miniRUEDI便携式膜进样质谱仪

miniRUEDI是一种便携式质谱仪，用于定量分析气体和水中的He（氦）、Ne（氖）、Ar（氩）、Kr（氪）、N₂（氮气）、O₂（氧气）、CO₂（二氧化碳）、CH₄（甲烷）、H₂（氢气）以及其他气体成分。

该仪器由瑞士联邦水生科学技术研究所（Eawag）开发（并持续改进）。专为环境研究设计，能够在野外偏远地区进行免维护的现场气体分析。

其独特的膜进样器与质谱仪的耦合技术基于气体平衡膜进样质谱法，能够简单而精确地定量分析流动水（流量≳1L/min）中的溶解气体浓度，无需使用已知气体浓度的外部水标准进行校准。

仪器的控制软件和数据处理软件支持分析结果可重复性、长期分析使用，也允许用户灵活地实现针对特定应用的气体分析和数据处理。

主要特点

• 精确定量分析气体或水中He、Ne、Ar、Kr、N₂、O₂、CO₂、CH₄、H₂等成分。
• 独特的膜进样方式，能够准确、无偏差地定量分析水中的溶解气体。
• 简单可靠的校准：使用环境空气或标准气体进行校准（不仅适用于气体分析，也适用于水分析），无需依赖难以制备和处理的已知气体浓度的水标准，简化了校准过程。
• 专为偏远地区免维护现场气体分析设计：

简单且自动化的校准

低功耗

坚固的结构

免维护

支持远程控制

技术参数

• 分析范围：ppm级至100% v/v（已在类似空气的气体基质中使用He、Ar和Kr进行测试）
• 分析不确定度：通常为1-3%（已在类似空气的气体基质中对He、Ar、Kr、N₂和O₂进行测试）
• 校准：使用环境空气作为标准气体，用于分析类似空气的气体或水中的He、Ar、Kr、N₂和O₂
• 气体入口：常压下设有6个进气口（可根据要求增加进气口数量）
• 样品气体消耗量低：≤0.1 mL/min
• 尺寸和重量（包括便携箱）：80cm×52cm×32cm，32kg
• 电源：24V（DC），可使用110-230V交流电（AC）电源转换器（随附）或电池、太阳能电池板等供电
• 功耗：50W（正常运行时）
• 软件：用于仪器控制和数据处理，支持灵活实现定制分析程序和数据处理（支持Python、GNU Octave）。

配件

• GE-MIMS膜模块：用于水中溶解气体分析。
• 总气体压力传感器（例如，用于GE-MIMS分析），与ruediPy软件兼容。
• 温度传感器（例如，用于GE-MIMS分析），与ruediPy软件兼容。

应用案例

案例1：富士山深层地下水研究

Oliver Schilling及其团队结合miniRUEDI数据、环境DNA和钒示踪剂，观察到富士山的淡水泉水不仅由高海拔地区的补给水供给，还受到深层地下水的上涌影响，富士山的水文系统比以往认为的更为复杂。

文章：Schilling, O.S., Nagaosa, K., Schilling, T.U. et al. Revisiting Mt Fuji’s groundwater origins with helium, vanadium and environmental DNA tracers. Nat Water 1, 60–73 (2023). https://doi.org/10.1038/s44221-022-00001-4

案例2：波阿斯（Poas）火山气体分析

Alan Seltzer和Mike Broadley等用miniRUEDI分析波阿斯火山气孔中的气体。

案例3:探测地下水流向

瑞士联邦水生科学技术研究所（Eawag）与其合作伙伴CHYN和Rhesi使用miniRUEDI追踪了一条大型河流附近的地下水流向。为了模拟河流修复后可能发生的自然侵蚀事件，河床被人工挖掘。研究人员通过向不同的地下水流注入不同的稀有气体，并利用miniRUEDI监测附近抽水井中的突破曲线。这一注入实验在一年内重复了多次。这些测量结果揭示了河流与地下水交换如何随着河床的挖掘和侵蚀后的“愈合”而变化。这一新的示踪工具及其带来的见解对于修复河流系统附近的地下水管理和饮用水生产具有重要意义。

案例4：研究地下水的PCE污染

Chrisitan Moeck和Ewag使用miniRUEDI研究了城市水系统中的地下水流动和过氯乙烯（PCE）的输送。他们使用miniRUEDI测量溶解的He浓度，以建立与³H/³He地下水年龄的关系，表征水流并提供地下水系统的概念。地下水年龄数据（miniRUEDI He, ³H/³He）与水化学数据、水同位素（¹⁸O和²H）和PCE浓度相结合，显示了人工入渗地下水与区域流道水之间的空间混合。此外，地下水年龄与PCE浓度的相关性解释了地下水系统中PCE污染的空间分布。同时，观察到断层提供了优先的流动路径，导致PCE浓度升高。

