快速測定有機(jī)物樣品中碳同位素比值的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種快速測定有機(jī)物樣品中碳同位素比值的方法，屬于穩(wěn)定同位素分析技術(shù)領(lǐng)域。該方法包括以下步驟：調(diào)整分析儀器至工作狀態(tài)；確定有機(jī)物產(chǎn)生的二氧化碳的保留時(shí)間；編輯分析程序使得在一個(gè)分析進(jìn)程中同時(shí)測定參考物質(zhì)和有機(jī)物樣品的碳同位素豐度；根據(jù)參考物質(zhì)的測定結(jié)果得出有機(jī)物樣品的碳同位素比值δ13CPDB。本方法克服了以往直接測定時(shí)需使用離線方法制備的缺陷，也避免了快速分析系統(tǒng)中燃燒轉(zhuǎn)化率漂移對碳同位素分析的影響，更是簡化了分析和數(shù)據(jù)計(jì)算過程。該方法的總分析時(shí)間僅為13m i n，分析精度0.2‰(SD，1σ)可用于各類有機(jī)物樣品中碳同位素比值的快速準(zhǔn)確測定。
【專利說明】
快速測定有機(jī)物樣品中碳同位素比值的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種直接測定并得出有機(jī)物樣品中碳同位素比值的方法，屬于穩(wěn)定同 位素分析技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】：
[0002] 碳元素是一種重要的生命元素，對生命體的功能W及確保生態(tài)循環(huán)的完整都起著 非常重要的作用。碳的穩(wěn)定同位素有1化和12C，由于碳同位素的自然分饋?zhàn)饔?，物質(zhì)的碳同 位素組成在地質(zhì)、生物、環(huán)境、農(nóng)業(yè)、生態(tài)系統(tǒng)等領(lǐng)域的研究中都有著越來越重要的作用。有 機(jī)物的碳同位素組成是近年來研究的熱點(diǎn)，其暗含了物質(zhì)形成過程中的物理、化學(xué)、代謝過 程W及氣候環(huán)境等多方面的信息。
[0003] 有機(jī)物中碳同位素分析的基本原理是在高溫下使用過量的氧化劑將有機(jī)物轉(zhuǎn)化 成二氧化碳，然后將分離純化后的二氧化碳?xì)怏w導(dǎo)入穩(wěn)定同位素比值質(zhì)譜儀中測定其碳同 位素比值。當(dāng)前，有機(jī)物的碳同位素分析技術(shù)有兩種，分別是傳統(tǒng)的離線-雙路進(jìn)樣測定法 和近年來日益發(fā)展的元素分析儀-穩(wěn)定同位素比值質(zhì)譜法化A-IRMS):離線-雙路進(jìn)樣測定 法需要使用傳統(tǒng)的密閉安瓶技術(shù)處理樣品、高真空系統(tǒng)提純轉(zhuǎn)化后的二氧化碳?xì)怏w、雙路 進(jìn)樣技術(shù)將二氧化碳導(dǎo)入質(zhì)譜儀中分析，樣品前處理過程繁瑣，而且需要經(jīng)驗(yàn)豐富的實(shí)驗(yàn) 操作人員，因此該法難W大規(guī)模推廣;EA-IRMS方法簡化了前處理程序，只需將待分析樣品 放到儀器自帶的自動(dòng)進(jìn)樣器中，諸如氧化、純化、導(dǎo)入等實(shí)驗(yàn)過程均交由EA-IRMS系統(tǒng)自動(dòng) 進(jìn)行，操作簡單、使用便捷，大大降低了人為造成的實(shí)驗(yàn)誤差。
