同位素样品纯化和收集制备系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种同位素样品纯化和收集制备系统，包括两位四通阀A、两位六通阀B、两位六通阀C、两位四通阀D、VOC阱T1、吸附阱T2、吸附阱T3、化学阱T4、液氮冷阱T5、液氮富集阱T6、验证富集阱T7、提纯再富集阱T8、样品收集阱T9，其中：所所述两位四通阀A具有孔位a1、孔位a2、孔位a3、孔位a4四个孔位；所述两位六通阀B具有孔位b1、孔位b2、孔位b3、孔位b4、孔位b5、孔位b6六个孔位，所述两位四通阀D具有d1、d2、d3、d4四个孔位，具有去杂质功能、富集功能、提纯功能、转移功能、载气释放以及收集功能。

【技术实现步骤摘要】
同位素样品纯化和收集制备系统
本技术涉及同位素检测
，特别是涉及一种同位素样品纯化和收集制备系统。
技术介绍
同位素理论和质谱仪的发展由一元一维到一元多维同位素的测定，成为单元素稳定同位素体系方法上的一个里程碑，被应用于探索天体化学和地球化学、地质学及生物学等诸多学科。本世纪初，一种同位素研究的新视角“簇同位素地球化学”被引入，它从同位素互相结合的角度来研究“同位素体”的地球化学行为，并能获得传统同位素对总体组成研究无法提供的信息，是继传统稳定同位素之后极具潜力的一项革命性技术。尤其是MAT253-Ultra(ThermoFisher)和Panoroma(Nuinstruments)分析设备的问世，使得同位素分析技术从对简单分子的测定推进到对分子同位素分析中，如对分子簇同位素比以及分子特殊位点的测定等。但再先进的质谱仪也必须用各种方法将原始样品(无机形态物质或复杂的有机质)制备或转化成纯净的气体如N2、O2、H2、CO2、SO2、N2O、CH4等才能进入质谱进行相应的同位素检测，因此样品的前处理技术和配套的前处理装置成为质谱检测成功的关键。纯净气体的获得除了要经过复杂的去杂质过程之外，还需要对痕量气体进行富集、分离以及目标气的收集和转换等。不同来源的样品和不同目标气的收集对应着不同的前处理方法，国际上对甲烷簇同位素(13CH3D和12CH2D2)分析技术已经成为继碳酸盐之后对天然气研究重要检测手段。甲烷二元同位素的检测技术主要是针对甲烷的同位素体中，质荷比为18的2个同位素体(13CH3D和12CH2D2)进行检测，由于甲烷的这两个同位素体是具有2个重同位素取代的(又叫团簇同位素)，其相对丰度非常低(分别为6.92*10-6和1.44*10-7)，要精确获得其丰度情况，首先要求质谱仪器有极高灵敏度、极高精度；同时要求样品要有极高的纯度，以避免其它物质的任何干扰来获得好的质谱分离效果。目前大型高分辨率双聚焦稳定同位素质谱已经具备很高的分辨率,如MAT253Ultra(ThermoScientific)和Panorama(NU)两种质谱，前者分辨率可达～27000)，可以对甲烷团簇同位素中13CH3D和12CH2D2的总浓度(表示为Δ18)进行测试；后者分辨率可达40000，可以对甲烷二元同位素中13CH3D和12CH2D2的浓度分别进行测试。