Isoprime100穩(wěn)定性同位素比質(zhì)譜儀故障分析及排除

Isoprime100穩(wěn)定性同位素比質(zhì)譜儀故障分析及排除

谷淑波，徐毅，金敏（1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/作物生物學(xué)國家重點實驗室，山東泰安271018；2.艾力蒙塔貿(mào)易（上海）有限公司，上海200123）任何大型貴重精密儀器在使用過程中都會由于各種原因，不可避免地出現(xiàn)一些故障[1-3]，維修不僅耗費大量財力，同時還非常耗時[4]，嚴重影響儀器在教學(xué)與科研中的使用.因此在儀器管理過程中，根據(jù)儀器運行狀態(tài)提前診斷儀器故障，并及時排除故障，顯得尤為重要[5-6].氣體穩(wěn)定性同位素比質(zhì)譜儀是專門測定C、N等穩(wěn)定同位素比值的儀器，其首先將樣品通過外設(shè)轉(zhuǎn)化為氣體再進入質(zhì)譜儀內(nèi)部進行分析，在離子源中氣體分子被電離成帶正電荷的離子，并經(jīng)電場和磁場的作用將離子按照它們的質(zhì)荷比分開，然后根據(jù)不同離子束流的強度測定穩(wěn)定同位素的比值.氣體穩(wěn)定性同位素比質(zhì)譜儀的測定數(shù)據(jù)精度高、穩(wěn)定性強、檢測速度快.元素分析儀與氣體穩(wěn)定同位素比質(zhì)譜儀聯(lián)用系統(tǒng)不僅廣泛應(yīng)用于農(nóng)作物溯源等領(lǐng)域[7-9]，還應(yīng)用于植物養(yǎng)分利用效率、同化物運轉(zhuǎn)機制、土壤生態(tài)環(huán)境的研究[10-15].穩(wěn)定性同位素測定過程中，從樣品制備、稱量包樣、儀器調(diào)試、上機檢測等每個環(huán)節(jié)，都會對最終數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響，操作不當則會使儀器出現(xiàn)故障.本文以Isoprime100穩(wěn)定性同位素比質(zhì)譜儀-ElementarMicrocube元素分析儀聯(lián)用系統(tǒng)為例，闡述作物和土壤中δ13C和δ15N同位素檢測過程常見的故障及解決辦法.1系統(tǒng)漏氣故障Isoprime100穩(wěn)定性同位素比質(zhì)譜儀與ElementarMicrocube元素分析儀聯(lián)用的工作示意圖如圖1所示.圖1穩(wěn)定性同位素比質(zhì)譜儀與元素分析儀工作示意圖Fig.1Workingdiagramofstableisotoperatiomassspectrometerandelementalanalyzer試驗過程中，每批樣品測試完畢，需要更換試劑.更換前要對球閥、燃燒管、還原管等相應(yīng)接頭處進行拆卸，不可避免地會出現(xiàn)系統(tǒng)漏氣等現(xiàn)象.因此，進行δ13C和δ15N檢測前，首先要對系統(tǒng)進行調(diào)試，確定系統(tǒng)壓強（Pressure）達到0.12MPa，系統(tǒng)流速（MFCTCD和HeFlow）達到200mL/min.然后從軟件菜單依次選擇“Option”“Dignostics”“Roughleaktest”，運行自動檢漏程序.如果顯示“Leakcheckpassed”，說明系統(tǒng)不漏氣.如果顯示“Leakcheckfailed”，則說明系統(tǒng)漏氣.1.1系統(tǒng)漏氣部位的確定（1）采用“Fineleaktest”模式分段查找系統(tǒng)漏氣部位，根據(jù)軟件提示進行操作.把鼠標指針懸停在檢漏氣路圖標識數(shù)字上時，會彈出示意圖，根據(jù)提示使用“Elementar”檢漏工具對相應(yīng)的接口進行封堵.（2）順著氣路對每個接口進行封堵，對封堵部位進行檢漏，按順序提示進行檢漏測試，以縮小確定漏點的范圍.每一階段測試成功后，會彈出一個窗口表明當前階段檢漏成功的氣路范圍.（3）可能漏氣的部位有球閥密封件、燃燒管、還原管、干燥管的連接處.1.2造成漏氣的原因（1）更換石英反應(yīng)管內(nèi)耗材時，反應(yīng)管頂部接口處清理不干凈，造成密封不嚴.