[0004] 碳穩(wěn)定同位素比值為碳元素的1化與1?的原子豐度之比，自然界中1化約占碳元素 的I%，"喲占98.9%，然而不同物質(zhì)"C與1?的原子豐度之比的差異及其微小，實(shí)際工作中 很難精確測定，因此一般采用相對測量的方法，并W相對測量值作為通用的表述法(δ?3〇。 如此，穩(wěn)定同位素比值質(zhì)譜儀分析過程時(shí)需要用到國際公認(rèn)的參考物質(zhì)，尤其是該參考物 質(zhì)轉(zhuǎn)化的二氧化碳?xì)怏w作為基準(zhǔn)才能得出待分析物質(zhì)的碳同位素比值(SUCPDB)。傳統(tǒng)的離 線-雙路進(jìn)樣測定法由于采用密閉安瓶技術(shù)處理樣品、雙路進(jìn)樣技術(shù)導(dǎo)入制備得到的二氧 化碳?xì)怏w，因此可W同時(shí)處理參考物質(zhì)和待測樣品，分別得到參考物質(zhì)制備的二氧化碳?xì)?體和待測樣品制備的二氧化碳?xì)怏w，通過雙路進(jìn)樣技術(shù)將其分別導(dǎo)入穩(wěn)定同位素比值質(zhì)譜 儀的儲氣倉中，倉中氣體能夠緩慢、多次釋放進(jìn)入質(zhì)譜儀的分析系統(tǒng)，多次對比可得出測定 結(jié)果(S13Cpdb);EA-IRMS系統(tǒng)由于受制于其聯(lián)機(jī)系統(tǒng)的性質(zhì)，制備的二氧化碳?xì)怏w在載氣的 運(yùn)載下進(jìn)入IRMS的分析系統(tǒng)，由于載氣是持續(xù)通入的，因此制備的二氧化碳?xì)怏w只能分析 一次，在運(yùn)種情況下，科研人員普遍采用了借助工作參考?xì)膺M(jìn)行分析的模式(工作參考?xì)獠?不進(jìn)入EA-IRMS的燃燒轉(zhuǎn)化系統(tǒng)），然而正如王旭等人提到的那樣(《EA-Conflo-IRMS聯(lián)機(jī)系 統(tǒng)的燃燒轉(zhuǎn)化率漂移及其對氮碳同位素比值測定的影響》），EA-IRMS系統(tǒng)不能像密閉安瓶 法中相互獨(dú)立的氧化劑，而是η個(gè)有機(jī)物共用一管氧化劑，運(yùn)樣就產(chǎn)生了處理樣品時(shí)燃燒轉(zhuǎn) 化效率變化的問題，與此同時(shí)也使得碳同位素測定結(jié)果變負(fù)。為校正儀器漂移的狀態(tài)，他們 提出了用反標(biāo)定法不斷地重新設(shè)定工作參考?xì)獾腟UCPDB值，雖然該方法在理論上是可行的， 但是實(shí)際工作中發(fā)現(xiàn)，使用運(yùn)種校正方法增加了分析任務(wù)和成本(如單獨(dú)測一個(gè)樣品，必然 先測一次或多次參考物質(zhì)W反標(biāo)定參考?xì)猓档土斯ぷ餍?，而且不能迅速地測定得出樣 品準(zhǔn)確的SUCpdb值。

【發(fā)明內(nèi)容】
：
[0005] (1)擬解決的問題
[0006] EA-IRMS法測定有機(jī)物樣品的碳同位素比值具有簡單、便捷的優(yōu)點(diǎn)，是今后研究與 推廣應(yīng)用的發(fā)展方向，但是急需能夠快速、直接測定得出樣品碳同位素比值的方法。
[0007] (2)本發(fā)明的具體方案
[0008] 為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題，本發(fā)明提供了在一個(gè)分析進(jìn)程中同時(shí)分析參 考物質(zhì)和有機(jī)物樣品的碳同位素豐度進(jìn)而得出有機(jī)物樣品的碳同位素比值的方法。
[0009] 具體而言，本發(fā)明使用了 EA-IRMS系統(tǒng)，在同一個(gè)分析進(jìn)程中通過自動(dòng)進(jìn)樣器連續(xù) 進(jìn)樣進(jìn)行參考物質(zhì)和樣品碳同位素的轉(zhuǎn)化、分析，直接將有機(jī)物樣品的碳同位素豐度與參 考物質(zhì)進(jìn)行對比而得出碳同位素比值(SUCpdb)，優(yōu)選地，其中所述的參考物質(zhì)包括IAEA-CH- 6、USGS-34、GBW04407、GBW04408等國際和國家認(rèn)證認(rèn)可的物質(zhì)，其中所述的有機(jī)物樣品是 各種碳氨化合物，如糖類、纖維素、±壤有機(jī)質(zhì)、蛋白質(zhì)、脂肪等。
