气相色谱-热转换-同位素比值质谱法测定单体氢同位素稳定性的影响因素分析

曹蕴宁，刘卫国,2

(1.中国科学院地球环境研究所，黄土与第四纪地质国家重点实验室，陕西 西安 710061；2.中国科学院大学，北京 100049)

自从20世纪90年代建立气相色谱-热转换-同位素比值质谱(GC-TC-IRMS)法测定单体化合物氢同位素以来[1]，该方法已在古气候、古环境、生物地球化学、石油天然气、食品等诸多领域得到广泛应用[2-6]。如Liu等[7-8]的研究表明，氢同位素可以作为黄土高原地区定量重建古气候的代用指标，但使用植物叶蜡氢同位素进行古气候重建需考虑植物种类的影响。Jia等[9]的研究认为，高等植物正构烷烃氢同位素有作为古高度重建代用指标的应用前景。Hou等[10]对于早全新世以来美国马萨诸塞州Blood Pond的生物标记化合物的十年至数十年分辨率的C22烷酸的氢同位素记录，可揭示该时期的温度和AMOC变化。Liu等[11]利用全新世以来青海湖沉积物叶蜡长链正构烷烃氢同位素的变化重建了季风及降水演化历史，对早全新世青海湖水位变化进行了新的评估。

由于氢是自然界质量数最小的元素，它的2种稳定同位素相对丰度相差极大(2H的相对丰度仅0.015%)，故高精度和高准确度的氢同位素分析是单体氢同位素深入研究和发展的基础和保证。而采用GC-TC-IRMS法进行单体氢同位素测定，会有诸多因素影响测定结果。Liu等[12]研究了气相色谱升温程序对单体氢同位素测定结果的影响；Cao等[13]研究了氢裂解管的涂碳方法对测定结果的影响；李立武等[14]研究了热转换温度、进样量和分流比等条件对氢同位素测定结果的影响；李中平等[15]研究了分流比对甲烷样品氢同位素测定结果的影响。

此外，目前国际上对有机分子化合物氢同位素的测定也存在稳定性较差的问题，因此很多实验室要求1个样品重复测定2～3次[16-22]，并且要加入很多的工作标准控制实验结果的校正。这样，不仅浪费了时间、加大了实验消耗，测定结果也会由于标准结果测定的不确定性带来误差。因此，获得稳定、准确的测定结果是利用GC-TC-IRMS分析单体氢同位素急需解决的技术问题。

本工作拟通过大量的条件实验，跟踪GC-TC-IRMS系统使用同一根裂解管连续4个多月测试近1 100个样品获得的标样氢同位素结果，分析GC-TC-IRMS系统获得长期稳定性的影响因素，希望获取有效的分析方法，为提高该系统测定有机化合物氢同位素结果的稳定性及精确度提供参考。

1 实验部分

1.1 试剂和样品

实验室工作标样(C21、C25、C27、C29、C31和C33正构烷烃)：固体粉末，纯度≥99.5%，美国Fluka公司产品；国际标样VSMOW(δ2HVSMOW=0‰)和GISP(δ2HVSMOW=-189.5±1.2‰)：由国际原子能机构提供；印第安纳国际标样(正构烷烃C25、C29和C32)：纯度≥99.5%，由美国印第安纳大学提供；正己烷(高效液相色谱级)，二氯甲烷(农残级)：上海安谱公司产品；甲苯：高效液相色谱级，德国Merck公司产品；氢气参考气：纯度≥99.999 2%，空气化工产品(淄博)有限公司产品；氦气：纯度≥99.999%，北京氦普北分气体工业有限公司产品；甲烷气：纯度≥99.99%，成都天然气化工总厂产品。

实验样品分别来自植物、表土、沉积物等天然样品抽提纯化所得的正构烷烃或衍生化后的脂肪酸甲酯。

1.2 仪器及工作条件

1.2.1仪器 气相色谱-热转换-同位素比值质谱系统：由Delta V Advantage稳定同位素比值质谱仪、Trace GC Ultra气相色谱和GC-C/TC Ⅲ接口装置组成，均为美国Thermo公司产品；氢裂解管(陶瓷管，内径0.55 mm，长度320 mm)：美国Thermo Fisher公司产品，原产地德国。

裂解炉温度设定为1 430 ℃。单体化合物由气相色谱分离后，经过裂解管裂解，定量转化为H2，再由载气通过open split装置带入质谱离子源进行2H/1H比值测定。

1.2.2色谱条件 Agilent HP-1MS毛细管色谱柱(60 m×0.32 mm×0.25 μm)；进样口温度290 ℃，分流/不分流模式进样，不分流时间1 min，分流流速60 mL/min；载气(He)流速1.0 mL/min，恒流工作模式；升温程序：起始温度40 ℃，保持1 min，以10 ℃/min升至150 ℃，以6 ℃/min升至310 ℃，保持10 min，再以6 ℃/min升至315 ℃，保持10 min。

