Transcript 海水中溶解无机碳(DIC)及其稳定同位素的测定

海水中溶解无机碳(DIC)及其
稳定同位素的测定
曹建平
厦门大学海洋与环境学院
一、摘要
• 海水中无机碳占海水中总碳的95%以上，其碳稳
定同位素准确测量是研究海洋碳循环的关键。我
们自行设计、加工了一套操作简单、快速提取易
逃逸CO2的装置，实现了该装置与同位素比值质谱
仪(IRMS)的联测，并通过大量的条件实验，建立
了海水中易逃逸CO2和其它形式无机碳的碳同位素
测量的方法。该方法测定的易逃逸CO2和其它形式
无机碳δ13C的标准偏差分别为0.30和0.15‰。采
用该方法对九龙江10个站位表层水中的碳同位素
进行了测定，得出九龙江表层水体中易逃逸CO2的
δ13C平均值为-12.82‰，其他形式无机碳的δ13C
平均值为-5.64‰。
二、引言
• 全球变化研究中，碳循环处于核心地位[1]。全球
碳循环研究的关键在于查明大气CO2的源、汇的
量级与机制。海洋是地球表面上最重要的碳
“汇”，海洋碳循环是全球碳通量变化的重要研
究部分[2-6]。准确测定海洋各项参数是研究海洋
碳循环的基础。近年来，国内外在研究海洋参数
的准确测定上进行了巨大的努力[7-9],但至目前为
止，国际IOC-SCOR的专门委员会认为海洋碳循环
中4个重要参数pH、Alk(总碱度)、无机碳(DIC)、
(表层海水分压)尚需进行深入研究以获得更准确
的测定方法[10,11]。
• 海洋溶解无机碳(DIC)包括各种无机碳酸盐
(CO32-)，碳酸氢盐(HC03-)、碳酸(H2CO3)及二
氧化碳气体(CO2)。作为一个开放系统，海洋
无机碳库一方面与流域岩性、气候等因素紧密
相关，另一方面又受到发生于海水-大气界面
处CO2气体交换和水体中光合作用-呼吸作用的
影响，这些过程和相关的控制机制较为复杂。
但DIC在变化过程中碳同位素分馏导致的δ13C
值明显差异则为研究工作的开展提供了可能
[12]。
• 目前、测定DIC中碳同位素的方法有沉淀法和质
谱分析法[13]。前者的处理过程复杂、耗时，产
生的误差环节也较多，Bishop[14]在改进以往工
作的基础上提出了一种标准沉淀法，该法可以
获得精确的无机碳碳同位素值，但不适用于高
硫酸盐水体；后者则将样品经H3PO4酸化后用质
谱分析，该法准确度较高，但多为离线制样、
操作过程较复杂。美国热电公司开发出用于水
中DIC碳同位素分析的样品前处理装置
(Finnigan GasBench)，准确度高，分析速度也
较快，但仪器价格较高，目前实验室配置很少。
• 且该装置进行的是碳酸盐碳同位素的测定，对
易逃逸CO2气体的碳同位素则无法进行测定。鉴
于上述现状，本实验自行设计了一套CO2提取装
置，将易逃逸CO2气体和其它无机碳分离，通过
改变预处理的参数，确定了提取CO2的最佳条件，
并实现二者碳同位素组成的同时测定。并用该
装置测定了九龙江河口水体中易逃逸CO2气体和
其它无机碳的碳同位素组成。
三、仪器装置
1、海水中CO2气提取装置及碳同位素测定示意图
加酸装置
样
品
容
器
超声装置
干
燥
器
冷
阱
六
通
阀
接
口
色
谱
柱
同位
素质
谱仪
2、海水中CO2提取装置结构图
3、海水中CO2提取装置正视图
4、海水中CO2提取装置与同位素质谱联机图
5、海水中CO2提取装置操作流程
• 海水中CO2气体提取装置如图所示，首先调节钢
瓶和流量调节开关Ⅰ使载气He气进入取气瓶，
吹尽瓶中空气。关闭开关Ⅰ、打开开关Ⅱ和采
样瓶的液体开关阀，将采样瓶中所需海水样品
驱入取气瓶中，关闭开关阀。启动超声波清洗
机，取气瓶中的CO2由He气载带经隔水透气膜和
