稳定同位素质谱仪应用技术培训讲义
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）的原理和应用祁彪，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，沈阳，110016）同位素质谱最初是伴随着核科学与核工业的发展而发展起来的，同位素质谱是同位素地质学发展的重要实验基础。
当前我国同位素质谱技术已深入到矿床同位素地球化学、岩石年代学、有机稳定同位素地球化学、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和研究课题中发挥重大作用，如金矿和石油天然气研究、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，稳定同位素技术的优点在于使得这些生态和环境科学问题的研究能够定量化并且是在没有干扰（如没有放射性同位素的环境危害）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，有许多农业研究机构和大学，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。
与原子能和地质研究工作相比较，在农业和食品方面应用同位素方法从事科研和检测工作，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，今后大力开展和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。
一、有关同位素的基本概念1、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和14C，它们都有6个质子和6个电子，但中子数则分别为6、7和8。
2、稳定同位素（Stable isotope）同位素可分为两大类：放射性同位素（radioactive isotope）和稳定同位素（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是稳定同位素。
稳定同位素质谱仪操作指南
稳定同位素质谱仪操作指南英文回答：Stable isotope mass spectrometry (SIMS) is a powerful analytical technique used to measure the isotopic composition of elements in a sample. It is widely used in various fields, including geology, biology, environmental science, and forensics. Operating a SIMS instrument requires careful attention to detail and a good understanding of the instrument's components and settings. In this guide, I will provide step-by-step instructions on how to operate a stable isotope mass spectrometer.Step 1: Preparation.Before starting the instrument, ensure that the sample is properly prepared. This may involve purification, extraction, or other pre-treatment steps depending on the nature of the sample. It is important to follow established protocols and use appropriate reagents and equipment.Step 2: Instrument Startup.Turn on the power to the mass spectrometer and any associated peripherals, such as the gas chromatograph or elemental analyzer. Allow sufficient time for the instrument to warm up and stabilize. Check the instrument's software and make sure it is properly calibrated and up to date.Step 3: Sample Loading.Load the prepared sample onto the sample introduction system. This may involve injecting a liquid sample into a gas chromatograph or directly introducing a solid sample into the mass spectrometer. Follow the manufacturer's instructions for sample loading and ensure that the sample is properly sealed and secured.Step 4: Instrument Calibration.Perform