一种对石笋中的有机碳同位素进行高分辨率测定的方法及系统

摘要

本发明公开了一种对石笋中的有机碳同位素进行高分辨率测定的方法及系统，该方法包括将石笋粉末样品装入倒“Y”字型样品瓶；在第一分支的底部，向石笋粉末样品加入1mol/L的盐酸；在第二分支的底部加入铬酸后，将用于密封的瓶垫和瓶盖拧紧到第一分支上；将第一分支与真空系统的真空管路相连接；将真空系统与第一分支分离，然后将双孔针扎入瓶盖和瓶垫；利用双孔针对样品瓶充氦气；将第二分支中的铬酸与第一分支中酸化后的石笋粉末样品进行充分混合；再次将双孔针扎入瓶盖和瓶垫；将流经银丝纯化管的有机CO2经过富集和纯化后引入质谱测定仪测定其碳同位素组成，从而实现对石笋粉末样品中的有机碳同位素的高分辨率测定。

说明书

技术领域

本发明涉及质谱检测领域，特别涉及一种对石笋中的有机碳同位素进行高分辨率测定的方法及系统。

背景技术

石笋因其精确的定年和多种代用指标，已成为古气候和古环境研究领域中非常重要的载体，石笋的主要成分为碳酸钙，其中的碳、氧同位素主要源于土壤中由植物呼吸或植物残体分解产生的CO

石笋中的碳库有两种主要来源：碳酸钙中的无机碳以及有机质中的碳。目前现有的技术主要利用石笋无机碳酸盐碳同位素作为常用的代用指标，这是因为，在测定方法上，石笋无机碳酸盐碳同位素测试简单快捷，且仅需几十微克的石笋粉末便可测定，可以提供高分辨的石笋无机碳同位素记录。但是，由于石笋无机碳酸盐碳同位素组成从土壤到洞穴（溶洞）的过程中很容易受到洞穴系统多种因素的干扰，使得其气候和环境意义不明确，因此应用十分有限。

而石笋有机碳同位素的研究较少，这是由于石笋中的有机质含量非常低（一般其有机碳含量为0.1‰~3‰），并且由于技术手段的限制，石笋有机碳同位素的研究并未广泛开展。但是，相较于石笋无机碳酸盐碳同位素而言，石笋中的有机质携带的信息在整个迁移的过程中几乎不会发生改变，能够保存地表土壤和植被原有的碳同位素组成信息，因此可以避免一些无机碳酸盐碳同位素响应气候的不确定因素。

目前，样品有机碳同位素通常采用元素分析仪与气体同位素比值质谱仪联机完成。具体做法为：将样品粉末置于离心管，利用稀盐酸将无机碳酸盐除去；然后在离心机离心后，倒去上清液，将下层沉淀烘干研磨成粉末；最后利用元素分析仪-气体同位素比值质谱仪来测定其碳同位素组成。如图1所示，在利用元素分析仪-气体同位素比值质谱仪测定时，先将处理好的粉末用被锡杯紧密包裹，再通过自动进样器送入960℃的氧化炉（从上到下依次填有氧化铬、镀银氧化钴）中，并在通氧条件下瞬间高温燃烧，形成CO

但是以上常规的样品有机碳同位素测定技术需要的样品量非常大（至少需要2g以上的样品），而由于石笋中有机质含量过低，因此这种常规的分析方法无法实现石笋有机碳同位素的高分辨率分析。例如，Li等人（Li X L, Hu C Y, Huang J H, et al. 2014. A9000-year carbon isotopic record of acid-soluble organic matter in astalagmite from Heshang Cave, central China: paleoclimate implications [J].Chemical Geology, 388: 71-77.）利用盐酸对石笋粉末进行消解，将上清液蒸干后，通过常规的元素分析仪-同位素比值质谱仪（EA-IRMS）测定了酸溶有机质的碳同位素。该方法样品用量较大（~2g），且分析误差较大（0.2-0.4‰），远远大于无机碳同位素的分析误差（<0.08‰）。

