应用案例

Picarro L2140-i（冰与水的氢氧同位素的分馏平衡）

发表时间：2024-04-17

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Equilibrium fractionation of triple-oxygen and hydrogen isotopes between ice and water

Galili N, Sade Z, Halevy I. Equilibrium fractionation of triple-oxygen and hydrogen isotopes between ice and water[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2022, 595: 117753.

https://doi.org/10.1016/j.epsl.2022.117753

背景介绍

水相（蒸汽、液体和固体）的同位素组成能够在不同的空间和时间尺度上保存了有关水文信息。冰的形成和融化是大气、陆地和海洋水文收支的重要组成部分。不平衡冻结在自然和人工环境中很常见。因此，为了在各种环境中解释水的同位素组成，了解水的固体和液体之间¹⁸O、¹⁷O和²H的平衡分馏因子至关重要。

研究方法

冷冻实验在500ml 模块化夹套反应器中进行（图1）。连续监测外护套和水的温度。我们通过调节外套温度来控制冷冻速度。控制冻结温度在−12到−0.9℃之间，允许冷冻速率在0.01和0.70 ml /h/cm²。在所有实验中以50rpm的转速连续搅拌大量水，以避免由于扩散而产生的同位素分馏。在淡水和海水实验，我们分别使用DDW（低氘水，deuterium depleted water，18 MΩcm）和从东地中海（以色列阿特利特）海岸收集的过滤海水。

图1.用于限制冰、淡水和海水之间的三重氧和氢同位素分馏的实验装置。淡水实验中用于计算冻结率的内表面积为314.16 cm²。

本文通过Picarro L2140-i光腔衰荡光谱仪对残余液态水和融化冰中的¹⁸O/¹⁶O、¹⁷O/¹⁶O和²H/¹H进行了同位素测量，并利用国际标准物VSMOW2和SLAP2进行了校准。自动进样针选择了10μL SGE自动取样器注射器。在仪器高精度模式下（每次注射9分钟）注射样品10次，信号水平在19000至21000 ppmv之间。作者通过安装Picarro盐衬垫阱解决高盐溶液测量精度较低的问题。最终仪器在淡水和海水溶液中的δ¹⁷O、δ¹⁸O和δ²H值的分析精度（1σ）分别为0.050&permil;、0.050&permil;和0.400&permil;

总结

水在冻结过程中出现的其三种氧同位素的分馏是水的基本特征之一，了解这一性质对于重建自然界中水文循环过程至关重要。本文通过限制淡水和海水的分馏平衡，做了一系列控制不同温度和冷冻速率的冷冻实验。本文认为冷冻速率最低的淡水冷冻实验，是最接近同位素平衡的，分别产生了¹⁸O/¹⁶O、¹⁷O/¹⁶O和²H/¹H的 2.82±0.12&permil;、1.49±0.07&permil;和20.05±0.72&permil;的分馏。最慢的冷冻海水实验，分别产生¹⁸O/¹⁶O、¹⁷O/¹⁶O和²H/¹H的2.92±0.08&permil;、1.55±0.03&permil;和21.18±1.85&permil;的分馏。淡水和海水中的¹⁸O^/16O和²H/¹H分馏估计值彼此之间存在误差，与过去的估计值大体一致。本文新确定的¹⁷O/¹⁶O分馏将水冻结过程中的三重氧质量依赖性限制约为0.528，尽管结果仍有较大的不确定性。如果这种质量依赖性是准确的，那么水文循环中的冰形成和融化过程也将对全球大气水线上的产生巨大影响。

Picarro L2140-i 同位素水分析仪能够同时测量δ¹⁸O、δ¹⁷O 和 δD，且 ¹⁷O-盈余的测定精度可优于15 per meg（< 0.015&permil; ）。科学家现在有了一个更简单、更经济的选择，可以高精度测量液态和气态水中的稳定同位素比。

¹⁷O-盈余的测量与 δ¹⁸O 和 δD 的高精度测量相结合，确保地球科学家能够通过研究加深我们对当今气候以及水圈和生物圈之间相互作用的理解，并帮助重建过去的气候。 ¹⁷O-盈余在自然界中的偏差通常低于 0.1&permil;，所以量化 δ¹⁷O 极小偏差的能力，对于古气候、（生态）水文学和大气科学应用来说必不可少。

所有三种氧同位素（ ¹⁶O ¹⁸O 和¹⁷O）的高精度测量一度局限于高度专业化的实验室。这些实验室拥有昂贵、复杂的样品制备系统，用于同位素比值质谱（IRMS）分析。而 Picarro L2140-i 分析仪只需按下按钮便能对 ¹⁷O-盈余进行精度达到甚至优于 15 per meg 的水平进行测量。水样可以直接引入分析仪，不论是直接以水汽的形式，或者是以蒸发液态水的方式。δ¹⁸O、δ¹⁷O、δD 和 ¹⁷O-盈余高效、简单和同步的测量增加了三种氧同位素研究的可行性。这使科学家能够轻松扩展 ¹⁷O-盈余数据集，并通过有针对性的实验室实验和野外活动探索自然界。

本文编辑：吴闯

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陈晓峰应用与售后经理 chenxf@cen-sun.com

高春辉高级应用工程师 gaoch@cen-sun.com