instrument calibration using known isotopicstandards. This step is crucial for accurate measurement of isotopic ratios. The calibration procedure may involve running a series of standard solutions or reference materials with known isotopic compositions. Follow the instrument's software instructions for calibration and ensure that all necessary parameters are set correctly.Step 5: Data Acquisition.Start the data acquisition software and set the desired measurement parameters, such as the number of scans, integration time, and mass range. Begin the dataacquisition process and monitor the instrument's performance. It is important to regularly check for any anomalies or drifts in the signal and take appropriate corrective actions if necessary.Step 6: Data Analysis.Once the data acquisition is complete, analyze the acquired data using appropriate software. This may involve peak integration, background subtraction, and calculationof isotopic ratios. Compare the measured isotopic ratios with known reference values to ensure accuracy andreliability of the results.Step 7: Instrument Shutdown.After completing the analysis, properly shut down the instrument. This may involve purging the system with inert gas, turning off the power, and cleaning the sample introduction system. Follow the instrument's manufacturer instructions for shutdown procedures to avoid any damage or contamination.中文回答：稳定同位素质谱仪（SIMS）是一种用于测量样品中元素同位素组成的强大分析技术。
稳定同位素分析技术原理及应用
APE= A－A自
A-实际丰度值；A自-自然丰度值
稳定同位素在自然界是以恒定比例存在的，其存在量常以
% 原 子 表 示 。 例 如 ， 正 常 氨 基 酸 中 的 氮 是 由 14N 与 15N 组 成 的，前者占99.63%，后者占0.37%，标记时将丰度低的同位
根据仪器工作原理，可分为：
Ò 稳定同位素比质谱仪
Isotope Ratio Mass Spectrometers（IRMS）
Ò 波长扫描光腔衰荡光谱仪
Wavelength-scanned cavity ring down spectroscopy（WSCRDS）
IRMS原理及结构
＝＝＝IA＝E ＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝
WS-CRDS 原理
理论依据：几乎所有小的气相分子（如CO2,H2O,NH3）均具有 特有的近红外吸收光谱，在负压条件下，每种微小的气相 分子都能在其特征吸收波长处特征光谱线。但由于痕量气 体吸收形成的峰太低而不能检测到，如何有效解决这个问 题是关键。WS-CRDS通过极度扩大光程路径，可以在极 短时间内监测到PPb，甚至PPt水平。
Ò 碳同位素分析仪（WS-CRDS）
Picarro iTOC-CRDS
IAE
TC/EA EA
PreCon
GC
GCC
Conflo
IRMS 仪器型号： Thermo Finnigan DELTA Plus XP 连续流在线分析系统
＝＝＝IA＝E ＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝
稳定同位素质谱仪的应用
稳定同位素质谱仪的应用一、地质地球化学：稳定同位素质谱仪的最早应用主要研究轻元素（CHONS）的稳定同位素在自然界（岩石圈、土壤圈、水圈、大气圈）的丰度及其变化机理、在各种天然过程中的化学行为，并以此为指导研究天然和环境物质的来源、迁移过程以及经历过的物理和化学反应。
研究领域：固体地球学科：地球动力学、地质构造学、岩石学、矿床学、矿物学、沉积学。
其他：海洋学、水文学、冰川学、古气候学、天体学、天体化学、考古学、石油/石油相关。
