稳定同位素通常采用预浓缩装置-气相色谱-同位素比值质谱仪(PreCon-GC-IRMS)进行测定。气体样品经过预浓缩装置纯化，去除水蒸气和CO2，然后低温浓缩，注入气相色谱柱中进一步分离纯化。经过GC分离后，样品气在连续的He载气流推动下进入同位素比值质谱仪，完成氮稳定同位素比值的测定[10-11]。由于PreCon系统只能离线制备待测样品，手动进样，无法实现自动连续流测定，增加了分析时间和成本。

本工作拟对多用途在线气体制备和导入系统(GasBench)进行改造，并从进样、浓缩和质谱测定技术上进行优化，对改造后的GasBench-IRMS系统进行测试，希望建立GasBench-IRMS自动测定大气中N2O氮稳定同位素比值的分析方法。

1 实验部分

1.1 主要仪器

原有的GasBench由自动顶空进样装置、除水系统和气相色谱柱组成。首先He通过一根双孔针进入样品瓶中，将样品气体置换到连接八通阀的定量环中，然后自动切换八通阀使其进入气相色谱柱，各种气体分子得到分离后进入质谱仪进行同位素测试。与PreCon-GC相比，该装置缺少化学阱及起浓缩作用的冷阱，无法纯化和浓缩大气中N2O[12-13]。另外，它的自动顶空进样装置标配是12 mL进样瓶和进样盘，进样体积较小，无法满足大气中N2O测定的要求。因此，改造的重点是在气相色谱柱前增加预浓缩装置(包括化学阱和2个自动控制的冷阱)，调整气体管路流程，并更换体积较大的样品进样瓶和进样盘，改造后的系统装置结构示意图示于图1。

自动顶空进样装置包括顶空自动进样器、54位样品盘、60 mL带有密封垫的样品瓶。

预浓缩装置包括化学阱、2个冷阱和八通阀。化学阱是填充有高氯酸镁和烧碱石棉的玻璃管，可以吸收和去除空气样品中99.99%的CO2，也可以捕获氦气流中的水分。冷阱T1是外套不锈钢管的毛细管，它能冷冻空气样品中的N2O和剩余的CO2，同时也是八通阀的采样环。冷阱T2是内径0.5 mm的不锈钢管，N2O从T1转移到T2再次被冷冻，富集浓缩。八通阀是在2个固定的方向间旋转的阀，呈现2种工作方式，示于图2。顺时针旋转是进样方式(inject)，此时He推动T2采集到的组分流向气相色谱柱，然后进入质谱仪；而从T1流出的气体和另外一路He放空。逆时针旋转是取样方式(load)，此时从T1采集到的组分流向T2，进一步冷冻收集待测组分，其它组分放空；而另外一路He放空。

图1 改造后的GasBench-IRMS分析系统装置结构示意图Fig.1 Sketch map of the modified GasBench-IRMS device

图2 八通阀两种工作方式示意图Fig.2 Two working modes of eight-way valve

MAT253同位素比值质谱仪(IRMS)：美国Thermo Fisher公司产品；气相色谱柱：Poraplot Q(25 m×0.32 mm×0.20 μm)。

1.2 主要材料与试剂

高氯酸镁、烧碱石棉、玻璃棉：均为光谱纯，美国Thermo Fisher公司产品；高纯He气(浓度≥99.999%)，高纯N2O气(浓度≥99.995%)；实验室N2O标准气体(δ15NAir值7.309‰)，液氮N2(-196 ℃)：均为沈阳顺泰特种气体有限公司产品。

1.3 气体样品采集

样品瓶插入带有注射针头的三通阀，用真空抽气泵抽真空，然后三通阀的一端连接样品气袋，打开阀门置换收集样品气，最后关闭阀门拔出注射针，或将抽成真空的样品瓶置于待测大气区域，旋开瓶塞，使大气样品进入样品瓶，随即旋紧瓶塞，待测。

1.4 实验方法

1.4.1实验条件 GasBench He压力125 kPa，Flush He压力300 kPa，色谱柱柱温25 ℃，Reference-N2O压力100 kPa，IRMS真空度1.2×10-6kPa，加速电压9.55 kV，Box电流0.44 mA，Trap电流1.06 mA。

1.4.2测定方法 大气中N2O浓度极低，需要对其进行富集浓缩，在ISODAT工作站中编辑富集浓缩的方法程序，时间设置列于表1。

样品测定流程如下：1) 八通阀处于进样方式，样品瓶中的气体被He气流带出，经过化学阱吸收大部分CO2和H2O，然后进入处于液氮的冷阱T1中，冷冻残留的少量CO2和待测组分N2O，其他易挥发组分由Vent放空。2) 八通阀处于取样方式，冷阱T1富集一定时间后，移出液氮，滞留其中的气体随温度上升流出，进入处于液氮的T2，进一步冷冻浓缩，除去残留的易挥发气体。3) 八通阀重新处于进样方式，T2移出液氮后，N2O进入气相色谱柱分离，经过Split进入IRMS。同时，每隔30 s连续10次向离子源送入标定过的高纯N2O参考气，设定4号峰为标准参考峰。参考气和样品气分别经各自气路依次经过离子源电离、质量分析器分离和离子检测器检测，并进行信号分析和处理。根据标准参考峰和样品峰离子流强度的比值，得出N2O中氮同位素δ15NAir值。

表1 N2O稳定氮同位素测定时间设置程序Table 1 Time sequence of measurement of stability nitrogen isotope in N2O