1.2.3质谱条件 电子轰击(EI)离子源；加速电压3.09 kV；阱电压40.0 V；电子能量100 eV；阴极发射电流1.5 mA；接收器：多接收法拉第杯。

1.3 实验方法

样品测试前，先对氢裂解管进行涂碳处理，涂碳方法详见文献[13]。天然样品正构烷烃组分和脂肪酸甲酯组分的抽提纯化方法参考相关文献[7,23-24]。对于受非正构组分干扰较大的正构烷烃样品，采用尿素络合的方法能够消除杂质峰的干扰，实现较好地提纯[25]。

印第安纳国际标样：由美国印第安纳大学的C25、C29和C32正构烷烃固体溶于甲苯配制而成，浓度约为300 mg/L。实验室工作标样：由购自美国Fluka公司的C21、C25、C27、C29、C31和C33正构烷烃固体溶于甲苯配制而成，浓度约为300 mg/L。氢同位素比值相对氢气参考气测定给出，氢气参考气在MAT 252双路进样系统上用国际标样VSMOW(δ2HVSMOW=0‰)和GISP(δ2HVSMOW=-189.5±1.2‰)标定为-255±2‰。实验室工作标样C21、C25、C27、C29、C31和C33正构烷烃的δ2H值在GC-TC-IRMS系统上标定，当仪器达到稳定状态后多次重复测试印第安纳标样C25(δ2HVSMOW=-215.8±1.6‰)、C29(δ2HVSMOW=-242.6±2.9‰)和C32(δ2HVSMOW=-212.4±1.0%)正构烷烃的δ2H值，待其值稳定且均与给定值在±3‰误差范围内后，再多次重复测定实验室工作标样，求得δ2H平均值作为实验室工作标样的标定值。标定的C21、C25、C27、C29、C31和C33正构烷烃的氢同位素比值分别为-219±1.2‰、-128±1.8‰、-180±1.6‰、-243±1.5‰、-146±1.1‰及-195±2.0‰(相对于VSMOW)。测定过程中，每天检测Ar、H2O、H2等本底，其本底值变化范围分别为20～25 mV、400～800 mV、165～180 mV。每天测定氢气参考气的稳定性和H3+因子。H3+因子的变化小于0.1×10-6nA/天。测定过程中，每5个天然样品测定1个实验室工作标样。

2 结果与讨论

2.1 测量长期稳定性

将2017年3～7月GC-TC-IRMS系统使用同一根裂解管连续测试的实验室工作标样C21、C25、C27、C29、C31和C33正构烷烃氢同位素结果进行统计，共测定实验室工作标样293个。实验室工作标样各碳数峰的氢同位素测定结果统计示于图1。GC-TC-IRMS系统达到稳定状态后，工作标样各碳数峰氢同位素测定平均值与标准偏差值列于表1。C21、C25、C27、C29、C31及C33正构烷烃氢同位素的测定均值分别为(-216±1.6)‰、(-129±1.6)‰、(-180±1.5)‰、(-244±1.8)‰、(-146±1.7)‰及(-195±1.9)‰，各碳数的测量精度均优于2‰。而各碳数均值与标定值的差值除第1个碳数C21为2.7‰外，其余的均优于2‰。以上数据表明，在严格的实验条件下，实验室工作标样单体氢同位素的比值可以保持长期稳定且准确。

注：a.C21正构烷烃；b.C25正构烷烃；c.C27正构烷烃；d.C29正构烷烃；e.C31正构烷烃；f.C33正构烷烃；g.图a的局部放大图图1 实验室正构烷烃工作标样氢同位素测定结果Fig.1 Hydrogen isotopes of n-alkanes working standards

表1 实验室正构烷烃工作标样氢同位素均值Table 1 Mean values of hydrogen isotopes of n-alkanes working standards

2.2 不同碳数峰达到稳定状态所需时间比较

新裂解管为空的氧化铝管，必须经涂碳处理后测定样品才能提高有机物的裂解效率，获得准确的氢同位素比值[13,26-27]，本实验采用的涂碳方法为反吹状态通甲烷3 s。实验室工作标样氢同位素测定结果示于图1，各碳数峰的氢同位素比值在炉管使用的初始阶段均变化剧烈，且呈现快速由负偏向正的趋势。在分析数据时，使用的原则是当连续3个测定结果在3‰误差范围内时，则认为该碳数峰的测试达到稳定状态。根据此原则，将最初变化剧烈的，达到稳定状态前的氢同位素比值用线性趋势线拟合，通过比较趋势线的斜率值判断不同碳数峰达到稳定值的速度。相对斜率值越大，氢同位素比值偏正的速度越快，即趋于稳定状态的速度越快。

C21正构烷烃氢同位素比值由-229‰迅速正偏，连续测定8个样品后，其氢同位素测定值与标定值-219‰的误差均在±3‰以内，但C21正构烷烃氢同位素的测定均值为-216‰，与标定值相比偏正2.7‰，故本实验以平均值(-216±3)‰来判定结果是否达到稳定值。图1中，C21、C25、C27、C29、C31及C33正构烷烃分别在连续测定22、27、30、38、37及35个样品后，达到与测定均值误差小于3‰的稳定状态。