[0010] 可選擇地，本發(fā)明的方法包括W下步驟：
[0011] 1)調(diào)整元素分析儀-穩(wěn)定同位素比值質(zhì)譜參數(shù)至工作狀態(tài)；
[0012] 2)確定元素分析儀-穩(wěn)定同位素比值質(zhì)譜分析有機(jī)物碳同位素比值時(shí)有機(jī)物產(chǎn)生 的二氧化碳的保留時(shí)間；
[0013] 3)編輯元素分析儀-穩(wěn)定同位素比值質(zhì)譜直接測定有機(jī)物樣品中碳同位素比值的 程序方法；
[0014] 4)將參考物質(zhì)和有機(jī)物樣品分別放置在樣品盤上；
[0015] 5)執(zhí)行測定程序，根據(jù)參考物質(zhì)的測定值得出有機(jī)物樣品的碳同位素比值SUCpdb。
[0016] 進(jìn)一步地，本發(fā)明的方法包括：
[0017] a)元素分析儀中填充氧化劑、還原劑和除水劑，所述氧化劑為氧化銘、含銀氧化 鉆，所述還原劑為銅絲，所述除水劑為高氯酸儀；
[0018] b)連接元素分析儀與穩(wěn)定同位素比值質(zhì)譜儀氣路和通訊；
[0019] C)控制元素分析儀的載氣流速和進(jìn)樣盤中的吹掃氣流速，所述載氣和吹掃氣均為 氮?dú)猓?br>[0020] d)檢查元素分析儀-穩(wěn)定同位素比值質(zhì)譜系統(tǒng)的Ar背景值；
[0021] e)將元素分析儀的色譜柱和將反應(yīng)爐升至工作溫度；
[0022] f)用錫杯包裹一定質(zhì)量的炭黑樣品，用元素分析儀配套的自動(dòng)進(jìn)樣器進(jìn)樣后確定 產(chǎn)生的C〇2的保留時(shí)間和色譜峰峰寬；
[0023] g)根據(jù)C〇2的保留時(shí)間和色譜峰峰寬編輯自動(dòng)進(jìn)樣器的進(jìn)樣程序，確保同一分析 進(jìn)程中連續(xù)進(jìn)樣而不互相干擾；
[0024] h)分別用錫杯包裹一定質(zhì)量的碳同位素參考物質(zhì)和有機(jī)物樣品，置于自動(dòng)進(jìn)樣器 上；
[0025] i)開啟一個(gè)分析進(jìn)程，連續(xù)進(jìn)樣使參考物質(zhì)、有機(jī)物樣品先后經(jīng)自動(dòng)進(jìn)樣器進(jìn)樣 轉(zhuǎn)化并分析各自產(chǎn)生的C〇2的碳同位素比值；
[0026] j)根據(jù)參考物質(zhì)的碳同位素組成和給定的SiSCPDB值直接得到有機(jī)物樣品的δ 口 C陽Β(祐口η)值。
[0027] 優(yōu)選地，載氣流速為lOOmL/min，吹掃氣流速為175mL/min，Ar的背景值應(yīng)符合ΕΑ- IMS的工作要求，色譜柱溫度設(shè)定為60°C，反應(yīng)爐的氧化爐溫度為980°C、還原爐溫度為700 °C，錫杯中有機(jī)物樣品質(zhì)量為0.1 mg。
[002引（3)有益效果：
[0029] 本發(fā)明提供的直接測定有機(jī)物樣品中SUCpdb值的方法具有操作簡單、分析快捷的 特點(diǎn)，與現(xiàn)有技術(shù)相比具有W下優(yōu)點(diǎn)：
[0030] 1.本發(fā)明提供的分析方法不需要使用工作參考?xì)?，而是在同一個(gè)分析進(jìn)程中同時(shí) 分析參考物質(zhì)和有機(jī)物樣品各自轉(zhuǎn)化的C〇2的同位素組成，借鑒了雙路進(jìn)樣-穩(wěn)定同位素比 值質(zhì)譜儀的運(yùn)行原理，直接通過參考物質(zhì)的實(shí)際值和測定值得出樣品的碳同位素比值，因 此，避免了元素分析儀中反應(yīng)狀態(tài)的改變而造成的需要不斷反標(biāo)定參考?xì)獾穆闊?br>[0031] 2.由于本發(fā)明提到的分析方法省去了工作參考?xì)獾氖褂?，而是在同一個(gè)分析進(jìn)程 中同時(shí)分析參考物質(zhì)和有機(jī)物樣品，大大縮短了分析時(shí)間，并且可W根據(jù)需要在該分析進(jìn) 程中使用多個(gè)參考物質(zhì)，因此結(jié)果的準(zhǔn)確性更高。
