稳定同位素比例质谱仪(IRMS)的原理和应用

1、稳定同位素比例质谱仪 (IRMS) 的原理和应用稳定同位素比例质谱仪 (IRMS) 的原理与应用祁彪 ,崔杰华(中国科学院沈阳应用生态研究所农产品安全与环境质量检测中心同位素质谱最初就是伴随着核科学与核工业的发展而发展起来的展的重要实验基础。当前我国同位素质谱技术已深入到矿床同位素地球化学、位素地球化学、 无机稳定同位素地球化学等各个方面,并在国家一系列重大攻关与研究课题中发挥重大作用 ,如金矿与石油天然气研究、 水资源开发等。 稳定同位素技术的出现加深了生态学家对生态系统过程的 进一步了解 ,使生态学家可以探讨一些其它方法无法研究的问题。与其它技术相比 点在于使得这些生态与环境科学问题的研究

2、能够定量化并且就是在没有干扰 境危害 )的情况下进行。有些问题还只能通过利用稳定同位素技术来解决。现在 大学 ,已经开始使用高精度同位素质谱计从事合理用肥、果实营养、固氮分析、农药毒性、家畜气候对作 物的影响以及食品质量控制等多方面的研究工作。 与原子能与地质研究工作相比较 ,在农业与食品方面应 用同位素方法从事科研与检测工作,正处于方兴未艾阶段 ,随着人类社会发展 ,对农业的要求越来越高 , 今后大力开展与普及用现代化方法研究农业增产、 改善果实质量以及进行食品质量控制检测的工作前途无 限广阔。,沈阳 ,110016) ,同位素质谱就是同位素地质学发 岩石年代学、有机稳定同，稳定同位素技术的

3、优(如没有放射性同位素的环，有许多农业研究机构与有关同位素的基本概念同位素 (Isotope) 由于原子核所含有的中子数不同,具有相同质子数的原子具有不同的质量,这些原子被称为同位素。例如，碳的3个主要同位素分别为12C、13C与14C,它们都有6个质子与6个电子，但中子数则分别为6、7 与1、2、如13C、8。 稳定同位素 (Stable isotope) 同位素可分为两大类：放射性同位素(radioactive isotope)与稳定同位素(stable isotope)。 凡能自发地放出粒子并衰变为另一种同位素者为放射性同位素。无可测放射性的同位素就是稳定同位素。其中一部分就是放射性同位

4、素衰变的最终稳定产物。例206pb与87Sr等。另一大部分就是天然的稳定同位素，即自核合成以来就保持稳定的同位素，例如12C与18O与16O等。与质子相比，含有太多或太少中子均会导致同位素的不稳定性，如14C。这些不稳定的“放射性同位素 ”将会衰变成稳定同位素。3、同位素丰度 (Isotope abundance) 绝对丰度 ：指某一同位素在所有各种稳定同位素总量中的相对份额，常以该同位素与1012)或28Si(28Si = 106)的比值表示。这种丰度一般就是由太阳光谱与陨石的实测结果给出元素组成 各元素的同位素组成计算的。 相对丰度：指同一元素各同位素的相对含量。例如12C = 98、89

5、2%,13C= 1、108%。由两种或两种以上同位素组成，少数元素为单同位素元素，例如19F= 100%。4、R值与5值 一般定义同位素比值R 为某一元素的重同位素原子丰度与轻同位素原子丰度之比、1H（取 1H=,结合大多数元素例如 D/H 、13C/12C、 34S/32S 等，由于轻元素在自然界中轻同位素的相对丰度很高 ，而重同位素的相对丰度都很低 ，R 值就很低且冗长繁琐不便于比较，故在实际工作中通常采用样品的5值来表示样品的同位素成分。 样品(sq)的同位素比值 Rsq与一标准物质(st)的同位素比值(Rst)比较,比较结果称为样品的5值。其定义为 ：5 (%o)=(Rsq/Rst 1

