激光水穩定性同位素分析儀的操作步驟與注意事項

靳靜靜　李俊超

摘 要：氫氧穩定同位素示蹤技術是研究土壤—植物—大氣連續體水分利用來源、水循環演化過程及形成機理分析等的重要手段。美國Los Gatos Research公司最新研發的激光水穩定性同位素分析儀（LWA-45EP），可同時測量水中同位素δ2H、δ18O和δ17O。該文根據筆者實踐經驗，對該儀器的操作步驟及注意事項等內容進行了介紹和總結，以期為相關人員提供參考。

關鍵詞：激光水穩定性同位素分析儀 操作步驟 注意事項

中圖分類號：S124 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）06（b）-0011-03

Abstract： Hydrogen and oxygen stable isotope tracing is an important means in studying the hydrological cycle in soil-plant-atmosphere continuum. The Los Gatos Research company's laser stable isotopes of water analyzer （LWA-45EP）， can simultaneously measure the δ2H、δ18O and δ17O of water. This paper introduced its operation， common problems and solutions， so as to provide reference for relevant users.

Key Words： Laser stable isotopes of water analyzer； Operation； Announcement

在自然界水文循環過程中，同位素分餾導致水中氫氧同位素組成具有時空差異。氫氧穩定同位素為土壤—植物—大氣連續體水分利用來源、水循環演化過程及形成機理分析等研究提供了行之有效的方法，在農業水文學、土壤學、生態學等學科研究中具有重要作用[1-2]。

目前，測氫氧穩定性同位素的方法有同位素比率質譜儀法（Isotope Ratio Mass Spectrometor，IRMS）和光譜法。質譜儀因其體積較大，測試成本昂貴，操作復雜而限制其廣泛應用。而光譜儀體積小重量輕，攜帶便捷，可用于野外實時監測，成本低廉，操作簡單，分析速度快，且在性能方面已經接近IRMS法[3]。因此，近幾年得到廣泛應用。

該文介紹的是美國Los Gatos Research公司最新研發的激光水穩定性同位素分析儀（型號為LWA-45EP），可同時測量水中同位素δ2H、δ18O和δ17O。筆者通過實踐經驗，對該儀器的操作步驟及注意事項等內容進行介紹和總結，以期為相關的用戶人員提供參考。

1 工作原理

IWA-45EP儀器基于高分辨率的離軸積分振腔輸出光譜技術（Off-Axis Integrated Cavity Output Spectroscopy）。Off-Axis ICOS技術將激光諧振腔和氣體測量室合為一體，激光在諧振腔兩端的反射鏡中反復震蕩，其中有少部分透過反射鏡，到達檢測器。利用這種裝置，進入測量室的激光必先在氣體中反復通過上萬次，才能到達檢測器，這相當于增加了測量室的厚度，從而使吸收信號明顯增強，因此可以測定含量極低的氣體，大大提高了測量精度和速度[3]。

對于液態水樣品，IWA-45EP可以以最快的速度同步精確地測量D/H、18O/16O、17O/16O的同位素比率，其保證精度分別為0.5‰、0.1‰和0.1‰。該儀器內置計算機，能夠連續測量和儲存數據，且使用了LGR專利的內部控溫技術，確保儀器漂移最小化。它包含了先進的數據后處理軟件，自動執行液態水測量的分析程序，能自動執行數據分析與校準功能，圖形化顯示測量結果，診斷儀器運行狀態。后處理軟件還包含了LGR專利的光譜污染診斷技術，能通過詳細的分析高分辨率吸收光譜，檢查、量化并修正水樣中有機污染物的干擾。

2 儀器操作步驟

2.1 開機順序

（1）檢查穩壓電源、儀器的各處插頭、連接處等是否正確安裝。

（2）先打開穩壓電源開關，再打開LC-PAL高速全自動進樣器，最后打開激光水穩定性同位素分析儀。

（3）分析儀打開后，電腦顯示屏上會出現兩種測量模式，請選擇“T-LWIA Launch the Triple Liquid Isotope Analyzer”模式。