二、农业、林业（起步也比较早）稳定同位素技术在农业研究中的应用包括：科学施肥、作物营养代谢、生物固氮、土壤呼吸、农用化学物质对环境影响、饲料配方、水产养殖、林木果树、药材等。
●肥料的利用/转化途径和利用效率（13C，15N）。
●氮素的硝化、反硝化过程（2H，15N，18O）。
●光合作用及同化产物的传导和分布研究●利用稳定同位素展开的固氮研究。
●农业残留、代谢及降解研究。
●土壤碳氮循环研究：有机质年龄及周转率的测定、土壤细根年龄测算、土壤呼吸等。
三、生态稳定同位素技术加深了对生态过程的研究，可以探讨一些其他方法无法研究的问题。
1. 植物生理生态学稳定同位素（2H、13C、15N和18O）可对生源元素的吸收、水分来源、水分平衡和利用效率等进行测定，从而研究植物的光合作用途径；●植物水分胁迫程度；●植物水分利用效率：植物13C组成能够在时间尺度上反映植物的水分利用效率。
●植物水通量检测：通过植物中水2H和18O组成，判定植物对表层水和深层水的依赖程度。
●确定植物的分布区域（15N,18O,2H）●光合作用、呼吸作用研究：对生态系统CO2交换的相对贡献（13C，18O）●蒸发和升腾作用研究：对生态系统水交换或蒸散（ET）的相对贡献（2H，18O）●树木年轮同位素环境响应：通过年轮同位素比值变化，分析过去环境变化（湿度、旱涝、气候特征）。
2. 生态系统生态学稳定同位素技术可用来研究生态系统的气体交换、生态系统功能及对全球变化的响应等；●碳、氮循环及碳、氮平衡研究。
稳定同位素质谱仪应用技术培训讲义
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IAE
生态学研究中的应用
稳定同位素的应用
利用同位素研究植物水分胁迫程度、水分利用效率、水分 来源等 如：植物在光合作用中倾向于吸收含有轻碳同位素（ 12C） 的CO2，其吸收程度受有效水含量和光合途径影响，水分有 效性和光合途径是干旱或湿润环境植物的重要特性。因此， 植物 13C组成能够在时间尺度上整合反映植物的水分利用效 率。通过测定植物体中水2H和18O组成，也能够判定植物对 表层水和深层水的依赖程度。
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IAE
生态学研究中的应用
稳定同位素的应用
区分光合和呼吸对生态系统CO2交换的相对贡献(13C, 18O) 区分蒸腾和蒸发对生态系统水交换或蒸散(ET)的相对贡献 (2H, 18O) 判断动物如候鸟、蝴蝶等的迁徙路线（18O, 2H） 稳定同位素分析在昆虫生态、海草生态研究中的应用 土壤养分对作物茎叶稳定碳同位素组成和生物产量的影响
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IAE
生态学研究中的应用
稳定同位素的应用
植物组织中的13C 与12C 的比值都普遍小于大 气CO2中的13C 与12C比值，表明CO2在通过光 合作用形成植物组织的过程中，会产生碳同 位素分馏，而这种分馏的大小与植物的光合 作用类型、遗传特性、生理特点、生长环境 等因素密切相关。
主要研究轻元素（H、O、C、N、S等）稳定同位素在自然界（岩 石圈、土壤圈、水圈、大气圈、生物圈和环境以及星体）的丰度变 化、机理及在各种天然过程中的化学行为，并以此为指导研究天然环 境物质的来源、迁移过程以及经历过的物理化学反应和条件。
元素分析仪-稳定同位素比例质谱仪的使用及维护
第16卷第3期2018年6月实验科学与技术Experiment Science and Technolog ^^VoL . 16 N o . 3Jun . 2018元素分析仪-稳定同位素比例质谱仪的使用及维护严玉鹏\郭智成2,张丽梅1(1.华中农业大学资源与环境学院，湖北武汉430070; 2.北京嘉德元素科技有限公司，北京朝阳区101318)摘要元素分析仪-稳定同位素比例质谱仪具有灵敏、快速、高效、便捷等特点，在同位素自然丰度和示踪分析方面得 到广泛应用。
元素分析仪-稳定同位素比例质谱仪的科学管理和正确使用维护，是获得良好测试数据和延长仪器使用寿命的 前提和基础。
介绍了元素分析仪-稳定同位素比例质谱仪的工作原理和操作流程，并对使用过程中出现的问题提出了应对策 略。
此外，还对元素分析仪-同位素比例质谱仪使用过程中的日常维护和注意事项进行了阐述。
关键词元素分析仪；同位素比例质谱仪；使用；维护中图分类号 TH6文献标志码 Ad o i:10.3969/j.issn. 1672 -4550. 2018. 03. 018Use and Maintenance of Elemental Analyzer - Isotope - Ratio MassSpectrometer (EA - IRMS)YAN Yupeng 1 , GUO Zhicheng 2, and ZHANG Limei 1(1. College of Resources and Environment, Huazhong Agricultural University, W uhan 430070 , China ；2. Beijing Jiade Element Technology Co. , Ltd, Chaoyang 101318, China)Abstract The elemental analyzer-isotope-ratio mass spectrometer( E A -IR M S ) is sensitive, rapid, efficient and convenientproperties, which is widely used in isotope natural abundance analysis and