低质量数元素同位素在线连续流同位素比值质谱分析的质量控制和数据标准化_查向平.pdf

书书书 2014 年 7 月 July 2014 岩矿测试 ROCK AND MINERAL ANALYSIS Vol． 33，No． 4 453 ～467 收稿日期 2014 －02 －09; 修回日期 2014 －04 －02; 接受日期 2014 －05 －30 基金项目 国家自然科学基金项目 41221062 作者简介 查向平， 硕士， 工程师， 主要从事稳定同位素实验技术和方法研究。E- mail xpzha ustc． edu． cn。 文章编号 02545357 2014 04045315 低质量数元素同位素在线连续流同位素比值质谱分析的 质量控制和数据标准化 查向平，龚冰，郑永飞 中国科学院壳幔物质与环境重点实验室，中国科学技术大学地球和空间科学学院，安徽 合肥 230026 摘要 同位素比值质谱分析方法是准确测量各种同位素相对丰度的标准方 法。连续流同位素质谱的出现不仅提高运行效率， 也降低了样品用量并提 高灵敏度。但是， 要使这种方法获得更好准确度和精度的同位素数据， 并 做到所获得数据可与其他实验室结果进行类比， 从而得到可靠的同位素数 据， 这就需要好的分析策略和运行方案， 还需要对仪器日常性能和数据质 量进行严密的监视管控， 而且还取决于原始数据如何进一步标准化到国际 同位素尺度上。因此， 同位素比值质谱结合元素分析仪 或热转换元素分 析仪 连续流方法要实现可靠的稳定同位素分析需要 ①设备安装和环境 控制、 测试准备、 样品制备和称量、 标准物质选择及序列等规范化质量控制 措施; ②严格校准仪器系统 包括调节灵敏度和线性， 背景值监测， 稳定性检测， H 3系数校正等 ; ③可靠的 数据处理。目前不同的实验室， 采用标准物质来标定系统、 对测量的同位素数据进行标准化， 以及利用控制 曲线来监测系统稳定性并对不确定度的计算， 这些策略往往都不同。因此， 统一的数据处理方案是被高度期 待的。目前最好的执行方案是基于线性回归的两点或多点标准化方法。如果每一批样品中测量两个不同的 标准物质四次， 或者测量四个标准物质两次， 那么不确定度会降低 50。当前同位素比值质谱能够测定同 位素比值的不确定度一般要好于 0． 02‰。但是， 标准物质的使用既要考虑样品的性质， 同时要涵盖它们未 知同位素组成的范围， 尤其氢同位素在现阶段缺乏标准物质和测量的仪器精度较差 比碳、 氮、 氧等要低一 个数量级 的情况下， 这显然是稳定同位素分析者的一个重大挑战。本文概括了同位素比值质谱结合元素 分析仪 或热转换元素分析仪 的基本操作原理和分析实践， 将数据处理运用到同位素比值分析之中， 获得 连续流同位素比值质谱分析结果的合理准确度和精度。 关键词 连续流; 同位素比值质谱; 质量控制; 标准物质; 标准化; 合成不确定度 中图分类号 657． 63; O213． 1文献标识码 A 在过去几十年中， 稳定同位素分析应用于众多 的研究领域， 如农业、 环境、 海洋、 临床和司法等， 且 这种应用成果呈指数增长。20 世纪 60 年代以前， 稳定同位素组成的测量和应用很大程度上仅局限于 同位素地球化学领域， 当时可用的质谱需要量身定 做来满足专业化的需求 ［1 ］， 而且这些仪器也仅为一 些专职技术人员操作使用， 输出的结果也仅被少数 的专业学者理解 ［2 ］。近些年来， 质谱不仅发生了革 命性 变 化，而 且 出 现 了 多 家 仪 器 制 造 商，如 ThermoFisher 公司 原 Finnigan 公司 、 IsoPrime 原 VG 公司 、 Cerson 公司、 Nu 公司等， 使之成为众多同 位素实验室可配置、 易使用的常规方法。最初这些 仪器的设计是为了测量相对小的同位素比值变化 δ 值变化小于 1‰ ， 而同时具有高的精度和准确 度 0． 01‰ ～ 1‰ 。尽管那时的质谱装配实现 了部分自动化， 但在一些情况下样品的测试效率仍 然维持在每天约 10 个样品， 很大程度上这是由于复 杂的非在线样品制备过程引起的。 354 ChaoXing 20 世纪 80 年代早期， 一些研究者为了提高分 析效率， 加快了简单快速地分析低质量数气体同位 素方法的研制步伐。连续流同位素质谱方法是此时 发展并很快得以应用的一种较新的革新方法之一。 