一种碳酸盐耦合同位素分析所需二氧化碳气体的制备系统与方法技术方案

本发明专利技术公开了一种碳酸盐耦合同位素分析所需二氧化碳气体的制备系统和制备方法，所述制备系统包括反应单元、纯化单元、收集单元、以及抽真空单元，其中，所述反应单元包括至少一个用于生成二氧化碳气体的二氧化碳气体反应发生装置；所述纯化单元包括用于冷冻收集所述二氧化碳气体反应发生装置所产生的二氧化碳气体和去除所述二氧化碳气体中含有的水分及有机烃类杂质的冷阱组件；所述收集单元包括用于收集经纯化单元纯化后的二氧化碳气体的至少一个气体收集装置；还包括用于对反应单元、纯化单元、和收集单元之间的连接管线进行加热的加热装置，所述加热装置还用于对纯化单元进行加热。

【技术实现步骤摘要】
一种碳酸盐耦合同位素分析所需二氧化碳气体制备的方法
本专利技术涉及一种二氧化碳气体制备的方法，尤其涉及一种碳酸盐耦合同位素分析所需二氧化碳气体制备的方法。
技术介绍
近年来，碳酸盐耦合同位素(13C-18O键的丰度，记作Δ47)已经成为精确重建地质历史时期温度变化的一个有效手段，并得到了广泛的应用。在碳酸盐Δ47分析时，人们通常采用传统磷酸法从碳酸盐中制备二氧化碳气体，并测定它的耦合同位素。传统的磷酸法制备系统是一套带有密封油脂的玻璃真空系统，用于碳酸盐样品中二氧化碳的制备、纯化和收集(如图1所示)。样品制备的主要流程如下：(1)碳酸盐与磷酸反应：首先，将碳酸盐样品粉末和100％正磷酸分别装入“Y”型分支管的两个分支，并把“Y”型分支管与油脂密封阀连接构成一个密闭容器。其次，将密闭容器接到真空系统上抽真空，待真空度达到要求后关闭阀门，把反应容器取下。最后，将支管倾斜使磷酸缓缓注入装有样品的另一支管中，放入25℃水浴中反应过夜(一般16小时)；(2)二氧化碳气体的分离与收集：首先，将密闭容器再次接到真空系统上，用液氮把反应产生的二氧化碳收集到玻璃冷阱中，然后将液氮更换为-77.8℃的冷液(干冰与乙醇混合液)冻住水而释放二氧化碳，最后用液氮将二氧化碳收集到样品管中；(3)二氧化碳气体的提纯：由于具有同位素自然丰度的二氧化碳中质量数为47的分子非常少(仅为几十个ppm)，所以精确的Δ47测定需要去除来自某些有机化合物(如烃类和卤代烃类)的同质异位素干扰，为此二氧化碳的进一步提纯显得尤为重要。通用的提纯方法是首先将二氧化碳气体在He气的带动下以2ml/min的流速通过30米长、内径为530μm的气相色谱填充柱(填料为多孔二乙烯基苯聚合物)，温度保持在-10℃，然后用液氮重新将二氧化碳收集到U形玻璃冷阱中，最后将U形玻璃冷阱接到真空系统上，用液氮冷冻并抽走He气，随后用液氮将提纯后的二氧化碳收集到样品管中，待上机测试。以上现有的二氧化碳气体真空制备系统存在以下缺点：第一，由于反应容器带真空油脂，只能用于低温(如25℃)下的反应制备过程，反应时间较长(一般16小时)，容易造成二氧化碳与容器内痕量水之间氧同位素交换，从而影响Δ47值的准确性；第二，整个制备系统都使用真空油脂阀门，由于油脂中的某些有机烃类化合物也具有m/z＝47的质量数，会干扰碳酸盐Δ47的测定；第三，每次样品制备完成后，都需要对反应容器各部位的真空油脂进行擦拭和清洗，同时，也需要定期对整个制备系统各阀门的油脂进行更换，过程繁琐，浪费时间。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术的弊端，提供一种碳酸盐耦合同位素分析所需二氧化碳气体制备的方法。本专利技术所述的碳酸盐耦合同位素分析所需二氧化碳气体制备的方法，使用如下制备系统并包括如下步骤：其中，所述制备系统为一种碳酸盐耦合同位素分析所需二氧化碳气体的制备系统，包括反应单元、纯化单元、收集单元、以及抽真空单元；所述反应单元、纯化单元、和收集单元通过管线依次顺序连接设置，且所述反应单元、纯化单元、收集单元均分别与所述抽真空单元连接；在所述反应单元与所述纯化单元之间设置有第四无油脂真空密封阀；在所述纯化单元与所述收集单元之间设置有第六无油脂真空密封阀；在所述反应单元与所述抽真空单元之间设置有第一无油脂真空密封阀；在所述纯化单元与所述抽真空单元之间设置有第二无油脂真空密封阀；在所述收集单元与所述抽真空单元之间设置有第三无油脂真空密封阀；其中，所述反应单元包括至少一个用于生成二氧