（2）石英反應(yīng)管經(jīng)過長時間使用，表面產(chǎn)生細微裂痕，如圖2所示.（3）連接處密封墊圈位置發(fā)生偏移，或長時間使用發(fā)生老化.（4）包樣不規(guī)范導(dǎo)致錫杯破裂，進樣時部分樣品撒漏進入球閥，導(dǎo)致球閥密封圈磨損.圖2出現(xiàn)裂紋的石英反應(yīng)管Fig.2Crackedquartzreactiontube1.3解決辦法（1）檢查接口處密封圈位置是否有異物.取下反應(yīng)管頂部管塞，將石英管內(nèi)壁及管塞上的密封圈清理干凈，可在管塞上的密封圈稍涂一點潤滑脂.裝入時管塞與管口要垂直對正并緩慢旋轉(zhuǎn)插入，取出時也應(yīng)如此操作，否則易造成反應(yīng)管崩口.反應(yīng)管裝入儀器前應(yīng)使用酒精清除外管壁沾污的指印，避免高溫加熱后形成結(jié)晶區(qū)域而引起石英管過早老化.（2）更換有裂紋的反應(yīng)管.石英反應(yīng)管在高溫下會與樣品中微量的堿金屬、堿土金屬或鹵族離子結(jié)合，從內(nèi)壁開始逐漸產(chǎn)生晶化.長時間使用會產(chǎn)生細小裂紋.為了避免石英管漏氣甚至爆裂造成的損失，建議根據(jù)情況更換新的反應(yīng)管.（3）在安裝各連接處的球形夾時，同時檢查密封圈是否處于正確位置.（4）清洗球閥.使用專用工具將球閥密封及球取下，如圖3所示.使用絲綢布或脫脂棉、無水酒精將球閥密封表面附著的污染物清洗干凈，不要使用酒精清洗O型圈.清洗完畢后再將球閥裝配好，注意安裝好后球的孔對著燃燒管，即方向向下.圖3球閥密封組件示意圖Fig.3Diagramofballvalvesealingassembly球閥裝配好后，通過軟件測試球閥裝配的松緊程度.如果擠壓件太緊，則可能損壞電機，太松可能漏氣，可通過菜單依次選擇“Options”“Maintenance”“Adjustballvalve”，使用球閥工具調(diào)節(jié)扭矩，根據(jù)狀態(tài)欄顏色提示進行調(diào)整.顯示灰色說明球閥裝的太松，紅色則太緊，綠色表明球閥位于合適的扭矩范圍.（5）正確包樣.稱取樣品后，用鑷子將錫杯上口封閉壓緊，將錫杯內(nèi)殘留的空氣盡可能擠出.包樣過程中注意不要弄破錫杯，否則會造成樣品損失.將樣品包成球狀，有助于隨后的燃燒反應(yīng)，也可以防止樣品卡在自動進樣器中.2峰中心檢測不通過2.1檢測不通過的原因隨著時間和環(huán)境溫度的改變，質(zhì)譜儀的真實磁場強度會發(fā)生微小的偏移，導(dǎo)致離子束無法完全落到法拉第杯中，因此需要調(diào)整加速電壓進行偏移校正.通過峰中心（PeakCentre）掃描，觀察峰中心圖形以及結(jié)果中的參數(shù)，進而判斷離子源是否正常.2.2解決辦法（1）離子源參數(shù)重新設(shè)置.從之前任意一個數(shù)據(jù)正常的樣品結(jié)果文件夾中選擇參數(shù)記錄文件“SampleRecord.ini”，找到相應(yīng)N2/CO2條件下離子源參數(shù)，將參數(shù)值輸入到當前軟件“Tunepage”窗口內(nèi)，如圖4所示，再點擊“CycleMagnet”使質(zhì)譜儀磁場復(fù)位.在“PeakCentre”掃描結(jié)束后，從圖5中檢查“Focus”結(jié)果，通常大于0.550即可.圖4離子源參數(shù)Fig.4Parametersofionsource圖5峰中心掃描結(jié)果Fig.5Resultofpeakcenterscan（2）清洗離子源.若“Focus”結(jié)果小于0.550，且無法通過調(diào)諧離子源參數(shù)恢復(fù)正常峰形，可能是由于離子源過分污染所致.清洗離子源操作必須全程佩戴手套，避免污染.注意燈絲在任何情況下都不應(yīng)清洗和觸碰.應(yīng)小心地從儀器上拆卸離子源，放在干凈的白紙或鋁箔紙上，將所有部件完全拆開.粗洗時使用北極星粉末（Al2O3粉末）或6.5μm砂紙去除不銹鋼部件以及陶瓷墊圈表面離子濺射沉積痕跡，注意打磨光滑，但是不要過分傷害金屬表面.