【附圖說明】：
[0032] 圖1:有機(jī)物轉(zhuǎn)化的C〇2的保留時(shí)間。
[0033] 圖2:有機(jī)物樣品SUCpdb測定的離子流圖。
【具體實(shí)施方式】：
[0034] 下面將通過借助W下實(shí)施例來更詳細(xì)地說明本發(fā)明。W下實(shí)施例僅是說明性的， 應(yīng)該明白，本發(fā)明并不受下述實(shí)施例的限制。
[003引實(shí)施例一：
[0036] 1材料方法
[0037] 1.1 儀器
[0038] 元素分析儀-穩(wěn)定同位素比值質(zhì)譜化A-IRMS)，其中元素分析儀的型號為Flash 2000,穩(wěn)定同位素比值質(zhì)譜儀的型號為Delta V Advantage,上述儀器均購自賽默飛世爾科 技(中國）有限公司；電子分析天平(梅特勒-托利多國際股份有限公司）。
[0039] 1.2 試劑
[0040] 氮?dú)?純度 >99.999%)，氧氣(純度>99.99%)，炭黑(6^。〇6 = -22.43%〇)。
[0041 ] 1.3分析過程
[0042] 1.3.1檢查元素分析儀的氧化劑、還原劑和除水劑，確保具有工作能力（不足時(shí)需 更換）；
[0043] 1.3.2檢查元素分析儀和穩(wěn)定同位素比值質(zhì)譜間的連接氣路和通訊是否正常；
[0044] 1.3.3調(diào)節(jié)載氣流速為lOOmL/min，吹掃氣流速為175mL/min;
[0045] 1.3.4檢查元素分析儀-穩(wěn)定同位素比值質(zhì)譜系統(tǒng)中氣氣（Ar)的背景值是否< 70mv(Ar在質(zhì)譜儀的法拉第第二收集杯上顯示的信號）；
[0046] 1.3.5打開氧氣鋼瓶，控制樣品分析過程中氧氣的注入速度為250mL/min;
[0047] 1.3.6元素分析儀的氧化爐升溫至980°C，還原爐升溫至700°C，色譜柱溫度為60 。。
[004引1.3.7稱取了0.09mg炭黑，用錫杯包裹后置于自動(dòng)進(jìn)樣器的進(jìn)樣盤上；
[0049] 1.3.8設(shè)定自動(dòng)進(jìn)樣器在分析進(jìn)程開始后40s時(shí)將裝有炭黑的錫杯導(dǎo)入到氧化爐 中；
[0050] 1.3.9開始一個(gè)分析進(jìn)程，監(jiān)測到炭黑在氧化爐中產(chǎn)生的C〇2的保留時(shí)間為238s， 色譜峰的峰寬為120s左右(見附圖1);
[0化1 ] 1.3.10根據(jù)1.3.9的監(jiān)測結(jié)果，重新設(shè)定自動(dòng)進(jìn)樣程序:在40s、240s和440s分別進(jìn) 樣(任選地，可W自選進(jìn)樣次數(shù)，進(jìn)樣間隔為200s);
[0化2] 1.3.11稱取Ξ份GBW04407，每份均重約0.09mg，分別用錫杯包裹后放置在進(jìn)樣盤 上；
[0053] 1.3.12開始一個(gè)分析進(jìn)程，連續(xù)進(jìn)樣分析GBW04407 (見附圖2)，并W第一個(gè)色譜峰 的碳同位素豐度為基準(zhǔn)得出第二、第Ξ個(gè)試樣的SUCpdb值。
[0054] 1.4測定結(jié)果