经过检索，国际上已经有学者尝试用少量石笋粉末测定其有机碳同位素。例如，Blyth（Blyth A J, Shutova Y, Smith C. 2013b. δ

又例如，Lechleitner等（Lechleitner, FA, Lang, SQ, Haghipour, N,McIntyre, C, Baldini, JUL, Prufer, KM, Eglinton, TI. 2019. Towards organiccarbon isotope records from stalagmites: coupled δ

发明人曾发明过一种碳、氧同位素测定方法及其系统（CN109557225B），但其结构和方法并不适用于对石笋中的有机碳同位素进行高分辨率测定的方法，这是因为CN109557225B仅适用于测定碳酸盐样品中的无机碳同位素，其原理是将碳酸盐样品中的无机碳与磷酸反应生成CO

综合来看，现有技术中提供的各种方法，样品的用量都相对比较大，而且并不利于石笋高分辨率有机碳同位素记录在古环境中的应用。由此，通过新方法开展石笋中微量有机碳同位素准确测定是亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种对石笋中的有机碳同位素进行高分辨率测定的方法及系统。

在本发明的第一方面，提出了一种对石笋中的有机碳同位素进行高分辨率测定的方法，其用于测定石笋粉末样品中的有机碳同位素；所述方法包括：

将所述石笋粉末样品装入倒“Y”字型样品瓶，所述倒“Y”字型样品瓶包括第一分支和第二分支，所述第一分支和所述第二分支相互连通；所述第一分支的底部用于放置所述石笋粉末样品，所述第二分支底部封闭并且方向朝下；

在所述第一分支的底部，向所述石笋粉末样品加入1mol/L的盐酸，反应24小时，以将其酸化去除所述石笋粉末样品中的无机碳；

在所述第二分支的底部加入铬酸后，将用于密封的瓶垫和瓶盖拧紧到所述第一分支上；

将所述第一分支与真空系统的真空管路相连接，所述真空系统经所述真空管路对所述样品瓶抽真空，以排净所述样品瓶内的空气、以及所述石笋粉末样品酸化后溶解在液体中的无机CO

将所述真空系统与所述第一分支分离，然后将双孔针扎入所述瓶盖和所述瓶垫，其中所述双孔针包括位于内部的第一管路和第二管路，所述第一管路通入氦气以使得所述样品瓶中的气体经所述第二管路流出所述样品瓶；

利用所述双孔针对所述样品瓶充氦气5min，流量为100ml/min，所述氦气经所述第一管路通入所述样品瓶，并使得所述样品瓶中的气体经所述第二管路流出所述样品瓶，以降低所述样品瓶中的本底干扰；

将所述双孔针拔出，并将所述第二分支中的铬酸与所述第一分支中酸化后的所述石笋粉末样品进行充分混合，然后在100℃下加热1小时，以将所述石笋粉末样品中的有机碳氧化为有机CO

