質譜法測量碳同位素豐度在氣體擴散法分離乙醇中的應用

王 飛，潘建雄，周明勝，姜東君，李俊杰

(清華大學 工程物理系，北京 100084)

13C同位素的天然豐度為1.11 %，廣泛應用于呼吸試驗、臨床診斷、碳循環研究和生物研究等方面[1-6]。13C同位素可以使用熱擴散法、化學交換法、低溫精餾法、氣體離心法等方法進行富集[7]。其中，低溫精餾法是目前國際上唯一用于大規模生產的分離方法[8]，但國內目前尚還不具備相應規模的生產能力，上海化工研究院建立了以一氧化碳為介質，基于低溫精餾法分離碳同位素的中試裝置[9]。清華大學工程物理系陸續開展了基于氣體離心法，以正辛烷、一氟三氯甲烷和七氟丙烷等為介質的分離實驗[10-12]，成功證明了這一系列方法的可行性。基于氣體擴散法，以二氧化碳為介質的分離實驗驗證了二氧化碳用于氣體擴散法分離碳同位素的可行性[13]。氣體擴散法的基本原理是利用分子流條件下，不同相對分子質量的分子過膜時流量不同產生的同位素效應，從而實現對物質的分離[14]。氣體擴散法分離同位素的效果受到分離膜材質與層數、膜前膜后壓強等不同因素影響[13]。

在進行13C同位素分離研究時，除去對分離方法的改進和優化之外，分離介質的選擇也不可忽視。乙醇作為一種常見的含有碳元素的物質，價格低廉、獲取方便、清潔低毒、容易揮發，有利于形成乙醇蒸汽應用于氣體擴散法以降低能耗。乙醇的飽和蒸汽壓在25 ℃下約60 Torr[15]，具備應用氣體擴散法分離同位素的條件。本研究為有效測量乙醇中碳同位素豐度，探索了元素分析-同位素比質譜法(EA-IRMS)測定碳同位素豐度在以乙醇為介質擴散分離碳同位素中的應用。

1 質譜分析

1.1 原理概述

乙醇常溫下為液體，且具有強烈的揮發性。乙醇分子作為一種多原子分子，若將乙醇加熱轉化為氣體直接通入質譜儀中進行測定，乙醇分子離子化后會產生較多碎片，導致質譜中的峰數量變多，存在峰與峰之間的重疊現象，故無法直接對乙醇進行質譜分析得到碳同位素豐度。通常需要將乙醇轉化為二氧化碳進行碳同位素豐度測定。

本研究采用元素分析-同位素比質譜法(EA-IRMS)進行乙醇的質譜分析。

1.2 儀器與試劑

MAT-253穩定同位素質譜儀、Flash 2000 元素分析儀、銀杯：Thermo Fisher Scientific 產品；乙醇：純度99.9%。

1.3 基本原理與測定過程

EA-IRMS的基本原理是將元素分析儀與質譜儀聯用，樣品經進樣、燃燒氧化、除雜、脫水、色譜分離和質譜分析得到相關同位素的豐度分布，一系列操作均由儀器自動進行[16]。樣品經制樣后包于銀質樣品杯中，從自動進樣器投入元素分析儀。先在960 ℃左右的氧化爐中迅速升溫，樣品被氧化，同時生成二氧化碳、氮氧化物、氮氣和水等，在載氣(一般為氬氣)的作用下，生成的氣體經過氧化爐中的填料除去硫化物和鹵化物，隨后經過溫度為600 ℃的高溫銅絲除去氧氣，再經除水柱除水，最后通過恒溫的色譜柱將氮氣和二氧化碳分離，二氧化碳氣體進入質譜儀中進行質譜分析[16]。本研究使用的乙醇純度為99.9%，含雜質較少。

進行測定時，需保證氣路連通，各路氣壓正常，檢漏無漏；為防止燃燒爐升溫過快造成設備損壞，需將燃燒爐逐級升溫到指定溫度；在打開元素分析儀與質譜儀連接的針閥開關時，應保證離子源電流為0，避免發生危險；正式開始測定前還應進行穩定性測試以確保儀器工作狀態正常；準備空白樣本進行分析以扣除本底影響；設定樣品測試的背景和時間間隔以及標準氣標定值等。

1.4 取樣與制樣

使用移液槍吸取2 μL乙醇樣品，將吸取的乙醇樣品迅速轉移到較硬的銀質樣品杯中，并用鑷子迅速密封樣品杯，完成取樣和制樣[17]。相較于錫制的樣品杯，銀質的樣品杯有利于實現更牢固的密封，避免乙醇揮發。為了進一步減少乙醇揮發，將制取完成的樣品迅速置于液氮環境中冷凍。待進樣前5 s左右再將樣品從液氮環境中移出投入元素分析儀進樣器中，以避免因為乙醇揮發帶來的同位素分餾效應以及樣品量的減少甚至消失，也可以保證對同一樣品多次取樣時，每次的取樣量可以保持一致。