近年来， 连续流质谱系统在国外发展很快， 先前研究 者陆续地介绍了这种系统并为提高这种系统所测数 据的可靠性作出了努力。Brenna 等 ［3 ］就对高精度 的连续流同位素质谱作了系统阐述。Midwood 等 ［1 〗 总体介绍了连续流同位素质谱对碳、 氢、 氧、 氮和硫 同位素的分析进展。往后一些研究者又对连续流同 位素质谱就提高数据精度和准确度、 实现不同实验 室之间的数据可比性开展了一些研究 ［4 －16 ］。目前， 我国使用连续流方法对稳定同位素比值的分析和测 定报道较多 ［17 －25 ］。王政等［17 ］利用元素分析仪 － 同 位素比值质谱 EA － IRMS 对土壤样品中氮同位素 进行分析， 指出载气、 氧气的流量， 并就测定中出现 的累积效应和氧化能力降低的问题进行了探讨。 曹建平等 ［18 ］就海洋悬浮颗粒氮同位素进行 EA － IRMS 测定， 指出了该方法在一定离子流强度和同位 素比值的质谱线性问题。崔杰华等 ［19 ］通过多组实 验对比， 分析并讨论了利用 EA － IRMS 联用技术测 定植物样品中碳同位素比值的实验条件， 初步建立 了植物样品中稳定碳同位素组成的分析方法， 同时 对系统分析的稳定性和精密度等进行了检验分析。 王旭等 ［20 ］给出了 EA － IRMS 联机系统的燃烧转化 率随测量样品次数的变化规律， 以及样品的氮、 碳同 位素测量值与其燃烧转化率的关系等。就目前文献 来看， 大部分仅对连续流方法中个别方面具体分析， 但就如何构建连续流同位素质谱 EA － IRMS、 TC/EA － IRMS 系统方法研究尚不多见， 尤其是连 续流系统中质量控制和数据处理更鲜有报道。 虽然连续流方法可以实现样品制备和气体质谱 分析一次性快速地完成， 但是一般主要用于复杂和 微量以及原位样品的同位素分析， 要保证得到可靠 的同位素数据 即从准确度、 精度、 重现性等方面考 虑 ， 这不仅需要好的分析策略和运行方案， 还需要 对仪器日常性能和数据质量进行严密的监视管控， 而且还取决于原始数据如何进一步标准化到国际同 位素尺度上一套协议。正如 Werner 等 ［26 ］所指出， 载气和联线同位素比值分析系统 即连续流系统 覆盖了很大范围， 在全世界利用其测量稳定同位素 比值的应用越来越广泛。尽管整体上在这个科学领 域大有好处， 但也引起了一系列的问题。我们感觉 到最初少数专家拥有的知识水平经过多年相当程度 地冲淡了， 结果同位素比值的整体精度和可靠性可 能下降了。尤其值得注意的是， 报道的 δ 值相对于 国际标准的准确度在分析中产生了大的偏差。因 此， 保证连续流系统获得高精度和准确的同位素比 值， 建立与之相关的操作协议方案， 质量控制及数据 处理步骤就显得尤为迫切。 连续流系统设备的安装和环境控制、 测试准备、 样品制备和称量、 标准物质选择及序列所处外围环 境， 调节灵敏度和线性， 背景值监测， 稳定性检测， H 3系数校正等质谱自身属性相关的质量控制， 以及 所用的标准物质策略、 原始数据的标准化以及数据 处理等， 这些因素对最终的同位素测试结果都有重 大影响， 本文对这些方面作出总结和评述， 有助于同 位素质谱的新用户对于该种技术的相关方法和技巧 有明确的初步认识和理解。 1连续流系统 1． 1连续流质谱 “连续流质谱” 是相对 “双路进样质谱” 而言的， 它是在气体同位素质谱基础上发展起来的一种新型 仪器。先前研究者也称为同位素比值监测质谱 IRM － MS ［26 ］。连续流同位素比值质谱的萌芽应 该说是源于早期的有机质谱， 它结合了高效的色谱 分离技术和高灵敏的质谱检测技术优势， 具有减少 样品损失和无可比拟的灵敏度、 高效和实用性等优 点。连续流质谱方法是非常理想地结合了色谱技术 和同位素比值质谱的一种方法。气相色谱及以后的 其他分离装置和质谱之间的接口， 主要是使用整体 结构连续输送分析物气体进入质谱进行分析。无论 这些系统多么复杂， 都是依赖载气传输分析物， 经过 在线化学转化阶段， 或先通过在线转化分析物为气 体， 再通过载气输送以适合质谱分析， 这个过程就是 连续流质谱的基本原理之一 ［3 ］。所谓“连续流” 是 与使用的载气相关的概念， 载气把制备系统中的样 品气输送到质谱。一般载气为 He 气， 因为 He 在化 学性质上为惰性并且很容易得到高纯度的气体。