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稳定同位素的测定广泛应用于多种研究项目中,而其中13C/12C,D/H和18O/16O比率的研究则可以广泛应用在生态学、水文水利、碳循环、植物水分利用、气候变化等研究方向。也正因为此,同位素比质谱仪等设备得到了广泛的应用。然而同位素比质谱仪存在以下几个方面的不足:①环境条件要求稳定一致,因此无法应用在野外研究,从而造成了数据代表性和滞后性的问题;②无法进行连续测定,从而无法实时了解同位素比率的动态变化;③仪器成本非常高,操作与运行成本也给科学家应用其进行广泛的研究带来了困难。
为了解决以上问题,1994年美国LGR公司**研发了激光分析仪,解决了低浓度气体无法测定的难题。此后又将该技术应用于同位素研究,在世界上**次推出了激光同位素分析仪,在经过室内和野外的长期测试之后,技术上取得了很大的突破,并将气体测量频率提高到了1 Hz,从而基本解决了气体同位素的连续同时监测的技术难题,为这方面的研究奠定了坚实的基础。可以预见,在仪器设备与技术改进的同时,该领域的科学研究也将取得长足的进步与突破。
主要特点:
传统的气体分析技术往往采用红外吸收光谱技术,利用CO2和H2O对红外线的吸收比例来决定气体的浓度(例如Li-cor公司的Li-7000气体分析仪、PP公司的EGM-4多气体分析仪)。其测量的准确度更多的受红外线的光路长短所决定(光路越长,红外线被气体吸收的强度就越大),25 cm的光路已经足够达到1%的测量准确度。这些分析技术对于测量CO2(大气浓度360~400 ppm)和H2O(大气浓度5~20 ppt)等浓度比较高的气体是足够的。在测量CH4、CO以及同位素气体时,我们可以选择的方法是极大的加长光路,由于痕量气体浓度非常低(经常在1~2 ppm左右,甚至低于1 ppm),要想同样取得1%的准确度甚至需要几千米的光路长度才能积累到足够的吸收强度。然而由于红外线色散比较大(即使所谓非色散的红外分析仪也是如此),如此长的吸收光路显然无法实现,尤其是为了实现这样长的光路,我们往往要采用光学镜面进行上千次的反射,才能达到减小仪器尺寸的目标,采用色散严重的红外线显然无法实现这一目标。
激光光源由于存在色散小、稳定和发射损失少的优点,成为痕量气体测量的**技术。LGR首先采用了空腔衰荡光谱技术(CRDS)来设计激光分析仪。在经过长期测试之后,发现其存在噪声大、漂移、稳定性差以及环境条件要求高等问题(尽管其也存在成本低、设计难度小等优点),因而*终研发了离轴积分光腔输出光谱技术(OA-ICOS),以改进其精度和野外测量的稳定性。
OA-ICOS利用一个精细的光腔作为吸收室,可有效的捕获激光光子,使之在离开光路室前,通过高效反射镜上千次的反射后,有效光路长度达几千米。因此当它通过光腔时,光吸收明显增强。例如,2个间距为25 cm的99.99%反射镜组成光路,有效路径长度是2500 m。路径长度仅取决于光腔中的光的损耗,而不是依靠某一独特光束轨道,便于野外稳定操作。与传统的调谐激光吸收光谱方法一样,激光的波长被调节以选择目标气体的吸收波段,然后记录吸收光谱,结合气体温度、压力、有效光路长度来计算目标气体浓度,而不需要进行外部校准。
在单点同位素气体测定无法满足实验需求的情况下,增加多路气体测定配件,从而实现多点气体采集测量以及垂直梯度的廓线测量。同时系统还考虑了进气口气体冷凝、多路采集的时滞和数据采集与集成与整合等问题。
CCIA性能指标:
重复性/精度(1σ,60秒 / 5分钟):
δ13C:0.2‰ / 0.1‰
δ18O:2‰ / 1‰
[12CO2]:100 ppb / 50 ppb
[13CO2]:5 ppb / 3 ppb
[CO18O]:1 ppb / 0.5 ppb
[H2O]:100 ppm / 50 ppm
测量速度:
所有参数测量频率均能达到1 Hz
测量范围(全量程线性,满足所有技术指标):
CO2:300 ~ 25000 ppm
H2O:4000 ~ 60000 ppm
可选测量范围:
CO2:0 ~ 50000 ppm
H2O:0 ~ 70000 ppm,无冷凝
响应时间:
1秒(流速响应<6秒需要配置可选外置泵)
**漂移(1小时平均,标准温度压力,24小时):
δ13C: < 0.5‰
WVIA性能指标:
重复性/精度(1σ,10 秒/100秒):
δ2H:0.5‰ / 0.2‰
δ17O:0.15‰ / 0.05‰(model 911-0034)
δ18O:0.15‰ / 0.05‰
[H2O]:0.2% / 0.07%
**漂移(15分钟平均,标准温度压力,24小时)
δ2H:0.8‰
δ17O:0.2‰(model 911-0034)
δ18O:0.2‰
[H2O]:0.1%
测量速率:
*快可达2 Hz(5 Hz可定制)
准确度:
不确定性< 0.1%(连接WVISS)
测量范围:
1000 ~ 60000 ppm,非冷凝(小于100 ppm可定制)
系统指标:
环境条件:
样品温度:-20~50 ℃
操作温度:0~45 ℃
环境湿度:0~100% RH,无冷凝
温度控制精度:
0.003 ℃
压力控制精度:
0.001 torr
输出:
数字(RS 232)、以太网、USB
电力需求:
115/230 VAC,50/60 Hz,350 W+200 W
尺寸与重量:
二氧化碳同位素分析仪:27.9cm(H)x 96.5cm(W)x 55.9cm(D),50 kg
水汽同位素分析仪(台 式):27.9cm(H)x 96.5cm(W)x 55.9cm(D),40 kg
水汽同位素分析仪(机架式):35.6 cm(H)x 48.3 cm(W)x 61 cm(D),36 kg
订货信息:
型号(Model):
912-0003(台 式,δ13C, δ18O, CO2, H2O)
912-0004(台 式,δ2H, δ18O, H2O)
911-0004(机架式,δ2H, δ18O, H2O)
912-0034(台 式,δ2H, δ17O, δ18O, H2O)
911-0034(机架式,δ2H, δ17O, δ18O, H2O)
可选附件:
1.908-0003-9001或MIU-377-16:16道多路器
2.908-0003-9002或MIU-374-8:8道多路器
3.908-0001-9011:N940 真空泵(气体更新时间1秒)
4.907-0005-9002:动态稀释系统,可自动进行稀释并扩展量程100倍
5.908-0005-9002:间断注入系统,可通过手动进样,测量气袋内样品
6.904-0002:数据采集软件(包含USB/RS 232线缆),可记录并同步多台LGR分析仪或者其他设备(如GPS、风速计等)输出的数据
制造商:
美国Los Gatos Research