6、) X 1000 即样品的同位素比值相对于标准物质同位素比值的千分差。同位素标准 (Isotope standard)5值的大小显然与所采用的标准有关，所以在作同位素分析时首先要选择合适的标准，不同的样品间的比较也必须采用同一标准才有意义。对同位素标准物质的一般要求就是：(a) 组成均一性质稳定 ;(b)(c)(d)(e)数量较多 ，以便长期使用 ； 化学制备与同位素测量的手续简便 ； 大致为天然同位素比值变化范围的中值，便用于绝大多数样品的测定可以做为世界范围的零点。(IAEA) 与美国国家标准与技术研究所 (NIST)目前国际通用的同位素标准就是由国际原子能委员会颁布的 ，其主要的分析标准

7、与数据报道如下：(a) 氢同位素：分析结果均以标准平均大洋水 (Standard Mean Ocean Water,即 SMOW)为标准报导， 这就是一个假象的标准 ，以它作为世界范围比较的基点 ，其 D/H SMOW =(155 、 76± 0、 10)X 10-6。事实上 并不存在 SMOW 这样一种无知 ，它就是根据 NBS-1 定义的 ，NBS-1 就是由 NBS 分发的一个水样 ，它就 是用Potome河水制成的蒸馏水，相对于SMOW,其氢同位素比值为：5 Dnbs-1 = - 47、6%o。后来IAEA分 发了两个用作同位素标准的水样 V SMOW与SLAP,其氢同位素比

8、值分别为5 Dvsmow = 0 %0。5 Dslap = 428 %。(b) 碳同位素:标准物质为美国南卡罗来纳州白垩纪皮 狄组层位中的拟箭石化 石(P eedee Belemnite,即 PDB),其 13C/12C =(11237、2± 90) X 10 6,定义其 5 13C= 0%°。(c) 氧同位素 ：大部分氧同位素分析结果均以SMOW 标准报导 ，它就是根据水样NBS- 1 定义的,18O/16O SMOW = (2005、2± 0、43) X 10 6, 17O/16O SMOW = (373 ± 15) X 10 6;而在碳酸盐样品氧同

9、位 素分析中则经常采用PDB标准，其18O/16O= 2067、1 X106,它与SMOW标准之间存在转换关系。相对于SMOW,NBS1 的样同位素比值为 ：518ONBS1=7、 94%。两个 IAEA 标准水样 VSMOW 与 SLAP 的氧同位素比值分别为 ：5 18OVSMOW = 0% 。518OSLAP=55、 50%。O氮同位素：选空气中氮气为标准。15N/14N = (3、676、5± 8、1) X 106,定义其5 15N = 0%°。 硅同位素：硅同位素组成常以 30Si/28Si比值表示，标准就是石英砂 NBS -28,定义其5 30Si =(d) 硫

10、同位素 ：标准物质选用 Canyon Diablo 铁陨石中的陨硫铁 (Troilite), 简称 CDT。 34S/32S CDT= 0、 0450045± 93,定义 CDT 的5 34S= 0% 。( e)( f )0% 。硼同位素 :采用 SRM951 硼酸做为标准 ，NBS 推荐的 11B/10B 比值为 4、04362±0、00137，定义 其5 11B = 0%0。( g)稳定同位素比例质谱仪 (IRMS) 工作原理简介(mass spectrometer 或 ，所以 ，要求将被研究的原 m/e。近百年来，人们利用质 ， 形成质谱法 (mass质谱就是按照原子

11、 (分子)质量的顺序排列的图谱。利用光谱法、核感应法或微波吸收法都可以构成 试验装置 ，进行质谱研究 ；而历史上把基于电磁学原理设计而成的仪器叫做质谱仪 mass spectrograph)。因此种仪器中采用的质量分析器只能对带电粒子起分离作用 子(分子)转变成离子，而仪器所获得的信息则就是离子的质量m与电荷e之比谱仪进行了原子量测定、同位素分离与分析、有机物结构分析与其它科学实验 spetromettry或mass spetroscopy),其在现代分离、分析研究领域中占有重要地位。;®可以进行快速分析与实时检测：即可进行定性分析，也可定量分析；测量准确度与精密度较高： 仪器结构复