第 一台真正意义上的连续流同位素质谱是 Preston 和 Owens［27 ］建立起来的， 他们将一台专门分析氮元素 的分析仪连接到气体同位素比值质谱的离子源上。 在 Preston 和 Owens 首次成功实现了15N 和全氮的高 精度和快速分析后不久， 又实现了对固体样品转化 为 CO2后的13C/12C 分析。现代的连续流同位素比 值质谱仪更加紧凑， 自动化程度更高， 在几分钟内能 够同时分析同一个样品的两个或更多同位素。 454 第 4 期 岩矿测试 http ∥www． ykcs． ac． cn 2014 年 ChaoXing 1． 2常见的连续流系统 在样品进行同位素比值质谱分析之前， 样品首 先要无分馏地转化为质谱易接收和方便测量的简单 气体， 例如， 测量2H/ 1H、13C/12C、15N/14N 和18O/16O 这些轻元素同位素的比值， 就需要将样品转化为 H2、 CO2、 N2和 CO 气体等， 这取决于物质的组成和 所要研究的同位素。同位素比值质谱测量的离子比 值与这些气体是分别对应的。目前， 轻稳定同位素 分析最为常用的连续流装置为元素分析仪与同位素 质谱的联用， 它可分为两种 一种为 EA － IRMS， 可 用于碳、 氮和硫元素同位素分析， 样品在氧气中高温 燃烧， 是一种氧化过程。另一种为高温转化 TC/EA － IRMS， 主要用于氢和氧的分析， 样品主要是在还 原环境中经历高温热转化。两种联用系统见图 1。 图 1EA － IRMS 和 TC/EA － IRMS 系统简图 Fig． 1The diagrams of EA- IRMS and TC/EA- IRMS systems 1． 2． 1EA －IRMS 系统 元素分析仪 EA 一般由两个反应器 燃烧 反应器和还原反应器构成， 这些反应器可以是两个 反应管， 也可以结合在单反应管中。反应器之后是 水分 离 装 置 和 填 充 了 分 子 筛 的 气 相 色 谱 柱 PoropakQS ， 色谱柱主要用来分离生成的气体。 元素分析仪和质谱之间通过一个分流接口连接。就 碳、 氮分析而言， 其燃烧和气体转移过程如下。 样品首先在氧气氛围下的反应器中燃烧， 生成 了 CO2、 NOx和 H2O。尽管对于各种特定应用所推 荐的反应管充填材料有很大变化， 但反应器一般包 含 Cr2O3和 Co3O4 Ag 主要用来吸附硫和卤素， 银 还可能起到催化作用 。反应器的温度一般设置在 900 ～1020℃， 但是， 锡杯的燃烧释放出的燃烧热大 约能够提高温度到 1800℃ “flash” 燃烧 。推荐使 用石英嵌入体 灰坩埚或屑坩埚 ， 用来收集灰烬以 及可能残留的样品和锡杯， 这样在分析了 50 ～ 150 个样品后要进行更换嵌入体 这取决于使用的嵌入 554 第 4 期查向平， 等 低质量数元素同位素在线连续流同位素比值质谱分析的质量控制和数据标准化第 33 卷 ChaoXing 体的类型 ， 而此时不必更换反应管。在 650℃的第 二反应器 还原反应器 中去除过量的 O2并将 NOx 还原为 N2。一般填充物为高纯铜， 但对于不同的应 用所推荐填充料有所变化。水在含有高氯酸镁 无 水高氯酸镁 的水阱中分离。如果仅对氮同位素进 行同位素比值测定时， 使用含有碱石灰、 烧碱石棉 硅基质上含有 NaOH 或 Carbosorb化学阱将 CO2 从气体流中去除是最优化的方法。最后， N2和 CO2 在加热的色谱柱中进行分离 例如， PorapakQS 50/80， 3 m 6． 5 mm 。作为色谱柱分离的一种替 代方法， 一些仪器使用了一个“吹扫捕获器” 系统来 进行分离 。“吹扫捕获器” 工作原理为 氮气直接通 过系统而其他生成的气体在多个吸附管中收集 通 过短的但有分离效果的气相色谱柱实现 。这些吸 附管中气体通过电子加热器来释放。 EA － IRMS 系统主要用于碳和氮分析 ［17 －23 ］ ， 还 可对硫同位素进行分析 ［6 －11 ］， 在实际使用中可应用 于多种物质。对于固态物质和非挥发性液体使用锡 舟 锡杯， 用于 C、 N 分析 或银杯 H、 O 分析 引入 到元素分析仪系统， 而有限黏度的液体可用液体进 样器直接注入到反应器中。 EA － IRMS 方法可以实现样品制备和质谱分析 一次完成， 简化了转化步骤， 从而减少了分馏环节。 