查向平，龔 冰，鄭永飛

(中國科學(xué)院殼幔物質(zhì)與環(huán)境重點實驗室，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院，安徽合肥230026)

在過去幾十年中，穩(wěn)定同位素分析應(yīng)用于眾多的研究領(lǐng)域，如農(nóng)業(yè)、環(huán)境、海洋、臨床和司法等，且這種應(yīng)用成果呈指數(shù)增長。20世紀(jì)60年代以前，穩(wěn)定同位素組成的測量和應(yīng)用很大程度上僅局限于同位素地球化學(xué)領(lǐng)域，當(dāng)時可用的質(zhì)譜需要量身定做來滿足專業(yè)化的需求［1］，而且這些儀器也僅為一些專職技術(shù)人員操作使用，輸出的結(jié)果也僅被少數(shù)的專業(yè)學(xué)者理解［2］。近些年來，質(zhì)譜不僅發(fā)生了革命性變化，而且出現(xiàn)了多家儀器制造商，如ThermoFisher公司(原 Finnigan 公司)、IsoPrime(原VG公司)、Cerson公司、Nu公司等，使之成為眾多同位素實驗室可配置、易使用的常規(guī)方法。最初這些儀器的設(shè)計是為了測量相對小的同位素比值變化(δ值變化小于1‰)，而同時具有高的精度和準(zhǔn)確度(±0.01‰～±1‰)。盡管那時的質(zhì)譜裝配實現(xiàn)了部分自動化，但在一些情況下樣品的測試效率仍然維持在每天約10個樣品，很大程度上這是由于復(fù)雜的非在線樣品制備過程引起的。

20世紀(jì)80年代早期，一些研究者為了提高分析效率，加快了簡單快速地分析低質(zhì)量數(shù)氣體同位素方法的研制步伐。連續(xù)流同位素質(zhì)譜方法是此時發(fā)展并很快得以應(yīng)用的一種較新的革新方法之一。近年來，連續(xù)流質(zhì)譜系統(tǒng)在國外發(fā)展很快，先前研究者陸續(xù)地介紹了這種系統(tǒng)并為提高這種系統(tǒng)所測數(shù)據(jù)的可靠性作出了努力。Brenna等［3］就對高精度的連續(xù)流同位素質(zhì)譜作了系統(tǒng)闡述。Midwood等［1?總體介紹了連續(xù)流同位素質(zhì)譜對碳、氫、氧、氮和硫同位素的分析進展。往后一些研究者又對連續(xù)流同位素質(zhì)譜就提高數(shù)據(jù)精度和準(zhǔn)確度、實現(xiàn)不同實驗室之間的數(shù)據(jù)可比性開展了一些研究［4-16］。目前，我國使用連續(xù)流方法對穩(wěn)定同位素比值的分析和測定報道較多［17-25］。王政等［17］利用元素分析儀-同位素比值質(zhì)譜(EA-IRMS)對土壤樣品中氮同位素進行分析，指出載氣、氧氣的流量，并就測定中出現(xiàn)的累積效應(yīng)和氧化能力降低的問題進行了探討。曹建平等［18］就海洋懸浮顆粒氮同位素進行EAIRMS測定，指出了該方法在一定離子流強度和同位素比值的質(zhì)譜線性問題。崔杰華等［19］通過多組實驗對比，分析并討論了利用EA-IRMS聯(lián)用技術(shù)測定植物樣品中碳同位素比值的實驗條件，初步建立了植物樣品中穩(wěn)定碳同位素組成的分析方法，同時對系統(tǒng)分析的穩(wěn)定性和精密度等進行了檢驗分析。王旭等［20］給出了EA-IRMS聯(lián)機系統(tǒng)的燃燒轉(zhuǎn)化率隨測量樣品次數(shù)的變化規(guī)律，以及樣品的氮、碳同位素測量值與其燃燒轉(zhuǎn)化率的關(guān)系等。就目前文獻來看，大部分僅對連續(xù)流方法中個別方面具體分析，但就如何構(gòu)建連續(xù)流同位素質(zhì)譜(EA-IRMS、TC/EA-IRMS)系統(tǒng)方法研究尚不多見，尤其是連續(xù)流系統(tǒng)中質(zhì)量控制和數(shù)據(jù)處理更鮮有報道。

雖然連續(xù)流方法可以實現(xiàn)樣品制備和氣體質(zhì)譜分析一次性快速地完成，但是一般主要用于復(fù)雜和微量以及原位樣品的同位素分析，要保證得到可靠的同位素數(shù)據(jù)(即從準(zhǔn)確度、精度、重現(xiàn)性等方面考慮)，這不僅需要好的分析策略和運行方案，還需要對儀器日常性能和數(shù)據(jù)質(zhì)量進行嚴(yán)密的監(jiān)視管控，而且還取決于原始數(shù)據(jù)如何進一步標(biāo)準(zhǔn)化到國際同位素尺度上一套協(xié)議。正如Werner等［26］所指出，載氣和聯(lián)線同位素比值分析系統(tǒng)(即連續(xù)流系統(tǒng))覆蓋了很大范圍，在全世界利用其測量穩(wěn)定同位素比值的應(yīng)用越來越廣泛。盡管整體上在這個科學(xué)領(lǐng)域大有好處，但也引起了一系列的問題。我們感覺到最初少數(shù)專家擁有的知識水平經(jīng)過多年相當(dāng)程度地沖淡了，結(jié)果同位素比值的整體精度和可靠性可能下降了。尤其值得注意的是，報道的δ值相對于國際標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)確度在分析中產(chǎn)生了大的偏差。因此，保證連續(xù)流系統(tǒng)獲得高精度和準(zhǔn)確的同位素比值，建立與之相關(guān)的操作協(xié)議方案，質(zhì)量控制及數(shù)據(jù)處理步驟就顯得尤為迫切。

連續(xù)流系統(tǒng)設(shè)備的安裝和環(huán)境控制、測試準(zhǔn)備、樣品制備和稱量、標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)選擇及序列所處外圍環(huán)境，調(diào)節(jié)靈敏度和線性，背景值監(jiān)測，穩(wěn)定性檢測，系數(shù)校正等質(zhì)譜自身屬性相關(guān)的質(zhì)量控制，以及所用的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)策略、原始數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化以及數(shù)據(jù)處理等，這些因素對最終的同位素測試結(jié)果都有重大影響，本文對這些方面作出總結(jié)和評述，有助于同位素質(zhì)譜的新用戶對于該種技術(shù)的相關(guān)方法和技巧有明確的初步認識和理解。

1 連續(xù)流系統(tǒng)

