中国山地冰川雪冰演化过程中的样品测试过程

1.雪冰样品中可溶性离子分析

本书以Dionex-320离子色谱仪为例，介绍雪冰样品中可溶性成分的分析方法。

（1）仪器和试剂。Dionex-320离子色谱仪，配有电导检测器和PeakNet5.11色谱工作站。超声波清洗器，用于样品溶解、流动相脱气和玻璃器皿清洗。各种标准溶液均购自国家标准物质研究中心，分别配制成阴、阳离子混合标准储备液。分析时实行五点校正，即稀释成五个标准溶液，使被测离子的浓度范围在其线性范围之内。标准储备液一周换一次，五个标准使用液则是现配现用。NaOH淋洗液首先由经超声真空脱气的去离子水配制成50% NaOH储备液，使用时再用吸液管从储备液中取其中间部分进行稀释，由此可减小空气中CO2的影响。所有的标准溶液和储备液均于4℃恒温保存。

（2）色谱条件。阳离子：Dionex IonPac CS12A（4×250 mm）分离柱，CG12A（4×50 mm）保护柱；CAES阳离子抑制器，抑制电流65 mA；15 mmol/L MSA淋洗液，流速为1.0 mL/min；淋洗瓶内压力用氮气维持在3 psi（20.69 kPa）；进样量为200 μL；电导检测；以峰面积定量；室温条件下操作。阴离子：AS11-HC（4×250 mm）分离柱，AG11-HC（4×50 mm）保护柱；ASRS-4 mm抑制器，抑制电流52 mA；15 mmol/L NaOH淋洗液，流速为1.40 mL/min；柱温为30℃时操作。

（3）分析过程。待仪器平衡后，注入去离子水，以检查背景或程序上的空白值。正常情况下去离子水不会产生任何峰。每次进样前，均要打入2 mL去离子水进行管路冲洗，以确保前一次注入的样品不会滞留在管路中。

2.雪冰样品中同位素分析

同位素分析法有中子活化分析法、电感耦合等离子体-质谱法等。稳定同位素比质谱仪可进行多种测试分析，例如气体样品中的C、N、H、O、S稳定同位素比率等。本书以MA5-252气体稳定同位素比质谱仪测定水样中的δ18O为例，介绍实验室内标定标准水的方法，以及标准水的长期维护和测量水中δ18O应注意的事项。

（1）实验室内测量δ18O的标准水的标定。用MA5-252气体质谱仪测量水中氧同位素，其产生的误差有两类，一类是系统误差，另一类是偶然误差。系统误差主要是由仪器的测量精度决定的，就MA5-252气体质谱仪本身来说，其测量的精度是很高的，因此主要考虑其偶然误差。MA5-252气体质谱仪产生偶然误差的原因主要包括以下方面：水样瓶的密封性、H2O-CO2平衡时间的长短、冷阱内的温度控制和升华的水汽的压力、质谱仪内部真空度高低的变化等。降低偶然误差的重要一步是使用标准水来控制质谱仪的测量结果。由于习惯上测量的水中稳定同位素含量的最终结果只是一个相对比率，而且测量稳定同位素的质谱仪的类型也各不相同，因此，测量所用的标准水的准确性对测量结果的影响是不容忽视的。目前所报道的氢和氧稳定同位素的测量结果都是以Vienna实验室的标准平均大洋水作为参考来进行比较的。但是在实际操作过程中还不能都用标准平均大洋水作为标准水来进行水中稳定同位素的测量。因此，每个实验室必须建立自己的标准水系统。而实验室标准水必须直接或间接地从属于VSMOW系统。从而使测量的水中稳定同位素的结果，不管是用何种质谱仪测量的，也不管是何时何地测量的，都可以拿来进行比较。

（2）MA5-252测量结果的稳定性测试。实验室标定标准水时要求质谱仪工作状态良好，测量的结果十分稳定。如果质谱仪本身不稳定，测量结果的波动范围超过了测量的精度要求，就无法进行下一步的工作。质谱仪的稳定性可以用以下的方法来测定：将同一水样放在24个试验瓶中，在用真空法抽去试验瓶中的空气及水中杂质后，向试验瓶内充入高纯CO2气体。此后，样品需在一定温度的水浴中均衡振荡3 h，以使样品水和高纯CO2气体达到充分平衡。由于是在相同的条件下进行平行的测量，测得的δ18O的结果应该大致一致。判断δ18O的结果是否一致的标准取决于所要求的目标精度。我们测量的水中δ18O的精度要求小于0.01‰，在测量MA5-252气体质谱仪的稳定性时，要求测得的24个水样的δ18O测量结果的偏差小于0.05‰，然后再进入下一步。