化碳气体的二氧化碳气体反应发生装置；所述纯化单元包括用于冷冻收集所述二氧化碳气体反应发生装置所产生的二氧化碳气体和去除所述二氧化碳气体中含有的水分及有机烃类杂质的冷阱组件；所述冷阱组件包括通过管线依次顺序连接设置的第一环形冷阱、填充柱冷阱、和第二环形冷阱；在所述填充柱冷阱中设置有长度为15厘米、80～100目的PorapakQ二乙烯基苯聚合物填料；其中，所述第一环形冷阱与所述反应单元之间设置有第四无油脂真空密封阀；所述填充柱冷阱与所述第二环形冷阱之间设置有第五无油脂真空密封阀；所述第二环形冷阱与所述收集单元之间设置有第六无油脂真空密封阀；所述第一环形冷阱与填充柱冷阱之间的连接管线通过第二无油脂真空密封阀与所述抽真空单元的抽真空管线连接；还包括用于分别对第一环形冷阱和第二环形冷阱进行冷冻的液氮制冷装置，以及用于分别对第一环形冷阱和第二环形冷阱进行预冷的乙醇和液氮混合冷液预冷装置，和用于对填充柱冷阱进行预冷的乙二醇和液氮混合冷液预冷装置；所述收集单元包括用于收集经纯化单元纯化后的二氧化碳气体的至少一个气体收集装置；还包括用于对反应单元、纯化单元、和收集单元之间的连接管线进行加热的加热装置，所述加热装置还用于对纯化单元进行加热；所述步骤包括：步骤一，将预定数量的碳酸盐样品粉末和预定数量的正磷酸区隔放入玻璃反应容器内，并对该玻璃反应容器进行抽真空至预定真空度；之后，将所述玻璃反应容器密闭并令所述碳酸盐样品粉末与正磷酸混合，在预定温度的水浴中加热至预定时间而产生二氧化碳气体；步骤二，对管线和纯化单元加热并进行抽真空至预定真空度；之后，将纯化单元中的第一环形冷阱浸入液氮、将纯化单元中的填充柱冷阱浸入预定温度的乙二醇和液氮混合冷液中；顺序关闭玻璃反应容器与抽真空单元之间的第一无油脂真空密封阀、和纯化单元与抽真空单元之间的第二无油脂真空密封阀，以及关闭纯化单元中填充柱冷阱和第二环形冷阱之间的第五无油脂真空密封阀；打开玻璃反应容器顶部的无油脂真空密封阀而令产生的二氧化碳气体冷冻收集于第一环形冷阱中；经预定时间后，关闭玻璃反应容器与纯化单元之间的第四无油脂真空密封阀，打开纯化单元与抽真空单元之间的第二无油脂真空密封阀，以利用抽真空单元去除第一环形冷阱中的杂气；而后关闭第二无油脂真空密封阀以令所述纯化单元处于密封状态；将所述第一环形冷阱自液氮中取出，再浸入预定温度的乙醇和液氮混合冷液中预冷至预定时间，以将二氧化碳气体中的水充分冷冻；再将第二环形冷阱浸入液氮中，随即关闭第二环形冷阱与收集单元之间的第六无油脂真空密封阀，并打开第五无油脂真空密封阀，以令二氧化碳气体通过填充柱冷阱被收集进入到第二环形冷阱中；持续收集至预定时间后，关闭第五无油脂真空密封阀，并打开第六无油脂真空密封阀，由所述抽真空单元抽去第二环形冷阱中的杂气，再关闭所述第六无油脂真空密封阀；步骤三，将二氧化碳样品收集管浸入液氮中；将所述第二环形冷阱自液氮中取出，再浸入预定温度的乙醇和液氮混合冷液中预冷至预定时间；之后关闭收集单元与抽真空单元之间的第三无油脂真空密封阀，打开第二环形冷阱与收集单元之间的第六无油脂真空密封阀，以令第二环形冷阱中的二氧化碳气体被冷冻收集到样品收集管中；步骤四，经过预定时间的二氧化碳气体收集后，关闭第二环形冷阱与收集单元之间的第六无油脂真空密封阀，并打开收集单元与所述抽真空单元之间的第三无油脂真空密封阀，由所述抽真空单元抽去样品收集管中的杂气，随即关闭样品收集管顶端的无油脂真空密封阀，并关闭第三无油脂真空密封阀，将所述样品收集管自液氮中取出，所述样品收集管内即为制得的二氧化碳气体。本专利技术所述的二氧化碳气体制备的方法的步骤一中，所述碳酸盐样品粉末质量为10毫克至15毫克，所述正磷酸为5本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种碳酸盐耦合同位素分析所需二氧化碳气体的制备系统，包括反应单元、纯化单元、收集单元、以及抽真空单元，其特征在于，所述反应单元、纯化单元、和收集单元通过管线依次顺序连接设置，且所述反应单元、纯化单元、收集单元均分别与所述抽真空单元连接；在所述反应单元与所述纯化单元之间设置有第四无油脂真空密封阀；在所述纯化单元与所述收集单元之间设置有第六无油脂真空密封阀；在所述反应单元与所述抽真空单元之间设置有第一无油脂真空密封阀；在所述纯化单元与所述抽真空单元之间设置有第二无油脂真空密封阀；在所述收集单元与所述抽真空单元之间设置有第三无油脂真空密封阀；其中，所述反应单元包括至少一个用于生成二氧化碳气体的二氧化碳气体反应发生装置；所述纯化单元包括用于冷冻收集所述二氧化碳气体反应发生装置所产生的二氧化碳气体和去除所述二氧化碳气体中含有的水分及有机烃类杂质的冷阱组件；所述收集单元包括用于收集经纯化单元纯化后的二氧化碳气体的至少一个气体收集装置；还包括用于对反应单元、纯化单元、和收集单元之间的连接管线进行加热的加热装置，所述加热装置还用于对纯化单元进行加热。

