全文摘要
本实用新型涉及稳定同位素分析技术领域，具体涉及一种分析硅同位素组成的装置。本实用新型提供的装置包括顺次连通的激光‑氟化反应装置、纯化装置和气体同位素质谱仪，其中，所述激光‑氟化反应装置包括氟化反应器和红外激光器，所述氟化反应器的顶部设置有窗口，在所述氟化反应器的窗口上方设置有所述红外激光器。本实用新型提供的装置结构简单、操作方便，红外激光器能够发射红外激光，通过氟化反应器的窗口进入氟化反应器，使盛放于氟化反应器内的含硅样品和氟化剂进行氟化反应，能够实现微量含硅样品制备SiF4气体来分析所述含硅样品中的硅同位素组成，且能够有效缩短氟化反应时间，提高分析效率。
主设计要求
1.一种分析硅同位素组成的装置，其特征在于，包括顺次连通的激光-氟化反应装置、纯化装置和气体同位素质谱仪，其中，所述激光-氟化反应装置包括氟化反应器和红外激光器，所述氟化反应器的顶部设置有窗口，在所述氟化反应器的窗口上方设置有所述红外激光器。
设计方案
1.一种分析硅同位素组成的装置，其特征在于，包括顺次连通的激光-氟化反应装置、纯化装置和气体同位素质谱仪，其中，所述激光-氟化反应装置包括氟化反应器和红外激光器，所述氟化反应器的顶部设置有窗口，在所述氟化反应器的窗口上方设置有所述红外激光器。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述氟化反应器的基体材料为不锈钢，窗口材料为氟化钡晶体，窗口密封垫圈为聚四氟乙烯包覆的氟橡胶“O”型垫圈。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述氟化反应器中设置有样品盘，所述样品盘的直径为20mm，材质为纯镍。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述样品盘上设置有24个装样孔；所述装样孔的直径为2mm，深度为1mm。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述红外激光器为CO2<\/sub>红外激光器。
6.根据权利要求1或5所述的装置，其特征在于，所述红外激光器为MIR10型CO2<\/sub>红外激光器。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述纯化装置包括顺次连通的第一冷阱、第二冷阱、第一锌粒管、第三冷阱、第二锌粒管、第四冷阱和冷指；其中，所述氟化反应器与所述纯化装置的第一冷阱连通，所述气体同位素质谱仪与所述纯化装置的冷指连通。
8.根据权利要求1或7所述的装置，其特征在于，所述气体同位素质谱仪为MAT-253气体同位素质谱计。
设计说明书
技术领域
本实用新型涉及稳定同位素分析技术领域，具体涉及一种分析硅同位素组成的装置。
背景技术
研究小尺度或微区的同位素组成变化已成为地球化学分析技术发展的重要方向之一。目前比较常用的方法是激光探针微区稳定同位素分析方法。这种方法技术难度较小，设备费用低，易于操作，分析精度高，数据可与常规方法比照。
从上个世纪50年代开始，经过半个多世纪的探索，人们已在利用硅同位素研究探索太阳系形成过程，研究地球演化历史，了解岩石圈、生物圈和水圈相互作用，开展资源和环境研究中有关的重大科学问题方面取得一系列重要进展。样品涉及地外样品(陨石和月岩)和地球上三大圈层，包括：岩石圈的岩石、矿物和矿床；生物圈的放射虫、硅藻和海绵骨针；水圈的地表水和孔隙水。
SiF4<\/sub>法是目前分析氧化硅和硅酸盐样品中硅同位素组成的成熟方法，具体为：称取一定量的含硅样品(如氧化硅或硅酸盐)放入反应器中，通入足量的BrF5<\/sub>试剂，通过加热炉加热直接氟化含硅样品，得到含SiF4<\/sub>混合气体(包括SiF4<\/sub>、O2<\/sub>、BrF5<\/sub>以及微量的BrF3<\/sub>和BrF等)，然后将所述含SiF4<\/sub>混合气体进行纯化，将所得SiF4<\/sub>通入气体同位素质谱计进行硅同位素测定。但是该方法样品用量较大，约为5～8mg；且反应时间较长，如石英样品在500℃条件下进行氟化反应的时间约为8～10h，石榴石样品在650℃条件下进行氟化反应的时间同样约为8～10h。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种分析硅同位素组成的装置，采用本实用新型提供的装置能够实现微量含硅样品中硅同位素组成的快速、准确分析。