trace analysis. The scientific management and proper use and maintenance of the elemental analyzer-stable isotope ratio mass spectrometer is the prerequisite and foundation for boating good test data and prolonging the service life of the instrument. This article describes the working principle and operation flo w - of the elemental analyzer - stable isotope ratio mass spectrometer, and proposes the countermeasures for the problems that arise during the use. In addition ,routing maintenance and precautions during the use of the elemental analyzer - isotope proportional mass spectrometer are described.Key words elemental analyzer(EA ); isotope - ratio mass spectrometer(IRM S); use ； instrument maintenance了 EA -IRMS 的基本工作原理，结合对该实验室 Vario PYRO cube 元素分析仪-Isoprime 100 稳定同位素比例质谱仪的管理和使用经验，较详细地介 绍了 EA -IRMS 在日常管理和使用维护等方面的一 些体会，希望与同行们共享。
稳定同位素定量法-概述说明以及解释
稳定同位素定量法-概述说明以及解释1.引言1.1 概述稳定同位素定量法是一种用于确定样品中同位素含量的分析方法。
同位素是原子核中具有相同原子序数但不同质量数的同一元素。
稳定同位素是指那些具有相对稳定较长时间的半衰期的同位素。
在稳定同位素定量法中，我们使用仪器对样品中特定元素的稳定同位素进行测量，并根据同位素比值来计算样品中的同位素含量。
这种方法的基本原理是，不同同位素在化学和物理性质上可能会有微小差异，这些差异可以通过测量同位素的质量比来确定。
稳定同位素定量法在很多领域得到了广泛的应用。
首先，它在地质学和行星科学领域中被用来研究地球和行星的演化过程。
通过分析样品中同位素的含量，可以揭示出地质事件和生物过程对地球和行星的影响。
此外，稳定同位素定量法还被应用于环境科学、生态学和生物学研究中，用来跟踪生物体的生活历程和食物链。
总而言之，稳定同位素定量法是一种重要的分析技术，它能够帮助我们了解自然界中元素的循环和变化过程。
通过准确测量样品中的同位素含量，我们可以揭示出许多与地球科学、环境科学和生物学相关的重要信息。
未来，随着技术的不断发展，稳定同位素定量法将会在更多领域发挥关键作用，为人们更好地了解自然界提供有力支持。
1.2 文章结构文章结构部分的内容介绍了本文的组织结构和每个部分的主要内容。
主要包括以下几个方面:1. 引言：在引言部分，我们将对稳定同位素定量法的相关背景和意义进行概述，介绍其在科学研究和实际应用中的重要性。
2. 正文：正文是文章的主体部分，我们将从两个方面探讨稳定同位素定量法。
首先，我们将详细介绍稳定同位素定量法的原理，从同位素分馏原理、稳定同位素质谱仪器技术等方面进行阐述。
其次，我们将探讨稳定同位素定量法的应用领域，包括环境科学、食品安全、地质学等各个领域。
3. 结论：在结论部分，我们将对本文进行总结，概括文章的主要观点和结论。
同时，我们将对稳定同位素定量法的未来发展进行展望，探讨其在科学研究和实际应用中的潜力和前景。
稳定同位素分析及其应用
稳定同位素分析及其应用稳定同位素分析（stable isotope analysis）是一种通过分析样本中同位素的相对丰度差别来揭示样本来源、食物链关系、生物地理学等信息的科学技术。
稳定同位素分析的研究领域非常广泛，涉及环境科学、生态学、地球科学、生物地球化学、气候学、生物学、考古学等多个领域。
稳定同位素的概念同位素（isotope）是指同一元素中，具有不同中子数的原子。
同位素具有相同的原子序数，也就是它们在元素周期表中的位置相同。
稳定同位素是指不衰变而使得同位素比例稳定的同位素。
例如，碳元素（carbon）有三种同位素，分别是C12、C13、C14。
其中C12是稳定的同位素，而C13则是半衰期非常长，不易衰变的同位素，C14则是半衰期很短，放射性同位素，因此常用C12和C13进行稳定同位素分析。
稳定同位素的分析方法稳定同位素分析方法主要包括同位素比值质谱法（isotope ratio mass spectrometry, IRMS）、气相色谱-质谱（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）和液相色谱-质谱（liquid chromatography-mass spectrometry，LC-MS）等。
同位素比值质谱法是一种较为常用的方法，主要是通过质谱仪对两种同位素之间的相对丰度进行测量，在样品中寻找同位素的丰度比，通过测定样品与同位素标准之间的比值来得出研究对象中同位素相对丰度的百分比。
气相色谱-质谱和液相色谱-质谱方法则不同于同位素比值质谱法。
气相色谱-质谱和液相色谱-质谱方法通过先对样品中物质进行分离，然后测定物质中同位素分布的相对丰度。