1.1 連續(xù)流質(zhì)譜

“連續(xù)流質(zhì)譜”是相對“雙路進樣質(zhì)譜”而言的，它是在氣體同位素質(zhì)譜基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型儀器。先前研究者也稱為同位素比值監(jiān)測質(zhì)譜(IRM-MS)［26］。連續(xù)流同位素比值質(zhì)譜的萌芽應(yīng)該說是源于早期的有機質(zhì)譜，它結(jié)合了高效的色譜分離技術(shù)和高靈敏的質(zhì)譜檢測技術(shù)優(yōu)勢，具有減少樣品損失和無可比擬的靈敏度、高效和實用性等優(yōu)點。連續(xù)流質(zhì)譜方法是非常理想地結(jié)合了色譜技術(shù)和同位素比值質(zhì)譜的一種方法。氣相色譜及以后的其他分離裝置和質(zhì)譜之間的接口，主要是使用整體結(jié)構(gòu)連續(xù)輸送分析物氣體進入質(zhì)譜進行分析。無論這些系統(tǒng)多么復(fù)雜，都是依賴載氣傳輸分析物，經(jīng)過在線化學(xué)轉(zhuǎn)化階段，或先通過在線轉(zhuǎn)化分析物為氣體，再通過載氣輸送以適合質(zhì)譜分析，這個過程就是連續(xù)流質(zhì)譜的基本原理之一［3］。所謂“連續(xù)流”是與使用的載氣相關(guān)的概念，載氣把制備系統(tǒng)中的樣品氣輸送到質(zhì)譜。一般載氣為He氣，因為He在化學(xué)性質(zhì)上為惰性并且很容易得到高純度的氣體。第一臺真正意義上的連續(xù)流同位素質(zhì)譜是Preston和Owens［27］建立起來的，他們將一臺專門分析氮元素的分析儀連接到氣體同位素比值質(zhì)譜的離子源上。在Preston和Owens首次成功實現(xiàn)了15N和全氮的高精度和快速分析后不久，又實現(xiàn)了對固體樣品轉(zhuǎn)化為CO2后的13C/12C分析?，F(xiàn)代的連續(xù)流同位素比值質(zhì)譜儀更加緊湊，自動化程度更高，在幾分鐘內(nèi)能夠同時分析同一個樣品的兩個或更多同位素。

1.2 常見的連續(xù)流系統(tǒng)

在樣品進行同位素比值質(zhì)譜分析之前，樣品首先要無分餾地轉(zhuǎn)化為質(zhì)譜易接收和方便測量的簡單氣體，例如，測量2H/1H、13C/12C、15N/14N 和18O/16O這些輕元素同位素的比值，就需要將樣品轉(zhuǎn)化為H2、CO2、N2和CO氣體等，這取決于物質(zhì)的組成和所要研究的同位素。同位素比值質(zhì)譜測量的離子比值與這些氣體是分別對應(yīng)的。目前，輕穩(wěn)定同位素分析最為常用的連續(xù)流裝置為元素分析儀與同位素質(zhì)譜的聯(lián)用，它可分為兩種:一種為EA-IRMS，可用于碳、氮和硫元素同位素分析，樣品在氧氣中高溫燃燒，是一種氧化過程。另一種為高溫轉(zhuǎn)化TC/EA-IRMS，主要用于氫和氧的分析，樣品主要是在還原環(huán)境中經(jīng)歷高溫?zé)徂D(zhuǎn)化。兩種聯(lián)用系統(tǒng)見圖1。

1.2.1 EA－IRMS系統(tǒng)

元素分析儀(EA)一般由兩個反應(yīng)器——燃燒反應(yīng)器和還原反應(yīng)器構(gòu)成，這些反應(yīng)器可以是兩個反應(yīng)管，也可以結(jié)合在單反應(yīng)管中。反應(yīng)器之后是水分離裝置和填充了分子篩的氣相色譜柱(Poropak?QS)，色譜柱主要用來分離生成的氣體。元素分析儀和質(zhì)譜之間通過一個分流接口連接。就碳、氮分析而言，其燃燒和氣體轉(zhuǎn)移過程如下。

圖1 EA-IRMS和TC/EA-IRMS系統(tǒng)簡圖Fig.1 The diagrams of EA-IRMS and TC/EA-IRMS systems

樣品首先在氧氣氛圍下的反應(yīng)器中燃燒，生成了CO2、NOx和H2O。盡管對于各種特定應(yīng)用所推薦的反應(yīng)管充填材料有很大變化，但反應(yīng)器一般包含Cr2O3和Co3O4+Ag(主要用來吸附硫和鹵素，銀還可能起到催化作用)。反應(yīng)器的溫度一般設(shè)置在900～1020℃，但是，錫杯的燃燒釋放出的燃燒熱大約能夠提高溫度到1800℃(“flash”燃燒)。推薦使用石英嵌入體(灰坩堝或屑坩堝)，用來收集灰燼以及可能殘留的樣品和錫杯，這樣在分析了50～150個樣品后要進行更換嵌入體(這取決于使用的嵌入體的類型)，而此時不必更換反應(yīng)管。在650℃的第二反應(yīng)器(還原反應(yīng)器)中去除過量的O2并將NOx還原為N2。一般填充物為高純銅，但對于不同的應(yīng)用所推薦填充料有所變化。水在含有高氯酸鎂(無水高氯酸鎂)的水阱中分離。如果僅對氮同位素進行同位素比值測定時，使用含有堿石灰、燒堿石棉(硅基質(zhì)上含有NaOH)或Carbosorb?化學(xué)阱將CO2從氣體流中去除是最優(yōu)化的方法。最后，N2和CO2在加熱的色譜柱中進行分離(例如，Porapak?QS 50/80，3 m×6.5 mm)。作為色譜柱分離的一種替代方法，一些儀器使用了一個“吹掃捕獲器”系統(tǒng)來進行分離?！按祾卟东@器”工作原理為:氮氣直接通過系統(tǒng)而其他生成的氣體在多個吸附管中收集(通過短的但有分離效果的氣相色譜柱實現(xiàn))。這些吸附管中氣體通過電子加熱器來釋放。

EA-IRMS系統(tǒng)主要用于碳和氮分析［17-23］，還可對硫同位素進行分析［6-11］，在實際使用中可應(yīng)用于多種物質(zhì)。對于固態(tài)物質(zhì)和非揮發(fā)性液體使用錫舟(錫杯，用于C、N分析)或銀杯(H、O分析)引入到元素分析儀系統(tǒng)，而有限黏度的液體可用液體進樣器直接注入到反應(yīng)器中。

EA-IRMS方法可以實現(xiàn)樣品制備和質(zhì)譜分析一次完成，簡化了轉(zhuǎn)化步驟，從而減少了分餾環(huán)節(jié)。樣品的制備簡單，不需要或很少需要化學(xué)或機械礦物相分離，樣品氣體的直接引入實現(xiàn)了快速分析，大大地提高了獲取穩(wěn)定同位素數(shù)據(jù)的能力［28］;樣品用量少，純度要求不高，適用樣品較廣［21］。因此，EA-IRMS系統(tǒng)在醫(yī)藥、食品和農(nóng)業(yè)研究上早已廣泛使用，并且其發(fā)展正向生態(tài)、環(huán)境和地球科學(xué)領(lǐng)域滲透。

1.2.2 高溫?zé)徂D(zhuǎn)化TC/EA－IRMS系統(tǒng)

TC/EA-IRMS主要用于氫和氧分析，高溫轉(zhuǎn)化溫度一般在1350～1450℃。有機和無機化合物轉(zhuǎn)化為H2、N2和CO氣體。系統(tǒng)一般由一個由熔融氧化鋁制造的外管和一個由玻璃碳組成的內(nèi)管構(gòu)成。內(nèi)管中填充有玻璃碳顆粒和用來吸附鹵素的銀絲。和EA-IRMS一樣，不同的應(yīng)用所使用的填充物是不同的。生成的氣體在一個恒溫色譜柱中分離(例如，5?分子篩)，這一點是非常重要的，由于 N2和CO是同量異位素(質(zhì)荷比都是m/z 28)，并影響H2的電離作用。