为了实现上述实用新型目的，本实用新型提供以下技术方案：
本实用新型提供了一种分析硅同位素组成的装置，包括顺次连通的激光-氟化反应装置、纯化装置和气体同位素质谱仪，其中，所述激光-氟化反应装置包括氟化反应器和红外激光器，所述氟化反应器的顶部设置有窗口，在所述氟化反应器的窗口上方设置有所述红外激光器。
优选地，所述氟化反应器的基体材料为不锈钢，窗口材料为氟化钡晶体，窗口密封垫圈为聚四氟乙烯包覆的氟橡胶“O”型垫圈。
优选地，所述氟化反应器中设置有样品盘，所述样品盘的直径为20mm，材质为纯镍。
优选地，所述样品盘上设置有24个装样孔；所述装样孔的直径为2mm，深度为1mm。
优选地，所述红外激光器为CO2<\/sub>红外激光器。
优选地，所述红外激光器为MIR10型CO2<\/sub>红外激光器。
优选地，所述纯化装置包括顺次连通的第一冷阱、第二冷阱、第一锌粒管、第三冷阱、第二锌粒管、第四冷阱和冷指；其中，所述氟化反应器与所述纯化装置的第一冷阱连通，所述气体同位素质谱仪与所述纯化装置的冷指连通。
优选地，所述气体同位素质谱仪为MAT-253气体同位素质谱计。
本实用新型提供了一种分析硅同位素组成的装置，包括顺次连通的激光-氟化反应装置、纯化装置和气体同位素质谱仪，其中，所述激光-氟化反应装置包括氟化反应器和红外激光器，所述氟化反应器的顶部设置有窗口，在所述氟化反应器的窗口上方设置有所述红外激光器。本实用新型提供的装置结构简单、操作方便，所述红外激光器能够发射红外激光，通过所述氟化反应器的窗口进入氟化反应器，使盛放于氟化反应器内的含硅样品和氟化剂进行氟化反应，能够实现微量含硅样品制备SiF4<\/sub>气体来分析所述含硅样品中的硅同位素组成，且能够有效缩短氟化反应时间，提高分析效率。采用本实用新型提供的装置对NBS-28样品进行测定，精度为±0.18‰，说明在样品量大大减少的情况下(仅为传统方法中样品量的1\/10左右)，与传统方法的精度(±0.1‰)相当；采用本实用新型提供的装置对QG样品和Gar样品进行测定，测定结果与传统方法基本一致，说明采用本实用新型提供的装置能够实现微量含硅样品中硅同位素组成的准确分析。
附图说明
图1为本实用新型中分析硅同位素组成的装置的结构示意图，图中，1为激光-氟化反应装置，1-1为红外激光器，1-2为氟化反应器，2为纯化装置，2-11为第一冷阱，2-12为第二冷阱，2-13为第三冷阱，2-14为第四冷阱，2-21为第一锌粒管，2-22为第二锌粒管，2-3为冷指，3为气体同位素质谱仪，4-1～4-14为阀门。
具体实施方式
本实用新型提供了一种分析硅同位素组成的装置，如图1所示，包括顺次连通的激光-氟化反应装置1、纯化装置2和气体同位素质谱仪3，其中，所述激光-氟化反应装置1包括氟化反应器1-2和红外激光器1-1，所述氟化反应器1-2的顶部设置有窗口，在所述氟化反应器1-2的窗口上方设置有所述红外激光器1-1。
在本实用新型中，所述氟化反应器1-2的基体材料优选为不锈钢，窗口材料优选为氟化钡晶体，窗口密封垫圈优选为聚四氟乙烯包覆的氟橡胶“O”型垫圈。本实用新型提供的氟化反应器具有较小的内表面积，进而大大减少了对氟化反应生成的SiF4<\/sub>的吸附，可以很好的满足微小样品量精确测试的需求；所述氟化反应器的基体材料为不锈钢，可以满足激光实验的要求。
作为本实用新型的一个实施例，所述氟化反应器1-2中设置有样品盘，所述样品盘的直径为20mm，材质为纯镍；所述样品盘上设置有24个装样孔，所述装样孔的直径为2mm、深度为1mm，可用于盛放粉末或颗粒含硅样品。
在本实用新型中，所述氟化反应器1-2的窗口一方面作为激光入射窗，使红外激光器1-1发射的红外激光进入氟化反应器1-2，保证所述氟化反应顺利进行；另一方面也作为观察窗，便于观察所述氟化反应器1-2内氟化反应进程。本实用新型对于所述氟化反应器1-2的窗口尺寸没有特殊的限定，能够保证所述氟化反应顺利进行即可。