再次将所述双孔针扎入所述瓶盖和所述瓶垫，并在所述双孔针的所述第一管路中通入氦气，流量为1.5ml/min，，以将所述有机CO

将流经所述银丝纯化管的有机CO

根据本发明的实施例，所述将流经所述银丝纯化管的有机CO

利用第一八通阀及第一样品环对经所述银丝纯化管后的有机CO

移去所述第一液氮冷阱，并将所述第一样品环置于温度在-85℃的液氮-酒精冷阱；在第一释放模式下所述第一八通阀按5-6-3-4的路径将所述第一样品环中的所述有机CO

根据本发明的实施例，所述在第一释放模式下所述第一八通阀按5-6-3-4的路径将所述第一样品环中的所述有机CO

将所述气相色谱柱置于温度在-15℃的液氮-乙二醇冷阱，并将流出所述气相色谱柱的所述有机CO

移去所述第二液氮冷阱，并将所述第二样品环加热至30℃；在第二释放模式下所述第二八通阀按5-6-3-4的路径将所述第二样品环中的所述有机CO

根据本发明的实施例，所述将所述第一分支与真空系统的真空管路相连接，包括：

利用有孔针扎入所述瓶盖和所述瓶垫，以使得所述真空管路与所述第一分支相互连通，其中所述真空管路上设置有靠近所述第一分支的硅胶管，所述有孔针的一端扎入所述硅胶管并与所述真空管路相连通，另一端扎入所述瓶盖和所述瓶垫，其中所述有孔针内部包括用于连通所述真空管路与所述第一分支的连通管路。

根据本发明的实施例，所述将所述真空系统与所述第一分支分离包括：

将所述有孔针从所述瓶盖和所述瓶垫拔出，以使得所述真空管路与所述第一分支相互分离。

根据本发明的实施例，其中，所述第一管路在所述双孔针的侧面具有第一孔部，并在所述双孔针的顶端具有一根不锈钢管，所述氦气经所述不锈钢管从所述第一孔部通入所述样品瓶；

所述第二管路在所述双孔针的底部具有第二孔部，并在所述双孔针的顶端具有一根毛细管，所述有机CO

根据本发明的实施例，其中：所述银丝纯化管为装有银丝的玻璃管，与所述第二管路气体连通，用于去除所述样品瓶中产生的杂质；所述杂质包括硫化物、卤代物；所述铬酸为H

在本发明的第二方面，提供了一种对石笋中的有机碳同位素进行高分辨率测定的系统，其使用根据上文所述的方法来测定石笋粉末样品中的有机碳同位素；所述系统包括倒“Y”字型样品瓶、真空系统、有孔针、双孔针、银丝纯化管、第一八通阀、第一样品环、第一液氮冷阱、气相色谱柱、液氮-乙二醇冷阱、第二八通阀、第二样品环、第二液氮冷阱、开式分流管和质谱测定仪；其中：

所述倒“Y”字型样品瓶包括第一分支和第二分支，所述第一分支和所述第二分支相互连通；所述第一分支用于放置所述石笋粉末样品，并在此将1mol/L的盐酸加入以酸化去除所述石笋粉末样品中的无机碳；所述第二分支底部封闭并且方向朝下，以直接容纳并放置铬酸作为氧化剂；所述第一分支上设置有用于密封的瓶垫和瓶盖；

所述真空系统包括与所述样品瓶相连通的真空管路，所述真空系统经所述真空管路对所述样品瓶抽真空以排净所述样品瓶内的空气、以及所述石笋粉末样品酸化后溶解在液体中的无机CO

所述有孔针的内部包括用于连通所述真空管路与所述第一分支的连通管路，在使用时，所述有孔针的一端扎入所述硅胶管并与所述真空管路相连通，另一端扎入所述瓶盖和所述瓶垫；

所述双孔针包括位于内部的第一管路和第二管路，所述第一管路通入氦气以使得所述样品瓶中的气体经所述第二管路流出所述样品瓶；

所述银丝纯化管为装有银丝的玻璃管，与所述第二管路气体连通，以用于去除所述样品瓶中产生的杂质。

所述第一八通阀为有八个接口的阀门，所述第一样品环为1/8英寸的不锈钢管；在第一富集模式下所述第一八通阀按照7-6-3-2的路径将所述有机CO

所述气相色谱柱置于温度在-15℃的所述液氮-乙二醇冷阱；

所述第二八通阀为有八个接口的阀门，所述第二样品环为外径1mm的毛细管；在第二富集模式下所述第二八通阀按照7-6-3-2的路径将所述有机CO

所述开式分流管用于将流出所述第二八通阀的所述有机CO

根据本发明的实施例，其中，所述第一管路在所述双孔针的侧面具有第一孔部，并在所述双孔针的顶端具有一根不锈钢管，所述氦气经所述不锈钢管从所述第一孔部通入所述样品瓶；

所述第二管路在所述双孔针的底部具有第二孔部，并在所述双孔针的顶端具有一根毛细管，所述有机CO

根据本发明的实施例，所述铬酸为H

附图说明

为了更清楚的说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中利用元素分析仪-气体同位素比值质谱仪来测定其碳同位素组成的系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的对石笋中的有机碳同位素进行高分辨率测定的系统的结构示意图。