（3）测量结果的记忆力效应因子的测定。由于MA5-252质谱仪在工作中是连续测定的，一个样品的测量多少会受到上一个样品测量结果的影响。这种影响称为记忆力效应。记忆力效应的大小是与相邻两个样品的稳定同位素比率的差值成正比的。差值越大，记忆力效应的作用也越明显，而当相邻两个样品的稳定同位素比率相同时，记忆力效应为零。计算记忆力效应的表达式可以表示如下：

K=（δ实-δ测）/δ实

其中，K为记忆力效应因子，δ实为两个连续测量水样中δ18O的实际差值，δ测为测得的两个连续测量水样中δ18O的差值。实际操作中，要经过数次测量才能确定记忆力效应因子。记忆力效应因子的值一般都很小，我们测得的记忆力效应因子K的值为0.005。

（4）校正系数PE2的测定。由于受各种偶然误差的影响，即使是同一个水样，在不同次测量过程中其最后输出的结果也不一定完全相同。因此计算机最后的输出结果必须经过校正后才是样品的最终测量结果。PE2的测定要用δ18O为已知的标准水。首先在同一批水样中测量两种已知标准水的氧同位素比率，对最后输出结果进行记忆力效应校正，然后比较两种样品的实际δ18O和测得的δ18O值。校正系数PE2为两种水样中δ18O的实测值之差和测量值之差的比，可以用以下的公式计算：

PE2=（δ1-δ2）实/（δ1-δ2）测

实际上，PE2也要经过数次测量后取其平均值，而且在测定时往往用两种以上标准水样，然后计算δ18O的实测值和测量值之间对比的斜率。而PE2的值随时间会发生变化，因此在经过一段时间后必须重测，才能保证测得的水样中δ18O一直保持准确可靠。

3.雪冰样品中不溶微粒分析

在实验室分析雪冰样品中的不溶微粒含量，需要考虑到其与粒度分析仪检测对象中的其他样品的不同，其特殊性表现在：（1）由于受采样地点、环境及储存运输等条件的限制，取样体积很有限，而且需要分析的项目多，往往用于微粒检测的样品仅有几十毫升；（2）冰川雪冰样品比起乳剂、颜料等样品要“洁净”得多，其颗粒物浓度相对较低；（3）比起工业生产出的油漆、药剂、染料等，冰川雪冰样品中的颗粒是自然形成，不是均质的，而是大小分布不均的。粒径分布范围较宽，粒径从纳米级至肉眼所见的几百微米都有覆盖，绝大多数颗粒集中在20 μm以下，偶有几十上百微米的少量颗粒出现。

（1）仪器的选择。现代粒度测量技术中，较先进的、应用较多的粒度分析仪器根据其工作原理可分为电阻法、光阻法和激光散射法，其中尤以激光粒度仪和颗粒计数器为代表。几类仪器原理特性不同，都有独到的功能特点。在冰川研究领域普遍使用Coult Counter颗粒计数器来分析雪冰样品微粒。其原理也叫作电子感应带（electrical sensing zone）方法，是国际上用于颗粒粒径测量的标准之一。具体地讲：悬浮液流过一个分隔两个电极的小圆柱状开口（小孔，orifice或aperture），尽管电极之间的电流强度很小（通常只有1 mA），限制分隔电极的电阻在小孔内产生相当明显的电流密度。当一个微粒通过小孔时，它将改变导电液体的体积，并立即增加小孔的抗阻。通过电流放大器将电流波动转化成与之成比例的、可供检测的电压脉冲。库尔特（Coulter）原理规定，这一电压脉冲的幅度与导致其产生的微粒的体积直接成比例（Coulter et al，2000）。利用已知粒径的标准颗粒来进行对比和校正，就可以得到微粒的体积。其特点是分辨率很高，重复性较好，测量速度快，操作自动完成，动态范围较激光粒度仪小。

然而，专配的电解液将增加实验成本，实验准备不太简便，小孔易被堵住等方面又凸显了Coult Counter颗粒计数器的一些不足，因此，本项研究中不溶性成分的分析采用了AccuSizer 780A光学粒径检测仪。它是由专业粒径检测仪设计制造商之一的美国PSS（Particle Sizing Systems）公司生产的新一代微粒粒径分析仪——AccuSizer 780A。此款仪器之所以适合于冰川雪冰样品的颗粒测试，是由其区别于其他类型仪器的结构特点和特殊性能决定的。