样品的制备简单， 不需要或很少需要化学或机械矿 物相分离， 样品气体的直接引入实现了快速分析， 大 大地提高了获取稳定同位素数据的能力 ［28 ］; 样品用 量少， 纯度要求不高， 适用样品较广 ［21 ］。因此， EA － IRMS系统在医药、 食品和农业研究上早已广泛 使用， 并且其发展正向生态、 环境和地球科学领域 渗透。 1． 2． 2高温热转化 TC/EA －IRMS 系统 TC/EA － IRMS 主要用于氢和氧分析， 高温转化 温度一般在 1350 ～ 1450℃。有机和无机化合物转 化为 H2、 N2和 CO 气体。系统一般由一个由熔融氧 化铝制造的外管和一个由玻璃碳组成的内管构成。 内管中填充有玻璃碳颗粒和用来吸附卤素的银丝。 和 EA － IRMS 一样， 不同的应用所使用的填充物是 不同的。生成的气体在一个恒温色谱柱中分离 例 如， 5 分子筛 ， 这一点是非常重要的， 由于 N2和 CO 是同量异位素 质荷比都是 m/z 28 ， 并影响 H2 的电离作用。 尽管主要反应产物为 H2、 N2和 CO， 但是一些研 究者建议在色谱柱之前使用化学阱来去除微量的其 他气 体。阱 中 物 质 包 括 活 性 炭、高 氯 酸 镁、 Sicapent 附着在黏结剂上 P2O5 和烧碱石棉。 无论 H2和 CO 的相对量如何， 使用“吹扫捕获柱” 能 够让它们接收信号峰的整个基线分离， 也能够防止 N2干扰 H2同位素测量［29 ］。 目前， TC/EA － MS 联用的分析方法， 不仅实现 了在线单次分析过程中同时测定微量水的 δD 和 δ18O ［24 ］， 还可以分析含水矿物和名义上无水矿物中 的水含量， 同时也可以分析其氢同位素组 成。 TC/EA － MS联用方法分析样品中水含量和氢同位 素组成， 其分析下限是样品中的水含量在 0． 01 L 以 上。名义上无水矿物中水含量的测定已成为深部地 球科学研究的前沿领域 ［25 ］。 2连续流同位素质谱分析系统中的质量 控制因素 质量控制是指在分析过程中为保证分析结果真 实可靠所采取的任何方法和步骤， 它是作为质量保 证策略的一部分 ［30 ］。以下主要从仪器的外围环境、 系统内部参数、 样品制备和标准物质的运用等方面 进行阐述。 2． 1仪器安装环境的控制 为了获得高精度和高重现性的同位素数据， 同 位素比值质谱必须置于温度和湿度可控的并能实时 监测的环境之中。仪器制造商的预安装和操作培训 应该会详细地说明这些参数的允许变化范围。 特别需要提及的是， 用于存储同位素比值质谱 工作气体 标准气体， 准确地说应该是参比气体 的 钢瓶 相关的阀门和量表 也要置于温度可控的环 境中。因为温度波动会造成工作气体同位素组成较 大的漂移， 尤其是 CO2， 其气体状态和其液态流体状 态是平衡的 ［2， 16， 31 ］。在 20℃ 温度下， 根据饱和数据 线可知， CO2工作气体压力低于 5． 7 MPa 要进行更 换， 因为这一压力表明钢瓶中液态 CO2已经不存在。 另外， 在安全的前提下， 工作气体钢瓶应该尽可能靠 近仪器。 提供给仪器的载气质量对于数据结果也有影 响。几乎所有的连续流配置的载气为氦气， 因为氦 电离效率低， 且对其他气体干扰小。另外， 载气进入 系统前应该接入过滤器来去除残留的氧气、 水汽和 碳氢化合物， 例如， 氦气纯化器 Helium Purifier， VICI， USA 。通常建议在靠近仪器的位置安装一台 碳氢过滤器以去除任何痕量的气体， 但过滤器不能 接在工作气体供应线上， 因为它可能引起不可预见 的同位素分馏。 654 第 4 期 岩矿测试 http ∥www． ykcs． ac． cn 2014 年 ChaoXing 2． 2连续流系统参数监测 在开始测量前以及在整个样品分析过程中， 确 保连续流系统良好的工作状态是非常重要的。实验 室建立和遵循一套特定日常仪器检查和质量控制程 序， 并应用到每一个测量程序。在进行诊断测试和 条件实验期间， 必须建立起仪器正常测试的规范和 标准， 这可以确保仪器的可操作性以及在仪器非正 常运行时采取相关措施。 2． 2． 1气体同位素组成的稳定性 零富集 检验 连续流同位素比值质谱的原始分析结果是相对 工作气体的同位素组成进行计算的， 因此， 在日常分 析中监测工作气体同位素组成的稳定性是非常重要 的， 至少要确保在样品气体流出色谱柱的时间段内 工作气体稳定。