[發明專利]一種對石筍中的有機碳同位素進行高分辨率測定的方法及系統

有效

• 申請號: 202110509034.3
• 申請日: 2021-05-11
• 公開（公告）號: CN112986453B
• 公開（公告）日: 2021-07-20
• 發明（設計）人: 崔琳琳;王旭;段武輝
• 申請（專利權）人: 中國科學院地質與地球物理研究所
• 主分類號: G01N30/02
• 分類號: G01N30/02;G01N30/06;G01N30/08;G01N30/14;G01N30/72
• 代理公司: 北京高文律師事務所 11359
• 代理人: 潘聰

本發明公開了一種對石筍中的有機碳同位素進行高分辨率測定的方法及系統，該方法包括將石筍粉末樣品裝入倒“Y”字型樣品瓶；在第一分支的底部，向石筍粉末樣品加入1mol/L的鹽酸；在第二分支的底部加入鉻酸后，將用于密封的瓶墊和瓶蓋擰緊到第一分支上；將第一分支與真空系統的真空管路相連接；將真空系統與第一分支分離，然后將雙孔針扎入瓶蓋和瓶墊；利用雙孔針對樣品瓶充氦氣；將第二分支中的鉻酸與第一分支中酸化后的石筍粉末樣品進行充分混合；再次將雙孔針扎入瓶蓋和瓶墊；將流經銀絲純化管的有機CO₂經過富集和純化后引入質譜測定儀測定其碳同位素組成，從而實現對石筍粉末樣品中的有機碳同位素的高分辨率測定。

技術領域

本發明涉及質譜檢測領域，特別涉及一種對石筍中的有機碳同位素進行高分辨率測定的方法及系統。

背景技術

石筍因其精確的定年和多種代用指標，已成為古氣候和古環境研究領域中非常重要的載體，石筍的主要成分為碳酸鈣，其中的碳、氧同位素主要源于土壤中由植物呼吸或植物殘體分解產生的CO₂，通常用來反映古植被變化，進而用于重建古環境。

石筍中的碳庫有兩種主要來源：碳酸鈣中的無機碳以及有機質中的碳。目前現有的技術主要利用石筍無機碳酸鹽碳同位素作為常用的代用指標，這是因為，在測定方法上，石筍無機碳酸鹽碳同位素測試簡單快捷，且僅需幾十微克的石筍粉末便可測定，可以提供高分辨的石筍無機碳同位素記錄。但是，由于石筍無機碳酸鹽碳同位素組成從土壤到洞穴（溶洞）的過程中很容易受到洞穴系統多種因素的干擾，使得其氣候和環境意義不明確，因此應用十分有限。

而石筍有機碳同位素的研究較少，這是由于石筍中的有機質含量非常低（一般其有機碳含量為0.1‰~3‰），并且由于技術手段的限制，石筍有機碳同位素的研究并未廣泛開展。但是，相較于石筍無機碳酸鹽碳同位素而言，石筍中的有機質攜帶的信息在整個遷移的過程中幾乎不會發生改變，能夠保存地表土壤和植被原有的碳同位素組成信息，因此可以避免一些無機碳酸鹽碳同位素響應氣候的不確定因素。

目前，樣品有機碳同位素通常采用元素分析儀與氣體同位素比值質譜儀聯機完成。具體做法為：將樣品粉末置于離心管，利用稀鹽酸將無機碳酸鹽除去；然后在離心機離心后，倒去上清液，將下層沉淀烘干研磨成粉末；最后利用元素分析儀-氣體同位素比值質譜儀來測定其碳同位素組成。如圖1所示，在利用元素分析儀-氣體同位素比值質譜儀測定時，先將處理好的粉末用被錫杯緊密包裹，再通過自動進樣器送入960℃的氧化爐（從上到下依次填有氧化鉻、鍍銀氧化鈷）中，并在通氧條件下瞬間高溫燃燒，形成CO₂，然后在高純氦氣的運載下流經680℃的還原爐（填有銅絲），經過高氯酸鎂除去H₂O，最后經過色譜填充柱分離純化，通過特定接口導入氣體同位素比值質譜儀，最后得出CO₂中碳同位素組成。

但是以上常規的樣品有機碳同位素測定技術需要的樣品量非常大（至少需要2g以上的樣品），而由于石筍中有機質含量過低，因此這種常規的分析方法無法實現石筍有機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.）利用鹽酸對石筍粉末進行消解，將上清液蒸干后，通過常規的元素分析儀-同位素比值質譜儀（EA-IRMS）測定了酸溶有機質的碳同位素。該方法樣品用量較大（~2g），且分析誤差較大（0.2-0.4‰），遠遠大于無機碳同位素的分析誤差（0.08‰）。