同位素比率质谱仪在地球化学中的应用

1 引言

    自然界中的稳定同位素组成中蕴藏着丰富的球化学信息。特别是碳、氢、氧、氮、硫等轻稳定同位素,由于其原子量较小其同位素组成变化较大, 在地球化学特别是在有机地球化学、环境地球化学中应用广泛。90 年代后期, 由于科学技术的发展与计算机的应用, 促使了同位素分析技术与分析仪器的精密度不断提高, 从而使准确测定这类同位素的组成成为可能。它们连同其它稳定同位素作为有效的手段在地球化学研究中成为一种常规手段, 不仅应用于油气地球化学, 还应用古环境恢复、环境污染治理中追踪污染物来源、生态学中用于生态系统的碳源及碳循环研究中, 其结果显示出无可比拟的优势。

2 IRMS 技术原理及发展历史

2.1 技术原理

    目前的 IRMS 技术硬件及其外围设备主要有气相色谱仪、中间连接装置和同位素质谱仪三部分组成。在油气地球化学中主要用于测定有机物如石油、天然气中的碳和氢等轻同位素。以测定天然气中碳同位素为例: 天然气样进入气相色谱得到分离, 依次进入装有( CuO/Pt 或 CuO/NiO/Pt) 的氧化炉, 天然气在高温( 840℃) 氧化的作用下转化成为二氧化碳, 二氧化碳进入质谱离子源在电子轰击作用下失去电子带正电荷, 带正电荷的二氧化碳离子在磁场作用下依据质量不同分离成质荷比为 44、45、46 的三种离子, 接收装置中有三个法拉第收集器来收集质量分别为 44、45、46 的离子束, 然后根据接收信号的强度来得到其同位素组成。

2.2 发展历史

    Hayes 等首先在 1987 年报道了原油中单体烃类用于气相色谱和同位素质谱的分析方法, 在以后的几年里该技术飞速发展, 并不断完善, 并在实际中得到应用。此后由于气相色谱仪( Gas Chromatograph, GC)与同位素比率质谱仪连接技术的成熟促使了 GC-IRMS 的出现。在此之前, 同位素的测试主要分三步进行:( 1) 有机物的氧化分解;( 2) 干扰物质的除去;( 3) 代表原来同位素组成的气体的质谱同位素分析。几十年来虽然发展了不同的方法进行有机物同位素的分析, 但是基本原理没有变。以测定碳或氢同位素为例: 即在过量的氧气中将有机物燃烧氧化为二氧化碳及水, 将水通过还原法转换成氢气, 然后将二氧化碳或氢气分别转移到质谱进行分析。由于分析过程的每一步都有严格的要求, 所以产生误差的因素很多,对操作人员的技能要求高,且需求的样品量较大。

    随着 GC- IRMS 连用技术的成熟, 测量有机物中同位素的组成变得非常简单, 以 Thermo 公司推出的 Finnigan Deltaplus XP 为例, 它可以实现有机化合物、水和某些无机化合物的多种元素( C、N、O、H 等元素) 的自动分析, 从而使分析操作变得简单,分析时间减少而且精度提高。