[0化5]由圖2可知，整個(gè)分析時(shí)間僅750s。上述分析過程中，為第一個(gè)色譜峰賦值為- 22.43%。，由此得到了第二和第Ξ個(gè)色譜峰的SUCpdb值分別為-22.51%。和-22.38%。，據(jù)此分 析可得其測定均值為-22.44%。，測定標(biāo)準(zhǔn)偏差（SD，10)為0.065%。，符合穩(wěn)定同位素分析的 精密度要求。
[0056] 實(shí)施例二：
[0057] 根據(jù)實(shí)施例一提供的儀器裝置和分析過程，W國際碳同位素參考物質(zhì)和GBW04408 (S13Cpdb = -36.91%。)為試驗(yàn)對象展開方法的準(zhǔn)確性研究。進(jìn)樣時(shí)，第一個(gè)和第Ξ個(gè)試樣均為 GBW04407,第二個(gè)試樣為IAEA-CH-6或GBW04408,并WGBW04407產(chǎn)生的色譜峰的碳同位素豐 度為基準(zhǔn)得出IAEA-CH-6和GBW04408的SUCpdb值，結(jié)果見表1。
[005引表1方法的準(zhǔn)確性驗(yàn)證結(jié)果
[0化9]
[0060]由上表可知，該方法測定的結(jié)果，與試驗(yàn)對象給定值之間的差異<0.15%。，符合國 內(nèi)認(rèn)的對碳同位素分析誤差小于0.2%。的要求。該項(xiàng)研究是在同一個(gè)分析進(jìn)程中（750s)完 成的，而不需兩個(gè)或兩個(gè)W上獨(dú)立的分析進(jìn)程(有工作參考?xì)鈪⑴c時(shí)），因此本發(fā)明提供的 方法能夠直接、快速且準(zhǔn)確地測定有機(jī)物樣品的碳同位素比值。
[006。 實(shí)施例S:
[0062]根據(jù)實(shí)施例一提供的儀器裝置和分析過程，WGBW04407為參考物質(zhì)分析白砂糖、 淀粉和果汁中總糖的SUCpdb值(樣品前處理過程參照QB/T2015-4854)，每個(gè)樣品測定3次，結(jié) 果見表2。
[00創(chuàng)表2不同樣品的^3Cpdb值
[0064]
[00 化]
[0066] 由上表可知，本批有機(jī)物樣品的SUCpdb值分布范圍為-27.53%〇~-10.93%〇，其中樣 品"白砂糖-ir、"白砂糖-2#"和"玉米淀粉"明顯符合C4植物有機(jī)成分的碳同位素比值特 征，因此可推測運(yùn)兩個(gè)白砂糖的生產(chǎn)原料為于甘薦，"玉米淀粉"的生產(chǎn)原料為C4類植物;樣 品"白砂糖-3#"、"小麥淀粉"、"大米淀粉"W及"澄汁"、"蘋果汁"和"葡萄汁"的總糖的SUCpdb 值表現(xiàn)出了明顯的C3植物的碳同位素比值特征，因此可推斷"白砂糖-3#"的生產(chǎn)原料為甜 菜，而"小麥淀粉"和"大米淀粉"確實(shí)來自于C3類植物，"澄汁"、"蘋果汁"和"葡萄汁"樣品的 總糖來自于C3類水果。
[0067] 最后應(yīng)當(dāng)說明的是，W上實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參 照較佳實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可W對發(fā)明的 技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在 本發(fā)明的權(quán)利要求范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種直接測定有機(jī)物樣品中碳同位素比值的方法，其是使用元素分析儀-穩(wěn)定同位 素比值質(zhì)譜技術(shù)在同一個(gè)分析進(jìn)程中同時(shí)分析碳同位素參考物質(zhì)和樣品而直接得出樣品 的碳同位素比值的方法，包括以下步驟： 在同一分析進(jìn)程的不同時(shí)間點(diǎn)進(jìn)樣并測定參考物質(zhì)和有機(jī)物樣品的碳同位素豐度，并 以參考物質(zhì)轉(zhuǎn)化的二氧化碳的同位素豐度為基準(zhǔn)得出有機(jī)物樣品的碳同位素比值S13CPDB。