在本实用新型中，所述红外激光器1-1优选为CO2<\/sub>红外激光器。在本实用新型的实施例中，具体是采用美国New Wave公司生产的MIR10型CO 2<\/sub>红外激光器；所述MIR10型CO2<\/sub>红外激光器为脉冲与连续两用激光器，最大功率为20W，最小聚焦光斑直径为150μm，激光光斑在X-Y-Z三向可精确调节，并配有摄像和计算机操控系统，能够保证所述氟化反应顺利进行。
作为本实用新型的一个实施例，所述纯化装置2包括顺次连通的第一冷阱2-11、第二冷阱2-12、第一锌粒管2-21、第三冷阱2-13、第二锌粒管2-22、第四冷阱2-14和冷指2-3；其中，所述氟化反应器1-2与所述纯化装置2的第一冷阱2-11连通，所述气体同位素质谱仪3与所述纯化装置2的冷指2-3连通。本实用新型设置两段锌粒管是为了让含SiF4<\/sub>混合气体中夹带的BrF5<\/sub>杂质去除的更完全，以实现微小样品量精确测试的可能性。
作为本实用新型的一个实施例，如图1所示，所述分析硅同位素组成的装置中包括14个阀门(4-1～4-14)，用于控制所述分析硅同位素组成的装置中的气体流向。
在本实用新型中，所述气体同位素质谱仪3优选为MAT-253气体同位素质谱计；本实用新型对于所述MAT-253气体同位素质谱计的接收器个数以及排列方式没有特殊的限定，能够保证所述MAT-253气体同位素质谱计的接收器的排列方式适于对SiF4<\/sub>进行多同位素测量即可；所述MAT-253气体同位素质谱计的灵敏度与精确度能够满足微量样品同位素准确测量的需要。
在本实用新型的实施例中，采用所述分析硅同位素组成的装置对含硅样品进行硅同位素分析的方法，优选包括以下步骤：
将含硅样品置于样品盘的装样孔中，将盛放有含硅样品的样品盘置于氟化反应器1-2中，并连接真空系统；
装样后打开阀门4-1～4-14对整个系统进行抽真空去气处理，具体是先用机械泵抽低真空，然后通过涡轮分子泵抽高真空，在抽真空去气处理达到要求后，采用扩散方式向氟化反应器1-2中加入氟化剂进行氟化预处理，以尽可能除去氟化反应器1-2和含硅样品中所吸附的水分和其它易与氟化剂反应的物质；
将足量的氟化剂扩散到氟化反应器1-2中后关闭阀门4-1和阀门4-2，然后启动红外激光器1-1，激光采用连续激光模式，激光能量为15～20W，光斑直径为400～800μm；在红外激光加热条件下使含硅样品熔化与氟化剂进行氟化反应1～5min，得到含SiF4<\/sub>混合气体(包括SiF4<\/sub>、O2<\/sub>、BrF5<\/sub>以及微量的BrF3<\/sub>和BrF)；
所述氟化反应完成后，第一冷阱2-11和第二冷阱2-12同时用液氮杯(-196℃)冻住，冻住后关闭阀门4-3，缓慢打开阀门4-2，将所述含SiF4<\/sub>混合气体转移至第一冷阱2-11；关闭阀门4-4，打开阀门4-3，再依次打开阀门4-4、阀门4-5、阀门4-14，进行抽低真空2min，然后关闭阀门4-14，打开阀门4-13，进行抽高真空2min，关闭阀门4-4、阀门4-5和阀门4-13；该步骤能够实现体系中O2<\/sub>的去除；
关闭阀门4-2和阀门4-3，第一冷阱2-11用水浴化冻后再用干冰-丙酮杯(-80℃)冻住，冻住后打开阀门4-3，使混合气体向第二冷阱2-12中转移0.5min；关闭阀门4-3，再次用水浴化冻第一冷阱2-11，然后套上干冰-丙酮杯冻住，冻住后打开阀门4-3，使混合气体继续向第二冷阱2-12中转移2min，然后缓慢依次打开阀门4-4、阀门4-5和阀门4-13，进行抽高真空3min，完成混合气体向第二冷阱2-12中的转移，关闭阀门4-3、阀门4-4、阀门4-5和阀门4-13；该步骤能够实现体系中BrF5<\/sub>与其它干冰-丙酮杯可冷冻的杂质气体的去除；