12、杂，造价较高。同位素比例质谱仪就 ，按照质荷比(m/e)进行分离从而测定同位素质量与相对含量的科学实验仪质谱仪器的主要特点有：擅长同位素分析：可以进行多种形态样品(气体、液体、固体、常温、 高温、常量、微量)分析;可以同时(或顺序)检测多种成分：可以连续(或间歇)进样、连续分析； 可以提供丰富的结构信息 样品用量少，灵敏度很高： 是利用离子光学与电磁原理 器。1、IRMS 的基本测量过程 在稳定同位素分析中均以气体形式进行质谱分析，因此常有气体质谱仪之称。同位素质谱分析仪的测量过程可归纳为以下步骤 ：将被分析的样品以气体形式送入离子源；把被分析的元素转变为电荷为e的阳离子，应用纵电场将离子束准

13、直成为一定能量的平行离子束；利用电、磁分析器将离子束分解为不同m/e比值的组分；记录并测定离子束每一组分的强度；应用计算机程序将离子束强度转化为同位素丰度；将待测样品与工作标准相比较，得到相对于国际标准的同位素比值。IRMS的基本原理：同位素比例质谱仪的原理就是首先将样品转化成气体(如CO2，N2，SO2或H2)，在离子源中将气体分子离子化(从每个分子中剥离一个电子，导致每个分子带有一个正电荷)，接着将离子化气体打入飞行管中。飞，具有特定质量的离子束强度。由 以C02为例,需要有三个法拉第收 ，从而可以精确测定不同质量离子之行管就是弯曲的，磁铁置于其上方，带电分子依质量不同而分离，含有重同位素

14、的分子弯曲程度小于含轻同 位素的分子。在飞行管的末端有一个法拉第收集器，用以测量经过磁体分离之后 于它就是把样品转化成气体才能测定，所以又叫气体同位素比例质谱仪。集器来收集质量分别为 44、45与46的离子束。不同质量离子同时收集 间的比率。带电粒子在磁场中运动时发生偏转，偏转程度与粒子的质荷比m/e成反比。带电离子携带电荷 e'，通过电场时获得能量e'V，它应与该离子冬动能相等：1/2m' v'2= e' V(1)式中m'与V'分别为粒子的质量与速度，e'为粒子电荷,V为电压。带电粒子沿垂直磁力线方向进入磁场时,受到洛仑兹力作用

15、，此力垂直于磁场方向与运动方向，力的大小为：F=e' VB/ c式中B为磁场强度,c为光速。合并(1)与式，得到：F= Be'脅=研cvm，带电粒子在磁场中运动时因洛仑兹显然,F为粒子质量的函数，确切来说就是荷质比jeTm的函数。据此 力而偏转，导致不同质量同位素的分离，重同位素偏转半径大，轻同位素偏转半径小。例如 量。3、实际测定中，不就是直接测定同位素的绝对含量，因为这一点很难做到；而就是测定两种同位素的比值 180/160或34S/32S等。用作稳定同位素分析的质谱仪就是将样品与标准的同位素比值作对比进行测IRMS的基本结构同位素比例质谱仪与其它质谱仪一样，其结构主要可分

16、为进样系统、离子源、质量分析器与检测器四 部分，此外还有电气系统与真空系统支持。(a) 进样系统：即把待测气体导入质谱仪的系统。它要求导入样品但不破坏离子源与分析室的真空。为避免扩散引起的同位素分馏，要求在进样系统中形成粘滞性气体流，即气体的分子平均自由路径小于储样器与气流管道的直径，因此气体分之间能够彼此频繁碰撞，分子间相互作用，形成一个整体。(b) 离子源：在离子源中，待测样品的气体分子发生电离 ，加速并聚焦成束。针对某种元素，往往可以 采用不止一种离子源测定同位素丰度。对离子源的要求就是电离效率高，单色性好。(c) 质量分析器：接收来自质量分析器的具有不同荷质比的离子分开。主体为一扇形磁

