Isoprime100稳定性同位素比质谱仪故障分析及排除

Isoprime100稳定性同位素比质谱仪故障分析及排除

谷淑波，徐毅，金敏（1.山东农业大学农学院/作物生物学国家重点实验室，山东泰安271018；2.艾力蒙塔贸易（上海）有限公司，上海200123）任何大型贵重精密仪器在使用过程中都会由于各种原因，不可避免地出现一些故障[1-3]，维修不仅耗费大量财力，同时还非常耗时[4]，严重影响仪器在教学与科研中的使用.因此在仪器管理过程中，根据仪器运行状态提前诊断仪器故障，并及时排除故障，显得尤为重要[5-6].气体稳定性同位素比质谱仪是专门测定C、N等稳定同位素比值的仪器，其首先将样品通过外设转化为气体再进入质谱仪内部进行分析，在离子源中气体分子被电离成带正电荷的离子，并经电场和磁场的作用将离子按照它们的质荷比分开，然后根据不同离子束流的强度测定稳定同位素的比值.气体稳定性同位素比质谱仪的测定数据精度高、稳定性强、检测速度快.元素分析仪与气体稳定同位素比质谱仪联用系统不仅广泛应用于农作物溯源等领域[7-9]，还应用于植物养分利用效率、同化物运转机制、土壤生态环境的研究[10-15].稳定性同位素测定过程中，从样品制备、称量包样、仪器调试、上机检测等每个环节，都会对最终数据产生影响，操作不当则会使仪器出现故障.本文以Isoprime100稳定性同位素比质谱仪-ElementarMicrocube元素分析仪联用系统为例，阐述作物和土壤中δ13C和δ15N同位素检测过程常见的故障及解决办法.1系统漏气故障Isoprime100稳定性同位素比质谱仪与ElementarMicrocube元素分析仪联用的工作示意图如图1所示.图1稳定性同位素比质谱仪与元素分析仪工作示意图Fig.1Workingdiagramofstableisotoperatiomassspectrometerandelementalanalyzer试验过程中，每批样品测试完毕，需要更换试剂.更换前要对球阀、燃烧管、还原管等相应接头处进行拆卸，不可避免地会出现系统漏气等现象.因此，进行δ13C和δ15N检测前，首先要对系统进行调试，确定系统压强（Pressure）达到0.12MPa，系统流速（MFCTCD和HeFlow）达到200mL/min.然后从软件菜单依次选择“Option”“Dignostics”“Roughleaktest”，运行自动检漏程序.如果显示“Leakcheckpassed”，说明系统不漏气.如果显示“Leakcheckfailed”，则说明系统漏气.1.1系统漏气部位的确定（1）采用“Fineleaktest”模式分段查找系统漏气部位，根据软件提示进行操作.把鼠标指针悬停在检漏气路图标识数字上时，会弹出示意图，根据提示使用“Elementar”检漏工具对相应的接口进行封堵.（2）顺着气路对每个接口进行封堵，对封堵部位进行检漏，按顺序提示进行检漏测试，以缩小确定漏点的范围.每一阶段测试成功后，会弹出一个窗口表明当前阶段检漏成功的气路范围.（3）可能漏气的部位有球阀密封件、燃烧管、还原管、干燥管的连接处.1.2造成漏气的原因（1）更换石英反应管内耗材时，反应管顶部接口处清理不干净，造成密封不严.（2）石英反应管经过长时间使用，表面产生细微裂痕，如图2所示.（3）连接处密封垫圈位置发生偏移，或长时间使用发生老化.（4）包样不规范导致锡杯破裂，进样时部分样品撒漏进入球阀，导致球阀密封圈磨损.图2出现裂纹的石英反应管Fig.2Crackedquartzreactiontube1.3解决办法（1）检查接口处密封圈位置是否有异物.取下反应管顶部管塞，将石英管内壁及管塞上的密封圈清理干净，可在管塞上的密封圈稍涂一点润滑脂.装入时管塞与管口要垂直对正并缓慢旋转插入，取出时也应如此操作，否则易造成反应管崩口.反应管装入仪器前应使用酒精清除外管壁沾污的指印，避免高温加热后形成结晶区域而引起石英管过早老化.（2）更换有裂纹的反应管.石英反应管在高温下会与样品中微量的碱金属、碱土金属或卤族离子结合，从内壁开始逐渐产生晶化.长时间使用会产生细小裂纹.为了避免石英管漏气甚至爆裂造成的损失，建议根据情况更换新的反应管.（3）在安装各连接处的球形夹时，同时检查密封圈是否处于正确位置.（4）清洗球阀.使用专用工具将球阀密封及球取下，如图3所示.使用丝绸布或脱脂棉、无水酒精将球阀密封表面附着的污染物清洗干净，不要使用酒精清洗O型圈.清洗完毕后再将球阀装配好，注意安装好后球的孔对着燃烧管，即方向向下.