石英吸水阱去除水分后进入六通阀，由不锈钢
二氧化碳收集管收集。然后切换六通阀，将CO2
带入色谱柱中进行分离，最后送入同位素比值
质谱仪中进行测定。若进行非气体无机碳中碳
同位素测定时，则开启酸蠕动泵将磷酸加入取
气瓶中，其它步骤相同。
四、易逃逸CO2测定方法条件试验
1、海水中CO2提取实验及碳同位素测定示意图
海
超
声
时
间
试
验
水
样
吹
扫
流
量
试
验
品
加
酸
量
试
验
CO2气体提取
色谱柱
碳同位素质谱测定
样
品
量
试
验
2、信号强度检验
• 用针孔注射器采集不同体积
（20～500L）的标准CO2注入
取气瓶中，启动超声波清洗机，
瓶中的CO2经色谱柱分离后送
入IRMS测定。结果表明质谱得
到的信号强度—CO2峰面积与
CO2体积之间具有较好的相关
性(R2= 0.9988)。因此，可以
通过CO2峰面积来得到样品中
CO2的含量。
CO2体积与峰面积关系
600
y = 8.5313x
500
R2 = 0.9988,p＜0.001
CO2 (μL)
400
300
200
100
0
0
10
20
30
40
peak area
50
60
70
3、载气流量
• 取50mL海水样品于采样瓶中,
固定吹扫时间20min，改变吹
扫流量，进行测定。结果表明
CO2的量随着He气吹扫流量的
增加而增加。当吹扫流量在
0～50mL/min时,CO2量增加显
著；在50～160mL/min时，CO2
量变化较小，此时δ13C随吹扫
流量的变化也较小。因此，选
择载气流量为50mL/min。
-10.0
180
-10.2
150
-10.4
120
-10.6
─ CO2
13
△─ δ C
■
90
60
0
50
100
150
吹扫流量 (mL/min)
-10.8
-11.0
200
13
210
δ C (‰)
-1
CO2 (μmol L )
CO2量和δ13C与吹扫流量关系
4、水浴温度
• 气体在海水中的溶解度指在大气压为101.325kPa时，
一定温度和盐度的海水中，某一气体饱和含量[15]。取
相同的海水样品50mL于采样瓶中,固定吹扫时间20min,
流量50mL/min，改变水浴温度，进行测定，结果：随
着温度的升高，CO2量逐渐增加。CO2的溶解度主要取
决于CO2的性质、CO2的分压和海水的温度，一般随温
度和盐度的升高而降低，实验结果与此相符。在25～
45℃范围内，CO2的δ13C值随着温度的升高而偏正；可
能存在同位素分馏效应。而在45～55℃范围内，δ13C
值变化甚微，说明此时同位素分馏较小，各相态之间
基本平衡，在45～55℃范围内易逃逸的CO2分子基本脱
离了水样，因此选则水浴温度为45℃。
-9.0
180
-9.4
150
-9.8
120
-10.2
─ CO2
13
△─ δ C
■
90
-10.6
60
-11.0
20
30
40
50
温度 (℃)
60
δ C (‰)
210
13
-1
CO2 (μmol L )
CO2量和δ13C与温度关系
5、吹扫时间
• 取相同海水样品50mL，固定流量50mL/min，
水浴温度45℃，改变吹扫时间，进行测定。
结果表明CO2的量随着吹扫时间的增加而增
加；δ13C随吹扫时间的变化分为3个阶段:
在5～10min内，δ13C随吹扫时间的增加而
偏正；随后的5min，δ13C随吹扫时间的增
加而偏负；15～25min时间段内δ13C值变化
甚微，说明此时各相态趋于平衡，测试结果
趋于稳定。结合二者，选择吹扫时间为
20min即可。
-8.0
300
-8.8
240
-9.6
180
-10.4