图3为本发明的样品瓶与真空系统连接的结构示意图。

图4为图2中的第一八通阀或第二八通阀在富集模式时的结构示意图。

图5为图2中的第一八通阀或第二八通阀在释放模式时的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为解决本发明背景技术中所提到的问题，如图2-图5所示，本发明实施例提供了一种对石笋中的有机碳同位素进行高分辨率测定的系统，其可以对石笋中微量有机碳同位素进行准确测定。该系统包括倒“Y”字型样品瓶1、真空系统2、有孔针3、双孔针4、银丝纯化管5、第一八通阀61、第一样品环71、第一液氮冷阱81、气相色谱柱9、液氮-乙二醇冷阱91、第二八通阀62、第二样品环72、第二液氮冷阱82、开式分流管10和质谱测定仪11。

参考图2，倒“Y”字型样品瓶1包括第一分支11和第二分支12，第一分支11和第二分支12相互连通；第一分支11用于放置石笋粉末样品，并在此将1mol/L的盐酸加入以酸化去除石笋粉末样品中的无机碳；第二分支12底部封闭并且方向朝下，以直接容纳并放置铬酸作为氧化剂；第一分支11上设置有用于密封的瓶垫13和瓶盖14。其中瓶盖14可以为中间带孔结构，瓶垫13置于瓶盖14内部，为橡胶材质，用于密封样品瓶1。

本发明为满足对石笋中的有机碳同位素进行高分辨率测定的方法的要求，特别设计了倒“Y”字型样品瓶，其与CN109557225B 中的“Y”字型样品瓶的结构不同，区别在于第二分支为封闭的支管（不再设置瓶垫和瓶盖），并且第二分支的方向朝下，使得整体样品瓶呈倒“Y”字型。采用倒“Y”字型样品瓶的结构设计是本发明的独特之处，这是由于底部封闭的第二分支可以直接容纳并放置铬酸（铬酸为H

参考图3，本发明实施例中的真空系统2包括与样品瓶1相连通的真空管路21，真空系统2经真空管路21对样品瓶1抽真空以排净样品瓶1内的空气、以及石笋粉末样品酸化后溶解在液体中的无机CO

本发明实施例中的有孔针3的内部包括用于连通真空管路21与第一分支11的连通管路，在使用时，有孔针3的一端扎入硅胶管23并与真空管路21相连通，另一端扎入瓶盖14和瓶垫13。此时有孔针3的一端扎入硅胶管23(例如硅胶管23的底部)并与真空管路21相连通，另一端扎入第一分支11的瓶盖和瓶垫，从而实现气体连通的效果。

应当注意，与CN109557225B 中的“Y”字型样品瓶与真空系统的连接结构不同，由于本发明中采用了倒“Y”字型样品瓶，并且第二分支12底部封闭且方向朝下，因此在与真空系统连接时，本发明特别设计了通过有孔针3将第一分支11与真空系统相互连通的结构，这种结构由于样品瓶1保持直立状态，而包括硅胶管23、阀门24的结构也能保持直立状态，因此安装起来更为容易和方便，便于实际操作。此外，CN109557225B仅适用于测定碳酸盐样品中的无机碳同位素，其原理是将碳酸盐样品中的无机碳与磷酸反应生成CO