17、铁。要求 其分离大，聚焦效果好。(d) 离子检测器：接收来自质量分析器的具有不同荷质比俄离子束 ，并加以放大与记录。由离子接 收器与放大测量装置组成。离子通过磁场后 ，待分析离子束通过特别的狭缝后 ，重新聚焦落到接收器上并 收集起来。接收器一般为法拉第筒。现代质谱仪都有两个或多个接收器以便同时接收不同质量数的离子束,交替车辆样品与标准的同位素比值并将两者加以比较，可以得到高的测量精度。对检测部分的要求就是灵敏度高，信号不畸变。4、IRMS 的主要部件 中国科学院沈阳应用生态研究所农产品安全与环境质量检测中心的 Finnigan MAT DeltaplusXP 同位 素比例质谱仪就是一种用于精密

18、测定13C、15N 、18O 与 34S 同位素比值的中型质谱仪。 该 IRMS 系统部件主要由系统主机、四个外设、两个接口与一个工作站组成。 主机即质谱仪 ,由离子源、质量分析器、检测器、电气系统以及真空系统组成。 四个外设包括 :燃烧型元素分析仪 (flash EA1112) 、高温裂接元素分析仪 (TC/EA) 、气相色谱仪 (GC) 与预浓缩装置 (PreCon)。 两个接口 ：连接元素分析仪的连续流接口 (即Conflo川)与连接气相色谱仪的带燃烧、裂接的接 口 (GCC) 。 一个工作站 ：一台运行控制程序 ISODAT NT 的奔腾计算机。IRMS 分析技术的应用随着同位素质谱测

19、试技术的改进,大大拓宽了稳定同位素的研究领域。除了人们所熟知的“稳定同位素地球化学 ”已形成一门独立的学科外 ,稳定同位素技术还应用于农业、医学与环境科学研究领域。通过 同位素分析 ,可以得知农作物施肥的最佳配方比与时间;诊疗病症 ;了解物品组成成分与来源 ;推断古气候及环境条件特征总结它的应用主要分为两个方面 ： 各种物质同位素5值存在着天然的差异。 稳定同位素示踪方法同位素质谱测试技术应用的几个实例 ：1、同位素比例质谱法鉴别海洛因来源 当前,毒品来源推断技术已成为国际上的研究热点之一。化合物的稳定同位素比值被称为该化合物的“同位素签字 ”,它能反映化合物的来源信息。海洛因就是由不啡经二乙

20、酰化得到,海洛因的 13C 同位素比值能反映海洛因的合成与来源信息 ,但由于乙酰基对 13C 的贡献 ,不能完全反映不啡来源地信息。因此,为研究海洛因的来源地 ,应排除乙酰基的影响 ,即把海洛因水解为不啡 ,再测定不啡的 13C 同位素比值来推断其 原产地。2、生态系统中污染物的监测与环境保护在不同环境条件下 ,稳定同位素的组成会有一定的差异。譬如不同来源的含氮物质可以具有不同的氮同位素组成 ,因此氮同位素就是一种很好的污染物指示剂。目前,化肥的使用非常普遍 ,土壤中的氮肥及其它的含氮有机物随着水土的流失而流进江河湖海，因此5 15N值可以作为水域环境污染程度指标。3、食品质量控制方面的应用根据植物C3与C4循环产物的5 13C值得不同，碳同位素技术在食品质量控制方面可以发挥特别的作 用，能够解决常规分析技术解决不了的问题。例如，常规归分析技术无法分别甜菜糖与蔗糖，但甜菜就是 C3植物,5 13C约为一25、5%。,蔗糖就是C4植物,5 13C约为一11、5%。，应用碳同位素技术则可以轻而易举地 加以区分。同样枫树就是 C3植物,5 13C = -22、4%一25、5%,所以在枫树糖浆中若掺入蔗糖，用5 13C分析即可检出。同样的方法可以鉴别