Isoprime,100穩定性同位素比質(zhì)譜儀故障分析及排除

谷淑波 ，徐 毅 ，金 敏

（1. 山東農業(yè)大學(xué) 農學(xué)院/作物生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗室，山東 泰安 271018；
2. 艾力蒙塔貿易（上海）有限公司，上海 200123）

任何大型貴重精密儀器在使用過(guò)程中都會(huì )由于各種原因，不可避免地出現一些故障[1-3]，維修不僅耗費大量財力，同時(shí)還非常耗時(shí)[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(guò)程中，根據儀器運行狀態(tài)提前診斷儀器故障，并及時(shí)排除故障，顯得尤為重要[5-6]. 氣體穩定性同位素比質(zhì)譜儀是專(zhuān)門(mén)測定C、N等穩定同位素比值的儀器，其首先將樣品通過(guò)外設轉化為氣體再進(jìn)入質(zhì)譜儀內部進(jìn)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(chǎng)和磁場(chǎng)的作用將離子按照它們的質(zhì)荷比分開(kāi)，然后根據不同離子束流的強度測定穩定同位素的比值. 氣體穩定性同位素比質(zhì)譜儀的測定數據精度高、穩定性強、檢測速度快. 元素分析儀與氣體穩定同位素比質(zhì)譜儀聯(lián)用系統不僅廣泛應用于農作物溯源等領(lǐng)域[7-9]，還應用于植物養分利用效率、同化物運轉機制、土壤生態(tài)環(huán)境的研究[10-15].穩定性同位素測定過(guò)程中，從樣品制備、稱(chēng)量包樣、儀器調試、上機檢測等每個(gè)環(huán)節，都會(huì )對最終數據產(chǎn)生影響，操作不當則會(huì )使儀器出現故障. 本文以Isoprime 100穩定性同位素比質(zhì)譜儀-Elementar Micro cube元素分析儀聯(lián)用系統為例，闡述作物和土壤中δ13C和δ15N同位素檢測過(guò)程常見(jiàn)的故障及解決辦法.

Isoprime 100穩定性同位素比質(zhì)譜儀與Elementar Micro cube元素分析儀聯(lián)用的工作示意圖如圖1所示.

圖1 穩定性同位素比質(zhì)譜儀與元素分析儀工作示意圖Fig. 1 Working diagram of stable isotope ratio mass spectrometer and elemental analyzer

試驗過(guò)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、還原管等相應接頭處進(jìn)行拆卸，不可避免地會(huì )出現系統漏氣等現象. 因此，進(jìn)行δ13C和δ15N檢測前，首先要對系統進(jìn)行調試，確定系統壓強（Pressure）達到0.12 MPa，系統流速（MFC TCD和He Flow）達到200 mL/min. 然后從軟件菜單依次選擇“Option”“Dignostics”“Rough leak test”，運行自動(dòng)檢漏程序. 如果顯示“Leak check passed”，說(shuō)明系統不漏氣. 如果顯示“Leak check failed”，則說(shuō)明系統漏氣.

1. 1 系統漏氣部位的確定

（1）采用“Fine leak test”模式分段查找系統漏氣部位，根據軟件提示進(jìn)行操作. 把鼠標指針懸停在檢漏氣路圖標識數字上時(shí)，會(huì )彈出示意圖，根據提示使用“Elementar”檢漏工具對相應的接口進(jìn)行封堵.

（2）順著(zhù)氣路對每個(gè)接口進(jìn)行封堵，對封堵部位進(jìn)行檢漏，按順序提示進(jìn)行檢漏測試，以縮小確定漏點(diǎn)的范圍. 每一階段測試成功后，會(huì )彈出一個(gè)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）更換石英反應管內耗材時(shí)，反應管頂部接口處清理不干凈，造成密封不嚴. （2）石英反應管經(jīng)過(guò)長(cháng)時(shí)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(cháng)時(shí)間使用發(fā)生老化. （4）包樣不規范導致錫杯破裂，進(jìn)樣時(shí)部分樣品撒漏進(jìn)入球閥，導致球閥密封圈磨損.

圖2 出現裂紋的石英反應管Fig. 2 Cracked quartz reaction tube

1. 3 解決辦法

（1）檢查接口處密封圈位置是否有異物. 取下反應管頂部管塞，將石英管內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(diǎn)潤滑脂. 裝入時(shí)管塞與管口要垂直對正并緩慢旋轉插入，取出時(shí)也應如此操作，否則易造成反應管崩口. 反應管裝入儀器前應使用酒精清除外管壁沾污的指印，避免高溫加熱后形成結晶區域而引起石英管過(guò)早老化.

