方法提要
此方法是将碳酸盐试样与100%磷酸在真空条件下进行恒温反应，用冷冻法分离生成的水，收集纯净的CO2气体，经气体同位素质谱计测定，可同时得到碳酸盐样品的碳、氧稳定同位素δ13C和δ18O的数据。1950年，McCrea首建磷酸法。几十年来，人们对该法进行改进和完善。至今磷酸法仍是对碳酸盐试样的碳、氧稳定同位素组成进行分析的唯一可靠的方法，操作简单，费用低廉，精度好，准确性高。
反应原理为:
岩石矿物分析第四分册资源与环境调查分析技术
仪器、设备和器皿
气体质谱计(MAT-251EM、MAT-252、MAT-253等)。
电动加热磁力搅拌器。
热偶真空计。
复合真空计。
恒温电热干燥箱。
恒温振荡水浴槽。
机械真空泵极限真空10-1Pa。
油扩散泵极限真空10-4Pa。
分析天平。
具塞三角烧瓶500mL。
烧杯2000mL，玻璃棒和表面皿。
电炉220V/1.5kW。
可调变压器。
热偶规管。
电离规管。
样品反应器。
样品管。
保温杯。
升降台。
电热丝。
干燥器。
玛瑙乳钵。
玻璃温度计300℃。
特制弯管小漏斗。
制样装置见图87.6。
图87.6 磷酸法分析碳酸盐碳氧稳定同位素制样装置
整个装置按功能分3部分，如图87.6所示:①产生真空的装置，由机械真空泵和玻璃扩散泵组成。②抽真空的玻璃管线，含真空玻璃活塞A、B的两道管线用来为样品反应器抽真空，含活塞C的部分用于收集样品CO2。③真空测量装置，包括热偶规管、电离规管及热偶真空计、复合真空计。
试剂和材料
去离子水。
过氧化氢。
高标号汽油。
无水乙醇。
真空油脂。
磷酸φ(H3PO4)=85%，ρ=1.55g/mL。
五氧化二磷分析纯。
重铬酸钾。
液氮。
干冰。
变色硅胶。
国家一级标准物质GBW04416和GBW04417。
国际标准物质NBS-19和NBS-18。
分析步骤
(1)准备工作
a.试样的预处理。对于纯净的碳酸盐试样，用玛瑙乳钵研磨至-200目，在烘箱105℃烘干2h，去除吸附水，置干燥器内保存备用。
对于泥质碳酸盐试样，用温热的去离子水浸泡、漂洗数次，去除易溶于水的Li、Na、K类碳酸盐，收集沉淀，105℃烘干备用。
含有有机质的碳酸盐试样，先用过氧化氢浸泡，去除有机物，用去离子水漂洗数次，收集沉淀，105℃烘干备用。
b.样品反应器及收集CO2气体的样品管预处理。样品反应器及样品管的活塞部位的油脂应预先用汽油和无水乙醇清洗干净，反应管先后用汽油、热水、去离子水清洗干净，105℃烘干后，重新涂真空油脂，确保密封良好，塞芯转动自如。
c.100%磷酸的配制，可采取两种方法(操作全过程在通风橱中进行)。
a)将85%磷酸装入具塞三角烧瓶中，放在电动加热磁力搅拌器上，边搅拌边缓慢加入粉末状P2O5，用冷毛巾冷却三角烧瓶，直到密度达1.85g/mL(可视稍过饱和为止)，放置过夜，将此具塞三角烧瓶放入干燥器中保存(以防吸收空气中的水分)，备用。
b)称取367g的P2O5于2000mL烧杯中，缓慢加入500mL85%的磷酸，不断用玻璃棒搅拌，待五氧化二磷溶解后，再加入几毫克重铬酸钾，搅拌均匀，将烧杯敞口置于电炉上加热至200℃，以可调变压器控制温度，不时搅拌，恒温7h，关闭电炉，烧杯盖表面皿，放置过夜。第二天，往烧杯中加入1.5mLH2O2，搅拌均匀。烧杯敞口置于电炉上升温至220℃，恒温5h，关闭电炉。待磷酸冷却至60～70℃，倒入具塞的三角烧瓶中，放入干燥器保存备用。
d.真空系统的准备。视情况清洗真空系统玻璃活塞及磨口上的真空油脂，用电吹风机吹干，并重新涂上真空油脂，确保密封良好，塞芯旋转自如。检查系统有无漏气:冷阱套液氮，启动机械真空泵，当热偶真空计指示达到3Pa后，启动油扩散泵，对全系统进行抽真空试验，系统真空达10-3Pa(由电离真空计指示)即符合要求，可开始进行试样制备。
(2)试样制备
a.称样及抽真空。称取20mg纯净试样，装入反应器底部，在反应器的支管中注入4mL100%的H3PO4(加酸时，用特制的弯管玻璃小漏斗和移液管，很容易将磷酸加入支管而不会沾到反应管管壁上)，迅速将反应器接入真空系统，开始抽真空，冷阱预先套上液氮，以冷冻系统及H3PO4吸附的水汽。同时，用电热丝加热磷酸至60～70℃，连续抽真空2h左右，真空度达到1Pa且磷酸中不再产生气泡后，即可关闭反应器上部的活塞，关闭电热丝电源，关闭抽气系统活塞A和B，并向系统管道放气。将反应器取下，倾斜放置，将支管中的磷酸倾入反应器底部，使磷酸与样品混合，并马上置于已经升温的恒温振荡水浴中，进行恒温反应。
b.恒温反应。由于磷酸与碳酸盐反应生成CO2过程中，氧同位素存在分馏效应。分镏效应的大小与反应温度有关。不同的矿种，在一定温度下分馏系数是不同的常数(表87.10)。
表87.10 碳酸盐矿物的氧同位素分镏系数
计算碳酸盐试样全氧δ18O时，要用到分馏系数，所以反应要恒温。另外，为确保磷酸和碳酸盐试样反应进行完全，并使生成的H2O和CO2之间氧同位素交换达到平衡，要保证足够的反应时间。矿种不同，所需反应温度和反应时间也不同，见表87.11。