盡管主要反應(yīng)產(chǎn)物為H2、N2和CO，但是一些研究者建議在色譜柱之前使用化學(xué)阱來去除微量的其他氣體。阱中物質(zhì)包括:活性炭、高氯酸鎂、Sicapent?(附著在黏結(jié)劑上 P2O5)和燒堿石棉?。無論H2和CO的相對量如何，使用“吹掃捕獲柱”能夠讓它們接收信號峰的整個基線分離，也能夠防止N2干擾 H2同位素測量［29］。

目前，TC/EA-MS聯(lián)用的分析方法，不僅實現(xiàn)了在線單次分析過程中同時測定微量水的δD和δ18O［24］，還可以分析含水礦物和名義上無水礦物中的水含量，同時也可以分析其氫同位素組成。TC/EA-MS聯(lián)用方法分析樣品中水含量和氫同位素組成，其分析下限是樣品中的水含量在0.01 L以上。名義上無水礦物中水含量的測定已成為深部地球科學(xué)研究的前沿領(lǐng)域［25］。

2 連續(xù)流同位素質(zhì)譜分析系統(tǒng)中的質(zhì)量控制因素

質(zhì)量控制是指在分析過程中為保證分析結(jié)果真實可靠所采取的任何方法和步驟，它是作為質(zhì)量保證策略的一部分［30］。以下主要從儀器的外圍環(huán)境、系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)、樣品制備和標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的運用等方面進行闡述。

2.1 儀器安裝環(huán)境的控制

為了獲得高精度和高重現(xiàn)性的同位素數(shù)據(jù)，同位素比值質(zhì)譜必須置于溫度和濕度可控的并能實時監(jiān)測的環(huán)境之中。儀器制造商的預(yù)安裝和操作培訓(xùn)應(yīng)該會詳細地說明這些參數(shù)的允許變化范圍。

特別需要提及的是，用于存儲同位素比值質(zhì)譜工作氣體(標(biāo)準(zhǔn)氣體，準(zhǔn)確地說應(yīng)該是參比氣體)的鋼瓶(相關(guān)的閥門和量表)也要置于溫度可控的環(huán)境中。因為溫度波動會造成工作氣體同位素組成較大的漂移，尤其是CO2，其氣體狀態(tài)和其液態(tài)流體狀態(tài)是平衡的［2，16，31］。在 20℃ 溫度下，根據(jù)飽和數(shù)據(jù)線可知，CO2工作氣體壓力低于5.7 MPa要進行更換，因為這一壓力表明鋼瓶中液態(tài)CO2已經(jīng)不存在。另外，在安全的前提下，工作氣體鋼瓶應(yīng)該盡可能靠近儀器。

提供給儀器的載氣質(zhì)量對于數(shù)據(jù)結(jié)果也有影響。幾乎所有的連續(xù)流配置的載氣為氦氣，因為氦電離效率低，且對其他氣體干擾小。另外，載氣進入系統(tǒng)前應(yīng)該接入過濾器來去除殘留的氧氣、水汽和碳氫化合物，例如，氦氣純化器(Helium Purifier，VICI，USA)。通常建議在靠近儀器的位置安裝一臺碳氫過濾器以去除任何痕量的氣體，但過濾器不能接在工作氣體供應(yīng)線上，因為它可能引起不可預(yù)見的同位素分餾。

2.2 連續(xù)流系統(tǒng)參數(shù)監(jiān)測

在開始測量前以及在整個樣品分析過程中，確保連續(xù)流系統(tǒng)良好的工作狀態(tài)是非常重要的。實驗室建立和遵循一套特定日常儀器檢查和質(zhì)量控制程序，并應(yīng)用到每一個測量程序。在進行診斷測試和條件實驗期間，必須建立起儀器正常測試的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，這可以確保儀器的可操作性以及在儀器非正常運行時采取相關(guān)措施。

2.2.1 氣體同位素組成的穩(wěn)定性(零富集)檢驗

連續(xù)流同位素比值質(zhì)譜的原始分析結(jié)果是相對工作氣體的同位素組成進行計算的，因此，在日常分析中監(jiān)測工作氣體同位素組成的穩(wěn)定性是非常重要的，至少要確保在樣品氣體流出色譜柱的時間段內(nèi)工作氣體穩(wěn)定。這種測量對于分析結(jié)果的精度和準(zhǔn)確度至關(guān)重要。

在連續(xù)流系統(tǒng)中，穩(wěn)定性指He攜帶的工作氣體在質(zhì)譜離子源產(chǎn)生穩(wěn)定信號?！傲愀患?“開-關(guān)”)檢驗就是引入10個工作氣體脈沖進入質(zhì)譜，同時定義一個“標(biāo)準(zhǔn)”脈沖(一般為第二個測量數(shù)據(jù)，以*標(biāo)記)，其他脈沖相對于“標(biāo)準(zhǔn)”脈沖的δ值的標(biāo)準(zhǔn)偏差來表達。工作氣體脈沖的強度應(yīng)該設(shè)置在預(yù)期的工作范圍內(nèi)。在色譜-質(zhì)譜聯(lián)用分析中，色譜圖中會有大量的峰，因此，確定工作氣體脈沖合適的出峰時間也很重要。與所有的性能檢測一樣，一個特定的儀器必須建立認可的評判標(biāo)準(zhǔn)。一般地，對CO2、N2和CO的標(biāo)準(zhǔn)偏差必須小于0.1‰，H2的標(biāo)準(zhǔn)偏差小于1.0‰。

2.2.2 靈敏度和線性調(diào)節(jié)

儀器用戶通常需要對同位素比值質(zhì)譜進行“靈敏度”或“線性”調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)靈敏度來獲得最高的信號強度，而調(diào)節(jié)線性是為在一定的信號強度范圍內(nèi)獲得一致的離子比值。與傳統(tǒng)的雙進樣同位素比值分析相比，連續(xù)流測量是基于工作氣體和樣品氣之間一次比較，因此更應(yīng)該注重線性調(diào)節(jié)。

同位素質(zhì)譜線性表達為氣體同位素組成與離子束強度之間的函數(shù)關(guān)系，單位為‰/V［32］。經(jīng)驗表明:δ值和峰面積(峰強度)之間的函數(shù)關(guān)系總是一個線性關(guān)系［5，31］。在統(tǒng)計誤差范圍內(nèi)，測量的結(jié)果會沿著較小斜率直線分布。但是，測試時希望在認可的離子強度范圍內(nèi)的同位素比值與分析物的質(zhì)量無關(guān)或變化很小。通常，在離子強度非常小時會引起非線性效應(yīng)［5，33］，Brand［34］對非線性給出簡單的校正方法。另外，Kornfeld等［35］也給出了連續(xù)流質(zhì)譜在較大的動力學(xué)范圍中的非線性效應(yīng)校正的方法。

雖然儀器的線性不必進行日常檢測，但是必須對工作氣體進行定期檢測。這種檢測與零富集檢驗類似，不同的是，在這個檢測過程中需要將工作氣體的離子強度逐步增大。工作氣體離子強度范圍必須要涵蓋待測定樣品的離子強度范圍，例如，如果樣品在3000～8000 mV離子強度范圍內(nèi)進行測量，那么線性測量應(yīng)該包含的范圍是2000～10000 mV。線性范圍需要在樣品測試之前建立起來。一般情況下，CO2、N2、CO 線性必須小于 0.1‰/V。而2H/1H測量則無需線性檢驗，因為它需要做日常的系數(shù)測定。