图3球阀密封组件示意图Fig.3Diagramofballvalvesealingassembly球阀装配好后，通过软件测试球阀装配的松紧程度.如果挤压件太紧，则可能损坏电机，太松可能漏气，可通过菜单依次选择“Options”“Maintenance”“Adjustballvalve”，使用球阀工具调节扭矩，根据状态栏颜色提示进行调整.显示灰色说明球阀装的太松，红色则太紧，绿色表明球阀位于合适的扭矩范围.（5）正确包样.称取样品后，用镊子将锡杯上口封闭压紧，将锡杯内残留的空气尽可能挤出.包样过程中注意不要弄破锡杯，否则会造成样品损失.将样品包成球状，有助于随后的燃烧反应，也可以防止样品卡在自动进样器中.2峰中心检测不通过2.1检测不通过的原因随着时间和环境温度的改变，质谱仪的真实磁场强度会发生微小的偏移，导致离子束无法完全落到法拉第杯中，因此需要调整加速电压进行偏移校正.通过峰中心（PeakCentre）扫描，观察峰中心图形以及结果中的参数，进而判断离子源是否正常.2.2解决办法（1）离子源参数重新设置.从之前任意一个数据正常的样品结果文件夹中选择参数记录文件“SampleRecord.ini”，找到相应N2/CO2条件下离子源参数，将参数值输入到当前软件“Tunepage”窗口内，如图4所示，再点击“CycleMagnet”使质谱仪磁场复位.在“PeakCentre”扫描结束后，从图5中检查“Focus”结果，通常大于0.550即可.图4离子源参数Fig.4Parametersofionsource图5峰中心扫描结果Fig.5Resultofpeakcenterscan（2）清洗离子源.若“Focus”结果小于0.550，且无法通过调谐离子源参数恢复正常峰形，可能是由于离子源过分污染所致.清洗离子源操作必须全程佩戴手套，避免污染.注意灯丝在任何情况下都不应清洗和触碰.应小心地从仪器上拆卸离子源，放在干净的白纸或铝箔纸上，将所有部件完全拆开.粗洗时使用北极星粉末（Al2O3粉末）或6.5µm砂纸去除不锈钢部件以及陶瓷垫圈表面离子溅射沉积痕迹，注意打磨光滑，但是不要过分伤害金属表面.预清洗时，将不锈钢部件浸泡在水溶液清洗剂中进行热超声波清洗15min，然后在去离子水中漂洗，去除有机污染物.最终清洗时，将不锈钢和陶瓷部件分别装入烧杯内，加入色谱纯丙酮溶液超声10min，更换新丙酮溶液再超声10min，重复操作2次.最后置于80~100℃烘箱内干燥2h.注意离子源的2个磁铁不能放入烘箱，否则会造成磁铁消磁.（3）安装.将烘干的离子源按照说明书操作步骤重新组装.3参考气稳定性测试达不到要求系统稳定性是衡量稳定性同位素比质谱仪质量的重要指标之一，直接影响检测数据的准确度与精确度[16].在样品测试前，要进行参考气稳定性测试，检查系统是否达到稳定的分析状态，如CO2的稳定性分析结果标准偏差要求13C不高于0.06‰，N2的稳定性分析结果标准偏差要求15N不高于0.06‰.3.1稳定性达不到标准的原因（1）系统参考气/元素分析仪气路内部未达到平衡状态.（2）离子源脏或参数不当造成信号不稳定.（3）气路漏气或载气质量不纯.3.2解决办法（1）若参考气重复性分析连续测量比值结果呈现逐渐变大或变小的现象，表明系统还未达到稳定的状态.（2）若测试比值结果呈现无规律波动变化，检查峰中心结果是否正常，重新进行离子源参数调节.（3）检查元素分析仪是否漏气，系统背景信号是否符合标准.若背景信号过高，系统可能存在漏气或气体不纯的问题，则需仪器检漏测试或更换气体.4元素分析仪系统空白达不到要求元素分析仪在加氧空白测试的条件下，N/C的空白峰面积应均小于100才可符合试验要求，否则会对分析结果产生影响.4.1产生的原因可能产生的原因有球阀密封不严、锡囊（锡箔纸）污染、氧气纯度问题、解析附柱污染等.4.2解决办法（1）检查球阀.使用EA软件检查球阀工作是否正常，如果球阀密封压环过松、磨损或有锡囊残留在球阀内，则会造成系统空白升高.（2）检查锡囊是否被污染.分别进行不放锡囊和放置空锡囊的分析，根据测量结果判断是否存在问题.（3）判断是否氧气不纯.分别运行2次“BlankwithO2（加氧空白）”和“BlankwithoutO2（无氧空白）”.根据空白结果来判断问题是否是由O2纯度所引起.（4）老化解析附柱.解析附柱长时间使用不可避免会受到污染，特别是受水汽的影响，通常在停机很长一段时间后再开启会出现此问题.可以通过软件Columnheatout功能将解析附柱老化去除杂质.5检测不到信号5.1产生的原因（1）未正确打开隔离阀，气体无法进入到质谱离子源内部.