─ CO2
13
△─ δ C
■
120
-11.2
60
-12.0
0
5
10
15
20
吹扫时间 (min)
25
30
13
360
δ C(‰)
-1
CO2 (μmol L )
CO2量和δ13C与吹扫时间的关系
6、不同的吹扫方式及超声对照实验
• 量取相同海水样品50mL，固定流量50mL/min，
水浴温度45℃，超声、吹扫20min，选择不
同的吹扫方式：液面吹扫、液面吹扫后液底
吹扫、液底吹扫，进行测定。结果发现三种
不同吹扫方式得出的CO2峰面积分别为：
6.51、20.06、23.93；δ13C值分别为：14.48‰、-8.77‰、-10.10‰，说明液面吹
扫，驱出的CO2量最少；液底吹扫驱出的CO2
量最多。为使CO2分子尽可能驱出，选择液
底吹扫。
• 取五份海水样品各100mL,分装在10个取样
瓶中，每个取样瓶50 mL，固定流量
50mL/min,水浴温度45℃，吹扫20min, 分
别打开和关闭超声波清洗机，进行超声波
与未用超声波处理的对照实验，结果表明，
超声波处理后样品的CO2峰面积明显大于未
用超声波处理的，且δ13C值大部分偏正(除
B号样品外)，说明超声波处理有助于CO2的
驱出。因此选择超声波处理。
超声波处理对CO2峰面积和δ13C的影响
样
号
未超声
A
B
C
D
E
CO2峰面积
17.52
19.27
19.40
18.94
18.50
δ(‰)
-9.92
-10.15
-13.03
-10.44
-11.52
CO2峰面积
23.73
21.60
29.10
21.77
21.27
δ (‰)
-8.85
-10.18
-11.29
-9.34
-9.40
处理
超声
处理
7、样品体积
• 分别量取10、25、50、75mL海水样品
于采样瓶中，固定流量50mL/min，水
浴温度45℃，吹扫20min，进行测定。
结果表明CO2量与样品体积之间具有良
好的线性关系(R2=0.9732)，证实该方
法测定海水中CO2的可靠性。δ13C值
则先随样品量的增加而增加，当体积
为50～75mL时，变化不大，所以海水
样品的体积选取50mL。
CO2量和δ13C与样品体积的关系
-9.0
y = 1.8329x + 62.584
-9.8
2
R = 0.9732
150
120
-10.6
-11.4
─ CO2
13
△─ δ C
■
90
-12.2
60
-13.0
0
15
30
45
60
样品体积 (mL)
75
90
13
180
δ C(‰)
-1
CO2 (μmol L )
210
8、平行实验
• 取相同海水样品5等份，每份50mL，固定流量
50mL/min，水浴温度45℃，吹扫时间20min，
每份样品重复测定5次，取平均值列于下表。
有表2可知，该方法的CO2峰面积和δ13C标准
偏差分别为0.89和0.30‰，相对标准偏差分
别3.7和2.8%，具有较高的稳定性和测试精度，
说明本实验所用装置和方法是可行的。综上
所述，海水中易逃逸CO2及其δ13C的预处理最
佳条件为：取样量50mL，温度45℃，He气流
速50mL/min，液底吹扫并超声处理20min。
海水中易逃逸CO2及其δ13C平行实验结果
样 号
1
2
3
4
5
平均值
Std
Rsd(%)
CO2峰面积
24.17
23.66
25.08
22.82
24.72
24.09
0.89
3.7
δ13C (‰)
-9.88
-10.22
-10.20
-10.47
-10.66
-10.29
0.30
2.8
五、海水中其它形式
无机碳同位素的测量
• 海水中无机碳存在以下电离平衡：