这种测量对于分析结果的精度和准 确度至关重要。 在连续流系统中， 稳定性指 He 携带的工作气 体在质谱离子源产生稳定信号 。“零富集” “开 － 关” 检验就是引入 10 个工作气体脉冲进入质谱， 同时定义一个“标准” 脉冲 一般为第二个测量数 据， 以* 标记 ， 其他脉冲相对于“标准” 脉冲的 δ 值 的标准偏差来表达。工作气体脉冲的强度应该设置 在预期的工作范围内。在色谱 － 质谱联用分析中， 色谱图中会有大量的峰， 因此， 确定工作气体脉冲合 适的出峰时间也很重要。与所有的性能检测一样， 一个特定的仪器必须建立认可的评判标准。一般 地， 对 CO2、 N2和 CO 的标准偏差必须小于0． 1‰， H2 的标准偏差小于 1． 0‰。 2． 2． 2灵敏度和线性调节 仪器用户通常需要对同位素比值质谱进行“灵 敏度” 或 “线性” 调节。调节灵敏度来获得最高的信 号强度， 而调节线性是为在一定的信号强度范围内 获得一致的离子比值。与传统的双进样同位素比值 分析相比， 连续流测量是基于工作气体和样品气之 间一次比较， 因此更应该注重线性调节。 同位素质谱线性表达为气体同位素组成与离子 束强度之间的函数关系， 单位为‰/V ［ 32 ］。经验表明 δ 值和峰面积 峰强度 之间的函数关系总是一个线 性关系 ［ 5， 31 ］。在统计误差范围内， 测量的结果会沿着 较小斜率直线分布。但是， 测试时希望在认可的离子 强度范围内的同位素比值与分析物的质量无关或变 化很小。通常， 在离子强度非常小时会引起非线性效 应 ［ 5， 33 ］， Brand［ 34 ］对非线性给出简单的校正方法。另 外， Kornfeld 等 ［ 35 ］也给出了连续流质谱在较大的动力 学范围中的非线性效应校正的方法。 虽然仪器的线性不必进行日常检测， 但是必须 对工作气体进行定期检测。这种检测与零富集检验 类似， 不同的是， 在这个检测过程中需要将工作气体 的离子强度逐步增大。工作气体离子强度范围必须 要涵盖待测定样品的离子强度范围， 例如， 如果样品 在 3000 ～8000 mV 离子强度范围内进行测量， 那么 线性测量应该包含的范围是 2000 ～ 10000 mV。线 性范围需要在样品测试之前建立起来。一般情况 下， CO2、 N2、 CO 线性必须小于 0． 1‰/V。而2H/1H 测量则无需线性检验， 因为它需要做日常的 H 3系 数测定。 我们知道， 离子源理想的测试参数很大程度上 取决于仪器的类型、 离子源的洁净度和许多其他条 件 ［34 ］。要获得好的灵敏度， 需要改变离子源参数来 获得工作气体最大的信号强度。要获取好的线性， 一些离子源参数要设为“临界” 值， 例如提取透镜 extraction lens 的参数。然后调节所有的其他参数 使工作气体的信号最大。临界值可以通过调节和测 量线性的迭代过程来建立， 例如， 通过设定提取透镜 为另一个值并调节所有的其他参数。尽管非常费 时， 但是这种过程一般仅需要执行一次来建立“临 界” 值。一些同位素比值质谱软件提供了自动聚焦 的功能， 这可能加速调节过程， 一般在自动聚焦以后 再进行手动调节可以获取更好的结果 ［2 ］。 2． 2． 3背景值监测 在同位素比值质谱测定中， 测试背景由两部分 构成 一是基线电子漂移; 二是当没有气体进入质谱 时， 相应质量数位置的离子流 ［34 ］。背景的处理通常 通过质谱的操作软件来完成。标准的方法是在日常 测量期间通过首先关闭通向质谱的电磁阀并等候一 段时间， 抽走质谱中气体来测量背景 ［34 ］。 一般情况下， 仪器制造商提供的说明书中会详 细地说明离子源中可接受的残留气体水平。在实践 中， 这些背景值在不同的实验室会有所变化， 这取决 于仪器的配置、 使用的气体等级和一些其他因素。 重要的是每天都要监测所使用的仪器背景值， 这不 仅有助于建立起可接受的背景水平， 而且同时可以 确定其他未知因素对分析结果的影响。 2． 2． 4H3 系数测定 “H3 校正” 指测量 δ2H 数据所采用的一种算法， 它用来校正在气体压力增加的情况下离子源中通过 离子/分子反应机制形成的 H3 离子所贡献的值。 