[发明专利]用于元素分析光谱仪的改良的样品制备设备和方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于元素分析系统的改良的样品制备设备，如元素分析同位素比质谱仪(EA-IRMS)。本发明尤其(但不仅仅)适合在这类光谱仪中进行δ¹³C、δ¹⁵N和δ³⁴S同时测量和％C、％N和％S测定。

背景技术

同位素比质谱法(IRMS)是一种可应用于众多领域中的技术，这些领域包括地球科学、考古学、医学、地质学、生物学、食品确证(food authenticity)以及司法科学。准确并精确地测量样品中轻元素的同位素比的丰度相对于同位素标准的差异能够提供关于物质的地理、化学和生物来源的信息，从而区分原本在化学上相同的样品，轻元素例如¹³C/¹²C(δ¹³C)、¹⁵N/¹⁴N(δ¹⁵N)、¹⁸O/¹⁶O(δ¹⁸O)、D/H以及³⁴S/³²S(δ³⁴S)。δ值用一种特定的方式来定义。举例来说，δ¹³C被定义为：

典型的EA-IRMS仪器由六个主要部分形成：样品引入系统、样品制备系统、电子电离源、扇形磁分析仪、法拉第收集器检测器阵列(Faraday collector detector array)以及计算机控制的数据采集系统。样品制备系统将样品分裂成原子/分子和/或化合物。电子电离源使所制备的样品电离并且所得样品离子得以在扇形磁分析仪中在空间上分离。法拉第收集器包含检测在空间上分离的离子的检测器阵列，而计算机控制的数据采集系统由法拉第收集器输出产生质谱。

样品制备可以按多种不同的方式实现，每种方式各有优点和缺点。最知名的两组样品制备技术是对整个样品实施元素分析的技术(EA-IRMS)和先通过气相色谱分离样品的化学物质，然后再将经过分离的物质分裂成原子/分子和/或化合物的技术(GC-IRMS)。还研究过用液相色谱(LC-IRMS)来进行样品制备，但不太常用。

EA-IRMS是这样一种测量技术，它同时分析整个样品来研究整个样品中的同位素比的丰度的差异。图1a示出了EA-IRMS系统的样品引入和制备部分(参见上文)的高度示意性安排。可以看出，所述系统是在系统控制器100的控制下。

样品(图1a中未示出)经过称量并被放置在易燃胶囊(图1a中也未示出)中。样品被密封在易燃胶囊的内部并且易燃胶囊通常由锡制成，尽管可以使用铝或银代替。

自动进样器传送带10安置在燃烧炉20上方。典型地以20-300ml/min的速率由第一气体供应控制件14从第一氦气瓶13向自动进样器10供应氦气净化气体来减少进气。He净化气体通过出口导管18流出进样器。自动进样器传送带10将密封的样品胶囊随着由第二气体供应控制件15从第二氦气瓶16供应的氦气载气流注入到燃烧炉20中。在系统控制器1的控制下，样品在燃烧炉20中燃烧。可以任选地使用脉冲氧来辅助燃烧。氧气由氧气瓶17供应，也是在第二气体供应控制件15的控制下。

样品基质分解成其组成元素组分(主要是原子)并由来自第二氦气瓶16的氦气载气流传送通过如Cr₂O₃、WO₃或CuO的氧供体化合物。存在氧供体是为了确保元素组分、尤其是由样品基质发展而来的碳、氮和硫的完全氧化。典型地，燃烧炉20中的反应器区域(含有氧供体)保持在介于400与1100摄氏度之间的温度下，理想范围是介于900与1050摄氏度之间。氦气载气采用高达1000mL/min的最大流动速率，但典型地在40到200mL/min的范围内。

所得产物可以是NO_x、CO₂、SO₂和/或H₂O中的一个或多个。在氧化之后发生还原。举例来说，为了测量δ¹⁵N，NO_x必须被还原为N₂。这可以使用单独的、串联安排的燃烧炉和还原炉(如图1a中所示)进行，或者通过将两者合并成由同一个炉加热的单一反应器进行。