由于甲烷中天然丰度非常低的13CH3D和12CH2D2分子量整数都在18amu，甲烷样品进入质谱仪被电离之后，在离子源中各原子会以一定概率组合成相应的离子，若样品中存在诸如水分子、氧原子(来源于氧气和含氧化合物)、氮原子(来源于氮气和含氮化合物)、甲烷以外的氢原子(会与碳、氮、氧原子结合形成干扰离子)、甲烷以外的碳原子以及氩原子(同位素36Ar的双荷离子)等这些质量数为18amu左右的成分，将会严重干扰甲烷二元同位素中13CH3D和12CH2D2精确测试气体纯度。由于甲烷簇同位素分子相对丰度很低，其他物质的干扰多，因此准确测定是一项挑战性很大的工作。目前帝国理工学院与Protium公司研发一套自动纯化系统(ImperialBatchExtraction,IBEX，)这个系统主要工作原理是：使用超低温氦制冷泵，在温度范围10K至320K液氦环境去除甲烷里的H2，He，CO2，O2，N2等杂质气体，然后将冷冻的甲烷升温释放，用液氮将甲烷转移到装有5A分子筛的样品管中烧封，之后再加热释放出来在质谱上完成测量。由于本系统所使用的液氦制冷泵维持费用昂贵；且本系统还没有实现商业化生产；另外本系统只给出甲烷纯化后一个指标是：Δ18的内精度为0.4‰。为此需要建立一套二元同位素检测的样品纯化和收集制备系统，以确保样品气在进入质谱分析之前，除去所有可能存在的干扰项离子，实现对同位素化合物的准确检测，同时可应用到甲烷二元同位素13CH3D和12CH2D2检测中。
技术实现思路
本技术的目的是针对现有技术中存在的同位素样品在质谱检测中需要较高纯度的问题，而提供一种同位素样品纯化和收集制备系统，将相应的同位素提纯富集装置和同位素质谱仪在线联用。本技术的另一个目的是提供所述同位素样品纯化和收集制备系统在同位素检测中的应用，既可以完成对甲烷13C-D(13CH3D、13CH2D2、13CHD3、13CD4)同位素检测，为石油勘探、深地资源探查、全球气候变化、水资源评价提供技术支撑，也可以应用于其它类型同位素的提纯与收集中，并利用这一技术拓展对三极地区(南极、北极和青藏高原)多种温室气体的簇同位素监测。本技术的另一个目的是提供一种同位素样品纯化和收集制备方法，利用该方法提纯甲烷可达到主要技术指标甲烷内精度：Δ18的内精度为0.3‰，Δ13CH3D的内精度为0.4‰，甲烷外精度：Δ18为2‰，Δ13CH3D为2.5‰。为实现本技术的目的所采用的技术方案是：一种同位素样品纯化和收集制备系统，包括依次通过管路相连通的进样单元、VOC阱、吸附阱组、液氮冷阱、液氮富集阱、色谱柱、提纯再富集阱和样品收集管，其中：所述VOC阱的入口上连接有第一载气供给管道，出口上连接有排放管路以排出VOC阱内冷冻水和VOC组分；连接所述吸附阱组和液氮冷阱的管路上设有载气吹扫管路，其中所述载气吹扫管路包括给所述吸附阱组的进口提供载气的第零载气供给管道和与连接在所述液氮冷阱出口上的杂质气体排放管路；所述液氮富集阱的出口上连接有永久气体排放管，以排放在所述液氮富集阱中无法冷凝的永久气体(如氮气、氧气、氢气、氩气等气体组分)；所述液氮富集阱的入口上连接有第二载气供给管道，取样时，第二载气供给管道通入的载气将所述液氮富集阱内富集的样品送入所述色谱柱的进口内，所述色谱柱的出口上分别连接有重气排放管路和提纯再富集阱，所述重气排放管路用于将保留时间在所述目标气体之后的杂质气体排出，比如对甲烷进行纯化后，可能掺杂于甲烷中的乙烷、乙烯保留时间在甲烷之后，当甲烷提取完成后，其它通过重气排放管路排出；所述提纯再富集阱的入口上连接有第三载气供给管道，所述提纯再富集阱的出口分别与样品收集管和样品排放管路相连通，所述样品收集管位于样品收集阱内，所述样品收集管的出口连接有用于除去杂质气体和载气的真空管路。