我們知道，離子源理想的測試參數(shù)很大程度上取決于儀器的類型、離子源的潔凈度和許多其他條件［34］。要獲得好的靈敏度，需要改變離子源參數(shù)來獲得工作氣體最大的信號強度。要獲取好的線性，一些離子源參數(shù)要設(shè)為“臨界”值，例如提取透鏡(extraction lens)的參數(shù)。然后調(diào)節(jié)所有的其他參數(shù)使工作氣體的信號最大。臨界值可以通過調(diào)節(jié)和測量線性的迭代過程來建立，例如，通過設(shè)定提取透鏡為另一個值并調(diào)節(jié)所有的其他參數(shù)。盡管非常費時，但是這種過程一般僅需要執(zhí)行一次來建立“臨界”值。一些同位素比值質(zhì)譜軟件提供了自動聚焦的功能，這可能加速調(diào)節(jié)過程，一般在自動聚焦以后再進行手動調(diào)節(jié)可以獲取更好的結(jié)果［2］。

2.2.3 背景值監(jiān)測

在同位素比值質(zhì)譜測定中，測試背景由兩部分構(gòu)成:一是基線電子漂移;二是當(dāng)沒有氣體進入質(zhì)譜時，相應(yīng)質(zhì)量數(shù)位置的離子流［34］。背景的處理通常通過質(zhì)譜的操作軟件來完成。標(biāo)準(zhǔn)的方法是在日常測量期間通過首先關(guān)閉通向質(zhì)譜的電磁閥并等候一段時間，抽走質(zhì)譜中氣體來測量背景［34］。

一般情況下，儀器制造商提供的說明書中會詳細地說明離子源中可接受的殘留氣體水平。在實踐中，這些背景值在不同的實驗室會有所變化，這取決于儀器的配置、使用的氣體等級和一些其他因素。重要的是每天都要監(jiān)測所使用的儀器背景值，這不僅有助于建立起可接受的背景水平，而且同時可以確定其他未知因素對分析結(jié)果的影響。

2.3 樣品的制備和稱量

對于連續(xù)流同位素質(zhì)譜分析方法而言，確保待測試樣品、標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)和質(zhì)量確認標(biāo)準(zhǔn)(監(jiān)視標(biāo)準(zhǔn))以相同方式和相同的處理原則(identical treatment，IT，見下文)來制備和分析是非常重要的［2，3，12，16，26，33-34］。一些化合物要絕對干燥，否則殘留的水汽可能影響δ2H和δ18O值。許多化合物都容易吸濕，始終要保證在分析前樣品干燥。

EA-IRMS和 TC/EA-IRMS方法都是測定“全樣品”同位素比值的方法［2，3，36］。例如，碳同位素比值分析就是燃燒樣品中所有的含碳物質(zhì)。為了使EA-IRMS獲得準(zhǔn)確的結(jié)果，樣品要盡可能是均勻分布的。如果某些情況下需要單個化學(xué)物種的同位素比值，那么在燃燒/轉(zhuǎn)換過程之前必須對樣品進行純化分離。它可以通過非在線的純化步驟，或通過結(jié)合GC-C-IRMS這樣的在線方法來進行。需要特別注意的是，這兩種方法可能引起同位素分餾，因此，相同的處理過程也是必要的。

樣品稱量(使用一臺微分析天平)過程也非常重要。合適的樣品量可以保證樣品生成的CO2和N2(或H2和CO)的信號強度位于同位素比值質(zhì)譜的線性范圍內(nèi)。理想情況下，來自樣品峰的主要離子峰強度應(yīng)該與工作氣主要離子峰強度相匹配。有些情況下可調(diào)節(jié)工作氣體峰強度與樣品峰一致［16］?，F(xiàn)代的連續(xù)流系統(tǒng)還可通過稀釋方法使主要離子峰之間盡可能地匹配。標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)稱量一般在100～500 μg之間，通過合適的稀釋方法會產(chǎn)生合適的信號強度，所測試樣品的稱量要依據(jù)物質(zhì)的純度和含量來確定。

2.4 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的選擇和使用

任何一個穩(wěn)定同位素實驗室對標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(reference material)選擇面臨的重要問題有很多。包括:①標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的運用:為了使不確定度最小化，應(yīng)該使用什么樣的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)?②標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)δ值范圍:這些標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)需要涵蓋自然界中所觀測到的δ值范圍嗎?③標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)和樣品的δ值:它們是否應(yīng)該具有接近所分析樣品的預(yù)估δ值?④標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)使用頻次:重復(fù)分析標(biāo)準(zhǔn)多次有好處嗎?或減少重復(fù)分析而使用具有不同的δ值的多個標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)?⑤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)不確定度傳遞性:當(dāng)使用多個標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)時，與標(biāo)準(zhǔn)不確定度相關(guān)的誤差是如何傳遞的?

以上這些都是我們進行穩(wěn)定同位素分析時，使用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)所需要解決的問題。

2.4.1 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的運用策略

到目前為止，在穩(wěn)定同位素測量領(lǐng)域，標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的定義還沒有一個明確的指南。雖然制定國際通用的計量學(xué)基本術(shù)語的國際標(biāo)準(zhǔn)機構(gòu)提供了一致性的一般性定義。但不幸的是，它與穩(wěn)定同位素測量界建立起來的一些術(shù)語是不一致的。廣義上“標(biāo)準(zhǔn)”(standard)包括標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)、已認證標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)、實驗室和內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)以及標(biāo)準(zhǔn)氣體［30］。由于簡單的術(shù)語“標(biāo)準(zhǔn)”應(yīng)用于不同目的，是一種模棱兩可的表達，它的應(yīng)用應(yīng)該受到嚴(yán)格的限制。標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)是天然的或合成的化合物，它是相對基準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)仔細標(biāo)定過的，屬性均勻，具有不確定度。它用來標(biāo)定實驗室裝備和分析不同于基準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)組成物質(zhì)測量方法。使用的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)應(yīng)包含具有廣泛化學(xué)組成和大范圍穩(wěn)定同位素比值［37］。

正如在2.3節(jié)所提到的，無論哪種類型的儀器，要做到可靠的穩(wěn)定同位素分析的基本原則就是遵循樣品和標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的“同一處理原則”，所謂“同一處理”就是使樣品和標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)經(jīng)歷相同反應(yīng)路徑和反應(yīng)條件，這是為了考慮發(fā)生在質(zhì)譜分析之前的外部裝置中一系列的可能潛在的同位素分餾(例如，不完全轉(zhuǎn)化和氣體轉(zhuǎn)移等引起的同位素分餾)。同時，標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)和樣品之間具有類似的組成對于提高分析精度也很重要。正如 Bièvre(1993)等［38］所強調(diào)的:如果其他的方面相當(dāng)，要比較的兩個主體越相似，就測量本身而言，產(chǎn)生的誤差就越小。這說明了在它們通過外接設(shè)備時(EA、TC/EA)，要考慮未知樣品的化學(xué)和物理性質(zhì)非常重要。然而，對實際樣品的同一處理原則的執(zhí)行又往往并不能如愿:根據(jù)定義，需要使用類似和具有一定代表性組成的分析物，而在測試實際自然樣品時，往往涉及未知和復(fù)雜組成的樣品，從嚴(yán)格意義上說，這就使得相同的處理原則很難在實際中應(yīng)用，但我們可以對標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進行處理，使得和樣品盡可能地相似。對于一些研究工作中，會缺乏合適的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，這就需要實驗室建立自己的實驗室標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，并評估它們的均一性和穩(wěn)定性。Zha等［33］對硅酸鹽樣品中微量碳酸鹽分析就采取這樣的策略，從而使標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)具有實際樣品類似的成分比例和物質(zhì)構(gòu)成，使δ13C和δ18O分析精度和準(zhǔn)確度都大幅提高，尤其是使δ18O值受添加磷酸量的影響得以校正。