H2 H2→H3 H 反应常数 K 是与［ H2 ］ 和［ H 2］ 成比例的， 并且 754 第 4 期查向平， 等 低质量数元素同位素在线连续流同位素比值质谱分析的质量控制和数据标准化第 33 卷 ChaoXing 对于给定的同位素比值质谱， 形成的离子数目与存 在的分子数量也是成正比的， 所以有［ H3 ］ K ［ H2 ］2。［ H 3 ］/［ H 2 ］ 比值是 m/z 2 离子强度的 线性函数 K ［ H2 ］ ， 比例常数 K 称为“H3 系 数” 。从这种意义来看， H3 系数校正本质上仅是从 m/z 3 离子强度扣除部分的 m/z 2 离子强度得以实 现的。 H3 系数利用 m/z 3 离子强度与 m/z 2 离子强 度之间的线性函数关系来计算， m/z 3 离子强度和 m/z 2 离子强度的测量是通过工作气体进行的。工 作气体脉冲是通过调节工作气体压力来增加强度的 方法进行的。利用仪器软件计算 H3 系数， 这个值 必须记录在仪器记录簿中。 H3 系数单位通常为 ppm/nA。H3 系数不应 该超过 10 ppm/nA， 也不应该较先前记录的值有重 大变化 差异应该小于 0． 2 。如果仪器经历了维修 保养或已经作了调节， H3 系数可能变化大， 应该记 录在仪器记录簿中。 因为 H3 系数并不能随着所需求的同位素比值 测定精度来测定， 建议每次测量具有相同的 H3 系 数系列样品。这样做的好处是在对 H3 系数有精确 认知情况下， 误差可通过缩放比例来计算， 例如， 对 一对标准物质 一般为 SLAP 和 VSMOW 已知差异 来调整测量差异并给予校正 ［34 ］。 2． 3样品的制备和称量 对于连续流同位素质谱分析方法而言， 确保待 测试样品、 标准物质和质量确认标准 监视标准 以 相同方式和相同的处理原则 identical treatment， IT， 见 下 文 来 制 备 和 分 析 是 非 常 重 要 的 ［2， 3， 12， 16， 26， 33 －34 ］。一些化合物要绝对干燥， 否则残 留的水汽可能影响 δ2H 和 δ18O 值。许多化合物都 容易吸湿， 始终要保证在分析前样品干燥。 EA － IRMS 和 TC/EA － IRMS 方法都是测定 “全样品” 同位素比值的方法 ［2， 3， 36 ］。例如， 碳同位 素比值分析就是燃烧样品中所有的含碳物质。为了 使 EA － IRMS 获得准确的结果， 样品要尽可能是均 匀分布的。如果某些情况下需要单个化学物种的同 位素比值， 那么在燃烧/转换过程之前必须对样品进 行纯化分离。它可以通过非在线的纯化步骤， 或通 过结合 GC － C － IRMS 这样的在线方法来进行。需 要特别注意的是， 这两种方法可能引起同位素分馏， 因此， 相同的处理过程也是必要的。 样品称量 使用一台微分析天平 过程也非常 重要。合适的样品量可以保证样品生成的 CO2和 N2 或 H2和 CO 的信号强度位于同位素比值质谱 的线性范围内。理想情况下， 来自样品峰的主要离 子峰强度应该与工作气主要离子峰强度相匹配。有 些情况下可调节工作气体峰强度与样品峰一致 ［16 ］。 现代的连续流系统还可通过稀释方法使主要离子峰 之间尽可能地匹配。标准物质称量一般在 100 ～ 500 μg 之间， 通过合适的稀释方法会产生合适的信 号强度， 所测试样品的称量要依据物质的纯度和含 量来确定。 2． 4标准物质的选择和使用 任何 一 个 稳 定 同 位 素 实 验 室 对 标 准 物 质 reference material 选择面临的重要问题有很多。 包括 ①标准物质的运用 为了使不确定度最小化， 应该使用什么样的标准物质 ②标准物质 δ 值范 围 这些标准物质需要涵盖自然界中所观测到的 δ 值范围吗 ③标准物质和样品的 δ 值 它们是否应 该具有接近所分析样品的预估 δ 值 ④标准物质使 用频次 重复分析标准多次有好处吗 或减少重复 分析而使用具有不同的 δ 值的多个标准物质 ⑤标 准物质不确定度传递性 当使用多个标准物质时， 与 标准不确定度相关的误差是如何传递的 以上这些都是我们进行稳定同位素分析时， 使 用标准物质所需要解决的问题。 2． 4． 1标准物质的运用策略 到目前为止， 在稳定同位素测量领域， 标准物质 的定义还没有一个明确的指南。虽然制定国际通用 的计量学基本术语的国际标准机构提供了一致性的 一般性定义。但不幸的是， 它与稳定同位素测量界 建立起来的一些术语是不一致的。