继续参考图2，本发明实施例的双孔针4包括位于内部的第一管路（未示出）和第二管路（未示出），第一管路通入氦气以使得样品瓶1中的气体经第二管路流出样品瓶1。第一管路在双孔针4的侧面具有第一孔部（未示出），并在双孔针4的顶端具有一根不锈钢管（未示出），氦气经不锈钢管从第一孔部通入样品瓶1；第二管路在双孔针4的底部具有第二孔部（未示出）（未示出），并在双孔针4的顶端具有一根毛细管，有机CO

例如，双孔针4为底部和侧面各有一个孔的针型结构，使用时双孔针4扎透瓶盖14内的瓶垫13以伸入样品瓶1。双孔针4的顶端连接一根不锈钢管和一根毛细管，氦气由不锈钢管经侧面小孔通入倒“Y”字型样品瓶1，倒“Y”字型样品瓶1内的气体(包括空气或CO

参考图2，本发明实施例的银丝纯化管5为装有银丝的玻璃管，与第二管路气体连通，以用于去除样品瓶1中产生的杂质。例如，双孔针4导出的CO

参考图2、图4和图5，本发明实施例中的第一八通阀61为有八个接口的阀门，第一样品环71为1/8英寸的不锈钢管；在第一富集模式下第一八通阀61按照7-6-3-2的路径将有机CO

如图2所示，本发明实施例中的气相色谱柱9置于温度在-15℃的液氮-乙二醇冷阱91。参考图4和图5，本发明实施例中的第二八通阀62为有八个接口的阀门，第二样品环72为外径1mm的毛细管；在第二富集模式下第二八通阀62按照7-6-3-2的路径将有机CO

需要注意，与CN109557225B相比，本发明中样品瓶中涉及的干扰元素较多，会干扰样品气的测定，而CN109557225B中的纯化步骤并不会去除这些元素，因此并不适用于对石笋中的有机碳同位素进行高分辨率测定。CN109557225B中的样品环是没有液氮冷阱的，只收集了一部分样品CO

继续参考图2，本发明实施例中的开式分流管10用于将流出第二样品环72的有机CO

通过以上系统结构，本发明实施例中的测定系统和测定方法能够实现微克级石笋粉末的碳同位素测定，且测试精度<±0.1‰，因此能够开展石笋高分辨率有机碳同位素的分析工作。

本发明实施例还提供了一种对石笋中的有机碳同位素进行高分辨率测定的方法，其使用如上所述的对石笋中的有机碳同位素进行高分辨率测定的系统（如图2所示），用于测定石笋粉末样品中的有机碳同位素，该方法包括以下步骤：

步骤202，将石笋粉末样品装入倒“Y”字型样品瓶1，倒“Y”字型样品瓶1包括第一分支11和第二分支12，第一分支11和第二分支12相互连通；第一分支11的底部用于放置石笋粉末样品，第二分支12底部封闭并且方向朝下。

步骤204，在第一分支11的底部，向石笋粉末样品加入1mol/L的盐酸，反应24小时，以将其酸化去除石笋粉末样品中的无机碳。例如，将石笋粉末样品装入样品瓶1（也即反应瓶）的第一分支11，加入1mol/L的盐酸反应24小时，将其酸化去除无机碳。

步骤206，在第二分支12的底部加入铬酸后，将用于密封的瓶垫13和瓶盖14拧紧到第一分支11上。例如，在第二分支12加入铬酸（H

步骤208，将第一分支11与真空系统2的真空管路21相连接，真空系统2经真空管路21对样品瓶1抽真空，以排净样品瓶1内的空气，以及石笋粉末样品酸化后溶解在液体中的无机CO

根据本发明的一些实施例，将第一分支与真空系统的真空管路相连接，包括：利用有孔针3扎入瓶盖14和瓶垫13，以使得真空管路21与第一分支11相互连通，其中真空管路21上设置有靠近第一分支1的硅胶管23，有孔针3的一端扎入硅胶管23并与真空管路21相连通，另一端扎入瓶盖14和瓶垫13，其中有孔针3内部包括用于连通真空管路21与第一分支11的连通管路（未示出）。