（4）分析儀開始預熱，直到“Gas Temperature”達到44 ℃左右。為了延長分析儀的使用壽命，所以預熱時請不要開泵。

（5）預熱完成后，打開泵的開關。

（6）安裝進樣口隔膜，每1～2 d連續測量后需要更換一個新隔膜。

（7）自動進樣器定位檢查與調整（如此前檢查或調整過，無移動或變化可忽略此步驟）。

（8）潤洗進樣針：先用超純水潤洗進樣針（垂直上下抽拉約30～50次），再用潤滑劑（NMP：1-甲基-2-吡咯烷酮）潤洗進樣針，直到手動抽拉的時候感覺有明顯阻力，但無粘滯感，無強摩擦感，感覺平滑、圓潤。

（9）安裝進樣針。

①在進樣器的控制表上，按“F1”進入菜單，再按“F1（Change Syr）”。

②垂直進樣臂會移動到換針的位置。

③把進樣針的內芯提到0.4 μL左右。

④抬起進樣臂下端的進樣針導軌，使兩個孔重合。

⑤把進樣針插入，注意內芯的上端插入其定位槽中。

⑥旋轉進樣臂中的黑色開關，把進樣針固定住。

⑦旋轉進樣針固定螺絲，把內芯的頂部固定住。

⑧上針完成，按“Enter”鍵（讀表下部圓形按鈕）回到主菜單。

（10）檢查隔膜注入口（汽化室進樣口 Injector）的位置。

①按“F1（Menu））”。

②選“Setup”，按“Enter”鍵。

③選“Objects”，按“Enter”鍵。

④選“Injectors”，按“Enter”鍵。

⑤選“LC Vlv1”，按“Enter”鍵。

⑥按“F1（Check Pos）”鍵。

⑦如需調整x，y和z，應選擇“Position x-、y-、z-”，按“Enter”鍵，通過旋轉旋鈕進行調節；確保針管固定器正好位于進樣口的正中心（x和y方向上）并略微高一點 （1 mm左右）。

⑧按“F4（Home）”鍵返回主菜單。

（11）將待測樣品用1 mL醫用注射器和13 mm直徑、0.45μm孔徑的聚四氟乙烯的針筒式過濾器過濾，樣品量要一致（1 mL），不能過多或過少。樣品中含有油脂等污染性物質的，建議采用有機系過濾器或Teflon過濾器。

（12）將加好樣品的樣品瓶放在對應的樣品盤上的位置，每隔10個樣品要核對一下放置的位置是否正確，一定要保證樣品盤上的位置與樣品表的位置一致。

（13）點擊“Display”，在“Tray Population”菜單中，分別選擇“Available Standards”和“Available Samples”設置樣品測量順序，并分別選中設置好的樣品表，把其分別轉入“Standards To Measure”和“Samples To Measure”。

（14）“Prep Inj/Vial”設置為“0”“Measured Inj/Vial”設置為“6”。

（15）“Start with”選擇“Standards”“Run after”選擇“3”samples（從標樣開始測量，每測量3個樣品測量1個標樣），“Standards Interleave Type”選擇“One Standard per Sample Set”。

（16）可以點“Save Cfg”對樣品表進行保存，保存后點擊“Make Run”，切換至運行界面。

（17）再次檢查設置是否正確（一定要檢查泵是否打開），確認無誤后按“Start”，開始運行測量，并同時觀察“H2O_N/cm3（進樣量）”“Raw delta的穩定性”“Flag”“Gas Pressure的變化”“Laser A和Laser B的衰蕩時間”及光譜以進行調整。

2.2 數據軟件分析

（1）測量完成后，點擊屏幕底部的“Files”按鈕，根據屏幕提示插入U盤，進入資源管理器。

（2）點“Mount USB”，選中左邊窗口的“.txt”數據文件，拖拽復制到U盤中。

（3）點“Unmount USB”，點擊“Exit”按鈕退回到主菜單。

（4）拔出U盤，并把數據文件（每測1次樣品均會產生“f”、“l”和“s”3個文件夾）復制到用戶的計算機使用。

（5）在安裝數據后處理軟件的計算機上打開“LWIA-Post Analysis（Version 3.1.0.9）”軟件。

（6）選擇“File”菜單中“Load LWIA Date File”，將需要分析的原始數據的“f”文件導入軟件中。

（7）選擇“Options”菜單中“Advanced Settings”，在“Date Filtering”菜單中設置各參數，其中重要的參數有：①“Leading Injections to Ignore Per Measurement”設為“2”，即每個樣品測6針，其前2針不參與計算，目的是為了減小記憶效應。②“Running Avg Points”設為“72”，“Rejection Bounds（±%）”設為“3”。③分別設置“Standard Deviation Limit （δ2H、δ18O、δ17O）”為1.0‰、0.2‰和0.2‰。在“User Settings”菜單中設置“Injection Fitting Method”為“Group Averaging”“Sample Averaging Mode”中的“Measurement Averaging #”為“4”。參數設置完畢后，點擊“OK”保存。