广义上“标准” standard 包括标准物质、 已认证标准物质、 实验室 和内部标准以及标准气体 ［30 ］。由于简单的术语“标 准” 应用于不同目的， 是一种模棱两可的表达， 它的 应用应该受到严格的限制。标准物质是天然的或合 成的化合物， 它是相对基准标准物质仔细标定过的， 属性均匀， 具有不确定度。它用来标定实验室装备 和分析不同于基准标准物质组成物质测量方法。使 用的标准物质应包含具有广泛化学组成和大范围稳 定同位素比值 ［37 ］。 正如在 2． 3 节所提到的， 无论哪种类型的仪器， 要做到可靠的稳定同位素分析的基本原则就是遵循 样品和标准物质的“同一处理原则” ， 所谓“同一处 理” 就是使样品和标准物质经历相同反应路径和反 应条件， 这是为了考虑发生在质谱分析之前的外部 854 第 4 期 岩矿测试 http ∥www． ykcs． ac． cn 2014 年 ChaoXing 装置中一系列的可能潜在的同位素分馏 例如， 不 完全转化和气体转移等引起的同位素分馏 。同 时， 标准物质和样品之间具有类似的组成对于提高 分析精度也很重要。正如 Bivre 1993 等 ［38 ］所强 调的 如果其他的方面相当， 要比较的两个主体越相 似， 就测量本身而言， 产生的误差就越小。这说明了 在它们通过外接设备时 EA、 TC/EA ， 要考虑未知 样品的化学和物理性质非常重要。然而， 对实际样 品的同一处理原则的执行又往往并不能如愿 根据 定义， 需要使用类似和具有一定代表性组成的分析 物， 而在测试实际自然样品时， 往往涉及未知和复杂 组成的样品， 从严格意义上说， 这就使得相同的处理 原则很难在实际中应用， 但我们可以对标准物质进 行处理， 使得和样品尽可能地相似。对于一些研究 工作中， 会缺乏合适的标准物质， 这就需要实验室建 立自己的实验室标准物质， 并评估它们的均一性和 稳定性。Zha 等 ［33 ］对硅酸盐样品中微量碳酸盐分 析就采取这样的策略， 从而使标准物质具有实际样 品类似的成分比例和物质构成， 使 δ13C 和δ18O分析 精度和准确度都大幅提高， 尤其是使 δ18O 值受添加 磷酸量的影响得以校正。 除了使用标准物质来校准仪器和实验室标准 外， 标准物质也用来标准化初始数据。选择的标准 物质数量和类型会明显地影响标准化， 并因此影响 最终的结果， 有关标准化过程将在数据处理中 第 3．3 节 来阐述。另外， 标准物质还能够用来监测分 析方法和同位素比值质谱的性能 所谓的质量保证 标准 。可以利用标准物质作为质量控制手段， 即 通过对已知同位素组成标准物质的检测， 实现在分 析过程中不同时间段对系统的质量控制。在分析阶 段之前， 重复分析工作气体脉冲可检查同位素比值 质谱系统的稳定性。 类似地， 已认证参考物质 certified reference materials 也可以检测整个分析序列中仪器的稳定 性， 并监视质量控制方面的精确度。要确保整个分 析方法的精度， 实验标准物质应该贯穿于分析制备、 外接设备和同位素比值质谱分析整个过程。 2． 4． 2标准物质的选择 根据 Gentile 等 ［30 ］的研究观点， 实验室标准物 质应该符合下列条件 ①这种物质在制备期间应该 很容易处理， 并可方便被替代; ②应该优先选择高纯 度、 非吸湿、 长时间稳定的化合物; ③在室温和大气 压下具有低的蒸气压， 在高纯溶剂中有好的溶解度 在 CSIA ; ④这种物质的值应该在分析物预期变化 的范围内; ⑤标准物质应该与分析的样品具有相同 或类似的化学组分。 就选择标准物质的 δ 值接近或远离样品的 δ 值 而言， Skrzypek 等 ［14 ］分别评估了使用更接近样品 δ 值和涵盖样品 δ 值范围的已经标定好的标准物质的 优势， 在这项研究中， 共 9 个标准物质用于 Monte Carlo 模型。该模型对所有可能标准物质对之间实 现了标准化误差的评估。虽然已经证实了几个优化 的标准物质对， 但是每一个标准物质对对应一个非 常狭隘范围的 δ 值是优化的。如果仅需要使用两个 标准物质， 那么其他的 16 对不同的标准物质被选择 涵盖总范围中 从 － 50‰到 10‰ 很小的部分。 虽然这种复杂的选择降低了不确定度， 但是在实际 应用中不合适， 这是由于需要分析多个标准。