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Picarro 水同位素分析儀應用合集(一)

發(fā)表時(shí)間:2024-04-17瀏覽量:141

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引言

 

 

水分是生態(tài)系統的重要因子,水同位素自然示蹤和人工標記是研究生態(tài)系統水循環(huán)過(guò)程的重要方法, 利用水同位素所具有的示蹤、整合和指示等功能特征,通過(guò)測量和分析生態(tài)系統中不同組分所含水分的氫氧同位素比值的變化情況,可實(shí)現生態(tài)系統蒸散發(fā)的拆分、植物水分來(lái)源判定和葉片水同位素富集機理研究,是研究生態(tài)系統水循環(huán)過(guò)程機理和生態(tài)學(xué)效應不可或缺的技術(shù)手段。

 

Picarro L2130-i或L2140-i水同位素分析儀可以搭配自動(dòng)采樣器(A0325)、高精度汽化器(A0211)等配件,利用波長(cháng)掃描光腔衰蕩光譜(WS-CRDS)技術(shù)為水分子中的氫氧同位素測量提供了一種全新的、經(jīng)濟的、更為廣泛的測量方法,能夠在水文學(xué)、海洋科學(xué)和古氣候學(xué)等一系列研究應用中實(shí)現精準的同位素測量。

 

 
 

應用案例

 

 

案例一

(高鹽樣品的檢測方法和案例)

 

在海水和鹵水等高含鹽量水穩定同位素測試過(guò)程中,鹽積聚可能會(huì )影響基于激光的光譜分析系統的精度、漂移和記憶效應。Picarro鹽襯管可輕松快速地安裝到Picarro高精度汽化器中。當注入溶解性總固體(TDS)高的水樣在汽化器室內汽化時(shí),襯管網(wǎng)格能夠捕獲高達80%的鹽沉淀物。這顯著(zhù)減少了汽化器中鹽的積聚,從而將海水分析的運行時(shí)間延長(cháng)到24小時(shí)。這種插件可在幾分鐘內拆除、清潔和重新安裝。(如下圖所示)

 

 

經(jīng)證明,Picarro水同位素分析儀系統能夠精準地測量海水(含鹽量高達3.46%)和高含鹽量水樣品 (339.4 g/L)。

 

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https://mp.weixin.qq.com/s/Z_l-JF_-F5MRMf6_ugWETQ

 

加拿大戴爾豪斯大學(xué)海洋學(xué)系科學(xué)家們提供多組實(shí)驗室間比較的結果,評估CRDS技術(shù)對海水同位素(δ18O)的測量精度與準確度,以及利用CRDS技術(shù)對水同位素(δ18O)測量同IRMS測量的一致性,此外,還討論了鹽分對CRDS儀器的影響以及解決方案。對大西洋東北深海長(cháng)時(shí)間的監測對比發(fā)現,四個(gè)年份不同實(shí)驗室間檢測的同位素平均值偏差僅為0.03‰,但單個(gè)實(shí)驗室的測量精度與平均精度要高于同一樣品不同實(shí)驗室間的測量精度,這主要是因為采樣方式的差異及分析數據集的差異決定,并不是水體自身變化。

 

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https://mp.weixin.qq.com/s/hON6kWQuH_x5sEwumgrLTw

 

 

 

案例二

17O-盈余的檢測方法和案例)

 

華盛頓大學(xué)Andrew J. Schauer等學(xué)者采用Picarro L2140-i 超高精度液態(tài)水同位素分析儀,在原測樣方法的基礎上對其進(jìn)行改進(jìn),通過(guò)減少樣品注射次數和延長(cháng)每個(gè)注入樣品的分析時(shí)間來(lái)獲得更高的17O和17O-盈余測量精度,為簡(jiǎn)單的和連續測量δ18O δ17O δD和17O-盈余提供了可能。

 

通過(guò)改進(jìn)Picarro L2140-i的測量方法,使原本17O-excess確保精度在15 per meg能提高到8per meg;這個(gè)質(zhì)的提升可以為更多的科研學(xué)者們解決質(zhì)譜儀做17O-盈余繁雜,需要將樣品寄到國外實(shí)驗室并支付高額的測樣費用的煩擾。

