氢氧同位素实验室标样设计与制作

论文总字数：17792字

目 录

1 前言……………………………………………………………………1

2 实验部分………………………………………………………………3

2.1实验设想…………………………………………………………………3

2.2 实验仪器的准备 …………………………………………………………5

2.3 实验步骤及过程 …………………………………………………………6

2.3.1测定样品所需梯度标样的方法验证 ………………………………………6

2.3.2市场冰川水是否可以作为标样的验证 ……………………………………6

2.3.3阶段蒸馏法的直接验证…………………………………………………7

2.3.4阶段蒸馏法的间接验证…………………………………………………8

2.3.5电热蒸馏水器出水时间对实验结果的影响…………………………………9

2.3.6多次蒸馏水的制备与测定………………………………………………10

2.3.7南海海水、南京地区地下水、四次蒸馏水的初步测定………………………11

2.3.8南海海水、南京地区地下水、四次蒸馏水的进一步测定……………………13

2.3.9实验室标准水样的封装与编号 …………………………………………13

3 结果与讨论……………………………………………………………13

3.1存在的问题 ……………………………………………………………13

3.2主要内容 ………………………………………………………………14

3.3实验展望 ………………………………………………………………15

参考文献………………………………………………………………16

致谢……………………………………………………………………17

氢氧同位素实验室标样设计与制作

常轩

, China

Abstract: Picarro L2130-i High Accuracy Hydrogen and Oxygen Water Isotope Analyzer require standard water samples that cover the distribution of natural water from the ocean to the plateau in the laboratory.Hydrogen and oxygen isotope.Reference materials have a limited amount of preparation, so the purchase of a laboratory requires a lot of money.The configuration of laboratory hydrogen and oxygen isotope standard water samples can not only control costs, but also facilitate the analysis of large quantities of water samples.This project utilizes the reguar of preferential light isotopes during evaporation, and simulates the evaporation process of natural water.We used a stage distillation method to obtain light isotope water through multiple distillations, and based on this, we configured a sample that meets the third gradient.It forms laboratory standard water samples with the sea waters of the South China Sea and Nanjing ground water, providing protection for the smooth operation of the laboratory.

Keywords:Picarro L2130-i;Hydrogen and oxygen isotopes；Stage distillation

1 前言

由蒸发、凝结、降落和陆地径流形成的的水循环过程也可以表示为海洋→大气→河流→海洋的过程¹，研究此过程的重要手段便是水同位素，尽管其占比很小，但是却储存并体现着许多信息，而氘（D）与¹⁸O是在示踪水循环的研究中最理想的稳定同位素，在不同的水体中其组成有很大差异，同时可以利用降水稳定同位素（stable isotope in precipitation,简写为SIP）的熵分析来追踪我国的季风系统²，可以看出其是十分重要的。地球上的水份在水循环过程中会产生同位素分馏作用，一般是在水汽凝结形成大气降水的过程中，这会导致氢氧同位素改变其丰度，造成水同位素组成具有时空差异，降水过程中的同位素组成取决于一系列的参数，包括地表温度、到海岸的距离、高度、纬度和降雨量³。大气降水中存在的氢氧同位素分布规律是同位素地球化学中最基本也是最基本的规律，利用氢氧同位素的分布特征不仅可以用来反演大气过程以获取天气特征⁴，还在水循环，古气候、冰川学、海洋学等领域有重要意义^5,6。

自然界中¹⁸O和D的丰度变化较为微小，用同位素的丰度和同位素比值不宜体现出此差异，故国际上一般用δ值表示元素同位素的含量，即用与标准海水的比率（单位：‰）来表示：