用干冰-丙酮杯替下第二冷阱2-12的液氮杯、第三冷阱2-13用液氮杯冻住，依次打开阀门4-4和阀门4-5，使混合气体向第一锌粒管2-21中转移1min，然后打开阀门4-6，使混合气体向第三冷阱2-13中转移4min，然后缓慢打开阀门4-7、阀门4-12和阀门4-13，进行抽高真空3min，然后关闭阀门4-4，使混合气体继续向第三冷阱2-13中转移2min，完成混合气体向第三冷阱2-13中的转移；在阀门4-6、阀门4-7和阀门4-8均为关闭的条件下，用干冰-丙酮杯换下第三冷阱2-13的液氮杯，打开阀门4-7和阀门4-8，使混合气体通过第二锌粒管2-22向套有液氮杯的第四冷阱2-14中转移1min，然后在阀门4-11关闭的条件下打开阀门4-10，进行抽高真空7min，完成所得气体(夹杂有极微量杂质气体的SiF4<\/sub>)向第四冷阱2-14中的转移；该步骤中所述第一锌粒管2-21和第二锌粒管2-22的作用是除去混合气体中夹带的BrF5<\/sub>以及微量的BrF3<\/sub>和BrF杂质；
在阀门4-8、阀门4-9和阀门4-10均为关闭的条件下，用水浴使第四冷阱2-14中的气体化冻，打开阀门4-9，将所得纯化SiF4<\/sub>向套有液氮杯的冷指2-3中转移5min，完成纯化SiF4<\/sub>样品的收集；
将所述冷指2-3中的纯化SiF4<\/sub>样品化冻后进入气体同位素质谱仪3中进行硅同位素测定，其中，质谱计的高压为9.123kV，磁场为9509G；同时收集85、86和87三个质量的离子。
在本实用新型中，所述含硅样品优选包括氧化硅或硅酸盐的单矿物；在本实用新型的实施例中，具体是采用NBS-28(石英砂，本领域通用的硅同位素国际标准物质)作为标准物质对本实用新型提供的装置的准确性进行验证，然后以QG(石英玻璃单颗粒，委托北京605厂加工制作)和Gar(石榴石单颗粒，采自福建建阳的花岗伟晶岩中的锰铝榴石)作为待测实际样品进行测定。在本实用新型中，所述含硅样品的质量优选为0.5～1.2mg，纯度优选>99％。在本实用新型中，所述含硅样品中硅含量可低至140μg，在本实用新型的实施例中，具体的，石英砂样品的装样量优选控制在0.5～1mg，石英玻璃单颗粒样品的装样量优选控制在0.5～1mg，石榴石单颗粒样品的装样量优选控制在0.9～1.2mg。本实用新型对于所述含硅样品的粒度没有特殊的限定，满足装样量的要求即可，具体可以是粉末、单颗粒或微小颗粒聚集体。
本实用新型对于所述氟化剂没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的氟化剂即可，具体如BrF5<\/sub>。本实用新型对于所述氟化剂的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售商品即可。在本实用新型中，为了获得高精度的测量结果，所述氟化剂在使用前优选进行纯化处理；具体的，当采用BrF5<\/sub>市售商品作为氟化剂时，本实用新型优选在-70℃(用液氮+乙醇调制)或-80℃(用干冰+丙酮调制)条件下对所述BrF5<\/sub>市售商品进行蒸发处理，以去除BrF5<\/sub>市售商品中存在的微量SiF4<\/sub>、CF4<\/sub>和SF6<\/sub>，实现对其纯化。在本实用新型中，所述蒸发处理的次数优选≥20次，更优选为22～25次；单次蒸发处理的时间优选为3～8min，更优选为5～6min。
下面将结合本实用新型中的实施例，对本实用新型中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
实施例1
本实施例所用红外激光器1-1为美国New Wave公司生产的MIR10型CO 2<\/sub>红外激光器，气体同位素质谱仪3为MAT-253气体同位素质谱计；本实施例所用含硅样品为NBS-28(石英砂，本领域通用的硅同位素国际标准物质)、QG(石英玻璃单颗粒，委托北京605厂加工制作)和Gar(石榴石单颗粒，采自福建建阳的花岗伟晶岩中的锰铝榴石)；本实施例所用氟化剂为经过蒸发处理的BrF5<\/sub>市售商品，具体是将所述BrF5市售商品在-70℃(用液氮+乙醇调制)条件下进行蒸发处理25次，单次蒸发处理的时间为5min。
将含硅样品置于样品盘的装样孔中，将盛放有含硅样品的样品盘置于氟化反应器1-2中，并连接真空系统；
装样后打开阀门4-1～4-14对整个系统进行抽真空去气处理，具体是先用机械泵抽低真空，然后通过涡轮分子泵抽高真空，在抽真空去气处理达到要求后，采用扩散方式向氟化反应器1-2中加入氟化剂进行氟化预处理，以尽可能除去氟化反应器1-2和含硅样品中所吸附的水分和其它易与氟化剂反应的物质；