AccuSizer 780A微粒粒径检测仪采用的是单粒子光学传感（SPOS—Single Particle Optical Sensing）技术。其原理是：含有颗粒的悬浮液被充分稀释（避免粒子集中呈一致的流动通路）后，粒子流通过一个平板状的、由大功率红色激光二极管发光所产生的波长630 μm的均匀亮度的一个“成像带”，每个颗粒通过这个光亮的区域，会引起此感应带通路上一个可检测到的脉冲，该值取决于粒子的平均粒径和被测的物理原理——光散射（LS）和光消减（LE）的关系（如图3.2）。在传感器中，设计了脉冲高度随粒子直径增加而单调地增加的光亮/检测系统。通过比较检测的脉冲高度和由一组均质的已知粒径的标准粒子获得的一条标准校正曲线，建立粒子在一个时间段的粒度分布。

图3.2　AccuSizer 780A光学粒径检测仪结构图（美国PSS公司资料）(www.xing528.com)

将几滴浓的样品悬浮液注进自动稀释器的混合室，其中充满着由一个可变速的精密齿轮泵引入的一定量过滤了的稀释剂（最典型的用纯水），在计算机控制下样品粒子在混合室中被搅拌器充分搅拌后随流体以一定的流速流出混合室，进入光学传感器，基于脉冲高度分析获得溶液微粒的粒度分布。

雪样自野外采集、运输至室内全过程中均采取了严格防止污染和低温保存的措施。样品从冰柜中取出，在洁净等级为100级的超净工作台和恒定室温下自然融化，保持样品中颗粒均匀分散状态。设置操作参数并直接取样进行分析。在本项研究中，设置参数如表3.2所示。

表3.2　实验条件设置（朱宇曼，2006）

（2）分析过程。前提条件是要保证仪器分析和手动操作在超净工作台中进行。首先将仪器进水管洗净后插入干净的储水桶中，储水桶注入足够的新鲜去离子水，封闭好容器口，以防污染物进入。然后利用仪器软件，反复进行管路和系统冲洗，直至管路中微粒含量低于50个/mL（此指标是仪器设计规定）。将完全融化的样品摇动均匀，用移液器从中准确吸取1 mL混合均匀的样品，注入仪器进样口，操作软件开始自动搅拌、稀释及分析。在首次分析及更换稀释液后，先测定稀释液的颗粒背景，把背景值从样品结果中扣除（朱宇曼，2006）。

（3）测量结果的误差来源。雪冰样品直接在密闭的采样容器中融化成水，即可注入该仪器测量，不需经过其他的前处理过程，避免了样品的二次污染。能造成样品污染或者引起测量误差及给测量结果带来不确定性的因素有稀释液（即超纯水）、取样定量、取样部位、实验环境、人为因素及样品停放的时间等（朱宇曼，2006）。实验中，从融化、取样、注样到分析整个过程都在洁净等级设计标准为100级的超净工作台内完成，以尽可能减小实验环境和人为污染造成的系统误差。

稀释液即超纯水为现制、新鲜的去离子水（电阻率＞18 MΩ·cm，25℃）。经过多次反复测量，得到这种超纯水中微粒的背景值平均为430个/mL，粒径范围集中在10 μm内。这一背景值远低于被分析的山地冰川雪样的最低浓度，造成的误差可以忽略，在样品分析结果中将被扣除。

取样的定量和取样的部位也会造成误差。实验中用Eppendorf（1000～5000 μL）的移液器定在1000 μL位置来吸取样品。经测定，移液器1 mL定量误差为0.49%，此误差相对于天山冰川雪冰样品的微粒浓度在105数量级及其以上来说，完全可以忽略不计（朱宇曼，2006）。样品在实验室中自然融化的过程中，由于微粒的自重等影响，其在溶液中的分散程度是不同的。因此取样部位的差异会直接影响被测部分的真实性和代表性。经多次实验发现，若取样的移液器从容器中部和底部取样，测量结果比微粒充分分散、完全均匀后所测的结果偏高几倍甚至几十倍。移液管从容器上部和接近瓶壁处取样又会使测量结果偏低。实际操作中我们采取先摇晃样品容器，使融化过程中沉降在底部的较大颗粒和悬浮在上面的小颗粒混合均匀，并均匀分散在样液中，然后在临近底部、溶液的1/3处、半径1/2处吸样品（中心及下部会因晃动产生涡流而聚集大部分较大微粒），才能保证取样基本真实，测量精度在5%以内（朱宇曼，2006）。