（2）更換有裂紋的反應管. 石英反應管在高溫下會(huì )與樣品中微量的堿金屬、堿土金屬或鹵族離子結合，從內壁開(kāi)始逐漸產(chǎn)生晶化. 長(cháng)時(shí)間使用會(huì )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，建議根據情況更換新的反應管.

（3）在安裝各連接處的球形夾時(shí)，同時(shí)檢查密封圈是否處于正確位置.

（4）清洗球閥. 使用專(zhuān)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(wú)水酒精將球閥密封表面附著(zhù)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(zhù)燃燒管，即方向向下.

圖3 球閥密封組件示意圖Fig. 3 Diagram of ball valve sealing assembly

球閥裝配好后，通過(guò)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(guò)菜單依次選擇“Options” “ Maintenance”“ Adjust ball valve”，使用球閥工具調節扭矩，根據狀態(tài)欄顏色提示進(jìn)行調整. 顯示灰色說(shuō)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(chēng)取樣品后，用鑷子將錫杯上口封閉壓緊，將錫杯內殘留的空氣盡可能擠出. 包樣過(guò)程中注意不要弄破錫杯，否則會(huì )造成樣品損失.將樣品包成球狀，有助于隨后的燃燒反應，也可以防止樣品卡在自動(dòng)進(jìn)樣器中.

2. 1 檢測不通過(guò)的原因

隨著(zhù)時(shí)間和環(huán)境溫度的改變，質(zhì)譜儀的真實(shí)磁場(chǎng)強度會(huì )發(fā)生微小的偏移，導致離子束無(wú)法完全落到法拉第杯中，因此需要調整加速電壓進(jìn)行偏移校正. 通過(guò)峰中心（Peak Centre）掃描，觀(guān)察峰中心圖形以及結果中的參數，進(jìn)而判斷離子源是否正常.

2. 2 解決辦法

（1）離子源參數重新設置. 從之前任意一個(gè)數據正常的樣品結果文件夾中選擇參數記錄文件“Sample Record.ini”，找到相應N2/CO2條件下離子源參數，將參數值輸入到當前軟件“Tunepage”窗口內，如圖4所示，再點(diǎn)擊“Cycle Magnet”使質(zhì)譜儀磁場(chǎng)復位. 在“Peak Centre”掃描結束后，從圖5中檢查“Focus”結果，通常大于0.550即可.

圖4 離子源參數Fig. 4 Parameters of ion source

圖5 峰中心掃描結果Fig. 5 Result of peak center scan

（2）清洗離子源. 若“Focus”結果小于0.550，且無(wú)法通過(guò)調諧離子源參數恢復正常峰形，可能是由于離子源過(guò)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清洗和觸碰.

應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(kāi). 粗洗時(shí)使用北極星粉末（Al2O3粉末）或6.5 μm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(guò)分傷害金屬表面. 預清洗時(shí)，將不銹鋼部件浸泡在水溶液清洗劑中進(jìn)行熱超聲波清洗15 min，然后在去離子水中漂洗，去除有機污染物. 最終清洗時(shí)，將不銹鋼和陶瓷部件分別裝入燒杯內，加入色譜純丙酮溶液超聲10 min，更換新丙酮溶液再超聲10 min，重復操作2次. 最后置于80~100 ℃烘箱內干燥2 h. 注意離子源的2個(gè)磁鐵不能放入烘箱，否則會(huì )造成磁鐵消磁.

（3）安裝. 將烘干的離子源按照說(shuō)明書(shū)操作步驟重新組裝.

系統穩定性是衡量穩定性同位素比質(zhì)譜儀質(zhì)量的重要指標之一，直接影響檢測數據的準確度與精確度[16]. 在樣品測試前，要進(jìn)行參考氣穩定性測試，檢查系統是否達到穩定的分析狀態(tài)，如CO2的穩定性分析結果標準偏差要求13C不高于0.06‰，N2的穩定性分析結果標準偏差要求15N不高于0.06‰.

3. 1 穩定性達不到標準的原因

（1）系統參考氣/元素分析儀氣路內部未達到平衡狀態(tài). （2）離子源臟或參數不當造成信號不穩定.（3）氣路漏氣或載氣質(zhì)量不純.