除了使用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)來校準(zhǔn)儀器和實驗室標(biāo)準(zhǔn)外，標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)也用來標(biāo)準(zhǔn)化初始數(shù)據(jù)。選擇的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)數(shù)量和類型會明顯地影響標(biāo)準(zhǔn)化，并因此影響最終的結(jié)果，有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化過程將在數(shù)據(jù)處理中(第3.3節(jié))來闡述。另外，標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)還能夠用來監(jiān)測分析方法和同位素比值質(zhì)譜的性能(所謂的質(zhì)量保證標(biāo)準(zhǔn))。可以利用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)作為質(zhì)量控制手段，即:通過對已知同位素組成標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的檢測，實現(xiàn)在分析過程中不同時間段對系統(tǒng)的質(zhì)量控制。在分析階段之前，重復(fù)分析工作氣體脈沖可檢查同位素比值質(zhì)譜系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

類似地，已認證參考物質(zhì)(certified reference materials)也可以檢測整個分析序列中儀器的穩(wěn)定性，并監(jiān)視質(zhì)量控制方面的精確度。要確保整個分析方法的精度，實驗標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)應(yīng)該貫穿于分析制備、外接設(shè)備和同位素比值質(zhì)譜分析整個過程。

2.4.2 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的選擇

根據(jù)Gentile等［30］的研究觀點，實驗室標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)應(yīng)該符合下列條件:①這種物質(zhì)在制備期間應(yīng)該很容易處理，并可方便被替代;②應(yīng)該優(yōu)先選擇高純度、非吸濕、長時間穩(wěn)定的化合物;③在室溫和大氣壓下具有低的蒸氣壓，在高純?nèi)軇┲杏泻玫娜芙舛?在CSIA);④這種物質(zhì)的值應(yīng)該在分析物預(yù)期變化的范圍內(nèi);⑤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)應(yīng)該與分析的樣品具有相同或類似的化學(xué)組分。

就選擇標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的δ值接近或遠離樣品的δ值而言，Skrzypek等［14］分別評估了使用更接近樣品δ值和涵蓋樣品δ值范圍的已經(jīng)標(biāo)定好的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的優(yōu)勢，在這項研究中，共9個標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)用于Monte Carlo模型。該模型對所有可能標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)對之間實現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化誤差的評估。雖然已經(jīng)證實了幾個優(yōu)化的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)對，但是每一個標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)對對應(yīng)一個非常狹隘范圍的δ值是優(yōu)化的。如果僅需要使用兩個標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，那么其他的16對不同的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)被選擇涵蓋總范圍中(從-50‰到 +10‰)很小的部分。雖然這種復(fù)雜的選擇降低了不確定度，但是在實際應(yīng)用中不合適，這是由于需要分析多個標(biāo)準(zhǔn)。另外，選擇小范圍標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)相關(guān)的風(fēng)險也是非常高的，在這種情況下樣品預(yù)估的δ值不能總是估計正確的。通過實驗，Skrzypek等［14］進一步指出在進行δ13C值分析時，使用一套四個標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)L-SVEC、NBS-19、USGS24和NBS22(每個分析兩次)比16對中任一對優(yōu)化的小的δ值范圍獲得的結(jié)果有更低的不確定度，結(jié)果會更好。因此，分析這四個標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)幾乎涵蓋整個δ13C值范圍，比任何其他標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)對更好，即使任何一對標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)δ值更接近樣品的δ值也是這樣。對δ18O值分析，Skrzypek等［15］也得出類似的結(jié)論。這是由于當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)涵蓋整個δ值范圍的時候不確定度總是更低的。

就每個標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)測試次數(shù)和選擇的不同標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的數(shù)量而言，根據(jù) Skrzypek等［14-15］關(guān)于 Monte Carlo模型的統(tǒng)計評估，他們認為只要認真地選擇合適的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，那么不確定度會大大降低。對于碳同位素組成分析，如果選擇四個標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(LSVEC、NBS19、USGS24 和 NBS22)，每個標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)在一批樣品中分析兩次(總共8個)，那么不確定度降低50%。然而，從統(tǒng)計的觀點來看，如果僅使用兩個標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(L-SVEC、NBS19)，在每一批樣品中分析4次(總共8個)，應(yīng)該會獲得類似結(jié)果。他們還得出了在EA-IRMS分析的情況下，所謂的組成類似并不是很關(guān)鍵?？梢酝ㄟ^同時分析幾個不同化學(xué)組成的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，并檢驗僅使用碳酸鹽標(biāo)準(zhǔn)或僅使用有機標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)是否有線性回歸方程變化，以此確定不同組成標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)對的使用對分析結(jié)果的影響。根據(jù) Skrzypek 等［13］和 Coplen 等［39］證實，碳酸鹽標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)能夠成功地用EA方法進行分析。

使用TC/EA方法分析δ18O的標(biāo)準(zhǔn)化誤差與δ13C類似，如果選擇兩個優(yōu)化的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)組成標(biāo)準(zhǔn)對，且每一個重復(fù)分析4次，標(biāo)準(zhǔn)誤差近似降低50%［16］。從標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)和樣品化學(xué)組成匹配來考慮，在當(dāng)前可用的已認證標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中，使用以下標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)可以最小化標(biāo)準(zhǔn)化誤差:對硝酸鹽是USGS35和USGS34，對硫酸鹽是IAEA-SO-6和IAEA-SO-5，對有機物質(zhì)是IAEA-601和IAEA-602。對于所有的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，進行選擇的優(yōu)化原則是涵蓋更寬范圍的δ值的標(biāo)準(zhǔn)對(包括硝酸鹽)。對于IAEASO-6和IAEA-602，它們與標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)標(biāo)定相關(guān)且有最低的不確定度。然而，這兩個標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)化學(xué)組成不同，IAEA-SO-6是一種硫酸鹽，IAEA-602是一種有機標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)。根據(jù)其他一些研究，硫酸鹽標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)和有機標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)一起使用似乎并不會導(dǎo)致化學(xué)上組成匹配的問題。對于使用TC/EA方法分析氧同位素的不確定度(近似0.30‰)比EA分析碳同位素(小于0.10‰)的不確定度要高得多。隨著樣品的δ值偏離程度的增加(相對于δ值為0)，不確定度的傳遞更加明顯。因此，樣品δ值偏離標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)對所涵蓋的范圍時，分析的不確定度會大幅增加［16］。

C和O標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)已有大量研究。當(dāng)應(yīng)用EAIRMS對氮和硫同位素組成分析和TC/EA-IRMS方法對氫同位素組成分析時，由于這三種元素(N、S、H)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的研究程度不如C和O標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，因此，關(guān)于它們的標(biāo)準(zhǔn)化不確定度傳遞所知甚少。

總之，在同位素比值質(zhì)譜分析中，實驗室標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)需要使用較大范圍的同位素組成，較理想的情況是能涵蓋樣品的預(yù)期同位素組成。一般工作中至少要使用兩個標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)。標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的使用既要考慮樣品的性質(zhì)，同時要涵蓋它們未知的同位素比值范圍，顯然，這是一個挑戰(zhàn)。

2.4.3 樣品和標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)序列(sequence)

