稳定同位素技术在环境分析中的应用
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稳定同位素技术(IRMS)
在环境领域的分析应用
IRMS
目录
IRMS
• IRMS的系统组成和工作原理
• IRMS在环境科学中的应用
• IRMS的仪器维护和性能改进
稳定同位素比例质谱仪
IRMS
概念：利用离子光学和电磁原理，按照质 荷比（m/e）进行分离从而测定同位素质量 和相对含量。 迄今发现的稳定同位素 274 种，但得到 产业化生产并已广泛应用的主要为 2H、 13C、 15N、18O、22Ne、10B等少数几种产品。
IRMS的性能改进
IRMS
(2)丰度灵敏度改进的措施：
a、改善测量时的真空环境
b、使用具有质量、能量双聚焦功能的串列分析器 c、采用不同类型阻滞透镜 (3)精密度的提高： a、改善供电系统的稳定性
b、多接收器同时测量，缩短采集数据的时间
c、完善计算机在线测量功能和软件功能，消除人 为重复操作误差，缩短测量时间
IRMS
同位素技术作为来源解析与示踪手段也广泛应 用于气态污染物质来源确定与大气颗粒物污染过 程的研究。应用主要集中于碳、铅、硫的稳定同 位素,研究介质主要为多环芳烃中的稳定碳同位素 组成、燃煤排放的硫化物、汽油燃烧后的铅尘等。
稳定同位素技术在土壤污染中的应用
土壤是许多重金属类污染物质重要的汇 , 同时土壤 又与地表的植被、大气的沉降、地表径流的污染密 切相关,故污染物与污染形式复杂多样,来源探究更加 困难。 稳定性同位素 15N 能够被用来测定植物通过氮固定 或吸收土壤NH4+及NO3-获得氮素相对比率，确定土 壤中碳和氮周转速率等。
IRMS
ห้องสมุดไป่ตู้
有关同位素的测定方法中，常用的同位素 稀释质谱法（IDMS）和电感耦合等离子体质谱 法（ICP-MS）都存在严重的同质异位素干扰， 有什么新的技术可以解决这个问题？
Thank You
IRMS
IRMS
IRMS的仪器维护
反应管及水阱、冷阱的维护 (Flash EA部分)
1、测试植物样品时最多200个样后需要取下燃烧管，用专用 工具清除燃灰，装管时注意水平装O形圈 2、氧化剂的消耗和燃烧位置的变化会引起不完全燃烧，造成 峰的拖尾及形成CO等不良结果，不完全燃烧时可把燃烧管温 度升高少许 3、有峰出现就需要更换还原铜（还原铜失效时会有NO形成， 造成30N的峰变高） 4、更换了燃烧管填料后，为了彻底赶出水分，需要加热烘烤 分离柱 5、水阱维护：当水阱中2/3的干燥剂湿润后，需更换干燥剂， 如果颗粒太大，可以轻轻碾碎后使用 IRMS
离子检测器（Delta Plus XL/XP）
IRMS
离子接受器+放大检测装置 接受来自质量分析器的不同质荷比的电子束，并加以放大和记录
有多个接收器，可同时接收、记录被分开的几束离子及其强度
真空系统
IRMS
涡 轮 分 子 泵
获得超高真空，排除 残余气体，降低 “ 本底 ”
稳定同位素质谱技术的应用
IRMS的仪器维护
反应管及水阱、冷阱的维护 (GC Isolink中)
1、一般一根反应管连续做一周需老化一次：含C量较多的样 品出现鬼峰和杂峰时用，说明Combustion Reactor氧化能力变 差，需要老化。老化方法： a、Combustion Reactor（燃烧管），开O2 阀1-2小时； HTC Reactor（裂解管），开CH4 阀1-2小时 b、开反吹气一小时 c、仪器状态确认：用2个以上空白样和标准样检测仪器状态， 查看样品信号是否稳定 2、冷阱维护：N元素分析时，需要开冷阱去除CO2，CO;一般 液氮灌满一次用一天
•制造地：德 国
•前处理设备： •① 双流进样系统
•② 气相色谱HP6890-燃烧界面Ⅲ
•③ 元素分析仪EA1112-连续流界面Ⅲ •基 本 功 能 ： H/D,
34S/32S 13C/12C, 15N/14N, 18O/16O,
五种元素的气体同位素比值的测定
ConFloⅢ
氧化炉
TC
仪器外观
CombustionⅢ
IRMS
IRMS的性能改进