（8）選擇“Post Processing”菜單中“Run Post Processing”，軟件即可根據標樣的真值與測量值擬合的方程對未知樣品自動進行校準，并顯示每個樣品的δ2H、δ18O、δ17O的真值和標準差，以及所有標樣和未知樣品的δ2H、δ18O、δ17O的精確度。

（9）點擊“View”中“Dataset Plots”，選擇“Plot Type”中的各參數，觀察各參數的連續變化，其中重要的參數包括：①“Volume Running Average（fvol）”，進樣量穩定性，用于表征進樣量是否穩定，此參數與進樣針有關。②“Volum StDev（svol）”，進樣量標準差，可表征汽化管路的潔凈程度。③“Temperature（tvar）”，溫度的穩定性，表征預熱程度及環境的變化，因為溫度對于液態水δ18O和δ17O的測量精度影響比較大。

（10）選擇“File”菜單中“Save Processed Data”，以保存最后結果文件。

（11）用Excel打開結果文件，以使用校準后的測量數據。

2.3 關機順序

（1）點擊主菜單右下角的“Exit”按鈕，關機，約需等待3 min，直到出現“You may turn off the instrument”提示后，關閉分析儀電源開關。

（2）卸下進樣針（卸針順序與安裝針的順序相反），使用NMP潤洗進樣針（此時無需再使用超純水潤洗），將其放回針盒中。

（3）關閉自動進樣器電源開關。

3 注意事項

（1）進樣口隔膜一般情況下測量102個樣品左右需要更換1次。

（2）推薦使用Hamilton生產的1.2 μL高精度自動進樣針。為避免樣品中的鹽分、鈣質、油脂等雜質沉積在進樣針中，務必在使用前和使用后，仔細地用潤滑劑（NMP（1-methyl-2-pyrrolidinone，1-甲基-2-吡咯烷酮））潤洗針，以保證其穩定性，并提高其使用壽命。

（3）推薦采用美國Microliter公司生產的2 mL微量瓶，也可以選擇安捷倫的產品。瓶蓋內隔墊推薦采用雙層Teflon膜，其穩定性好，延展性好，不易掉碎屑，但是價格昂貴。經過多次長期試驗發現，安捷倫公司生產的單層Teflon膜，也不易產生碎屑，完全可以達到實驗要求，物美價廉，可以考慮使用。

（4）樣品加入前應該確保其溫度與當前室溫一致。

（5）樣品中存在的雜質（無法過濾掉的部分），以及隔膜碎片（包含來自于進樣口和瓶蓋的）等，可能會殘留在汽化室接口處2～3 cm處及進樣管中。這些物質會吸附水氣，導致汽化速度降低甚至殘留。因此，必須使用一段時間后對汽化室和進樣管進行清理維護。

4 常見問題與措施

測試過程出現的各種錯誤提示的含義及解決方法見表1。

5 結語

激光水穩定性同位素分析儀（IWA-45EP）已經廣泛用于水文學、大氣科學等多學科中氫氧同位素組成的測定。正確的操作步驟和注意事項對保證儀器分析數據的準確性和精密度等具有重要意義。因此，建議規范化操作，專人管理，定期維護。

參考文獻

[1] 馬濤，劉九夫，張建云，等.氫氧同位素測試分析的記憶效應及標定研究[J].永文，2015，35（1）：26-33，67.

[2] 劉文茹，彭新華，沈業杰，等.激光同位素分析儀測定液態水的氫氧同位素及其光譜污染修正[J].生態學雜志，2013，32（5）：1181-1186.

[3] 顧慰祖，龐忠和，王全九，等.同位素水文學[M].北京：科學出版社，2011.