對于不同的實驗室，利用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)來標(biāo)定、標(biāo)準(zhǔn)化和質(zhì)量控制的策略往往不同。由于標(biāo)準(zhǔn)的操作手冊并不能適合所有可能的情況，穩(wěn)定同位素實驗室為了實現(xiàn)最好的分析精度，需要確定標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)分析數(shù)目、類型和同一標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)分析頻次，不同實驗室對于樣品、標(biāo)準(zhǔn)和空白放置的方法，以及標(biāo)準(zhǔn)之間樣品重復(fù)樣的數(shù)量都不盡相同，分析結(jié)果不但受到標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)分析頻次的影響，同時標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)目和它們的位置也能夠影響結(jié)果。Werner等［26］提出了樣品放置列表(序列設(shè)計)，但是每個實驗室都有自己的分析策略。

一般地，好的分析序列需要包括一批樣品和一套兩個具有不同同位素組成的已知標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(理想情況下是兩個國際標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì))。除此之外，分析系統(tǒng)的性能檢驗必須包括至少一個標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)或國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，作為同一批次未知樣品的質(zhì)量控制來進行重復(fù)檢驗。一般情況下，一個批次分析可能包括4個或5個樣品(每個樣品至少三份)和標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(三份)，同時標(biāo)準(zhǔn)也用于隨后的端元校正(見表1)。根據(jù)統(tǒng)計分析原理樣品應(yīng)該分析至少4次(n=4)。如果希望應(yīng)用概率比，同時控制標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(或示例樣品)和樣品之間可能匹配，那么標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)和控制標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該分析偶數(shù)多次(例如，n=4，6，…)。很明顯，重復(fù)的次數(shù)越多，則運行的時間越長，周轉(zhuǎn)時間越慢，成本更高。對于氫和氧同位素分析，需要更多次的分析來獲得一致值，這是由于一個序列中樣品具有不同的同位素組成時會存在記憶效應(yīng)。在這個序列的開始和結(jié)束都要分析每種元素的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，這些值將用來標(biāo)準(zhǔn)化所分析樣品的數(shù)據(jù)。內(nèi)部質(zhì)量控制物質(zhì)在整個分析序列中要定期分析，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定。如果在實驗條件下儀器發(fā)生漂移，那么樣品分析序列中應(yīng)在其前面或其后面緊跟兩個標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)運行，且每個至少分析三次，以用來進行漂移校正(例如，在樣品的批次序列起始和結(jié)束之間存在尺度調(diào)整，可解釋系統(tǒng)差異)。最后，兩個空錫杯和銀杯應(yīng)該放在整個樣品序列兩端，作為空白。有時，在分析樣品的過程中也要增加空白次數(shù)，這樣是為了避免氣體色譜柱和水阱飽和引起的背景值增加，同時也可排除來自樣品在反應(yīng)器中的累積污染［8］。

表1 連續(xù)流系統(tǒng)條件下的樣品和標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)序列的典型構(gòu)成(以碳酸鹽13C同位素為例)Table 1 The classical sample and reference materials batch sequence compositions in continuous flow experimental conditions(13C isotope analysis of carbonate as an example)

3 同位素數(shù)據(jù)處理

文獻中數(shù)據(jù)處理多半是一個隱蔽過程。毫無疑問，恰當(dāng)?shù)財?shù)據(jù)處理會影響最終的分析結(jié)果。原始數(shù)據(jù)的處理一般包括質(zhì)量控制過程監(jiān)測、結(jié)果的保留和舍棄策略(樣品重復(fù)分析)以及原始數(shù)據(jù)對國際參比尺度的標(biāo)準(zhǔn)化(也稱為校正或轉(zhuǎn)化)、不確定度計算等。

3.1 同位素校準(zhǔn)(calibration)

根據(jù)通用計量術(shù)語及定義指出同位素比值校準(zhǔn)過程(calibration)包括兩步:第一步是建立國際標(biāo)準(zhǔn)(或已認證同位素參比物質(zhì)，或同位素重量分析物)的同位素比值與同位素質(zhì)譜的離子數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系。第二步是使用這種函數(shù)關(guān)系來建立未知樣品的離子流測量值或離子數(shù)與樣品的原始同位素比值之間的關(guān)系。校準(zhǔn)過程可以通過校準(zhǔn)方程、校準(zhǔn)圖、校準(zhǔn)曲線或校準(zhǔn)表來實現(xiàn)［40］。實際上，原始數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化過程也是校準(zhǔn)過程一個環(huán)節(jié)，兩個國際標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)過程是多點線性標(biāo)準(zhǔn)化的一個特例。

3.2 控制曲線

控制曲線是內(nèi)部數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查的有力工具，它記錄所有分析數(shù)據(jù)同時監(jiān)測樣品分析過程是否可控，對此Werner等［26］已有詳細的報道。通過監(jiān)測分析結(jié)果的平均值和分散度，控制曲線可檢查這些分析過程和分析結(jié)果是否對時間、不同批次、不同天或不同月產(chǎn)生響應(yīng)。這種對系統(tǒng)長期性能觀察，本質(zhì)上就是防止產(chǎn)生錯誤的結(jié)果，可實現(xiàn)對分析偏差是趨勢性或是階段性的增加和降低的判斷。平均值(曲)線為最常見的控制(曲)線，表達為數(shù)據(jù)生成的曲線是圍繞著已知值(為幾次測量的平均值或認證標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的已知同位素值)的中心線，并帶有由用戶自己定義的起警示作用的上下限(警戒限)。通常，警戒限和作用線的標(biāo)準(zhǔn)平均偏差為2σ和3σ，在平均值(曲)線所有值中分別覆蓋有95.5%和99.7%的置信區(qū)間［2］。當(dāng)一個點位于作用線的外部或兩個連續(xù)的點位于警戒限的外部，我們應(yīng)該采取措施來恢復(fù)過程為可控狀態(tài)。圖2為2013年中國科學(xué)院殼幔物質(zhì)與環(huán)境重點實驗室內(nèi)部監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)(04BXL07)的控制曲線圖。從圖2可以看出，雖然這種標(biāo)準(zhǔn)所測量的點幾乎都落在2σ內(nèi)，但在2013年5月之前值偏低一些，2013年6月有向上漂移傾向。通過對這些數(shù)據(jù)進行擬合，線性相關(guān)性較差，說明了系統(tǒng)隨時間和不同批次有變化。從分散度來看，2013年5月之后，數(shù)據(jù)散布更大些。

圖2 內(nèi)部監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)04BXL07的δ18O質(zhì)量控制曲線圖Fig.2 A quality control chart for the determination of δ18O using in-house monitoring standard 04BXL07

3.3 標(biāo)準(zhǔn)化過程(normalization)

所有的現(xiàn)代化連續(xù)流同位素質(zhì)譜都裝備有一個讓相應(yīng)的工作氣體無質(zhì)量歧視進入到離子源的入口(inlet)。盡管這種防護措施不能防止質(zhì)譜性能變化，但可以監(jiān)控或者修正由此帶來的變化，可還不能徹底解決例如樣品和標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)通過“相同處理原則”對分析結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)化這樣的重大問題［26］。