由于雪冰样品中某些Ca盐和Mg盐型微粒（如硫酸盐、碳酸盐等），本是不易溶解在融化的水中，若融化停放时间过长，可能会发生少量分解；同时，水中可溶性离子又有结合成不溶性盐而沉淀下来的机会；而随着停放时间的延长，水中分散的微粒可能会发生聚集或重新结团变成大颗粒。因此，样品在自然状态下停放的时间成为影响分析结果的原因。朱宇曼曾对五个不同样品延长停放时间后测量与刚融化时测量结果变化情况进行比较（表3.3），发现：当样品融化4 h时，微粒持续溶解，较大颗粒溶解或分散成小颗粒，小颗粒增多，使微粒总数增加，平均粒径降低。样品继续停放12 h，这期间某些样品中的微粒发生聚集或结团，而另一部分样品由于可溶性颗粒较多，会在停放期间溶解或分散，增加小颗粒浓度。分散和聚集在停放过程中是两个可逆的、同时存在的动态过程。停放时间再延长8 h后样品微粒的溶解和聚集趋于平衡，小颗粒与大颗粒间的变化接近稳定。此时样品中微粒状况已完全不是原有真实情况的反映。在本实验中，雪冰样品融化时间不超过4 h，在3 h内测量偏差小于4.3%。

表3.3　延长停放时间后测量与刚融化时测量结果变化情况比较

注：表中“+”表示增加，“-”表示减少，a表示部分样品数量浓度减少，b表示部分样品数量浓度增大。

4.X射线光电子能谱分析

使用扫描电镜-X射线能谱（SEM-EDX）对雪坑中污化层样品的不溶微粒进行分析，主要使用X射线光电子能谱。为了保证X射线能谱分析系统正常运转以及获得正确的测量数据，应注意操作要点，其中最重要的是检测系统的正确操作。检测系统中的晶片场效应，晶体管均须保持在低温100 K左右，必须用液氮来冷冻，如果液氮中断，随着冷冻室内壁的温度上升，会放出有害气体，并集中沉积在晶片上，损坏检测器。测量时还需调整试样表面的方位，使试样表面的法线相对于光轴成45°倾斜，并面对检测器的激活面；调节试样的垂直高度位置；调节检测器的水平位置，以不碰到检测器的铍窗为限度。在X射线能谱分析中，其检测效率灵敏度与检测几何条件有密切的关系。能谱仪具有分析速度快、灵敏度高、X射线收集立体角大、谱线重复性好等优点。能谱仪可以同时接受和检测所有不同能量的X射线光子信号，故可在几分钟内分析和确定样品中含有的所有元素。

分析方法：将分析过离子组成的雪坑样品静置，移除上层清液，把下层少量溶液和大量微粒转移至离心分离管中离心分离，离心管中的上层清液倒出后放入烘箱中，70℃下烘干24 h，之后将所得微粒进行分析。

取烘干后的雪坑样品中的少量固体微粒，固定在扫描电镜分析的样品桩上，在真空下离子溅射镀上一层极薄的金膜（16 nm）后进行分析。仪器加速电压20 kV，电子束电流60 μA，工作距离20 mm，电子束斑直径22 μm，信号采集时间30 s，放大倍数200～1000倍。在获得微粒形貌二次电子图片的同时，X射线能谱仪可以对选定的颗粒物进行元素组成分析，并使用能谱仪自带的软件对雪层中不溶颗粒物的元素成分的种类及含量进行自动校正，准确获取微粒的元素组成信息。

结果表明，污化层主要由不溶性的黏土颗粒物构成。这些不溶微粒中含有Mg、Si、K、Al等陆源元素，即Mg是黏土矿物颗粒的组成元素，因此表现出与污化层结合紧密的现象。

使用X射线光电子能谱（XPS）对不溶颗粒的表面进行分析，分析结果如图3.3所示。Mg元素峰值出现的位置为50 eV，结合标准能谱图（图3.4，图3.3）判断，得出Mg元素在不溶微粒表面上是以单质Mg的形式存在的。

图3.3　雪坑中污化层不溶微粒表面Mg元素存在形式分析结果

图3.4　Mg元素及其化合物标准图谱