 

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https://mp.weixin.qq.com/s/3jhsOLACg7my-vtm2bUw9w

 

上圖為了幫助展示17O-盈余是如何表現出來(lái)的,可以用不同斜率的過(guò)程矢量圖。在這個(gè)例子中,來(lái)自L(fǎng)uz和Barkan(2010),展示了17O-盈余的海洋水蒸氣起源。在海洋附近形成的水汽(100%濕度)將遵循平衡分餾,斜率為0.529,使17O相對于全球大氣降水線(xiàn)略有減少?,F在擴散到干燥的空氣中,斜率下降到~0.518。這導致水蒸氣中的17O-盈余,這將隨著(zhù)氣團的相對濕度而演變。

 

在潮濕的熱帶和亞熱帶地區,17O-盈余是調查過(guò)去和現在的水文地質(zhì)循環(huán)的重要而獨特的示蹤方法,該研究展示了位于東亞季風(fēng)區一個(gè)海島上兩年的降水17O-盈余記錄,并重建了水汽源區域的相對濕度。結果表明,亞熱帶島嶼降水17O-盈余在很大程度上是由海洋蒸發(fā)過(guò)程中的擴散分餾決定。沖繩島上17O-盈余表現出明顯的季節因素。根據降水17O-盈余,使用簡(jiǎn)單的蒸發(fā)模型,即可重建海洋水氣源區域中經(jīng)海表溫度歸一化的相對濕度,與觀(guān)測到的相對濕度表現出很好的一致性。

 

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https://mp.weixin.qq.com/s/Er9VQvzyCPW_JUs2E67GOw

 

上圖為沖繩降水氧同位素比和氣象數據的關(guān)系圖:

(a)月降水δ18O和δ17O加權平均值

(b)細線(xiàn)為每周降水17O-盈余,粗線(xiàn)為每月降水17O-盈余的加權平均值

(c)氣象站記錄的每月相對濕度

(d)氣象站記錄每月降水量(藍線(xiàn))和氣溫(紅線(xiàn))

 

國際原子能機構(IAEA)的Len Wassenaar通過(guò)測試得知,僅需要修改進(jìn)樣程序,即可使得CRDS技術(shù)的17O-盈余測量精度從只達到10-15per meg,改進(jìn)為可與質(zhì)譜法相比甚至更好的精度。

 

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https://mp.weixin.qq.com/s/XzZ6FUKFcr9Y7fxQM1BU8g

 

 

 

案例三

(利用水同位素分析儀進(jìn)行水分示蹤和大氣氣候重建的應用)

 

北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院使用Picarro L2140-i液態(tài)水同位素分析儀,用于地下水年代學(xué)、水文學(xué)穩定同位素檢測與示蹤研究。

 

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https://mp.weixin.qq.com/s/XoqK03MQ-EvKWk0uGcemYw

 

 

伯爾尼大學(xué)氣候和環(huán)境物理系開(kāi)發(fā)了一種新方法,從石筍中提取微升量的水,并進(jìn)一步分析其水同位素。包裹體水可通過(guò)粉碎約1克方解石樣品來(lái)提取,其中釋放的水(~0.5–5微升)直接用干氮吹掃至Picarro L2140-i分析儀直接測定水同位素,無(wú)需預先處理水分子。后期將這一新方法應用于瑞士西北部汝拉山Milandre洞穴的兩塊石筍M6和M8上。在此之前,對當地降水和洞穴滴水進(jìn)行了徹底的水同位素監測,以了解最終在洞穴流體包裹體中發(fā)現的水同位素的意義。

 

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https://mp.weixin.qq.com/s/XxL9_D_F576GV3znXBj_Gg

 

伯爾尼大學(xué)開(kāi)發(fā)的測量流程。石筍樣品破碎后,釋放的水被直接吹掃到Picarro分析儀。

 

 

案例五

(利用水同位素分析儀研究降水與環(huán)境變量的周期關(guān)系應用)