同位素質(zhì)譜是高精度而非高準(zhǔn)確度的一種儀器［16］，且穩(wěn)定同位素組成不是作為絕對比值測量，而是相對于一個標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)來測量的。在實際同位素測量中，這個內(nèi)部的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)通常是一種實驗室標(biāo)準(zhǔn)氣體(工作氣體)，它是同樣品氣交替測量多次(雙路進樣系統(tǒng))，或在樣品之前或之后測量多次(例如，ThermoFisher公司的conflo儀器)。或者，每隔幾個樣品分析一個固體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(例如，Sercon20-20)。不同實驗室由于運用不同的已認證的或標(biāo)定的參比氣體(標(biāo)準(zhǔn)氣體，reference gas，working gas)以及標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，因此獲得的結(jié)果是與實驗室使用的標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)的原始值，需要通過一個國際尺度(例如，VSMOW、VPDB、VCDT或空氣)轉(zhuǎn)化樣品原始(測量)的δ值為報道的“真實”的δ值，從而保證不同的實驗室所獲數(shù)據(jù)具有可比性。數(shù)學(xué)上重新計算的過程通常稱為標(biāo)準(zhǔn)化。這個過程的一些方面在同位素比值質(zhì)譜軟件內(nèi)部自動完成的，對分析者而言可能不可見。補充的標(biāo)準(zhǔn)化可能要在外部電子文檔中進行(兩點或多點標(biāo)準(zhǔn)化過程)。

據(jù)文獻［2，12，16］報道，初始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化為國際參比尺度能夠采取的方式:①相對于已知同位素比值的參比氣體(此步驟與相同處理原則相違背);②相對單一的參比物質(zhì);③相對于兩個或多個參比物質(zhì)，這種方法常常將標(biāo)準(zhǔn)化和校準(zhǔn)過程很好地統(tǒng)一起來。正如Paul等［12］所述，使用不同的標(biāo)準(zhǔn)化方法可能導(dǎo)致重大的差別，僅由于不同的數(shù)學(xué)算法，其結(jié)果在不同的實驗室間甚至分析相同的樣品獲得的δ值有重大的差異。

一般的，同位素比值質(zhì)譜軟件相對工作氣體自動計算同位素比值，被稱為“單點錨定”(singlepoint anchor)計算方法。這需要操作者指定工作氣體的真實的 δ值［δT(wg)=［(Rwg/Rstd)-1］×1000］。工作氣體和樣品原始的δ值被測量后，樣品的“真實”δ值以方程(1)表示:

式中，δT(Spl)表示樣品的真實δ值，δR(Spl)表示樣品相對工作氣體的原始值，δT(wg)表示工作氣體的真值。

為了減小不確定度，樣品的同位素組成必須接近工作氣的同位素組成。標(biāo)準(zhǔn)化的不確定度隨著［δT(Spl)- δT(wg)］增加而增大［12，16］。另外，這種標(biāo)準(zhǔn)化是要求鋼瓶中(對于Conflo系統(tǒng)，通常裝在高壓鋼瓶中)標(biāo)準(zhǔn)氣體消耗完之前，或至少在下一次標(biāo)定之前一直有一個恒定的δ值為基礎(chǔ)的。由于工作氣體的組成存在質(zhì)量相關(guān)分餾，即工作氣體同位素組成會隨著時間發(fā)生變化(一般輕同位素會變得更輕，重同位素會變得更重)，因此對來自高壓鋼瓶中工作氣體δT(wg)定期進行標(biāo)定測量是非常重要的。

單點錨定也可相對一種固體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進行。與相對于鋼瓶氣標(biāo)準(zhǔn)化相比的優(yōu)點是樣品和標(biāo)準(zhǔn)都經(jīng)歷了相同條件下的化學(xué)處理過程而生成的分析氣體。但如果僅僅使用一個標(biāo)準(zhǔn)，意味著這種標(biāo)準(zhǔn)化方法中的不確定度會相對于樣品和標(biāo)準(zhǔn)相互之間的δ值差值成比例增加。樣品和標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的原始δ值是相對工作氣體測量，然后根據(jù)方程(2)來計算樣品的真實的δ值。

式中，δT(Spl)表示樣品的真實δ值，δR(Spl)表示樣品的原始δ值，δT(Std)表示標(biāo)準(zhǔn)的真實δ值，δR(Std)表示標(biāo)準(zhǔn)的原始δ值。

以上兩種標(biāo)準(zhǔn)化都是單錨點標(biāo)準(zhǔn)化，對于這樣的單點錨定，如果沒有嚴(yán)格地遵守同一處理原則，并且標(biāo)準(zhǔn)和樣品的同位素差異較大，那么這種方法將產(chǎn)生較大的標(biāo)準(zhǔn)化不確定度。

第三種方法是基于線性回歸的標(biāo)準(zhǔn)化，截距和斜率用于對原始數(shù)據(jù)的同位素度量尺度的重新計算。就標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的數(shù)量而言，稱為兩點或多點標(biāo)準(zhǔn)化方法。校準(zhǔn)線或校準(zhǔn)曲線并不是一種新方法，這種方法常用在化學(xué)分析中進行標(biāo)準(zhǔn)化。然而，這種方法對于穩(wěn)定同位素分析而言相對是一種新應(yīng)用。最初，在建立了VSMOW曲線常用度量尺度后，兩點方法用于水的氫和氧穩(wěn)定同位素組成測量的標(biāo)準(zhǔn)化。后來，Coplen等［39］使用 NBS19和 L-SVEC建立了VPDB標(biāo)準(zhǔn)度量尺度。

Paul等［12］和 Skrzypek［16］的方法至少用兩個不同標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的原始測量δ值作為橫坐標(biāo)(x軸)，真值或通常稱為可接受的δ值，作為縱坐標(biāo)(y軸，圖3)。這些點構(gòu)成了一條回歸線(圖4)跨過不同的δ值范圍，取決于分析的標(biāo)準(zhǔn)的δ值:

式中，a表示斜率，b表示截距。

圖3 樣品對標(biāo)準(zhǔn)的兩點標(biāo)準(zhǔn)化示意圖Fig.3 The diagrammatic sketch of a two-point normalization method using linear regression based on two wellcalibrated reference materials，recalculating sample raw value to international scale

圖4 樣品的合成不確定度示意圖(據(jù)文獻［2］修改)Fig.4 The diagrammatic sketch of combined uncertainty of sample(revised by Reference［2］)

在一段時間內(nèi)，回歸線斜率a近似為常數(shù)1(1.00±0.05)。如果使用同一套標(biāo)準(zhǔn)，斜率的變化可能反映分析的不確定度，即測量期間條件的改變或儀器背景值的改變。截距b主要與系統(tǒng)中使用的工作氣體的δ值有關(guān)(方程3)。樣品的標(biāo)準(zhǔn)化過程為樣品的原始的δ值(對工作氣體或固體標(biāo)準(zhǔn))乘上一個斜率然后加上一個截距值。因此，截距對所有要標(biāo)準(zhǔn)化的樣品都是相等的，與樣品的δ值無關(guān)。對于斜率而言，當(dāng)樣品的δ值遠離零值時，斜率的影響會進一步增加。

使用超過兩點線性標(biāo)準(zhǔn)化的方法，也稱作為“多點線性標(biāo)準(zhǔn)化”或簡稱為“校準(zhǔn)曲線”，這可能是基于擬合方法的最好的回歸線。系數(shù)R2表明這些測量數(shù)據(jù)遵守線性關(guān)系的緊密程度(判定觀察值近似均勻的分布)，以及標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)測量值的隨機不確定度效應(yīng)(例如，不完全燃燒)。

3.4 樣品不確定度計算

不確定度是指由于測量誤差的存在，對被測量值與其真值之間差異的無法確定性。當(dāng)前同位素比值質(zhì)譜能夠測定同位素比值的不確定度一般要好于0.02‰。對于氫而言，不確定度通常要大一個數(shù)量級，這是因為自然界中2H/1H同位素比值要比其他元素的同位素比值要小幾個數(shù)量級。大的不確定度一般是在同位素比值質(zhì)譜分析之前樣品的前處理過程中產(chǎn)生的。