这两种方法主要用于具有同位素标记的化合物，如碳、氢、氮等可检测同位素标记胺基酸、脂肪酸和葡萄糖分子等物质。
稳定同位素分析的应用稳定同位素分析已经被广泛地应用于环境科学、生态学、地球科学、考古学及食品行业等领域。
稳定同位素技术研修班_质谱操作培训材料
稳定同位素技术研修班质谱操作培训材料(植物所)一、仪器介绍（硬件部分知识）目的：同位素测定的仪器以及仪器对应的作用、稳定同位素比率质谱产地（德国）：公司(美国）：本实验室的配备了元素分析仪和全自动富集器，联机工作后可在线精确测量固体或液体样品中、、、等稳定同位素比率、元素分析仪产地（德国）：公司(美国）：与联用可在线分析固体样品中、、等稳定同位素比率.固体分析方法与原理：高温燃烧样品中物质在中经过反应生成和。
通过质谱检测中的与中的得到与的比率。
反应管的填充：石英反应管，氧化铬（催化氧化），镀银氧化钴（除硫），线状铜（还原）水阱的填充物、更换：测：高氯酸镁测：高氯酸镁氢氧化钠、元素分析仪产地（德国）：公司(美国）：与联用可在线分析液体样品中的稳定同位素比率水分分析方法与原理：高温裂解在中经过高温下催化裂解为与。
产生的气体通过质谱检测中的与中的得到中的与的比率值。
反应管的填充：进样垫片的更换：、气体分析外部设备：(预浓缩系统)＋(色谱柱)＋产地（德国）：是一种在之前的全自动富集器，可用来描述在自然富集下的和的同位素及同位素丰度。
它与公司的任何设备连接构成，在空气样量小于时，可以测量自然富集（：, : ）下的（测）和（和）。
方法与原理：高温燃烧(测定甲烷)。
通过质谱通过质谱检测中的得到中的的比率（测定用的仪器一样，但是没有燃烧反应）主要试剂：高氯酸镁与氢氧化钠（除水与除空气中的）二、测试样品前仪器的准备与调试（硬件部分知识）目的：了解上级测试前的准备程序1、实验室的安全准备：检查报警器，，质谱真空度，空气压缩机等的状态、仪器工作前的气体参数的调节检查所用载气、参考气气瓶的压力状态，当气瓶压力≤时需更换。
Ⅲ面板上压力的调节。
载气流速——保持稳定。
、各设备的准备状态：的检测温度—°，的检测温度—反应温度：°，水阱是否更换，气体软件检漏，气体检漏。
三、操作系统简介（软件部分知识）目的：了解上机测试所需的基本软件，，，各软件界面的常见功能介绍。
3稳定性同位素分析
• 单聚焦磁场分析器 • 双聚焦分析器 • 四极杆质谱仪 • 飞行时间质谱仪 • 离子阱质谱仪 • 傅立叶变换质谱仪
23
①单聚焦磁场分析器
磁场
方向聚焦；
相同质荷比， 入射方向不同 的离子会聚； 分辨率不高
R
S1
S2
离子源
B
收集器
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②双聚焦分析器
方向聚焦：
相同质荷比，入 射方向不同的离子会 聚； 能量聚焦：
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核磁共振法鉴别不饱和聚酯树脂
42
四、光谱法
光谱法是基于物质与辐射能作用时，测量 由物质内部发生量子化的能级之间的跃迁 而产生的发射、吸收或散射辐射的波长和 强度进行分析的方法。
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红外光谱法
• 红外光谱法分子吸收光谱的一种。利用物质对红 外光区的电磁辐射的选择性吸收来进行结构分析 及对各种吸收红外光的化合物的定性和定量分析 的一法。被测物质的分子在红外线照射下，只吸 收与其分子振动、转动频率相一致的红外光谱。 对红外光谱进行剖析，可对物质进行定性分析。 化合物分子中存在着许多原子团，各原子团被激 发后，都会产生特征振动，其振动频率也必然反 映在红外吸收光谱上。据此可鉴定化合物中各种 原子团，也可进行定量分析。
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第二节 稳定性核素分析技术简介
12
• 13C、18O、15N等分析技术广泛应用于生 物、医学、环保、农药等领域。 • 稳定性核素分析通常是指对样品中被研究 元素的同位素丰度的测定，如15N标记的L 色氨酸、13C标记的呼气试验。 • 稳定性同位素探测技术SIP，如质谱法、 核磁场共振、光谱法、气相色谱法、中子 活化法。
99 113
142 m/z
40年代：高分辨率质谱仪出现，有机化合物结构分析；
赛默飞mat 253稳定同位素比质谱仪方法手册
赛默飞mat 253稳定同位素比质谱仪方法手册赛默飞（Thermo Fisher）MAT 253稳定同位素比质谱仪是一种广泛应用于地质、地球化学、环境科学、生物学等领域的仪器。
它的原理是利用质量差异来检测样品中稳定同位素的相对丰度，从而揭示样品的地质、生物、环境等方面的信息。
本方法手册将介绍MAT 253稳定同位素比质谱仪的操作步骤、仪器维护和数据处理等相关内容。
一、仪器介绍MAT 253稳定同位素比质谱仪是一种高精密的仪器，由离子源、质量分析器、控制系统和数据处理系统组成。
离子源用于产生样品离子，质量分析器用于分离离子并测量其质量比值，控制系统用于控制仪器的运行和参数调节，数据处理系统用于处理和分析测量得到的数据。
二、操作步骤1.打开仪器电源，并等待仪器预热至稳定工作温度。
2.将待测样品通过样品溶液或气体进样口引入离子源。
3.调节离子源的电场和热电子发射电压，以产生稳定的样品离子束。
4.进行质量分析器的校准和优化，以确保准确测量样品的质量比值。
5.开始样品测量，并记录测量得到的质量比值数据。
6.测量完成后，关闭仪器电源，清理离子源和质量分析器等部件。
三、仪器维护1.定期检查仪器的电源和电源线是否正常，确保供电稳定。