預(yù)清洗時，將不銹鋼部件浸泡在水溶液清洗劑中進行熱超聲波清洗15min，然后在去離子水中漂洗，去除有機污染物.最終清洗時，將不銹鋼和陶瓷部件分別裝入燒杯內(nèi)，加入色譜純丙酮溶液超聲10min，更換新丙酮溶液再超聲10min，重復(fù)操作2次.最后置于80~100℃烘箱內(nèi)干燥2h.注意離子源的2個磁鐵不能放入烘箱，否則會造成磁鐵消磁.（3）安裝.將烘干的離子源按照說明書操作步驟重新組裝.3參考氣穩(wěn)定性測試達不到要求系統(tǒng)穩(wěn)定性是衡量穩(wěn)定性同位素比質(zhì)譜儀質(zhì)量的重要指標之一，直接影響檢測數(shù)據(jù)的準確度與精確度[16].在樣品測試前，要進行參考氣穩(wěn)定性測試，檢查系統(tǒng)是否達到穩(wěn)定的分析狀態(tài)，如CO2的穩(wěn)定性分析結(jié)果標準偏差要求13C不高于0.06‰，N2的穩(wěn)定性分析結(jié)果標準偏差要求15N不高于0.06‰.3.1穩(wěn)定性達不到標準的原因（1）系統(tǒng)參考氣/元素分析儀氣路內(nèi)部未達到平衡狀態(tài).（2）離子源臟或參數(shù)不當造成信號不穩(wěn)定.（3）氣路漏氣或載氣質(zhì)量不純.3.2解決辦法（1）若參考氣重復(fù)性分析連續(xù)測量比值結(jié)果呈現(xiàn)逐漸變大或變小的現(xiàn)象，表明系統(tǒng)還未達到穩(wěn)定的狀態(tài).（2）若測試比值結(jié)果呈現(xiàn)無規(guī)律波動變化，檢查峰中心結(jié)果是否正常，重新進行離子源參數(shù)調(diào)節(jié).（3）檢查元素分析儀是否漏氣，系統(tǒng)背景信號是否符合標準.若背景信號過高，系統(tǒng)可能存在漏氣或氣體不純的問題，則需儀器檢漏測試或更換氣體.4元素分析儀系統(tǒng)空白達不到要求元素分析儀在加氧空白測試的條件下，N/C的空白峰面積應(yīng)均小于100才可符合試驗要求，否則會對分析結(jié)果產(chǎn)生影響.4.1產(chǎn)生的原因可能產(chǎn)生的原因有球閥密封不嚴、錫囊（錫箔紙）污染、氧氣純度問題、解析附柱污染等.4.2解決辦法（1）檢查球閥.使用EA軟件檢查球閥工作是否正常，如果球閥密封壓環(huán)過松、磨損或有錫囊殘留在球閥內(nèi)，則會造成系統(tǒng)空白升高.（2）檢查錫囊是否被污染.分別進行不放錫囊和放置空錫囊的分析，根據(jù)測量結(jié)果判斷是否存在問題.（3）判斷是否氧氣不純.分別運行2次“BlankwithO2（加氧空白）”和“BlankwithoutO2（無氧空白）”.根據(jù)空白結(jié)果來判斷問題是否是由O2純度所引起.（4）老化解析附柱.解析附柱長時間使用不可避免會受到污染，特別是受水汽的影響，通常在停機很長一段時間后再開啟會出現(xiàn)此問題.可以通過軟件Columnheatout功能將解析附柱老化去除雜質(zhì).5檢測不到信號5.1產(chǎn)生的原因（1）未正確打開隔離閥，氣體無法進入到質(zhì)譜離子源內(nèi)部.（2）真空未達到正常閾值，載氣He流速不正常，導(dǎo)致空氣進入到質(zhì)譜中，質(zhì)譜高真空度會變?yōu)?×10-9~2×10-9MPa，觸發(fā)軟件離子源保護功能，自動關(guān)閉離子源.（3）離子源參數(shù)異常，無法檢測到離子信號.（4）離子源故障，無法正常開啟離子源.5.2解決辦法（1）正確打開隔離閥，質(zhì)譜高真空度顯示2×10?10~4×10?10MPa.隔離閥打開后元素分析儀的樣品氣才能進入到質(zhì)譜中.（2）檢查元素分析儀軟件中載氣流速顯示是否正確，檢查參考氣進樣器即稀釋器出口的氦氣流速是否正常.（3）檢查“Tunepage”窗口中離子源各項參數(shù)是否正常.