miniRUEDI便攜式膜進樣質譜儀測量水體氣體

miniRUEDI便攜式膜進樣質譜儀

miniRUEDI便攜式膜進樣質譜儀是一種便攜式質譜儀，用于定量分析氣體和水中的He（氦）、Ne（氖）、Ar（氬）、Kr（氪）、N?（氮氣）、O?（氧氣）、CO?（二氧化碳）、CH?（甲烷）、H?（氫氣）以及其他氣體成分。

該儀器由瑞士聯邦水生科學技術研究所（Eawag）開發（并持續改進）。專為環境研究設計，能夠在野外偏遠地區進行免維護的現場氣體分析。

其膜進樣器與質譜儀的耦合技術基于氣體平衡膜進樣質譜法，能夠簡單而精確地定量分析流動水（流量?1L/min）中的溶解氣體濃度，無需使用已知氣體濃度的外部水標準進行校準。

儀器的控制軟件和數據處理軟件支持分析結果可重復性、長期分析使用，也允許用戶靈活地實現針對特定應用的氣體分析和數據處理。

主要特點

ü 精確定量分析氣體或水中He、Ne、Ar、Kr、N?、O?、CO?、CH?、H?等成分。

ü 膜進樣方式，能夠準確、無偏差地定量分析水中的溶解氣體。

ü 簡單可靠的校準：使用環境空氣或標準氣體進行校準（不僅適用于氣體分析，也適用于水分析），無需依賴難以制備和處理的已知氣體濃度的水標準，簡化了校準過程。

ü 專為偏遠地區免維護現場氣體分析設計：

2 簡單且自動化的校準

2 低功耗

2 堅固的結構

2 免維護

2 支持遠程控制

技術參數

l 分析范圍：ppm級至100% v/v（已在類似空氣的氣體基質中使用He、Ar和Kr進行測試）

l 分析不確定度：通常為1-3%（已在類似空氣的氣體基質中對He、Ar、Kr、N?和O?進行測試）

l 校準：使用環境空氣作為標準氣體，用于分析類似空氣的氣體或水中的He、Ar、Kr、N?和O?

l 氣體入口：常壓下設有6個進氣口（可根據要求增加進氣口數量）

l 樣品氣體消耗量低：≤0.1 mL/min

l 尺寸和重量（包括便攜箱）：80cm×52cm×32cm，32kg

l 電源：24V（DC），可使用110-230V交流電（AC）電源轉換器（隨附）或電池、太陽能電池板等供電

l 功耗：50W（正常運行時）

l 軟件：用于儀器控制和數據處理，支持靈活實現定制分析程序和數據處理（支持Python、GNU Octave）。

配件

l GE-MIMS膜模塊：用于水中溶解氣體分析。

l 總氣體壓力傳感器（例如，用于GE-MIMS分析），與ruediPy軟件兼容。

l 溫度傳感器（例如，用于GE-MIMS分析），與ruediPy軟件兼容。

應用案例

案例1：富士山深層地下水研究

Oliver Schilling及其團隊結合miniRUEDI數據、環境DNA和釩示蹤劑，觀察到富士山的淡水泉水不僅由高海拔地區的補給水供給，還受到深層地下水的上涌影響，富士山的水文系統比以往認為的更為復雜。

案例2：波阿斯（Poas）火山氣體分析

Alan Seltzer和Mike Broadley等用miniRUEDI分析波阿斯火山氣孔中的氣體。

案例3:探測地下水流向

瑞士聯邦水生科學技術研究所（Eawag）與其合作伙伴CHYN和Rhesi使用miniRUEDI追蹤了一條大型河流附近的地下水流向。為了模擬河流修復后可能發生的自然侵蝕事件，河床被人工挖掘。研究人員通過向不同的地下水流注入不同的稀有氣體，并利用miniRUEDI監測附近抽水井中的突破曲線。這一注入實驗在一年內重復了多次。這些測量結果揭示了河流與地下水交換如何隨著河床的挖掘和侵蝕后的“愈合"而變化。這一新的示蹤工具及其帶來的見解對于修復河流系統附近的地下水管理和飲用水生產具有重要意義。

案例4：研究地下水的PCE污染

Chrisitan Moeck和Ewag使用miniRUEDI研究了城市水系統中的地下水流動和過氯乙烯（PCE）的輸送。他們使用miniRUEDI測量溶解的He濃度，以建立與³H/³He地下水年齡的關系，表征水流并提供地下水系統的概念。地下水年齡數據（miniRUEDI He, ³H/³He）與水化學數據、水同位素（¹⁸O和²H）和PCE濃度相結合，顯示了人工入滲地下水與區域流道水之間的空間混合。此外，地下水年齡與PCE濃度的相關性解釋了地下水系統中PCE污染的空間分布。同時，觀察到斷層提供了優先的流動路徑，導致PCE濃度升高。

案例5: miniRUEDI在DIVE項目中的應用

法國格勒諾布爾的Isterre實驗室和德國波茨坦的GFZ（德國地球科學研究中心）在DIVE國際大陸鉆探計劃（ICDP）項目中合作，實時監測鉆井過程中的氣體。在意大利Ivrea-Verbano地區，鉆探了兩個近千米深的鉆孔，以探測深部大陸地殼及其向地幔的過渡。miniRUEDI與其他氣體分析儀一起，在整個鉆井過程中成功部署（連續兩次，每次四個月不間斷運行）。由格勒諾布爾阿爾卑斯大學的博士Hugo Dutoit負責監測工作，數據表明，深層裂隙流體的遷移可以通過泥漿氣體測井進行追蹤。

案例6：miniRUEDI不僅限于地下水研究，而是作為多氣體示蹤劑測試的新工具

瑞士聯邦水生科學技術研究所（Eawag）與納沙泰爾大學（Uni Neuchatel）合作，開發并測試了miniRUEDI作為使用不同稀有氣體進行人工示蹤測試的工具。

在第一次測試中，氦氣脈沖被注入河流中。miniRUEDI用于分析附近地下水系統中的氦濃度，觀測到的氦突破曲線表明河水大量流失至下方的含水層。在第二次測試中，不同稀有氣體（氦、氪和氙）的多次脈沖被分別注入含水層的不同位置。miniRUEDI用于記錄下游地下水流中不同氣體的突破曲線，從而揭示了地下水流場的變化，并展示了流場如何響應附近河流與含水層之間水力連通性的改變。在這兩次測試中，miniRUEDI高效地提供了關于河流與地下水交換及其對地下水質量影響的有價值的新見解。

案例7:miniRUEDI揭示氣體如何控制飲用水中砷的積累

Alex Lightfoot和瑞士聯邦水生科學技術研究所（Eawag）、澳大利亞聯邦科學與工業研究組織（CSIRO）、荷蘭地下水系統研究計劃（RIBES）以及卡爾斯魯厄理工學院（KIT）的研究者使用miniRUEDI研究了地下水與紅河三角洲（越南）含水層中氣體的相互作用。研究表明了氣體如何控制地下水中砷的遷移和積累。