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，在測定有機(jī)物樣品中碳同位素比值之前，包括如下步 驟： 1) 調(diào)整元素分析儀-穩(wěn)定同位素比值質(zhì)譜的工作狀態(tài)； 2) 確定元素分析儀-穩(wěn)定同位素比值質(zhì)譜分析有機(jī)物碳同位素比值時(shí)有機(jī)物產(chǎn)生的二 氧化碳的保留時(shí)間；和 3) 編輯元素分析儀-穩(wěn)定同位素比值質(zhì)譜直接測定有機(jī)物樣品中碳同位素比值的進(jìn)樣 程序，以確保同一分析進(jìn)程中連續(xù)進(jìn)樣而不互相干擾。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在同一進(jìn)程中的測定一個(gè)或多個(gè)參考物質(zhì) 和一個(gè)或多個(gè)有機(jī)物樣品的碳同位素豐度。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中在同一進(jìn)程中第一時(shí)間點(diǎn)和最后時(shí)間點(diǎn)測定的碳 同位素豐度均為碳同位素參考物質(zhì)的碳同位素豐度。5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中在進(jìn)樣程序的編輯中，設(shè)置3個(gè)或3個(gè)以上進(jìn)樣過 程，第一個(gè)和最后一個(gè)均進(jìn)樣分析參考物質(zhì)的碳同位素豐度，中間分析有機(jī)物樣品的碳同 位素豐度。6. 根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的方法，其中進(jìn)樣間隔應(yīng)大于有機(jī)物產(chǎn)生的二氧化 碳在穩(wěn)定同位素比值質(zhì)譜上的保留時(shí)間。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中所述的有機(jī)物樣品為碳?xì)浠衔锘蚝刑細(xì)浠?物的樣品。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中所述的碳?xì)浠衔餅樘穷悺⒗w維素、土壤有機(jī)質(zhì)、蛋 白質(zhì)、脂肪或其混合物。9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中所述的有機(jī)物樣品為白砂糖、玉米淀粉、小麥淀粉、 大米淀粉、橙汁、蘋果汁或葡萄汁。10. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中參考物質(zhì)為IAEA-CH-6、USGS-34、GBW04407或 GBW04408的國際公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)。
【文檔編號】G01N30/02GK106066368SQ201610354018
【公開日】2016年11月2日
【申請日】2016年5月25日 公開號201610354018.0, CN 106066368 A, CN 106066368A, CN 201610354018, CN-A-106066368, CN106066368 A, CN106066368A, CN201610354018, CN201610354018.0
【發(fā)明人】鐘其頂, 王道兵
【申請人】中國食品發(fā)酵工業(yè)研究院