3. 2 解決辦法

（1）若參考氣重復性分析連續測量比值結果呈現逐漸變大或變小的現象，表明系統還未達到穩定的狀態(tài). （2）若測試比值結果呈現無(wú)規律波動(dòng)變化，檢查峰中心結果是否正常，重新進(jìn)行離子源參數調節. （3）檢查元素分析儀是否漏氣，系統背景信號是否符合標準. 若背景信號過(guò)高，系統可能存在漏氣或氣體不純的問(wèn)題，則需儀器檢漏測試或更換氣體.

元素分析儀在加氧空白測試的條件下，N/C的空白峰面積應均小于100才可符合試驗要求，否則會(huì )對分析結果產(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(wèn)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(guò)松、磨損或有錫囊殘留在球閥內，則會(huì )造成系統空白升高.

（2）檢查錫囊是否被污染. 分別進(jìn)行不放錫囊和放置空錫囊的分析，根據測量結果判斷是否存在問(wèn)題.

（3）判斷是否氧氣不純. 分別運行2次“Blank with O2（加氧空白）”和“Blank without O2（無(wú)氧空白）”. 根據空白結果來(lái)判斷問(wèn)題是否是由O2純度所引起.

（4）老化解析附柱. 解析附柱長(cháng)時(shí)間使用不可避免會(huì )受到污染，特別是受水汽的影響，通常在停機很長(cháng)一段時(shí)間后再開(kāi)啟會(huì )出現此問(wèn)題. 可以通過(guò)軟件Column heat out功能將解析附柱老化去除雜質(zhì).

5. 1 產(chǎn)生的原因

（1）未正確打開(kāi)隔離閥，氣體無(wú)法進(jìn)入到質(zhì)譜離子源內部. （2）真空未達到正常閾值，載氣He流速不正常，導致空氣進(jìn)入到質(zhì)譜中，質(zhì)譜高真空度會(huì )變?yōu)?×10-9~2×10-9MPa，觸發(fā)軟件離子源保護功能，自動(dòng)關(guān)閉離子源. （3）離子源參數異常，無(wú)法檢測到離子信號. （4）離子源故障，無(wú)法正常開(kāi)啟離子源.

5. 2 解決辦法

（1）正確打開(kāi)隔離閥，質(zhì)譜高真空度顯示2×10?10~4×10?10MPa. 隔離閥打開(kāi)后元素分析儀的樣品氣才能進(jìn)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(jìn)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是否正常. （4）檢查軟件，檢測離子源各項電壓反饋參數是否正常，若讀數異常，可能存在離子源內部短路或硬件故障.

在質(zhì)譜儀常規的動(dòng)態(tài)檢測范圍內（通常主同位素信號Major 1×10?9~5×10?8A），離子源應具有良好的線(xiàn)性特征，同時(shí)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(huì )隨樣品產(chǎn)生的信號高低而顯示線(xiàn)性關(guān)系，這樣才能確保樣品分析結果的可信性.

6. 1 問(wèn)題產(chǎn)生的原因

（1）分析方法中的時(shí)間參數設置不對，導致數據積分偏差. （2）元素分析系統耗材更換不及時(shí). （3）燃燒管中灰分未及時(shí)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測試（如穩定性，線(xiàn)性及空白等），系統處于非正常狀態(tài). （6）樣品前處理過(guò)程，如烘干、粉碎、過(guò)篩未達到要求，樣品顆粒過(guò)大造成不均勻或不能完全燃燒，導致數據重復性不好. （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）檢查方法參數設置. 查看參考氣峰是否和樣品峰完全分開(kāi)，質(zhì)譜跳峰時(shí)間和稀釋器切換時(shí)間是否與元素分析軟件時(shí)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(xiàn)狀銅顏色大部分變黑，或N的測定值異常變高，或N有2個(gè)峰時(shí)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(xiàn). 選擇不同批次的錫杯包樣測試.

（3）清理灰分管. 每次開(kāi)機前清理灰分管中的灰分，并根據樣品的性質(zhì)和樣品包樣量確定清理周期，保證灰分不要超過(guò)氧槍下端，防止氧槍下端被灰分堵塞，導致氧氣無(wú)法通入到燃燒管內，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）嚴格測試前的系統調試準備工作. 測試前必須進(jìn)行參考氣峰中心測試、穩定性和線(xiàn)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(guò)程監控. 測樣前要用標準樣品進(jìn)行校正，測樣過(guò)程中也必須經(jīng)常用標準品進(jìn)行監控，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(chēng)樣時(shí)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(mǎn)足測試要求的供氣廠(chǎng)家供氣，純度達不到的氣體會(huì )增高本底，測試不準確.