将足量的氟化剂扩散到氟化反应器1-2中后关闭阀门4-1和阀门4-2，然后启动红外激光器1-1，激光采用连续激光模式，激光能量为20W，光斑直径600μm；在红外激光加热条件下使含硅样品熔化与氟化剂BrF5<\/sub>进行氟化反应1～5min，得到含SiF4<\/sub>混合气体(包括SiF4<\/sub>、O2<\/sub>、BrF5<\/sub>以及微量的BrF3<\/sub>和BrF)；
所述氟化反应完成后，第一冷阱2-11和第二冷阱2-12同时用液氮杯(-196℃)冻住，冻住后关闭阀门4-3，缓慢打开阀门4-2，将所述含SiF4<\/sub>混合气体转移至第一冷阱2-11；关闭阀门4-4，打开阀门4-3，再依次打开阀门4-4、阀门4-5、阀门4-14，进行抽低真空2min，然后关闭阀门4-14，打开阀门4-13，进行抽高真空2min，关闭阀门4-4、阀门4-5和阀门4-13；该步骤能够实现体系中O2<\/sub>的去除；
关闭阀门4-2和阀门4-3，第一冷阱2-11用水浴化冻后再用干冰-丙酮杯(-80℃)冻住，冻住后打开阀门4-3，使混合气体向第二冷阱2-12中转移0.5min；关闭阀门4-3，再次用水浴化冻第一冷阱2-11，然后套上干冰-丙酮杯冻住，冻住后打开阀门4-3，使混合气体继续向第二冷阱2-12中转移2min，然后缓慢依次打开阀门4-4、阀门4-5和阀门4-13，进行抽高真空3min，完成混合气体向第二冷阱2-12中的转移，关闭阀门4-3、阀门4-4、阀门4-5和阀门4-13；该步骤能够实现体系中BrF5<\/sub>与其它干冰-丙酮杯可冷冻的杂质气体的去除；
用干冰-丙酮杯替下第二冷阱2-12的液氮杯、第三冷阱2-13用液氮杯冻住，依次打开阀门4-4和阀门4-5，使混合气体向第一锌粒管2-21中转移1min，然后打开阀门4-6，使混合气体向第三冷阱2-13中转移4min，然后缓慢打开阀门4-7、阀门4-12和阀门4-13，进行抽高真空3min，然后关闭阀门4-4，使混合气体继续向第三冷阱2-13中转移2min，完成混合气体向第三冷阱2-13中的转移；在阀门4-6、阀门4-7和阀门4-8均为关闭的条件下，用干冰-丙酮杯换下第三冷阱2-13的液氮杯，打开阀门4-7和阀门4-8，使混合气体通过第二锌粒管2-22向套有液氮杯的第四冷阱2-14中转移1min，然后在阀门4-11关闭的条件下打开阀门4-10，进行抽高真空7min，完成所得气体(夹杂有极微量杂质气体的SiF4<\/sub>)向第四冷阱2-14中的转移；该步骤中所述第一锌粒管2-21和第二锌粒管2-22的作用是除去混合气体中夹带的BrF5<\/sub>以及微量的BrF3<\/sub>和BrF杂质；
在阀门4-8、阀门4-9和阀门4-10均为关闭的条件下，用水浴使第四冷阱2-14中的气体化冻，打开阀门4-9，将所得纯化SiF4<\/sub>向套有液氮杯的冷指2-3中转移5min，完成纯化SiF4<\/sub>样品的收集；
将所述冷指2-3中的纯化SiF4<\/sub>样品化冻后进入气体同位素质谱仪3中进行硅同位素测定，其中，质谱计的高压为9.123kV，磁场为9509G；同时收集85、86和87三个质量的离子。
含硅样品中硅同位素组成测定结果如表1所示。
表1采用本实用新型提供的装置对含硅样品中硅同位素组成进行测定的结果
申请码:申请号:CN201920083572.9 申请日:2019-01-17 公开号:公开日:国家:CN 国家/省市:11(北京) 授权编号:CN209356446U 授权时间:20190906 主分类号:G01N 27/62 专利分类号:G01N27/62;G01N1/34;G01N1/44 范畴分类:31E; 申请人:中国地质科学院矿产资源研究所 第一申请人:中国地质科学院矿产资源研究所 申请人地址:100000 北京市西城区百万庄大街26号 发明人:高建飞;丁悌平;范昌福;胡斌 第一发明人:高建飞 当前权利人:中国地质科学院矿产资源研究所 代理人:代芳 代理机构:11569 代理机构编号:北京高沃律师事务所 优先权:关键词:当前状态:审核中 类型名称:外观设计
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