步骤210，将真空系统2与第一分支11分离，然后将双孔针4扎入瓶盖14和瓶垫13，其中双孔针4包括位于内部的第一管路（未示出）和第二管路（未示出），第一管路通入氦气以使得样品瓶1中的气体经第二管路流出样品瓶。

根据本发明的一些实施例，将真空系统2与第一分支11分离包括：将有孔针3从瓶盖和瓶垫拔出，以使得真空管路与第一分支相互分离。第一管路在双孔针4的侧面具有第一孔部，并在双孔针4的顶端具有一根不锈钢管，氦气经不锈钢管从第一孔部通入样品瓶1；第二管路在双孔针4的底部具有第二孔部，并在双孔针4的顶端具有一根毛细管，有机CO

步骤212，利用双孔针4对样品瓶1充氦气5min，流量为100ml/min，氦气经第一管路通入样品瓶1，并使得样品瓶1中的气体经第二管路流出样品瓶1，以保证样品瓶1内的正压状态，进而降低样品瓶1中的本底干扰。

例如，利用双孔针4对样品瓶1充氦气5min。此时的双孔针4的不锈钢管接He气口，流量为100ml/min，毛细管暴露在空气中。将双孔针4扎入样品瓶1的瓶盖14和瓶垫13，第一管路在双孔针4的侧面具有第一孔部（未示出），并在双孔针4的顶端具有一根不锈钢管（未示出），氦气经不锈钢管从第一孔部通入样品瓶1；第二管路在双孔针4的底部具有第二孔部（未示出），并在双孔针4的顶端具有一根毛细管（未示出），样品瓶1中的气体经第二孔部并从毛细管流出，排至空气中。这样使得样品瓶1中的压力保持在正压的状态，保证样品瓶1中后续反应的气体不会外漏，致使同位素分馏；同时也起到进一步排空的作用，保障样品瓶1中的本底较低。

步骤214，将双孔针4拔出，并将第二分支12中的铬酸与第一分支11中酸化后的石笋粉末样品进行充分混合，然后在100℃下加热1小时，以将石笋粉末样品中的有机碳氧化为有机CO

步骤216，再次将双孔针4扎入瓶盖14和瓶垫13，并在双孔针4的第一管路中通入氦气，流量为1.5ml/min，，以将有机CO

步骤218，将流经银丝纯化管5的有机CO

作为示例，步骤218例如还包括：步骤220，利用第一八通阀61及第一样品环71对经银丝纯化管5后的有机CO

作为示例，步骤220还包括：步骤222，将气相色谱柱9置于温度在-15℃的液氮-乙二醇冷阱91（用于去除气体中的各类杂质），并将流出气相色谱柱9的有机CO

例如，第一八通阀61和第二八通阀62都可以为有八个接口的阀门，其结构如图4和图5 所示。质谱测定仪11（例如气体同位素比值质谱仪）内的离子源可以将气体分子离子化，接着离子化的气体会通过加速电场以一定的初始速度进入飞行管道。其中，飞行管道是弯曲的，磁铁置于其上方，带电分子因质荷比不同而分离，含有重同位素的分子（质荷比大）弯曲程度小于含轻同位素的分子（质荷比小）。由于在飞行管道的末端有一个法拉第杯收集器，因此其可以用以测量经过磁体分离之后具有特定质量的离子束强度，最后得出CO

通过以上系统结构和测定方法，本发明实施例中的测定系统和测定方法能够将石笋粉末酸化去除无机碳后，用铬酸将其有机碳氧化成CO

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明还可以通过其他结构来实现，本发明的特征并不局限于上述较佳的实施例。任何熟悉该项技术的人员在本发明的技术领域内，可轻易想到的变化或修饰，都应涵盖在本发明的专利保护范围之内。