C25、C27、C29、C31及C33正构烷烃测定均值与标定值的差值分别为-0.8‰、-0.1‰、-1.6‰、-0.3‰、0‰。可见，第1个峰C21的测定误差相对较大，这在前人的研究中也有报道[19]。图1显示，达到稳定状态前C21～C33正构烷烃氢同位素结果的线性拟合趋势线的斜率分别为0.380 4、0.124、0.147 9、0.125 8、0.066 5、0.104 7。C21正构烷烃氢同位素结果的线性拟合趋势线斜率最大，且明显大于其他碳数峰，表明低碳数C21正构烷烃氢同位素比值达到稳定值的时间最短、速度最快。

为清晰地展示C21正构烷烃氢同位素结果从初始到稳定状态的变化，图1a的局部细节放大图示于图1g。C25～C33正构烷烃随链长增加，达到稳定状态所需时间呈增加趋势，这可能是由于低碳数峰C21相对容易裂解为C+H2，炉管高温区有相对少量碳即可达到高的裂解效率，所以达到稳定值的时间最短。而随着正构烷烃碳数的增加，裂解时需要破坏的碳链数增加，每个基团还要裂解为C+H2，其裂解难度相应增大，炉管高温区需要更多的碳才能达到较高的裂解效率，因此达到稳定状态所需时间呈增加趋势(测试时，反吹通甲烷3 s的涂碳方法和样品裂解本身都会给炉管内涂碳)。

2.3 影响GC-TC/IRMS系统长期稳定性的因素分析

本实验使用炉管连续测试时间为4个多月，测试的样品数共计近1 100个，其中包括293个实验室工作标样，460个天然样品中提取的正构烷烃样品和310个脂肪酸甲酯样品。根据表1的统计结果，在测试达到稳定状态后，实验室正构烷烃工作标样C21～C33碳数峰氢同位素均可获得优于2‰的标准偏差。

分析此炉管长期连续获得高精度氢同位素比值的影响因素，可能有以下几个方面：1) 实验过程始终严格控制仪器状态，尤其要保证系统的气密性，保持色谱进样口衬管洁净，色谱柱无污染，尽量减少空白本底，这是仪器能够准确进行氢同位素分析的基本条件。2) 从氢裂解管的品质角度分析，统计对比不同品牌、不同批次裂解管近年来的使用寿命，结果列于表2。可见，不同裂解管的连续使用寿命差异很大，最短的使用6天即出现明显泄漏，平均使用寿命约为1个半月。文献[20]报道通常连续使用2～4周必须更换炉管。本实验使用的是表2中序号17的裂解管，在1 430 ℃高温下连续使用超过4个多月炉管才出现明显泄漏。3) 从样品色谱图分析，此裂解管测试的天然样品的气相色谱图基线良好，正构烷烃和脂肪酸甲酯组分峰均较纯净，分离良好，典型谱图示于图2。可见，较纯净的有机分子化合物样品不仅对气相色谱进样口及色谱柱造成的污染小，而且炉管内碳的积累速度相对缓慢，故测试的稳定状态能够长期保持。相反，测试一批色谱图有大鼓包或基线高的样品，典型谱图示于图3。不仅进样口和色谱柱易污染，影响结果的稳定性，而且由于有大量非目标化合物进入裂解管，裂解后会产生更多的碳沉积在裂解管壁上，造成裂解管内碳积累加快，测试该批样品的裂解管仅使用了24天就出现了明显堵塞(表2中序号13的裂解管)。因此，良好的气相色谱结果是获得GC-TC-IRMS系统长期稳定性的重要因素之一，而色谱图有大鼓包或基线高的样品容易出现结果稳定性差以及裂解管堵塞的情况。

表2 裂解管使用寿命比较Table 2 Comparison of lifetime of ceramic tubes

注：a.正构烷烃；b.脂肪酸甲酯图2 基线良好的典型气相色谱图Fig.2 Typical gas chromatograms with good baseline

图3 具有大鼓包(a)和高基线(b)的气相色谱图Fig.3 Typical gas chromatograms with unresolved complex mixture (a) and high base line (b)

3 结论

采用气相色谱-热转换-同位素比值质谱法测定单体氢同位素时，从使用一个新的裂解管开始，实验室工作标样中不同碳数正构烷烃达到长期稳定状态所需的时间有所差异，C21正构烷烃达到稳定状态最快。

GC-TC-IRMS系统测定实验室工作标样可获得长期稳定、可靠的结果。一根炉管可连续测定4个多月，C21、C25、C27、C29、C31及C33正构烷烃氢同位素的测定均值分别为(-216±1.6)‰、(-129±1.6)‰、(-180±1.5)‰、(-244±1.8)‰、(-146±1.7)‰及(-195±1.9)‰。

选用优质材料裂解管，通过严格控制实验条件，样品气相色谱图显示被测样品杂质少、目标化合物峰分离良好，这是保证GC-TC-IRMS测定有机单体氢同位素结果准确、稳定的重要条件。