注：对于参考气、分流和冲洗，●表示打开阀，○表示关闭阀；对于冷阱1和冷阱2，●表示放入液氮罐，○表示提出液氮罐；对于阀，●表示八通阀为进样模式，○表示八通阀为取样模式

1.4.3富集和浓缩时间选择 在1.4.2节所述的方法下，通过ISODAT中方法时间程序设定冷阱T1的富集时间为800、900、1 000、1 100、1 200、1 300和1 400 s，冷阱T2的浓缩时间为300、400、500和600 s，分别测定不同收集时间下大气中N2O离子强度，根据其相关性确定采样时间。

1.4.4系统线性测试 将GasBench的参考气N2O压力调为40 kPa，通过ISODAT方法时间程序设置，由表1中所述的20 s起每隔30 s连续11次向IRMS离子源通入标定过的高纯N2O参考气，每次通气20 s，并设定2号峰为标准样品峰，调用该时间程序，启动IRMS质谱扫描；同时通过GasBench上的Reference阀调节参考气的流量，每通入一组N2O参考气后，在间隔的30 s内增大压力20 kPa。最后在IRMS中得到11组离子流强度依次增大的参考气N2O的稳定氮同位素质谱图及其对应的δ15NAir值。

1.4.5系统稳定性测试 将GasBench的参考气N2O压力分别设定为100、160和220 kPa，按1.4.2节所述方法设置时间程序，在不同的压力条件下，分别连续11次重复注入恒定流量的高纯工作标准N2O进行On/Off检测，即在IRMS中得到3组离子流强度相对一致的工作参考气N2O的稳定氮同位素质谱图及其对应的δ15NAir值，统计其标准偏差，以检验系统的稳定性。

1.4.6方法准确性验证 将高纯N2O标准气体用99.999%高纯He气稀释至近大气N2O浓度，配制成大约400 mg/L的N2O标准样品气。采用改造后的GasBench系统，依照所述条件与方法测定配制N2O标准样品气的δ15NAir值，与N2O标准气的氮稳定同位素标准值进行比较，并统计其标准偏差和回收率，以检验方法的准确性和精密度。

2 结果与讨论

2.1 样品富集浓缩时间的确定

GasBench改造的重点是在气相色谱柱前增加浓缩装置，包括化学阱和2个冷阱。化学阱的作用是去除样品中的CO2，而冷阱的作用是利用液氮富集浓缩样品中的N2O气体，其中冷阱T1用于大量地富集目的气体，冷阱T2则是进一步浓缩纯化。因此，样品富集浓缩时间是测定N2O的关键，直接影响δ15NAir值的准确性。

基于1.4.3节的测定数据，拟合不同采样时间与所获得的N2O分子电离后产生m/z44离子流强度的相关性，结果示于图3。可以看出，N2O产生的m/z44离子流强度随样品在冷阱T1中采样时间的增加而增加，在1 000 s后趋于稳定，虽在1 400 s时有明显的增强，但δ15NAir值相差不大。因此，为了避免样品测定时间过长，设定冷阱T1富集时间为1 000 s。冷阱T2的浓缩时间对m/z44离子流强度影响不大，选择300 s即可满足分析要求。

图3 冷阱T1富集时间(a)、冷阱T2浓缩时间(b)与m/z 44离子流强度的关系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系统的线性与稳定性测试

2.2.1线性测试 按1.4.4节所述方法，获得11组不同流量N2O的m/z44离子流强度和对应的δ15NAir值，结果列于表2。δ15NAir值变化不大，其平均值为7.183‰，标准偏差为0.056‰。另外，将δ15NAir值和m/z44离子流强度进行线性拟合统计，结果示于图4。图中曲线斜率为-5e-5，无限接近于0，说明δ15NAir值随m/z44离子流强度的增加而变化不大，证明仪器系统状态良好。

表2 系统的线性测试结果Table 2 Linear of GasBench-IRMS system instrument

图4 系统的线性范围测试结果Fig.4 Linear range of GasBench-IRMS system instrument

2.2.2稳定性测试 按1.4.5节所述方法，在不同的压力条件下，连续11次重复注入恒定流量的高纯工作标准N2O进行标准On/Off检测，分别得到3组δ15NAir值，计算其标准偏差，具体结果列于表3。可以看出，δ15NAir测定值的标准偏差均小于0.04‰，可达到仪器稳定性指标0.05‰的要求，表明该系统的测量稳定性较高。

表3 系统的测试稳定性Table 3 Stability of GasBench-IRMS system instrument

2.3 方法准确性测试

依据1.4.6节所述方法测定N2O标准样品气的稳定氮同位素组成，将测定结果与N2O标准气的氮同位素标准值进行比较，以评价该方法的测定准确性和精密度。标准样品气的11次δ15NAir测定结果列于表4。由测定结果可知，标准样品气中N2O的δ15NAir平均值为7.253‰，标准偏差为0.140‰，接近于标准气的氮同位素标准值(7.309‰)，说明该方法对大气N2O稳定氮同位素组成的测定是可靠的。

3 结论

本实验将GasBench-IRMS系统增加在线自动进样和样品预浓缩装置，能够产生纯化的气体样品，保证同位素质谱仪的分析测试要求。改造后的系统用于空气背景浓度下N2O中氮稳定同位素比值的测定，具有全自动进样、操作简便、精度较高(偏差)等优点；同时具有良好的线性(S<0.06‰/V)和稳定性(S.D<0.038‰)，标准样品气中N2O的δ15NAir测试值接近于标准值，可应用于温室气体效应、生态系统氮循环以及氮稳定同位素示踪等研究。

表4 标准样品气的δ15NAir测定结果Table 4 Measurement of δ15NAir for standard sample