2




CO
气

H
O

H
CO

H

HCO

2
H

CO
• 2
(1)
2
2
3
3
3
• 随着水溶液酸性增加或pH值降低，无机碳会以
CO2形式从海水中释放出。此时、预处理常用的
一般为不挥发的H2SO4和H3PO4，H3PO4的效果好于
H2SO4[16]。 为测定海水中非气体无机碳的δ13C，
一般取上述已经过CO2提取、测定后的水样于采
样瓶中，待水样进入取气瓶后，启动可升降导管，
将浓H3PO4注入取气瓶，释放出的CO2经隔水透气
膜和干燥管去除水分后，经色谱进一步分离，送
入IRMS中进行测定。
-4.0
2.51
-4.5
2.47
-5.0
2.43
-5.5
13
2.55
δ C (‰)
-1
CO2 (mmol L )
1、酸使用量对CO2峰面积和δ13C的影响
─ CO2
13
△─ δ C
■
2.39
-6.0
2.35
-6.5
0
0.5
1
1.5
H3 PO4 (mL)
2
2.5
2、酸反应时间
• 取上述已测定过易逃逸CO2的海水样品4等份
，每份10mL，注入1mL磷酸，载体流量
50mL/min，水浴温度45℃，改变吹扫、酸反
应时间进行测定。实验结果表明在５～10min
内， CO2量随反应时间的増长而增多；在10
～30min范围内，CO2量基本不变。而δ13C随
酸反应时间的变化甚微，说明当反应时间为
10min时，水体中无机碳与酸的反应基本完全
，但是为了尽可能将所有海水样品中CO2吹出
，故选定吹扫、酸反应时间为20min。
-4.0
2.58
-4.5
2.51
-5.0
2.44
-5.5
13
2.65
δ C (‰)
-1
CO2 (mmol L )
CO2量和δ13C随反应时间的变化
─ CO2
13
△─ δ C
■
2.37
-6.0
2.3
-6.5
0
5
10 15 20 25
反应时间 (min)
30
35
3、平行实验
• 取上述测定过易逃逸CO2的海水样5等份，
每份10mL，注入1mL磷酸，载气流量
50mL/min，水浴温度45℃，超声、吹扫
20min，进行测定，测定结果示于下表。该
方法测定的CO2峰面积及δ13C的标准偏差分
别为1.95和0.15‰；相对标准偏差分别为
3.0和5.0%，说明该方法具有较高的精密度
，可以用于水体中DIC的δ13C测量。。
• 比较加酸后非气体DIC的δ13C值与的未加酸
CO2气体的值其结果偏正，引起这个变化的
原因主要是：⑴ 浮游植物同化无机碳时优
先摄取其它形式DIC中的12C，使得水体中CO2
分子的δ13C相对HCO3-、CO32-的亏损[17]；⑵
CO2溶解在水体后，强化学键结合的化合物(
如HCO3-、CO32-)优先富集δ13C，使得海水中
无机碳酸盐的δ13C值约为-1～2.2‰，高于
大气中CO2的δ13C值[18]
海水中其它形式DIC及其δ13C平行实验结果
样号
1
2
3
4
5
CO2峰面积
67.37
63.42
64.46
67.02
δ13C(‰)
-3.16
-2.85
-3.06
-2.81
平均值
Std
Rsd(%)
63.32
65.12
1.95
3.0
-3.05
-2.99
0.15
5.0
六、样品测定及结果
1、九龙江河口水样样品采集图
2、九龙江水体中DIC的δ13C值
样品号
未加酸水样δ13C(‰)
加酸水样δ13C(‰)
1
-12.07
-5.70
2
-10.15
-4.11
3
-12.13
-4.61
4
-13.08
-5.94
5
-13.18
-5.45
6
-13.38
-5.54
7
-13.16
-6.08
8
-13.23
-6.22
9
-13.82
-6.33
10
-13.98
-6.37
-13.98~-10.15
-6.37~-4.11
-12.82
-5.64
总体范围
平均值
3、九龙江水体中易逃逸CO2 δ13C与盐度的关系
-8
y = 0.2223x - 18.277
2
R
-10.4
= 0.9292
13
δ C
-12.8
-15.2
-17.6
-20
0
7
14
盐度
21
28
35