另外， 选择小范围标准物质相关的风险也是非常高的， 在 这种情况下样品预估的 δ 值不能总是估计正确的。 通过实验， Skrzypek 等 ［14 ］进一步指出在进行 δ13C 值 分析时， 使用一套四个标准物质 L － SVEC、 NBS － 19、 USGS24 和 NBS22 每个分析两次 比 16 对中任 一对优化的小的 δ 值范围获得的结果有更低的不确 定度， 结果会更好。因此， 分析这四个标准物质几乎 涵盖整个 δ13C 值范围， 比任何其他标准物质对更 好， 即使任何一对标准物质 δ 值更接近样品的 δ 值 也是这样。对 δ18O 值分析， Skrzypek 等 ［15 ］也得出类 似的结论。这是由于当标准物质涵盖整个 δ 值范围 的时候不确定度总是更低的。 就每个标准物质测试次数和选择的不同标准物 质的数量而言， 根据 Skrzypek 等 ［14 －15 ］关于 Monte Carlo 模型的统计评估， 他们认为只要认真地选择合 适的标准物质， 那么不确定度会大大降低。对于碳 同位素组成分析， 如果选择四个标准物质 L － SVEC、 NBS19、 USGS24 和 NBS22 ， 每个标准物质在 一批样品中分析两次 总共 8 个 ， 那么不确定度降 低 50。然而， 从统计的观点来看， 如果仅使用两 个标准物质 L － SVEC、 NBS19 ， 在每一批样品中分 析 4 次 总共 8 个 ， 应该会获得类似结果。他们还 得出了在 EA － IRMS 分析的情况下， 所谓的组成类 似并不是很关键。可以通过同时分析几个不同化学 组成的标准物质， 并检验仅使用碳酸盐标准或仅使 用有机标准物质是否有线性回归方程变化， 以此确 定不同组成标准物质对的使用对分析结果的影响。 根据 Skrzypek 等 ［13 ］和 Coplen 等［39 ］证实， 碳酸盐标 准物质能够成功地用 EA 方法进行分析。 使用 TC/EA 方法分析 δ18O 的标准化误差与 954 第 4 期查向平， 等 低质量数元素同位素在线连续流同位素比值质谱分析的质量控制和数据标准化第 33 卷 ChaoXing δ13C类似， 如果选择两个优化的标准物质组成标准 对， 且每一个重复分析 4 次， 标准误差近似降低 50［16 ］。从标准物质和样品化学组成匹配来考虑， 在当前可用的已认证标准物质中， 使用以下标准物 质可以最小化标准化误差 对硝酸盐是 USGS35 和 USGS34， 对硫酸盐是 IAEA － SO －6 和 IAEA － SO － 5， 对有机物质是 IAEA － 601 和 IAEA － 602。对于 所有的标准物质， 进行选择的优化原则是涵盖更宽 范围的 δ 值的标准对 包括硝酸盐 。对于 IAEA － SO －6 和 IAEA － 602， 它们与标准物质标定相关且 有最低的不确定度。然而， 这两个标准物质化学组 成不同， IAEA － SO － 6 是一种硫酸盐， IAEA － 602 是一种有机标准物质。根据其他一些研究， 硫酸盐 标准物质和有机标准物质一起使用似乎并不会导致 化学上组成匹配的问题。对于使用 TC/EA 方法分 析氧同位素的不确定度 近似 0． 30‰ 比 EA 分析 碳同位素 小于 0． 10‰ 的不确定度要高得多。随 着样品的 δ 值偏离程度的增加 相对于 δ 值为 0 ， 不确定度的传递更加明显。因此， 样品 δ 值偏离标 准物质对所涵盖的范围时， 分析的不确定度会大幅 增加 ［16 ］。 C 和 O 标准物质已有大量研究。当应用 EA － IRMS 对氮和硫同位素组成分析和 TC/EA － IRMS 方法对氢同位素组成分析时， 由于这三种元素 N、 S、 H 标准物质的研究程度不如 C 和 O 标准物质， 因此， 关于它们的标准化不确定度传递所知甚少。 总之， 在同位素比值质谱分析中， 实验室标准物 质需要使用较大范围的同位素组成， 较理想的情况 是能涵盖样品的预期同位素组成。一般工作中至少 要使用两个标准物质。标准物质的使用既要考虑样 品的性质， 同时要涵盖它们未知的同位素比值范围， 显然， 这是一个挑战。 2． 4． 3样品和标准物质序列 sequence 对于不同的实验室， 利用标准物质来标定、 标准 化和质量控制的策略往往不同。由于标准的操作手 册并不能适合所有可能的情况， 稳定同位素实