文章：C. Moeck, A.L. Popp, M.S. Brennwald, R. Kipfer, M. Schirmer: Combined method of 3H/3He apparent age and on-site helium analysis to identify groundwater flow processes and transport of perchloroethylene (PCE) in an urban area. J. Contaminant Hydrology, doi: 10.1016/j.jconhyd.2021.103773

案例5: miniRUEDI在DIVE项目中的应用

法国格勒诺布尔的Isterre实验室和德国波茨坦的GFZ（德国地球科学研究中心）在DIVE国际大陆钻探计划（ICDP）项目中合作，实时监测钻井过程中的气体。在意大利Ivrea-Verbano地区，钻探了两个近千米深的钻孔，以探测深部大陆地壳及其向地幔的过渡。miniRUEDI与其他气体分析仪一起，在整个钻井过程中成功部署（连续两次，每次四个月不间断运行）。由格勒诺布尔阿尔卑斯大学的博士Hugo Dutoit负责监测工作，数据表明，深层裂隙流体的迁移可以通过泥浆气体测井进行追踪。

案例6：miniRUEDI不仅限于地下水研究，而是作为多气体示踪剂测试的新工具

瑞士联邦水生科学技术研究所（Eawag）与纳沙泰尔大学（Uni Neuchatel）合作，开发并测试了miniRUEDI作为使用不同稀有气体进行人工示踪测试的工具。

在第一次测试中，氦气脉冲被注入河流中。miniRUEDI用于分析附近地下水系统中的氦浓度，观测到的氦突破曲线表明河水大量流失至下方的含水层。在第二次测试中，不同稀有气体（氦、氪和氙）的多次脉冲被分别注入含水层的不同位置。miniRUEDI用于记录下游地下水流中不同气体的突破曲线，从而揭示了地下水流场的变化，并展示了流场如何响应附近河流与含水层之间水力连通性的改变。在这两次测试中，miniRUEDI高效地提供了关于河流与地下水交换及其对地下水质量影响的有价值的新见解。

文章：

1. T. Blanc, M. Peel, M.S. Brennwald, R. Kipfer, P. Brunner: Use of helium as an artificial tracer to study surface water/groundwater exchange. EGU21-9005, doi: 10.5194/egusphere-egu21-9005

2. M.S. Brennwald, M. Peel, T. Blanc, Y. Tomonaga, R. Kipfer, P. Brunner, D. Hunkeler: New Experimental Tools to Use Noble Gases as Artificial Tracers for Groundwater Flow. Frontiers Water, doi: 10.3389/frwa.2022.925294

案例7:miniRUEDI揭示气体如何控制饮用水中砷的积累

Alex Lightfoot和瑞士联邦水生科学技术研究所（Eawag）、澳大利亚联邦科学与工业研究组织（CSIRO）、荷兰地下水系统研究计划（RIBES）以及卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）的研究者使用miniRUEDI研究了地下水与红河三角洲（越南）含水层中气体的相互作用。研究表明了气体如何控制地下水中砷的迁移和积累。

文章：Alexandra K. Lightfoot, Matthias S. Brennwald, Henning Prommer, Emiliano Stopelli, Michael Berg, Martyna Glodowska, Magnus Schneider, Rolf Kipfer. Noble gas constraints on the fate of arsenic in groundwater. Water Research, doi: 10.1016/j.watres.2022.118199