2.每天使用前，检查离子源和质量分析器的密封性能，如有损坏应及时更换。
3.定期清理离子源和质量分析器的残留物，保持仪器的灵敏度和精确度。
4.定期检查和校准仪器的各项参数，以确保测量结果的准确性和可靠性。
四、数据处理1.将测量得到的质量比值数据转化为相对丰度，即各同位素的百分比。
2.分析同位素组成的变化趋势和差异，以揭示样品的地质、生物、环境等方面的信息。
3.通过与已知标准样品进行对比，确定样品中各同位素的绝对含量。
4.结合其他相关数据和研究结果，得出对样品的综合解释和结论。
综上所述，MAT 253稳定同位素比质谱仪是一种应用广泛、操作简便的仪器，可用于地质、地球化学、环境科学、生物学等领域的研究。
气体离子源稳定同位素质谱
气体离子源稳定同位素质谱
气体离子源稳定同位素质谱（Gas Isotope Ratio Mass Spectrometry，简称IRMS）是一种用于分析气体中同位素比率的技术。
它利用质谱仪对气体分子进行分析，测量不同同位素的相对丰度，从而得到气体样品中同位素比率的信息。
在IRMS中，气体样品通常需要经过预处理，将气体中的目标物质从其他物质中分离出来。
通常使用化学分离或物理分离的方法实现。
分离后的样品被注入到气体离子源中，被电离成为离子，并通过一系列磁场和电场分离离子，最终被分离成为不同同位素的离子束。
然后，这些离子被转移到质谱仪中进行分析。
质谱仪中的离子束被加速到高速，并在磁场和电场的作用下，被分离成不同质量的离子束，并被探测器检测到。
通过测量每个同位素的相对丰度，可以计算出气体样品中每个同位素的比例。
IRMS在地球科学、气候变化研究、食品及药品验证等领域广泛应用。
例如，它可用于分析水样中的氢氧同位素比率，从而判断水的来源和水文循环情况。
此外，它还可用于食品中的同位素比例分析，例如酒类和咖啡因的来源分析，以及验证药品的原材料来源和制造工艺。
稳定性同位素讲座-PPT文档资料
•
基于碳标记实验（CLE）的代谢通量分析（13C-MFA） 该方法使用某个特定位置被标记的底物分子，或者用部分标记及部分未标记的混合 底物培养微生物；细胞摄取标记底物后，经过体内一系列的代谢反应，底物的标记 信息在代谢过程中通过中间代谢途径被转移到中间代谢产物上，代谢途径的不同就 会引起中间代谢物碳骨架标记碳原子的丰度不同，用GC-MS或NMR可以测量出中间 代谢物的标记信息，该信息可以用来进行代谢途径通量的分析；这种方法逐渐得到 扩展和修正，已经走向成熟化，成为国际上代谢工程研究和应用的热点。
0.17
0.14 0.13 0.16 0.13 0.15 0.16 0.17 0.12 0.17 0.17 0.17 0.18 0.16 0.16 0.19 0.19 0.17 0.12 0.18 0.13 0.16 0.18 0.13 0.18 0.19 0.14 0.11 0.09 0.09 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0.01 0.01 0.01 0.00 0.00 0.11 0.09 0.07 0.05 0.05 0.06 0.02 0.05 0.02 0.01 0.02 0.09 0.07 0.06 0.04 0.03 0.02 0.01 0.09 0.07 0.14 0.11 0.10 0.10 0.07 0.06 0.09 0.08 0.08 0.04 0.05 0.05 0.04 0.03 0.03 0.03 0.02 0.01 0.01 0.01 0.00 0.00 0.01 0.03 0.08
质量同位素丰度信息 m2 0.10 0.18 0.17 0.11 0.15 0.20 0.18 0.17 0.20 0.19 0.08 0.07 0.04 0.03 0.01 0.01 0.11 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.02 m3 0.12 m4 m5 m6 m7 m8 m9 m10
气体稳定同位素质谱
有证标准物质
IAEA
GBW
USGS
IAS
国际原子能机构 美国
地质勘探局 美国
国家标准物质 中国
Elemental Microanalysis Ltd
英国
B
稳定同位素质谱分析的标准物质
实验室可以选用不同的标准物质进行样品同位素比值的测定 ，但所得的结果必须换算成相对于国际公认的同位素标准的 千分差后出具正式的分析报告。表示方法为：
60℃烘干
包样、测试
盐酸熏蒸法示意图
B
海水、河水样品中的氨氮、硝氮
1. 蒸馏法：（适用于铵氮、硝氮含量较高的水样，＞5mg/L， 氨氮直接蒸馏，硝氮在去除完氨氮后，添加达氏合金将硝氮转 化为氨氮后再蒸馏
凯氏定氮装置示意图
B
海水、河水样品中的氨氮、硝氮
2. 化学法：（适用于铵氮、硝氮含量较低的水样，0.5~10μmol/L）
稳定同位素质谱
谭扬 2015.11.03
目录
01 稳定同位素质谱相关知识 02 IRMS及其外部设备工作原理 03 样品处理方法 04 相关应用
01
稳定同位素质谱 相关知识
A
稳定同位素质谱相关背景知识
1. 同位素：质子数相同，中子数不同的原子（1700余种）
2. 稳定同位素：无可测放射性的同位素，自成核以来就保持稳 定（260余种）
IRMS MAT253
A
稳定同位素质谱-IRMS-工作原理
洛伦茨定律：
m 4.82 10 5 Rm2 H 2
e
V
原子质量m与偏转轨道 半径R成正比
磁场
接收器
离子源
A
稳定同位素质谱-IRMS-工作原理
校准过程
稳定同位素示踪技术概要42页PPT