（2）真空未达到正常阈值，载气He流速不正常，导致空气进入到质谱中，质谱高真空度会变为1×10-9~2×10-9MPa，触发软件离子源保护功能，自动关闭离子源.（3）离子源参数异常，无法检测到离子信号.（4）离子源故障，无法正常开启离子源.5.2解决办法（1）正确打开隔离阀，质谱高真空度显示2×10−10~4×10−10MPa.隔离阀打开后元素分析仪的样品气才能进入到质谱中.（2）检查元素分析仪软件中载气流速显示是否正确，检查参考气进样器即稀释器出口的氦气流速是否正常.（3）检查“Tunepage”窗口中离子源各项参数是否正常.（4）检查软件，检测离子源各项电压反馈参数是否正常，若读数异常，可能存在离子源内部短路或硬件故障.6样品分析时重复性和线性达不到要求在质谱仪常规的动态检测范围内（通常主同位素信号Major1×10−9~5×10−8A），离子源应具有良好的线性特征，同时元素分析仪具有宽范围的样品完全燃烧和还原能力，即测量的同位素比值不会随样品产生的信号高低而显示线性关系，这样才能确保样品分析结果的可信性.6.1问题产生的原因（1）分析方法中的时间参数设置不对，导致数据积分偏差.（2）元素分析系统耗材更换不及时.（3）燃烧管中灰分未及时清理.（4）锡杯受到不同程度的有机物污染.（5）检测样品前未做系统测试（如稳定性，线性及空白等），系统处于非正常状态.（6）样品前处理过程，如烘干、粉碎、过筛未达到要求，样品颗粒过大造成不均匀或不能完全燃烧，导致数据重复性不好.（7）所用气体纯度达不到要求，有杂质污染.6.2解决办法（1）检查方法参数设置.查看参考气峰是否和样品峰完全分开，质谱跳峰时间和稀释器切换时间是否与元素分析软件时间匹配.（2）定期更换试剂耗材.元素分析仪干燥管中有一半以上干燥剂变色，则需更换，防止水分去除不完全造成的影响.还原管中线状铜颜色大部分变黑，或N的测定值异常变高，或N有2个峰时则需更换.当测试“Factor”不在0.9~1.1之间，需重新填装燃烧管，甚至重新作工作曲线.选择不同批次的锡杯包样测试.（3）清理灰分管.每次开机前清理灰分管中的灰分，并根据样品的性质和样品包样量确定清理周期，保证灰分不要超过氧枪下端，防止氧枪下端被灰分堵塞，导致氧气无法通入到燃烧管内，造成样品不能完全燃烧.（4）检查样品峰峰形.样品峰拖尾可能是由于样品未完全燃烧造成的，CO2提前出峰可能是由于解吸附柱失效造成的.（5）严格测试前的系统调试准备工作.测试前必须进行参考气峰中心测试、稳定性和线性测试，确保质谱仪本身及参考气工作正常.（6）加强测试过程监控.测样前要用标准样品进行校正，测样过程中也必须经常用标准品进行监控，避免因仪器本身故障产生测试不准确.（7）准确制样.由于称样时样品量很少，只有几毫克，因此要求样品粉碎一定要达到一定的细度，并要混合均匀，保证取样的一致性.（8）选择合格气体.选择能够提供满足测试要求的供气厂家供气，纯度达不到的气体会增高本底，测试不准确.7测得的数据不准确7.1产生的原因（1）参考气未进行校正.参考气钢瓶经长期使用或更换后，需要使用已知同位素值的标准样品进行校正.（2）灰分管灰分过多.灰分管残留灰分堆积过高，导致样品无法向下掉落到燃烧管温度最高的中心区域发生反应.若灰分高度超过加氧枪下端，造成加氧枪出口被堵，氧气无法通入到燃烧管内产生助燃作用.（3）氧气调节阀故障，加氧量不足.7.2解决办法（1）校正参考气δ值.根据同位素比值δ的计算公式：通过相应的标准样品（已知同位素δ值，如国标炭黑，IAEA标准物质咖啡因、尿素等）反算出参考气的真实δ值.首先至少重复测量3~5个标准样品，确保标准样品重复精度（标准偏差）小于0.15‰，即表明系统分析稳定.举例说明，假设某标准样品标准δ13C的理论值（Tstd值）为−23‰，标准样品实际测试结果的平均值（Mstd）为−28.5‰，首先计算这个差值（diff）：在“InletMethod”窗口下，选择“DataProcessing”“EditSpecies”，在弹出窗口中选择相应的参考气体，如CO2，选择“Edit”.进入后点击“Referencegas”后面的“Edit”键.出现参考气δ值设置界面.Ratio1的值显示为−30‰，则其真实的δ13C值：−30‰−（−5.5‰）=−24.5‰.在“Calibrationdeltavalues”一栏中，将计算好的δ值输入进去，保存后即可.在以后检测中就会按照这个新的δ值进行计算.（2）保证加氧枪畅通.为确保灰分不堵塞加