同位素质谱仪的技术进展，主要围绕提高仪器的灵敏 度、丰度灵敏度、和精密度等性能进行 (1)灵敏度：通常用原子/离子的转换效率来决定，即 用接收到的离子数去除以离子源的样品总原子数之比
• 提高电离效率 （改进电离技术，如采用大流量界面泵和X型的采样锥相结合） • 提高离子传输效率 (改善仪器真空极限、减少离子在传输过程中与缝隙和中性粒子 的碰撞) • 提高离子接受效率 （如改进离子束的形状，避免离子的溅射、反射和电子的逃逸） IRMS
IRMS
20 世纪 80 年代以后，随着同位素质谱测试技术 的改进，大大拓宽了稳定同位素的研究领域。 特点： a 灵敏度高、检测限低 b 操作简便、使用安全 c 没有放射性，无二次污染 d样品用量少、分析结果精确稳定
应用领域：生态学，地理地质科学，环境科学， 海洋科学，石油，石化，食品，化工，法检， 医 学，考古等领域。
IRMS的系统组成
IRMS
• IRMS 主要由 3 大系统组成：分析系统、电学系 统和真空系统。 • 其中分析系统由3个必需的部分组成：单能级离 子源、质量分析器、离子检测器。
进样 系统
样品
离子源
质量分析器
离子检测器
质谱图
DELTA plus XL 气体同位素比值质谱
IRMS
•生产商：美国菲尼根玛特质谱公司
GC 控制电脑
DELTAplus XL 质谱主机
IRMS样品分析流程
IRMS
离子源系统
常见的离子源：电子轰击、表面热电离、二次离子化等
IRMS
电子轰击型离子源
在离化室内，样品气体电离成正离子，在电场作用下 离子聚焦成束，并在加速电压作用下经过缝隙进入分析器。
分析器系统
IRMS
磁 分 析 器
质谱仪的心脏，由一个有限制狭缝板和金属杯（法拉 第筒）组成，主体为一扇形磁铁，其功能是把离子源 送来的离子束按不同的质荷比（m/z）分开。
稳定同位素技术在水污染中的应用
稳定同位素技术在水污染中的应用主要集中于碳、 汞、铅、硫、氮的稳定同位素,使用方法多是利用其作 为示踪剂推测水体中污染源的来历,分析污染物质随时 间的迁移与变化。从而达到对已发生的污染事件进行 仲裁、了解污染与转化途径等目的。
IRMS
稳定同位素技术在大气污染中的应用
在环境领域的分析应用
IRMS
目录
IRMS
• IRMS的系统组成和工作原理
• IRMS在环境科学中的应用
• IRMS的仪器维护和性能改进
稳定同位素比例质谱仪
IRMS
概念：利用离子光学和电磁原理，按照质 荷比（m/e）进行分离从而测定同位素质量 和相对含量。 迄今发现的稳定同位素 274 种，但得到 产业化生产并已广泛应用的主要为 2H、 13C、 15N、18O、22Ne、10B等少数几种产品。
IRMS的性能改进
IRMS
(2)丰度灵敏度改进的措施：
a、改善测量时的真空环境
b、使用具有质量、能量双聚焦功能的串列分析器 c、采用不同类型阻滞透镜 (3)精密度的提高： a、改善供电系统的稳定性
b、多接收器同时测量，缩短采集数据的时间
c、完善计算机在线测量功能和软件功能，消除人 为重复操作误差，缩短测量时间
IRMS
同位素技术作为来源解析与示踪手段也广泛应 用于气态污染物质来源确定与大气颗粒物污染过 程的研究。应用主要集中于碳、铅、硫的稳定同 位素,研究介质主要为多环芳烃中的稳定碳同位素 组成、燃煤排放的硫化物、汽油燃烧后的铅尘等。
稳定同位素技术在土壤污染中的应用
土壤是许多重金属类污染物质重要的汇 , 同时土壤 又与地表的植被、大气的沉降、地表径流的污染密 切相关,故污染物与污染形式复杂多样,来源探究更加 困难。 稳定性同位素 15N 能够被用来测定植物通过氮固定 或吸收土壤NH4+及NO3-获得氮素相对比率，确定土 壤中碳和氮周转速率等。
IRMS
ห้องสมุดไป่ตู้
有关同位素的测定方法中，常用的同位素 稀释质谱法（IDMS）和电感耦合等离子体质谱 法（ICP-MS）都存在严重的同质异位素干扰， 有什么新的技术可以解决这个问题？
Thank You
IRMS
IRMS
IRMS的仪器维护
反应管及水阱、冷阱的维护 (Flash EA部分)