表87.11 不同矿物需要的反应温度和反应时间
c.二氧化碳(CO2)的收集。从恒温水浴中取出反应器，马上置于乙醇-干冰(或乙醇-液氮)配制的冷冻剂中，随即接入真空系统。将样品管和系统抽真空至6×10-3Pa，关闭活塞C，将分离部分的冷阱套上冷冻剂(二次脱水)，打开反应器上部的活塞，将样品管套上液氮，4min后关闭反应器活塞，打开抽气系统活塞C，对收集的二氧化碳进行纯化处理，当真空度达到0.1Pa时，关闭样品管活塞和抽气系统活塞C，取下样品管，供质谱测试。
(3)质谱测量
收集的CO2在气体同位素质谱计上进行同位素分析，有3个接收器分别收集质量数为44、45和46的离子，通过待测试样(或工作标准)与参考气直接比较，由连机计算机直接给出试样(或工作标准)相对于参考气的δ45和δ46值，并经校准到试样相对于国际标准物质PDB的δ13CPDB和δ18OPDB值。使用的工作标准为GBW04416和GBW04417。
碳、氧稳定同位素组成测定结果由试样(或标准样)与参考气6次以上的比较测量数据计算平均值并给出标准偏差。
质谱计的测量精度为0.02‰。
(4)分析结果的表述和计算
a.分析结果的表述。碳酸盐中碳、氧同位素组成以其对标准样品中的相应同位素比值的千分差表示，即:
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式中:角标SA、ST分别代表待测试样和标准样。
为便于国际交流，所有测定结果，无论用何种工作标准或参考气，最后都必须以试样相对于国际标准物质PDB的同位素比值的千分差来表述，即δ13CSA-PDB(‰)、δ18OSA-PDB(‰)。
b.分析结果的计算和校正。一般情况下，与气体质谱计联机的计算机已输入了计算公式和计算程序，测试之后，计算机直接给出待测试样的δ13CPDB(‰)和δ18OPDB(‰)值。有时为了特殊要求，例如多个实验室间对同一标准物质进行对比测量，为得到更精确的数据，就以质谱计测得的δ45和δ46为基础，进行计算。
a)采用待测试样与工作标准直接比较时，先计算试样对工作标准的δ13C和δ18O值，即:
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式中:A、B、C和D分别为用工作标准导出的同位素校正常数。
然后根据下述公式计算样品对国际标准物质PDB的δ13C和δ18O值:
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b)采用试样与工作标准分别对参考气CO2进行比较时，先计算出δ45SA-ST和δ46SA-ST值，即:
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然后按公式(87.15)～(87.18)进行计算，最后求得待测试样对国际标准PDB的δ13CPDB和δ18OPDB值。
c)换算成全氧δ18的校正。由于在磷酸与碳酸盐的反应中，CO2-3中的3个氧原子只有两个进入CO2相，质谱测的CO2中的氧只是碳酸盐全氧的2/3，氧同位素存在分馏效应，因此，质谱测出的δ18O值并不是碳酸盐全氧的δ18O值。要得到碳酸盐全氧的δ18O值，必须对所测得的CO2的氧同位素数据进行校正，有时还要进行温差校正。其综合校正式为:
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式中:t1=25℃;t2=50℃或75℃;K为综合校正系数(表87.12)。
表87.12 一些碳酸盐矿物的氧同位素综合校正系数
d)δ18OSMOW的计算:氧同位素具有两个国际标准，PDB和SMOW。为了使用的便利，有时需要将δ18OPDB值变换为δ18OSMOW，计算时，可采用Friedman和O'Neil(1977)的公式:
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式中:δ18OPDB为全氧值。
本方法的重复性和再现性
根据GB6379—87规定，在研制我国碳酸盐碳、氧稳定同位素标准物质GBW04416和GBW04417的过程中，由6个实验室分别对这两个标样各两个试样的双份重复测定结果计算，结果见表87.13。
表87.13 本方法对碳、氧稳定同位素测定的重复性和再现性
注:表中给出的是95%置信概率下的绝对差值。
国际、国内常用碳酸盐碳、氧稳定同位素标准物质
表87.14 常用碳酸盐碳、氧稳定同位素标准物质的数据
注:PDB为美国南卡罗来纳州白垩系皮狄组的美洲拟箭石。
注意事项
1)制样时应避免有机杂质污染试样CO2。清洗制样系统的活塞、磨口及样品管后，不能在烘箱中烘干的，一定要用电吹风机吹干。
2)收集试样CO2时，去水须完全。从恒温水浴取出反应管后，立即放入冷液中把H2O冻住，一可终止试样CO2和H2O之间氧同位素再交换，保持恒温平衡反应结果;二是实现第一次脱水，当CO2经过套有冷液的冷阱再二次脱水，确保样品管收集的CO2不含水。这是获得高精度、高准确度分析结果的关键问题。