在用客户

1. Entracers GmbH, Switzerland——瑞士Entracers GmbH公司
2. Federal Institute for Geosciences and Natural Resources (BGR), Germany——德国联邦地球科学和自然资源研究所
3. Flinders University, Australia——弗林德斯大学，澳大利亚
4. Geochemical Insight, USA——地球化学洞察，美国
5. Geological Survey of Israel——以色列地质调查局
6. GFZ German Research Centre for Geosciences, Helmholtz Centre Potsdam——德国地球科学研究中心，波茨坦亥姆霍兹中心
7. Helium One——Helium One公司，英国
8. Institut des Science de la Terre (ISTerre), Université Grenoble Alpes, France——法国格勒诺布尔阿尔卑斯大学土地科学研究所
9. International Atomic Energy Agency (IAEA)——国际原子能机构
10. Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources (KIGAM)——韩国地质矿产研究院
11. Landesamt für Bergbau und Geologie (LBEG), Germany——下萨克森州矿业与地质局，德国
12. Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL), USA——劳伦斯伯克利国家实验室，美国
13. Massachusetts Institute of Technology (MIT), USA——美国麻省理工学院，美国
14. Max Planck Institute of Chemistry (MPIC), Germany——德国马克斯普朗克化学研究所，德国
15. Mont Terri Project, Switzerland——蒙特特里项目，瑞士
16. National Cooperative for the Disposal of Radioactive Waste (NAGRA), Switzerland——瑞士国家放射性废物处理中心
17. Natural Resources Canada (NRCAN)——加拿大自然资源部
18. Nikkyo Technos, Japan——Nikkyo科技公司，日本
19. SCK CEN (Belgian Nuclear Research Centre)——比利时核研究中心
20. Swiss Federal Institute of Aquatic Science and Technology (Eawag)——瑞士联邦水产科学技术研究所
21. Swiss Federal Institute of Technology in Lausanne (EPFL)——瑞士洛桑联邦理工学院
22. Swiss Federal Institute of Technology in Zürich (ETH)——瑞士联邦理工学院
23. TOTAL, France——法国TOTAL公司
24. United States Geological Survey (USGS)——美国地质调查局
25. University of Basel, Switzerland——巴塞尔大学，瑞士
26. University of Connecticut, USA——康涅狄格大学，美国
27. University of Corsica, France——科西嘉大学，法国
28. University of Dar es Salaam, Tanzania——达累斯萨拉姆大学，坦桑尼亚
29. University of Geneva, Switzerland——日内瓦大学，瑞士
30. University of Konstanz, Germany——康斯坦茨大学，德国
31. University of Nanjing, China——南京大学，中国
32. University of Neuchatel, Switzerland——纳沙泰尔大学，瑞士
33. University of Oslo, Norway——奥斯陆大学，挪威
34. University of Ottawa, Canada——渥太华大学，加拿大
35. University of Oxford, England——牛津大学，英国
36. University of Quebec Montreal (UQAM), Canada——魁北克蒙特利尔大学（UQAM），加拿大
37. Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI), USA——伍兹霍尔海洋研究所（WHOI），美国

参考文献

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3.Brennwald, M. S., et al. (2022). Gas-equilibrium membrane inlet mass spectrometry with accurate quantification of dissolved-gas partial pressures (GE-MIMS-APP) (Patent No. EP 4109092).

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13.Mtili, K. M., Byrne, D. J., Tyne, R. L., Kazimoto, E. O., Kimani, C. N., Kasanzu, C. H., Hillegonds, D. J., Ballentine, C. J., & Barry, P. H. (2021). The origin of high helium concentrations in the gas fields of southwestern Tanzania. Chemical Geology, 585, 120542. https://doi.org/10.1016/j.chemgeo.2021.120542

14.Flohr, A., Matter, J. M., James, R. H., Saw, K., Brown, R., Gros, J., Flude, S., Day, C., Peel, K., Connelly, D., Pearce, C. R., Strong, J. A., Lichtschlag, A., Hillegonds, D. J., Ballentine, C. J., & Tyne, R. L. (2021). Utility of natural and artificial geochemical tracers for leakage monitoring and quantification during an offshore controlled CO2 release experiment. International Journal of Greenhouse Gas Control, 111, 103421. https://doi.org/10.1016/j.ijggc.2021.103421

15.Anbar, A., & Weis, D. (Eds.). (2025). Treatise on Geochemistry (3rd ed.). Elsevier. https://doi.org/10.1016/B978-0-323-99762-1.09959-9

16.Weber, U. W., Kipfer, R., Horstmann, E., Ringrose, P., Kampman, N., Tomonaga, Y., Brennwald, M. S., & Sundal, A. (2021). Noble gas tracers in gas streams at Norwegian CO2 capture plants. International Journal of Greenhouse Gas Control, 106, 103238. https://doi.org/10.1016/j.ijggc.2020.103238

17.Newman, C. P., Humphrey, C. E., Brennwald, M. S., Gardner, W. P., Palko, K. M., Gooseff, M., & Solomon, D. K. (2024). High resolution identification and quantification of diffuse deep groundwater discharge in mountain rivers using continuous boat-mounted helium measurements. Journal of Hydrology, 640, 131717. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2024.131717

18.Blanc, T., Peel, M., Brennwald, M. S., Kipfer, R., & Brunner, P. (2024). Efficient injection of gas tracers into rivers: A tool to study Surface water–Groundwater interactions. Water Research, 254, 121375. https://doi.org/10.1016/j.watres.2024.121375

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产地与厂家：瑞士 Gasometrix GmbH