當(dāng)測量結(jié)果是由若干個其他測量值求得時，按其他測量值的方差和協(xié)方差計算的標(biāo)準(zhǔn)不確定度，稱為合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度［41］。它是測量結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)偏差的估計值，用符號UC表示。根據(jù)文獻［2］報道的δ值合成不確定度可能來自:(a)重復(fù)樣測量的精度;(b)實驗過程偏差;(c)用于標(biāo)準(zhǔn)化δ度量尺度的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的δ值不確定度;(d)校正和標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)所采用的算法。通過選擇合適的分析條件和運用IT原則，(a)和(b)都能夠減小。而對于(c)和(d)而言，同一實驗室內(nèi)部測量結(jié)果類似，各個實驗室間的不確定度會隨著樣品和參比物質(zhì)之間δ值差異增加而增加。這表明了(c)和(d)對于測定結(jié)果的不確定度有重大的影響。實驗室內(nèi)部無法處理關(guān)于標(biāo)定物質(zhì)和實驗室間對比物質(zhì)(對于組成均一性物質(zhì)而言)相關(guān)的不確定度。雖然這些不確定度隨著時間累積將漸漸減小，但是仍然必須結(jié)合不確定度預(yù)計值和實驗室內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)對這些標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)標(biāo)定所產(chǎn)生相關(guān)的不確定度有所預(yù)計。

合成不確定度可以用圖4表示。垂直誤差棒表示用于校準(zhǔn)/標(biāo)準(zhǔn)化物質(zhì)的δ值不確定度，水平誤差棒表示任意物質(zhì)原始測量的δ值不確定度。樣品δ測量值不確定度用中間的水平誤差棒表示。

為了能夠?qū)Y(jié)合不同的不確定度貢獻的某一具體的樣品所測結(jié)果給出唯一的不確定度估計，不確定度計算必須是采用相同的數(shù)學(xué)表達方式。根據(jù)國際認可的不確定度計算規(guī)則，不確定度應(yīng)該以標(biāo)準(zhǔn)偏差來表示。對合成的不確定度基本規(guī)則是“平方和的平方根規(guī)則”。以標(biāo)準(zhǔn)偏差表示的不確定度成分Ux1，…，Uxn按照方程(4)合成，給出最終結(jié)果的不確定度UC:

然而，這需要測量結(jié)果中不確定度組分要采用相同的單位(例如，就同位素比值質(zhì)譜測量而言以δ值表示)，且不確定度組分之間要不相關(guān)。

如果使用兩個標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)Std1和Std2的測量值和真值進行標(biāo)準(zhǔn)化，那么計算δT(Spl)的方程:

現(xiàn)就式(5)中的(a)展開討論。

由于 δT(Std1)和 δR(Std1)項在方程(5a)中出現(xiàn)兩次，所以合成不確定度不能使用簡單的規(guī)則。最為直接的途徑按照Kragten方法描述的基于電子數(shù)據(jù)表的計算［41］。以 δ2HT(Spl)中不確定度計算作為實例，電子數(shù)據(jù)表形式如表2所示。通過分析VSMOW和SLAP進行標(biāo)準(zhǔn)化。以上標(biāo)準(zhǔn)的δ2H真值的標(biāo)準(zhǔn)偏差在不同情況下由IAEA給定是0.3‰。由于隨機不確定度，δR(VSMOW)和δR(SLAP)標(biāo)準(zhǔn)不確定度是1.0‰(重復(fù)測量平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差)。樣品的δR(Spl)值為-120.0‰，標(biāo)準(zhǔn)差為1.2‰(重復(fù)測量平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差)。

需要計算結(jié)果的參數(shù)值和相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)不確定度都列在表2所示的B列和C列。用來計算結(jié)果的公式都列在單元格B7中。B列中數(shù)據(jù)拷貝到D～H列(在計算δT(Spl)時使用每一列中一個參數(shù))。在單元格C2中所給的不確定度添加到單元格D2中，單元格C3中不確定度添加到單元格E3中，等等。單元格D7到H7顯示了對δT(Spl)重新計算的值，包括單個參數(shù)中不確定度效應(yīng)。第8行給出了重新計算的值和在單元格B7中對δT(Spl)最初計算之間的差值，顯然，很容易看出不同的參數(shù)對δT(Spl)重新計算的不確定度影響的大小。δT(Spl)標(biāo)準(zhǔn)偏差(單元格C7)是通過對第8行差值的平方，再加和，然后平方根獲得的。

表2 使用合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度來計算樣品的不確定度Table 2 Calculation of uncertainty of sample utilizing combined standard uncertainty

3.5 數(shù)據(jù)的保留和舍棄

樣品數(shù)據(jù)的保留和舍棄應(yīng)該是與質(zhì)量控制策略相一致。觀測到異常結(jié)果就必須要對分析的有效性產(chǎn)生疑問，或許要嘗試著重新分析樣品，但前提是要有足夠的樣品可用。而且，所有的樣品應(yīng)該做相同的處理。僅當(dāng)質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)證實了分析問題所在，并且周圍環(huán)境已被證實再次分析是合理的情況下，樣品才應(yīng)該進行重新分析。

4 結(jié)語

連續(xù)流同位素質(zhì)譜系統(tǒng)(EA-IRMS和TC/EA-IRMS)具有便捷、快速、樣品用量少以及不需要前處理或很少前處理的優(yōu)勢，特別是原位同位素分析的發(fā)展，在今后的穩(wěn)定同位素分析當(dāng)中，連續(xù)流質(zhì)譜方法顯然是不可或缺的中心角色，在實際應(yīng)用中也會越來越廣泛。隨著同位素比值分析連續(xù)流系統(tǒng)覆蓋范圍擴展，應(yīng)用于測量穩(wěn)定同位素比值越來越廣泛，這就要求最好運用好的工作實踐知識，來確保儀器的穩(wěn)定，以及好的同位素質(zhì)譜工作知識，來維持在日常分析中高精度的分析能力。因此，同位素分析者嚴(yán)格遵守一套完備的操作方案和質(zhì)量控制協(xié)議，以及掌握合理的數(shù)據(jù)處理方法對獲得高精度和準(zhǔn)確的同位素比值，并能夠和其他的實驗室獲得一致的同位素數(shù)據(jù)是大有裨益的，且顯得尤為迫切。在同位素分析中主要需做到以下幾點。

(1)穩(wěn)定同位素實驗室需要建立和遵循一套特定日常儀器檢查和質(zhì)量控制，并在開始測量和整個樣品分析過程中確保系統(tǒng)良好的工作狀態(tài)。分析之后，如發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)結(jié)果超過性能控制曲線警戒限制，應(yīng)該采取措施來恢復(fù)過程為可控狀態(tài)。

(2)基于線性回歸的兩點或多點標(biāo)準(zhǔn)化方法是最好的校準(zhǔn)方法。只要可能，應(yīng)該要做到基于標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)化線性回歸，這些標(biāo)準(zhǔn)和同批次樣品一起運行，執(zhí)行同一處理原則，且它們的δ值應(yīng)該涵蓋自然界中所觀察到的自然豐度的整個變化范圍，且需要長期連續(xù)使用同一套標(biāo)準(zhǔn)，樣品和標(biāo)準(zhǔn)序列也應(yīng)合理地安排并且要統(tǒng)一。

(3)在數(shù)據(jù)處理中要使用合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度來確定樣品的不確定度。

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