【技术特征摘要】
1.一种碳酸盐耦合同位素分析所需二氧化碳气体制备的方法，其特征在于，使用如下制备系统并包括如下步骤：其中，所述制备系统为一种碳酸盐耦合同位素分析所需二氧化碳气体的制备系统，包括反应单元、纯化单元、收集单元、以及抽真空单元；所述反应单元、纯化单元、和收集单元通过管线依次顺序连接设置，且所述反应单元、纯化单元、收集单元均分别与所述抽真空单元连接；在所述反应单元与所述纯化单元之间设置有第四无油脂真空密封阀；在所述纯化单元与所述收集单元之间设置有第六无油脂真空密封阀；在所述反应单元与所述抽真空单元之间设置有第一无油脂真空密封阀；在所述纯化单元与所述抽真空单元之间设置有第二无油脂真空密封阀；在所述收集单元与所述抽真空单元之间设置有第三无油脂真空密封阀；其中，所述反应单元包括至少一个用于生成二氧化碳气体的二氧化碳气体反应发生装置；所述纯化单元包括用于冷冻收集所述二氧化碳气体反应发生装置所产生的二氧化碳气体和去除所述二氧化碳气体中含有的水分及有机烃类杂质的冷阱组件；所述冷阱组件包括通过管线依次顺序连接设置的第一环形冷阱、填充柱冷阱、和第二环形冷阱；在所述填充柱冷阱中设置有长度为15厘米、80～100目的PorapakQ二乙烯基苯聚合物填料；其中，所述第一环形冷阱与所述反应单元之间设置有第四无油脂真空密封阀；所述填充柱冷阱与所述第二环形冷阱之间设置有第五无油脂真空密封阀；所述第二环形冷阱与所述收集单元之间设置有第六无油脂真空密封阀；所述第一环形冷阱与填充柱冷阱之间的连接管线通过第二无油脂真空密封阀与所述抽真空单元的抽真空管线连接；还包括用于分别对第一环形冷阱和第二环形冷阱进行冷冻的液氮制冷装置，以及用于分别对第一环形冷阱和第二环形冷阱进行预冷的乙醇和液氮混合冷液预冷装置，和用于对填充柱冷阱进行预冷的乙二醇和液氮混合冷液预冷装置；所述收集单元包括用于收集经纯化单元纯化后的二氧化碳气体的至少一个气体收集装置；还包括用于对反应单元、纯化单元、和收集单元之间的连接管线进行加热的加热装置，所述加热装置还用于对纯化单元进行加热；所述步骤包括：步骤一，将预定数量的碳酸盐样品粉末和预定数量的正磷酸区隔放入玻璃反应容器内，并对该玻璃反应容器进行抽真空至预定真空度；之后，将所述玻璃反应容器密闭并令所述碳酸盐样品粉末与正磷酸混合，在预定温度的水浴中加热至预定时间而产生二氧化碳气体；步骤二，对管线和纯化单元加热并进行抽真空至预定真空度；之后，将纯化单元中的第一环形冷阱浸入液氮、将纯化单元中的填充柱冷阱浸入预定温度的乙二醇和液氮混合冷液中；顺序关闭玻璃反应容器与抽真空单元之间的第一无油脂真空密封阀、和纯化单元与抽真空单元之间的第二无油脂真空密封阀，以及关闭纯化单元中填充柱冷阱和第二环形冷阱之间的第五无油脂真空密封阀；打开玻璃反应容器顶部的无油脂真空密封阀而令产生的二氧化碳气体冷冻收集于第一环形冷阱中；经预定时间后，关闭玻璃反应容器与纯化单元之间的第四无油脂真空密封阀，打开纯化单元与抽真空单元之间的第二无油脂真空密封阀，以利用抽真空单元去除第一环形冷阱中的杂气；而后关闭第二无油脂真空密封阀以令所述纯化单元处于密封状态；将所述第一环形冷阱自液氮中取出，再浸入预定温度的乙醇和液氮混合冷液中预冷至预定时间，以将二氧化碳气体中的水充分冷冻；再将第二环形冷阱浸入液氮中，随即关闭第二环形冷阱与收集单元之间的第六无油脂真空密封阀，并打开第五无油脂真空密封阀，以令二氧化碳气体通过填充柱冷...

【专利技术属性】
技术研发人员：王旭，崔琳琳，
申请(专利权)人：中国科学院地质与地球物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11