31、只有永远躺在泥坑里的人，才不会再掉进坑里。——黑格尔 32、希望的灯一旦熄灭，生活刹那间变成了一片黑暗。——普列姆昌德 33、希望是人生的乳母。——科策布 34、形成天才的决定因素应该是勤奋。——郭沫若 35、学到很多东西的诀窍，就是一下子不要学很多。——洛克
稳定同位素示踪技术概要
36、“不可能”这个字(法语是一个字 )，只 在愚人 的字典 中找得 到。--拿 破仑。 37、不要生气要争气，不要看破要突 破，不 要嫉妒 要欣赏 ，不要 托延要 积极， 不要心 动要行 动。 38、勤奋，机会，乐观是成功的三要 素。(注 意：传 统观念 认为勤 奋和机 会是成 功的要 素，但 是经过 统计学 和成功 人士的 分析得 出，乐 观是成 功的第 三要素 。
稳定同位素技术质谱
稳定同位素技术质谱1 稳定同位素技术质谱是什么？稳定同位素技术质谱（Stable Isotope Technique Mass Spectrometry，简称SIT-MS）是一种利用稳定同位素标记物质，结合质谱技术对样品中稳定同位素含量进行定量分析的方法。
稳定同位素技术质谱已经逐渐成为生命科学、环境科学、农业科学等多个领域中重要的分析手段。
2 稳定同位素是什么?稳定同位素是指元素核内的中子与质子的数目相等，不会放射性衰变的同位素。
常见的稳定同位素有氢的氘同位素（D）、碳的13C同位素、氮的15N同位素、氧的17O和18O同位素、硫的34S同位素等。
3 稳定同位素技术质谱的原理在稳定同位素技术质谱中，标记样品中的稳定同位素含量与未标记样品中的稳定同位素含量之间的差异被用来定量样品中特定化合物的含量、同位素分馏等参数。
该方法的原理基于稳定同位素的天然丰度，也就是稳定同位素在自然环境中的存在比例，以及稳定同位素标记化合物与未标记化合物之间的同位素效应。
4 稳定同位素技术质谱的应用稳定同位素技术质谱被广泛应用于许多领域的科学研究，例如：1.生命科学领域中，可以用稳定同位素技术质谱来研究蛋白质、肽、糖、脂质等生物分子的代谢路径、同位素分馏以及体内外生理学参数的变化等。
2.环境科学领域中，可以用稳定同位素技术质谱来研究空气回收、植物蒸腾、地下水流等生态系统功能，评价水循环、污染物传输。
3.农业实践中，可以用稳定同位素技术质谱来研究肥料利用效率、植物对外部环境的响应、动物营养和代谢等。
5 稳定同位素技术质谱的优势相对于传统化学检测方法，稳定同位素技术质谱的优势有：1.较高的准确性和精度：不同于传统的试剂反应方法，稳定同位素指示标记使得样品分析更加准确，约定俗成的标准允许了不同实验之间的比较和联合分析。
2.灵敏性高：通过稳定同位素分析技术，可以快速高灵敏度地检测样品中含量非常低的同位素化合物和稳定同位素（天然同位素）。
稳定同位素样品处理技术的培训材料讲解人苗海霞孙海波
稳定同位素样品处理技术的培训材料一、样品的储存采集好的样品送进实验室，将水样放入冰箱的冷藏室内保存，固体样放入冰箱的冷冻室内保存。
二、样品的处理方法1、固体样品固体样品在进行同位素质谱分析之前必须进行干燥、粉碎、称量等处理步骤。
1.1干燥样品可以放在透气性好，而且耐一定高温的器具或取样袋中，然后在60~70℃的干燥箱进行干燥24~48小时。
注意：烘干的样品要及时研磨或者保持干燥，否则有返潮现象，给磨样造成困难，而且影响同位素数据。
1.2酸处理将土壤样品适当粉碎（为了更好的反应），放在小烧杯中，倒入适量浓度的盐酸（浓度一般用0.5mol/L），这时会发现有小气泡冒出，这是盐酸与土壤中的无机碳反应产生的CO2，用玻璃棒搅拌使反应更完全，可以间隔1小时搅拌一次使之充分反应。
反应至少6小时，除去土壤中的无机碳，沉淀，倒掉上层清夜；再用去离子水搅拌洗涤，沉淀，倾倒上层清夜，重复3~4次，充分洗净过量盐酸；然后烘干土壤样品（条件同上）。
注意：测定碱性土壤中的有机C同位素，在干燥之前需要进行酸处理。
因为采集的土壤样品中含有无机碳，会影响到我们需要的数据。
1.3粉碎经过烘干的样品需要粉碎才能进行分析，为了保证样品的均匀，粉碎程度至少要过60目的筛子。
粉碎可以用研钵、球磨机或混合磨碎机来等来处理。
1.4样品整理磨好的样品放在合适的包装里，如小瓶子、小信封或自封袋里，最好密封保存。
以数字和英文字母做标记区别样品。
1.5称量经过干燥和粉碎处理的样品在分析之前还得放在锡箔帽中称量。
用微量分析天平（同位素实验室专用），样品量可以精确到0.001mg （百万分之一天平）。
称样前，先将所需工具及样品排放好，所需工具包括样品垫、样品盘、镊子、勺子。
先调天平平衡，看水泡是否在圆圈内，在圆圈内则表示天平平衡。
在称量过程中尽量不要碰桌子，减少对天平的影响。
称量时，先将锡帽放进天平内，等天平显示的数字稳定时调零，然后将锡帽取出放在样品垫上，放适量样品至锡帽中，样品的量根据测定的同位素以及样品中的含量而定。
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C N O
δ13C δ15N δ18O
13C/12C 15N/14N 18O/16O 18O/16O
[美国南卡罗来纳州白垩纪皮狄组层位中的拟箭石化石]
大气氮气 标准平均大洋海水 (SMOW) Pee Dee Belemnite (PDB)
[碳酸盐样品氧同位素分析]
18O/16O
标准南极轻降水(SLAP) Canyon Diablo Triolite (CDT) 铁陨石中的陨硫铁
S
δ34S
34S/32S
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IAE
Ò 原子百分超（atom percent excess）
基本概念