1、测试植物样品时最多200个样后需要取下燃烧管，用专用 工具清除燃灰，装管时注意水平装O形圈 2、氧化剂的消耗和燃烧位置的变化会引起不完全燃烧，造成 峰的拖尾及形成CO等不良结果，不完全燃烧时可把燃烧管温 度升高少许 3、有峰出现就需要更换还原铜（还原铜失效时会有NO形成， 造成30N的峰变高） 4、更换了燃烧管填料后，为了彻底赶出水分，需要加热烘烤 分离柱 5、水阱维护：当水阱中2/3的干燥剂湿润后，需更换干燥剂， 如果颗粒太大，可以轻轻碾碎后使用 IRMS
离子检测器（Delta Plus XL/XP）
IRMS
离子接受器+放大检测装置 接受来自质量分析器的不同质荷比的电子束，并加以放大和记录
有多个接收器，可同时接收、记录被分开的几束离子及其强度
真空系统
IRMS
涡 轮 分 子 泵
获得超高真空，排除 残余气体，降低 “ 本底 ”
稳定同位素质谱技术的应用
IRMS的仪器维护
反应管及水阱、冷阱的维护 (GC Isolink中)
1、一般一根反应管连续做一周需老化一次：含C量较多的样 品出现鬼峰和杂峰时用，说明Combustion Reactor氧化能力变 差，需要老化。老化方法： a、Combustion Reactor（燃烧管），开O2 阀1-2小时； HTC Reactor（裂解管），开CH4 阀1-2小时 b、开反吹气一小时 c、仪器状态确认：用2个以上空白样和标准样检测仪器状态， 查看样品信号是否稳定 2、冷阱维护：N元素分析时，需要开冷阱去除CO2，CO;一般 液氮灌满一次用一天
•制造地：德 国
•前处理设备： •① 双流进样系统
•② 气相色谱HP6890-燃烧界面Ⅲ
•③ 元素分析仪EA1112-连续流界面Ⅲ •基 本 功 能 ： H/D,
34S/32S 13C/12C, 15N/14N, 18O/16O,
五种元素的气体同位素比值的测定
ConFloⅢ
氧化炉
TC
仪器外观
CombustionⅢ
IRMS
IRMS的性能改进
同位素质谱仪的技术进展，主要围绕提高仪器的灵敏 度、丰度灵敏度、和精密度等性能进行 (1)灵敏度：通常用原子/离子的转换效率来决定，即 用接收到的离子数去除以离子源的样品总原子数之比
• 提高电离效率 （改进电离技术，如采用大流量界面泵和X型的采样锥相结合） • 提高离子传输效率 (改善仪器真空极限、减少离子在传输过程中与缝隙和中性粒子 的碰撞) • 提高离子接受效率 （如改进离子束的形状，避免离子的溅射、反射和电子的逃逸） IRMS
IRMS
20 世纪 80 年代以后，随着同位素质谱测试技术 的改进，大大拓宽了稳定同位素的研究领域。 特点： a 灵敏度高、检测限低 b 操作简便、使用安全 c 没有放射性，无二次污染 d样品用量少、分析结果精确稳定
应用领域：生态学，地理地质科学，环境科学， 海洋科学，石油，石化，食品，化工，法检， 医 学，考古等领域。
IRMS的系统组成
IRMS
• IRMS 主要由 3 大系统组成：分析系统、电学系 统和真空系统。 • 其中分析系统由3个必需的部分组成：单能级离 子源、质量分析器、离子检测器。
进样 系统
样品
离子源
质量分析器
离子检测器
质谱图
DELTA plus XL 气体同位素比值质谱
IRMS
•生产商：美国菲尼根玛特质谱公司
GC 控制电脑
DELTAplus XL 质谱主机
IRMS样品分析流程
IRMS
离子源系统
常见的离子源：电子轰击、表面热电离、二次离子化等
IRMS
电子轰击型离子源
在离化室内，样品气体电离成正离子，在电场作用下 离子聚焦成束，并在加速电压作用下经过缝隙进入分析器。
分析器系统
IRMS
磁 分 析 器
质谱仪的心脏，由一个有限制狭缝板和金属杯（法拉 第筒）组成，主体为一扇形磁铁，其功能是把离子源 送来的离子束按不同的质荷比（m/z）分开。
稳定同位素技术在水污染中的应用
稳定同位素技术在水污染中的应用主要集中于碳、 汞、铅、硫、氮的稳定同位素,使用方法多是利用其作 为示踪剂推测水体中污染源的来历,分析污染物质随时 间的迁移与变化。从而达到对已发生的污染事件进行 仲裁、了解污染与转化途径等目的。
IRMS
稳定同位素技术在大气污染中的应用