（1）

其中r为同位素比率，标准海水一般为维也纳标准海水（VSMOW）。所以降水同位素中的氢、氧同位素含量分别用δD，δ¹⁸O表示：

（2）

对降水中稳定同位素的观测和研究国外起步较早，Harold Urey于20世纪50年代初提到稳定同位素的分馏能够提供有用的地质信息⁷，是对同位素地球化学开始进行研究的标志。为更好了解全球降水稳定同位素的分布特征及其在水汽输送过程中的变化和分布规律以了解大气环流及水循环机制，国际原子能机构（IAEA）和世界气象组织（WMO）启动了降水中同位素观测计划（the Global Network of Isotopes in Precipitation,简称GNIP）³，在全球共建立100多个观测点，对降水中稳定同位素成分进行连续监测，到目前关于降水中稳定同位素的监测网站已有550多个⁸。我国对降水氢氧稳定同位素的研究起始于1966年的珠穆朗玛峰的科学考察，80年代后中国开始加入GNIP,站点逐渐增多。2004年，我国借鉴国外建立的国家大气降水同位素观测网络的成功经验开始建立中国大气降水同位素网络（Chinese Network Isotopes in Precipitation，简称CHNIP），系统地对δD和δ¹⁸O进行观测⁹。我国许多学者利用此数据对降水中同位素进行了大量的研究，总结了我国大气降水稳定同位素的分布规律，并对部分地区进行了较为详细的分析和讨论。李小飞等以IAEA/WMO 提供的乌鲁木齐( 1986～2003年) 、张掖( 1986～2003年) 与和田(1988～1992年) 大气SIP观测数据和相关气象要素为基础，建立了西北干旱区的水汽输送模式，并对冰冻圈δ¹⁸O的记录进行了探讨¹⁰。Liu提出东亚夏季风强度的最佳特征是南风的增强，中国北方的强季风降水和与中国的负δ¹⁸O密切相关，这说明中国δ¹⁸O含量代表了东亚夏季季风的强度¹¹。董小芳等利用全球降水同位素观测网（GNIP）所提供的数据，研究了位于长江流域的南京、武汉、成都、昆明4个站点大气降水δ¹⁸O 及其相关要素的时空分布特征，发现不同站点有不同的水汽来源¹²。

测定水中氢氧同位素的方法主要有质谱法和光谱法，同位素质谱技术是比较传统的氢氧稳定同位素分析方法，激光光谱近几年比较流行。其中质谱法分析水中氢主要有H₂-H₂O平衡（Gasbench II-IRMS）法和高温裂解元素分析（TC/EA-IRMS）法，质谱法分析水中氧主要有CO₂-H₂O水平衡法和TC/EA-IRMS¹³。而光谱法的原理是利用长扫描光腔衰荡光谱（CRDS）技术，在光与样品充分作用后，检测化合物吸收光谱来测量同位素浓度。随着激光光谱技术的发展，利用光谱高精度分析仪更多的被应用在同位素分析中，通过比对质谱法和激光光谱法发现，两种方法都能得出满意的结果，但激光光谱法可以同时检测δ¹⁸O和δD，其更高效、准确，容易操作，并且成本较低，能够满足常规样品的分析¹⁴。而本实验室使用的PicarroL2130-i高精度氢氧水同位素分析仪则更为先进，测量结果更加精确。

水氢氧同位素分析离不开标准水样，无论是质量光谱还是激光光谱技术。氢氧同位素国际标准物质由设在维也纳的国际原子能机构研制并向相关单位发放，随着各国氢氧同位素研究的迅速发展，所需的标准物质越来越多，因IAEA制备量有限，发放量受限，每三年相关实验室才能购置得到一套，其价格也是非常昂贵，不利于仪器校正和大量样品的分析测试。为解决国内氢氧同位素标准水样的供应问题，我国也提倡各实验室研制符合自己实验室标准的标准水样。20世纪80年代，北京大学化学系按照国际氢氧稳定同位素比值通过人工配制水样。他们采用不同氘和¹⁸O含量的水样称重配制了一组4种氢氧同位素标准水样，使用的是与VSMOW 、 S L A P 直接比对的方法，并被批准为氢氧同位素国家一级标准物质¹⁵，在我国氢氧同位素研究中发挥了极其重要的作用。随着技术的提升和机器的要求，其使用价值降低。2013年，为满足更高精度的要求，中国地质科学院水文地质环境地质研究所研制了系列水中氢氧同位素标准物质，其中三个采自天然水样（基本涵盖了我国境内天然水的氢氧同位素组成范围），一个为人工配制的贫氘水，此标样也更能符合实验室需求¹⁶，但文中未提及其配置贫氘水的方法。本实验室购买的国家正定标样（GBW04458-GBW04461）正是此标准物质，经过长时间的使用，并且之后仍然需要做大量的样品分析测试，标样已不够使用，另外考虑价格较高（超过1万元），故为保证本实验室Picarro L2130-i高精度氢氧水同位素分析仪的流畅运转，想要设计并制作一套符合本实验室（气象灾害省部共建教育部重点实验室）的标准水样。

2 实验部分

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