在上述技术方案中，所述第零载气供给管道连接在所述吸附阱组的进口上，或第零载气供给管道连接在所述进样单元上，所述进样单元再通过管道与所述吸附阱组的进口相连通。在上述技术方案中，所述进样单元为注射器进样单元和/或钢瓶进样单元。在上述技术方案中，所述注射器进样单元包括通过管路与VOC阱相连通的注射进样器，所述第零载气供给管路连接在所述注射进样器上；所述钢瓶进样单元包括通过连接管道与所述VOC阱相连通的天然气样品钢瓶，所述连接管道上设有钢瓶减压表。在上述技术方案中，所述吸附阱组至少包括CO氧化阱和酸性气体吸附阱。在上述技术方案中，所述液氮富集阱与所述色谱柱之间的管路上设有验证富集阱，以验证所述液氮富集阱中样品是否本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种同位素样品纯化和收集制备系统，其特征在于，包括两位四通阀A、两位六通阀B、两位六通阀C、两位四通阀D、VOC阱T1、吸附阱T2、吸附阱T3、化学阱T4、液氮冷阱T5、液氮富集阱T6、验证富集阱T7、提纯再富集阱T8、样品收集阱T9，其中：/n所述两位四通阀A具有孔位a1、孔位a2、孔位a3、孔位a4四个孔位，所述孔位a2通过连接管道与天然气样品钢瓶相连通，所述孔位a4通过管道与注射进样器相连通，所述注射进样器上设有GC进样口，所述注射进样器上设有第零载气输入管道，所述孔位a1与排气管路相连通；/n所述两位六通阀B具有孔位b1、孔位b2、孔位b3、孔位b4、孔位b5、孔位b6六个孔位，所述孔位b2通过管道与所述孔位a3相连通，所述孔位b3通过管道与VOC阱T1的进口相连通，所述VOC阱T1的出口通过管道与孔位b6相连通，所述孔位b1通过除杂管道与液氮冷阱T5的入口相连通，所述除杂管道上依次连接有吸附阱T2、吸附阱T3、化学阱T4，所述孔位b4上连接有第一负载气体输入管道，所述孔位b5连接排放管路；所述两位六通阀C具有孔位c1、孔位c2、孔位c3、孔位c4、孔位c5、孔位c6六个孔位，所述液氮冷阱T5的出口通过管道与所述孔位c2相连通，所述孔位c3通过管道与所述液氮富集阱T6的入口相连通，所述液氮富集阱T6的出口通过管道与所述验证富集阱T7的入口相连通，所述验证富集阱T7的出口通过管道与所述孔位c6相连通，所述孔位c1连接杂质气体排放管路，所述孔位c4与第二负载气体输入管道相连通，所述孔位c5通过管道与色谱柱GC8的入口相连通；/n所述两位四通阀D具有d1、d2、d3、d4四个孔位，所述d1通过管道与色谱柱GC的出口相连通，所述d2通过富集管道与提纯再富集阱T8的入口相连通，所述d3与第三负载气体输入管道相连通，所述d4与重气排放管相连通，所述富集管道上设有开关阀V1，所述提纯再富集阱T8的出口通过管道与样品收集阱T9的入口相连通，所述样品收集阱T9通过连通管道分别与样品排放管路和收集管道相连通，其中所述连通管道上设有开关阀V2，所述样品排放管路上设有开关阀V3，所述收集管道上设有开关阀V4，所述收集管道分别与真空支管和收集支管相连通，所述真空支管连接真空源，所述收集支管上设有开关阀V5和开关阀V10，所述收集支管的末端连接有样品收集管，所述样品收集管位于样品收集阱内。/n...