7. 1 產(chǎn)生的原因

（1）參考氣未進(jìn)行校正. 參考氣鋼瓶經(jīng)長(cháng)期使用或更換后，需要使用已知同位素值的標準樣品進(jìn)行校正.

（2）灰分管灰分過(guò)多. 灰分管殘留灰分堆積過(guò)高，導致樣品無(wú)法向下掉落到燃燒管溫度最高的中心區域發(fā)生反應. 若灰分高度超過(guò)加氧槍下端，造成加氧槍出口被堵，氧氣無(wú)法通入到燃燒管內產(chǎn)生助燃作用.

（3）氧氣調節閥故障，加氧量不足.

7. 2 解決辦法

（1）校正參考氣δ值. 根據同位素比值δ的計算公式：

通過(guò)相應的標準樣品（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(shí)δ值.

首先至少重復測量3~5個(gè)標準樣品，確保標準樣品重復精度（標準偏差）小于0.15‰，即表明系統分析穩定. 舉例說(shuō)明，假設某標準樣品標準δ13C的理論值（Tstd值）為?23‰，標準樣品實(shí)際測試結果的平均值（Mstd）為?28.5‰，首先計算這個(gè)差值（diff）：

在“Inlet Method”窗 口 下，選 擇“Data Processing”“Edit Species”，在彈出窗口中選擇相應的參考氣體，如CO2，選擇“Edit”. 進(jìn)入后點(diǎn)擊“Reference gas”后面的“Edit”鍵. 出現參考氣δ值設置界面. Ratio 1的值顯示為?30‰，則其真實(shí)的δ13C值：?30‰?（?5.5‰）=?24.5‰. 在“Calibration delta values”一欄中，將計算好的δ值輸入進(jìn)去，保存后即可. 在以后檢測中就會(huì )按照這個(gè)新的δ值進(jìn)行計算.

（2）保證加氧槍暢通. 為確?；曳植欢氯友鯓尦隹?，要及時(shí)清理灰分管，通常植物樣品每200個(gè)清理一次，土壤樣品每150個(gè)清理一次，每次清理時(shí)用吸耳球吹一下加氧槍?zhuān)_保其暢通.

（3）調節控氧閥. 做加氧空白試驗時(shí)觀(guān)察加氧流速曲線(xiàn)，若氧氣流速不在工作范圍內，需通過(guò)調節控氧針閥來(lái)調整氧氣流速. 若調節后氧氣流速仍不受控制，需要更換控氧閥.

8. 1 故障及原因

（1）泵向外噴油. 檢查泵油是否超過(guò)最高刻度線(xiàn)，或油霧過(guò)濾器是否過(guò)臟. （2）泵油顏色變深. 真空泵在使用過(guò)程中，會(huì )被灰塵、水分或其它物質(zhì)污染或者皂化和碳化，泵油顏色會(huì )逐漸變深，泵的性能將逐漸下降. （3）泵頭過(guò)熱. 可能是真空泵的軸承、葉片損壞，或者是泵油失效、油霧過(guò)濾器老化失效導致.

8. 2 解決辦法

（1）檢查真空泵油液位是否在上下刻度線(xiàn)之間，通常液位在油鏡2/3處，使用同一牌號和型號真空泵油. （2）定期清理油霧過(guò)濾網(wǎng)，保持泵油清潔，避免油被污染影響性能，一般用汽油或丙酮清洗. （3）以上辦法若無(wú)法排除故障，則需更換新的油霧過(guò)濾器.若是故障仍未能解決，則需進(jìn)行軸承及葉片的維修.

大型貴重精密儀器運行過(guò)程中，儀器操作人員要及時(shí)關(guān)注儀器狀態(tài)，定期維護儀器，就可以避免或減少儀器出現故障. 作為儀器管理人員要熟悉掌握大型貴重精密儀器的工作原理及結構組成，具備一定基礎的電子學(xué)、光學(xué)、計算機、物理、化學(xué)和農學(xué)等相關(guān)學(xué)科知識，利用這些知識就能夠實(shí)現對儀器故障的快速診斷及維護保養，保障儀器的完好率，提高儀器的利用率，更好地發(fā)揮其在教學(xué)、科研及社會(huì )服務(wù)中的作用.