1.5 分析條件

負載氣：Ar，100 mL/min；氧化劑：O2,150 mL/min；標準氣：CO2，200 mL/min；燃燒爐溫度：960 ℃；色譜柱溫度：60 ℃。

1.6 穩定性測試

對同一天然乙醇樣品進行重復取樣，采用前述方法進行制備與分析，用以判斷儀器的穩定性。通過實驗得到五組數據，測得δ13C的值如圖1所示，數據的平均值為-29.18‰，數據的標準偏差為0.15‰，標準偏差值與已有研究中的標準偏差值類似[16]。說明使用的儀器與采用的方法在穩定性和可重復性上具有一定可信度。

圖1 乙醇樣品δ13C值連續測定結果Fig.1 Continuous determination results of ethanol sample δ13C-value

2 分離系數計算

2.1 基本全分離系數

乙醇中各組分的組成情況見表1。

在乙醇的各組分中，選取相對分子質量為46、47和48的三種組分進行分離系數的計算。

實驗選擇對乙醇的天然樣進行分離，最終得到精料和貧料，在多組分分離中，可以把多元分離看作多個二元分離體系的線性組合，對于任意的兩組分a、b，不妨設第a種組分比第b種組分的相對分子質量要小，則它們之間有全分離系數γab[18]：

(1)

表1 乙醇組成情況Table 1 Calculation of basic total separation coefficient

基本全分離系數γ0與第a種組分和第b種組分之間的全分離系數滿足：

(2)

其中，ΔMab=Mb-Ma，表示兩種組分的相對分子質量之差[19]。

(3)

(4)

由(1)式、(3)式和(4)式得：

γab=αβ

(5)

在分流比為0.5的情況下，分離過程為對稱分離，此時濃化分離系數與貧化分離系數近似相等[14]，故均為全分離系數的0.5次方。

設在乙醇中的第l種組分的相對分子質量為46，第m種組分的相對分子質量為47，第n種組分的相對分子質量為48，可以分別得到第l種組分與第m種組分的濃化分離系數α1和第l種組分與第n種組分的濃化分離系數α2如下。

(6)

(7)

2.2 豐度計算

通過質譜分析，儀器測定的結果為相應樣品中δ13C的值，有：

δ13C=

(8)

其中，(13C/12C)sample表示樣品中13C同位素與12C同位素豐度的比值，(13C/12C)standard表示標準品中13C同位素與12C同位素豐度的比值。

則由式(8)可得：

(9)

碳同位素中僅考慮13C和12C兩種同位素，可得到13C同位素的豐度C(13C)的大小為：

(10)

根據MAT-253穩定同位素質譜儀的程序設定可以查到本測定用到的標準品中13C同位素與12C同位素豐度的比值，有：

(11)

故可以根據測得的δ13C的值計算出不同樣品中13C同位素的豐度。

天然樣各組分的豐度可根據天然狀態下各同位素的含量計算得出，假設13C同位素在每一種組分中的占比恒定，并聯立式(6)～(11)，則可以計算得到γ0的值。

2.3 基本全分離系數計算

基于氣體擴散法單級分離裝置進行一系列氣體擴散的分離實驗，共開展四次實驗，將這四次實驗依次編號為實驗1至實驗4。

相對分子質量為46的組分和相對分子質量為47的組分之間的全分離系數γl,m的計算公式為：

(12)

通過EA-IRMS法可以測得各個組分的δ13C的值，再計算得到各組分的豐度，聯立各式，可計算不同實驗相對分子質量為46和相對分子質量為47的組分之間的分離系數。計算結果如表2所示。

表2 基本全分離系數計算Table 2 Calculation of basic total separation coefficient

從計算結果可以看出，在目前開展的實驗條件下，以乙醇為介質分離碳同位素的基本全分離系數在1.007 2～1.008 1之間。

以實驗1為例，精樣和貧樣的豐度數據及基本全分離系數的計算過程如表3所示。

表3 實驗1豐度測定數據Table 3 Experiment 1 abundance measurement data

最終由精樣和貧樣13C的豐度可計算得到基本全分離系數為1.007 2。

3 結論

基于元素分析-穩定同位素比質譜法探究了以乙醇為介質擴散分離碳同位素基本全分離系數測定的測定方法。本研究進一步優化了乙醇樣品的制取方法，通過液氮冷凍等方式減少乙醇樣品揮發對豐度測量的影響。利用元素分析-穩定同位素比質譜法測定分離實驗中乙醇精、貧料豐度數據，推導并計算得到以乙醇為介質氣體擴散法分離碳同位素的基本全分離系數。

在本研究中，豐度分析在穩定性方面滿足條件，但還欠缺與標準樣品的比對，后續將通過測定標準樣品開展校對工作。乙醇作為一種清潔物質，如果能夠應用于碳同位素的分離，將有利于碳同位素得到更大范圍的應用。有關以乙醇為介質分離碳同位素的研究仍在不斷進行中，以期實現工業化應用。