【技术特征摘要】
20190924 CN 201921588694X1.一种同位素样品纯化和收集制备系统，其特征在于，包括两位四通阀A、两位六通阀B、两位六通阀C、两位四通阀D、VOC阱T1、吸附阱T2、吸附阱T3、化学阱T4、液氮冷阱T5、液氮富集阱T6、验证富集阱T7、提纯再富集阱T8、样品收集阱T9，其中：
所述两位四通阀A具有孔位a1、孔位a2、孔位a3、孔位a4四个孔位，所述孔位a2通过连接管道与天然气样品钢瓶相连通，所述孔位a4通过管道与注射进样器相连通，所述注射进样器上设有GC进样口，所述注射进样器上设有第零载气输入管道，所述孔位a1与排气管路相连通；
所述两位六通阀B具有孔位b1、孔位b2、孔位b3、孔位b4、孔位b5、孔位b6六个孔位，所述孔位b2通过管道与所述孔位a3相连通，所述孔位b3通过管道与VOC阱T1的进口相连通，所述VOC阱T1的出口通过管道与孔位b6相连通，所述孔位b1通过除杂管道与液氮冷阱T5的入口相连通，所述除杂管道上依次连接有吸附阱T2、吸附阱T3、化学阱T4，所述孔位b4上连接有第一负载气体输入管道，所述孔位b5连接排放管路；所述两位六通阀C具有孔位c1、孔位c2、孔位c3、孔位c4、孔位c5、孔位c6六个孔位，所述液氮冷阱T5的出口通过管道与所述孔位c2相连通，所述孔位c3通过管道与所述液氮富集阱T6的入口相连通，所述液氮富集阱T6的出口通过管道与所述验证富集阱T7的入口相连通，所述验证富集阱T7的出口通过管道与所述孔位c6相连通，所述孔位c1连接杂质气体排放管路，所述孔位c4与第二负载气体输入管道相连通，所述孔位c5通过管道与色谱柱GC8的入口相连通；
所述两位四通阀D具有d1、d2、d3、d4四个孔位，所述d1通过管道与色谱柱GC的出口相连通，所述d2通过富集管道与提纯再富集阱T8的入口相连通，所述d3与第三负载气体输入管道相连通，所述d4与重气排放管相连通，所述富集管道上设有开关阀V1，所述提纯再富集阱T8的出口通过管道与样品收集阱T9的入口相连通，所述样品收集阱T9通过连通管道分别与样品排放管路和收集管道相连通，其中所述连通管道上设有开关阀V2，所述样品排放管路上设有开关阀V3，所述收集管道上设有开关阀V4，所述收集管道分别与真空支管和收集支管相连通，所述真空支管连接真空源，所述收集支管上设有开关阀V5和开关阀V10，所述收集支管的末端连接有样品收集管，所述样品收集管位于样品收集阱内。


2.如权利要求1所述的同位素样品纯化和收集制备系统，其特征在于，低真空计P1通过第一连接管道连接在真空支管上，所述第一连接管道上设有开关阀V8，干泵通过第二连接管道连接在所述真空支管上，所述第二连接管道上设有开关阀V6，高真空计P2通过第三连接管道连接在所述真空支管上，所述第三连接管道上设有开关阀V9，分子泵通过第四连接管道连接在所述真空支管上，所述第四连接管道上设有开关阀V7。


3.一种同位素样品纯化和收集制备系统，其特征在于，包括进样单元、第一转换阀、VOC阱、吸附阱组、液氮冷阱、第二转换阀、色谱柱、第三转换阀和提纯再富集阱，其中：
所述进样单元上连接有第零载气供给管道；
所述第一转换阀的端口上通过管路分别连接有进样管道、VOC阱的进样口、VOC阱的出样口、吸附阱组的进样口、第一载气供给管道和排放管路，所述进样管道与进样单元相连通，当第一转换阀处于取样状态时，所述进样管道、VOC阱、吸附阱组依次连通，所述第一载气供给管道和所述排放管路相连通，当所述第一转换阀处于进样状态时，所述进样管道与所述吸附阱组相连通，所述第一载气供给管道、VOC阱和排放管路依次连通；
所述吸附阱组的出样口通过管路与所述液氮冷阱的进样口相连通，所述第二转换阀的端口上通过管路分别连接有所述液氮冷阱的出样口、液氮富集阱的进样口和出样口、第二载气供给管道、色谱柱的进样口和杂质气体排放管路，其中：所述第二转换阀处于取样状态时，
所述液氮冷阱、液氮富集阱与杂质气体排放管路依次相连通，所述第二载气供给管道与色谱柱的进样口相连通，所述第二转换阀处于进样状态时，所述液氮冷阱的出样口与所述杂质气体排放管路相连通，所述第二载气供给管道与液氮富集阱、色谱柱进...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙维贞，王肖波，郭新磊，田春桃，余海棠，王羿涵，李传金，赵雪茹，
申请(专利权)人：中国科学院西北生态环境资源研究院，
类型：新型
国别省市：甘肃;62