 

中國科學(xué)院成都山地災害與環(huán)境研究所通過(guò)使用液態(tài)水同位素分析儀(Picarro L2120-i)測定100ml水樣的同位素成分,實(shí)驗表明雨水的同位素比率表現出明顯的季節變化,雨季的值較低,旱季的值較高。δ18O與環(huán)境變量(降雨量和溫度)的周期特征對比表明,2012-2018年期間,研究區降雨量和溫度與雨水δ18O值呈負相關(guān),雨季的d-excess(平均值19.5)低于旱季的d-excess(平均值21.38)。旱季開(kāi)始和結束時(shí)的極少量降雨事件具有較高的同位素特征值,而雨季頻繁的大雨通常具有更低的值。

 

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https://mp.weixin.qq.com/s/92tm4wIAFrChPJ2DJpL8Sg

 

 

 

案例六

(利用水同位素分析儀研究地表蒸散發(fā)過(guò)程的應用)

 

云南大學(xué)田立德實(shí)驗團隊韓姣姣博士,以麗江地區的森林類(lèi)型云南松為研究對象,使用Picarro L2130-i水同位素分析儀通過(guò)對大氣水汽、降水、土壤及植被等水體同位素的原位觀(guān)測,開(kāi)展地表蒸散發(fā)過(guò)程研究,結合箱室法估算了植被蒸騰占蒸散發(fā)的比率(T/ET)。研究成果為高寒森林生態(tài)系統水文循環(huán)研究提供了新的思路,并為森林生態(tài)系統保護乃至古同位素檔案研究提供了潛在的應用價(jià)值。

 

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https://mp.weixin.qq.com/s/vjtunN0dYe3H6j_Ieuk7Dw

 

上圖為麗江站的地理位置(a),麗江站在云貴高原的位置(b)和觀(guān)測點(diǎn)的景觀(guān)照片(c)

 

 

案例七

(利用水同位素分析儀重建大氣水汽輸送過(guò)程研究)

 

由中國科學(xué)院青藏高原研究所、中國科學(xué)院空天信息創(chuàng )新研究院、中國科學(xué)院長(cháng)春光學(xué)精密機械與物理研究所64名科考隊員組成的“巔峰使命”珠峰科考浮空艇綜合科考團隊。使用我國自主研發(fā)的極目一號III型浮空艇平臺搭載了包括Picarro L2130-i水汽同位素分析儀在內的多種分析儀器與設備,到達海拔9032米的高度,獲得了珠峰地區大氣水汽傳輸和溫室氣體垂直變化過(guò)程關(guān)鍵科學(xué)數據,為揭示西風(fēng)傳輸影響下的青藏高原環(huán)境變化提供了重要科學(xué)依據。

 

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https://mp.weixin.qq.com/s/H0Gtmb6sizk5mgrGoBZQBA

 

 

案例八

(利用水同位素分析作為極端氣候現象的作證手段研究)

 

為了探討陸地天氣尺度降水事件的定量重建(如極端降水等),來(lái)自中國科學(xué)院地球環(huán)境研究所、西安地球環(huán)境創(chuàng )新研究院和中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所的多位研究者共同開(kāi)展了對陸生蝸牛殼體進(jìn)行了超高分辨δ18O的分析測試,同時(shí)利用Picarro L2130-i液態(tài)水同位素分析儀獲得了日常降水的氧同位素結果;對比發(fā)現兩者在細節和整體趨勢上的波動(dòng)均高度相關(guān),表明蝸牛殼體可用于研究和重建天氣時(shí)間尺度上的降雨變化,實(shí)現對區域天氣尺度降水事件的“一對一”定量重建。

 

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https://mp.weixin.qq.com/s/ABZY-baDGzmXFDi7Uya7Ng

 

A圖 實(shí)驗地點(diǎn);B 圖月平均溫度;C圖 當地降水;D圖 陸生蝸牛

 

 
 

 

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陳曉峰:chenxf@cen-sun.com

高春輝:gaoch@cen-sun.com

 

編輯:竇志鴻

審核:陸翟亞

 

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