（4）檢查軟件，檢測離子源各項電壓反饋參數(shù)是否正常，若讀數(shù)異常，可能存在離子源內(nèi)部短路或硬件故障.6樣品分析時重復(fù)性和線性達不到要求在質(zhì)譜儀常規(guī)的動態(tài)檢測范圍內(nèi)（通常主同位素信號Major1×10?9~5×10?8A），離子源應(yīng)具有良好的線性特征，同時元素分析儀具有寬范圍的樣品完全燃燒和還原能力，即測量的同位素比值不會隨樣品產(chǎn)生的信號高低而顯示線性關(guān)系，這樣才能確保樣品分析結(jié)果的可信性.6.1問題產(chǎn)生的原因（1）分析方法中的時間參數(shù)設(shè)置不對，導(dǎo)致數(shù)據(jù)積分偏差.（2）元素分析系統(tǒng)耗材更換不及時.（3）燃燒管中灰分未及時清理.（4）錫杯受到不同程度的有機物污染.（5）檢測樣品前未做系統(tǒng)測試（如穩(wěn)定性，線性及空白等），系統(tǒng)處于非正常狀態(tài).（6）樣品前處理過程，如烘干、粉碎、過篩未達到要求，樣品顆粒過大造成不均勻或不能完全燃燒，導(dǎo)致數(shù)據(jù)重復(fù)性不好.（7）所用氣體純度達不到要求，有雜質(zhì)污染.6.2解決辦法（1）檢查方法參數(shù)設(shè)置.查看參考氣峰是否和樣品峰完全分開，質(zhì)譜跳峰時間和稀釋器切換時間是否與元素分析軟件時間匹配.（2）定期更換試劑耗材.元素分析儀干燥管中有一半以上干燥劑變色，則需更換，防止水分去除不完全造成的影響.還原管中線狀銅顏色大部分變黑，或N的測定值異常變高，或N有2個峰時則需更換.當測試“Factor”不在0.9~1.1之間，需重新填裝燃燒管，甚至重新作工作曲線.選擇不同批次的錫杯包樣測試.（3）清理灰分管.每次開機前清理灰分管中的灰分，并根據(jù)樣品的性質(zhì)和樣品包樣量確定清理周期，保證灰分不要超過氧槍下端，防止氧槍下端被灰分堵塞，導(dǎo)致氧氣無法通入到燃燒管內(nèi)，造成樣品不能完全燃燒.（4）檢查樣品峰峰形.樣品峰拖尾可能是由于樣品未完全燃燒造成的，CO2提前出峰可能是由于解吸附柱失效造成的.（5）嚴格測試前的系統(tǒng)調(diào)試準備工作.測試前必須進行參考氣峰中心測試、穩(wěn)定性和線性測試，確保質(zhì)譜儀本身及參考氣工作正常.（6）加強測試過程監(jiān)控.測樣前要用標準樣品進行校正，測樣過程中也必須經(jīng)常用標準品進行監(jiān)控，避免因儀器本身故障產(chǎn)生測試不準確.（7）準確制樣.由于稱樣時樣品量很少，只有幾毫克，因此要求樣品粉碎一定要達到一定的細度，并要混合均勻，保證取樣的一致性.（8）選擇合格氣體.選擇能夠提供滿足測試要求的供氣廠家供氣，純度達不到的氣體會增高本底，測試不準確.7測得的數(shù)據(jù)不準確7.1產(chǎn)生的原因（1）參考氣未進行校正.參考氣鋼瓶經(jīng)長期使用或更換后，需要使用已知同位素值的標準樣品進行校正.（2）灰分管灰分過多.灰分管殘留灰分堆積過高，導(dǎo)致樣品無法向下掉落到燃燒管溫度最高的中心區(qū)域發(fā)生反應(yīng).若灰分高度超過加氧槍下端，造成加氧槍出口被堵，氧氣無法通入到燃燒管內(nèi)產(chǎn)生助燃作用.（3）氧氣調(diào)節(jié)閥故障，加氧量不足.7.2解決辦法（1）校正參考氣δ值.根據(jù)同位素比值δ的計算公式：通過相應(yīng)的標準樣品（已知同位素δ值，如國標炭黑，IAEA標準物質(zhì)咖啡因、尿素等）反算出參考氣的真實δ值.首先至少重復(fù)測量3~5個標準樣品，確保標準樣品重復(fù)精度（標準偏差）小于0.15‰，即表明系統(tǒng)分析穩(wěn)定.舉例說明，假設(shè)某標準樣品標準δ13C的理論值（Tstd值）為?23‰，標準樣品實際測試結(jié)果的平均值（Mstd）為?28.5‰，首先計算這個差值（diff）：在“InletMethod”窗口下，選擇“DataProcessing”“EditSpecies”，在彈出窗口中選擇相應(yīng)的參考氣體，如CO2，選擇“Edit”.進入后點擊“Referencegas”后面的“Edit”鍵.出現(xiàn)參考氣δ值設(shè)置界面.Ratio1的值顯示為?30‰，則其真實的δ13C值：?30‰?（?5.5‰）=?24.5‰.在“Calibrationdeltavalues”一欄中，將計算好的δ值輸入進去，保存后即可.在以后檢測中就會按照這個新的δ值進行計算.（2）保證加氧槍暢通.為確保灰分不堵塞加