百分超又称过量原子百分数，是指稳定同位素的浓度超 过其在自然界存在数值的百分数。 原 子 百 分 超 （ Atom percent excess ） ， 又 称 富 集 度 （Enrichment）
IAE
第一节 基本概念
同位素指具有相同质子数和不同中子数的原子。它们在元素周期
Ò 同位素概念
表中占据了相同的位置。 例如: 碳的3个主要同位素分别为12C、13C和14C，它们都有6个质子和 6个电子，而中子数分别为6、7和8。
Ò 同位素分类
稳定同位素（ stable isotope ）：物理性质相对比较稳定，没有放 射性和辐射效应的同一元素的一些原子，已有300个之多。 不稳定同位素或放射性同位素（radioactive isotope）：能自发地 放出粒子并衰变为另一种同位素的原子，已发现1200个以上。 例如：12C、13C为稳定同位素，而14C为放射性同位素。
13C ＝ 1.108 ％。大多数元素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％。
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Байду номын сангаасIAE
基本概念
Ò 同位素比值（R值）
同位素比值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. 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值就很低且很冗长繁琐不便于比 较，故在实际工作中采用了样品的δ值来表示样品的同位素成 分。
基本概念
IAE
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Ò 同位素效应（Isotope Effects）
由于同位素之间在物理化学上存在着差异，使反应物和生成 物在同位素组成上会有所不同，这种现象称为同位素效应， 它是利用同位素进行科学研究的基础。
Ò 同位素分馏(Isotope Fractionation)
APE= A－A自
基本概念
IAE
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Ò 同位素标准（Isotope Standard）
δ值大小与采用的标准有关，在进行同位素分析时首先要选 择合适的标准，不同样品的比较采用同一标准才有意义。 国际通用同位素标准是由国际原子能委员会（IAEA）和美国 国家标准和技术研究所（NIST）颁布的。
对同位素标准物质的一般要求是：
¾ 组成均一性质稳定； ¾ 数量较多，以便长期使用； ¾ 化学制备和同位素测量的手续简便； ¾ 大致为天然同位素比值变化范围的中值，便于大多数样品测定
基本概念
IAE
＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝ 元素 H δ符 号 δD 测量比 率(R)
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IAE
基本概念
Ò
δ值
样品的同位素比值RSp与一标准物质的同位素比值（RSt）作 比较，比较结果称为样品的δ值。其定义为： δ（‰）=（RSp/RSt －1）×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。 在已知的在陆生植物中，据光合途径可分为C3、C4和CAM 植 物：C3植物的 δ13C值为-20‰～-35‰(平均为-26‰)，C4 植物为-7‰～-15‰ (平均为-12‰ )，而CAM植物为-10 ‰～-22 ‰(平均为-16‰)。
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IAE
稳定同位素分析技术原理及应用
李 波
主要内容
Ò 稳定同位素基本概念 Ò 稳定同位素分析技术 Ò 现有稳定同位素分析仪器
稳定同位素比质谱仪（IRMS） 波长扫描光腔衰荡光谱仪（WS-CRDS）
Ò 稳定同位素的应用
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2D/1H 2D/1H
5种环境稳定同位素的国际标准及其绝对同位素比率
国际标准物质 标准平均大洋海水 (SMOW) 标准南极轻降水 (SLAP) Pee Dee Belemnite (PDB)
R值, 国际标 准 0.00015575 0.000089089 0.0112372 0.0036765 0.0020052 0.0020671 0.0018939 0.0450045
过程中，会产生碳同位素分馏，从而使叶片与CO2的碳同 位素比值产生差异，分馏的强度与植物类型、遗传特 性、生理特点、生长环境等因素密切相关。
基本概念
IAE
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Ò 同位素丰度（Isotope Abundance）
① 绝对丰度 指某一同位素在所有稳定同位素总量中的相对份额，常 以该同位素与 1H（取1H＝ 1012）或28Si（28Si＝ 106）的比值 表示。 ② 相对丰度 指同一元素各同位素的相对含量。例如12C＝98.892％，
指同位素比值不同的两种物质之间或同一物质两个相态之间 发生的同位素分配。 例如：叶片光合作用会发生碳同位素分馏
基本概念
IAE
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¾ 植物组织中的 13C 与 12C 的比值都普遍小于大气CO2 中的
13C
与12C比值，表明CO2在通过光合作用形成植物组织的