质谱学原理与同位素质谱分析方法_重新改_

目录

质谱学原理与同位素质谱分析方法

霍卫国张福松

第一节质谱学概论

一、质谱学的发展

二、质谱分析技术的应用

三、质谱分析技术与同位素水文学

第二节质谱仪的工作原理、结构和主要性能指标

一、质谱仪的工作原理

二、同位素质谱仪的基本结构

三、同位素质谱仪的主要性能指标

第三节气相轻元素的稳定同位素分析概要

一、气相稳定同位素质谱仪

二、δ值的概念

三、关于稳定同位素标准

四、稳定同位素分析基本流程和测量结果的误差分析

第四节用于同位素测定的样品制备系统和质谱分析方法

一、同位素样品的制备

1.水中δD、δ18O测定的样品制备

2.水中δ13C测定的样品制备

3.水中δ34S测定的样品制备

4.水中δ15N测定的样品制备

二、同位素质谱分析

1.H2中δD的质谱分析

2.N2中δ15N的质谱分析

3.CO2中δ13C、δ18O的质谱分析

4.SO2中δ34S的质谱分析

质谱学原理与同位素质谱分析方法

第一节质谱学概论

一、质谱学的发展

质谱学在现代科学仪器领域中占有重要位置，质谱仪器已成为推动科学技术发展的最重要工具之一。在近百年发展历史中，科学家们以质谱仪器作为主要研究工具和手段，先后在不同的科学研究领域中造就出10名诺贝尔奖获得者，从而反映出质谱技术在整个科学技术发展中所作出的重要贡献。

质谱学是1898年英国著名物理学家J.J.Tnomson“阴极射线”研究的产物，他采用短的横电场和横磁场的平行组合作为质量分析器，利用辉光放电得到离子，采用照相法记录，给出了抛物线形的质谱图，第一次发现了氖的二种同位素20Ne、22Ne的存在。1918年美国芝加哥大学物理学家A.J.Dempster研制成功第一台采用180°均匀磁场作为质量分析器的方向聚焦型质谱仪并发现了Ae、Zn、Ca元素的同位素，他于1918年至1924年先后分析了53个元素的同位素并制定出了第一个同位素丰度表。与此同期英国剑桥大学物理学家F.W.Aston于1919年发表了他的第一台速度聚焦型质谱仪，用高频火花源给出单一方向的离子束，得到了与光谱相似的质量谱图，并于1924年至1937年三次改进了自己的仪器，使其质量分辨本领从130提高到2000，第一次证明了原子质量亏损，证实了爱因斯坦相对论的公式。

1940年A.O.C.Nier发表了第一台应用60°扇形磁场作为质量分析器的文章，并采用了双离子接收器和较完善的供电与测量系统，使质谱仪器的灵敏度和精确度大大提高，他用该类型仪器进行了大量的元素同位素测定，现代同位素表中50%的非放射性元素的同位素相对含量都是采用尼尔的数据，尼尔型质谱仪成为现代工业型磁式质谱仪的基础。

1957年Holmer和Morell首次实现了色谱－质谱联用法［Gc/Ms］，把色谱仪器的高分离能力和质谱仪器的高鉴別能力结合起来，利用质谱仪器作为色谱的定性探测器，而色谱则做为质谱仪器的进样装置，成为分析复杂化学组份的最有效的方法之一。不仅具有很高的灵敏度，而且可以迅速得出定量与定性的分析结果，在有机化学、生物化学、地球化学、石油、化工、医学、环境等领域发挥了巨大作用。可以说色谱一质谱联用法，极大地推动了质谱技术的发展。

质谱技术另一引人注目的成果是离子探针质谱仪［SIMS］的出现，R.Castaing等人（1949年电子探针的创始者）关于离子探针质谱的研制报告。提出了利用高能聚焦的一次离子束作为“探针”轰击被分析固体样品而产生二次离子并引入质谱仪，进行固体表面及深度三维空间分析的技术，这是一种应用于元素及同位素的高灵敏度的微区分析方法，离子探针质谱仪兼顧了电子探针［EPMA］和火花原质谱仪［SSMS］的工作特性，已经成为电子、半导体、地质等部门及固体物理、表面科学、材料科学、地球科学、环境科学等基础科学及应用科学领域的重要研究手段。

建立在以鉴别物质的质量这一基本特性上的质谱分析技术，由于它具有高灵敏度、高鉴别能力可以与多种分离、分析方法相兼容的明显优势，使之在现代分析技术领域中占据着重要的位置。成为发展最迅速、仪器类型最多、功能最齐全的分析仪器。

二、质谱分析技术的应用

质谱仪器在应用上可分为三大类：同位素质谱、有机质谱、无机质谱。质谱技术目前在原子能、有机化学、生物学、环境科学、地质科学、石油化工、食品科学、医药学、刑侦科学、航天科学等十分广泛的科学研究领域中已成为不可缺少的有效地分析手段。下面僅简要地予以介绍：

1．质谱法是测定同位素丰度最为准确可靠的常用方法，至今天然元素的同位素丰度的全部主要数据均来自质谱测定结果。由于同位素质谱测定精度的不断提高和测定方法的改

善，使得在化学发展历史进程中有十分重要意义的化学元素的原子质量测量的进一步精确化得以实现。在核物理、核化学和天体物理学科中具有重要意义。

2．同位素质谱技术广泛地应用于核工业的各个关键部门，包括铀矿同位素地质学研究，核燃料的分离分析，核裂变过程及产率的监测，放射性同位素的裂变和高能反应的研究等。

3．在有机质谱技术方面，由于电喷雾和基辅助激光解吸等软电离技术的发展，使质谱分析进入到生物大分子的领域并形成了一个新的分支——生物质谱学。在高分子研究过程中，高分子分子量及其分布的测定具有极其重要的作用。

色谱/质谱同位素稀释方法被公认为是一种测量微量及痕量有机物的基准方法，被列为五个化学测量基准方法的首位。

4．在无机质谱技术方面，电感耦合等离子体质谱技术［ICP/MS］已发展成具有广阔应用前景的分析技术，它具有灵敏度高、图谱简单、分析元素范围宽，分析速度快等特点。被广泛地应用于金属材料、岩石矿物、环境医学、半导体等领域，成为元素分析的最有力工具。

5．在地球科学和空间科学研究中，同位素质谱、无机质谱、有机质谱均在不同角度发挥着重要作用。

在同位素地质年代学方面，包括40 K—40Ar法、39Ar—40Ar法、40K—40Ca法、U—Th—P b法、87Rb—87Sr法、143Sm—147Na法等质谱技术则是年代学测定的前提条件。

在稳定同位素地球化学研究方面，由于气体同位素质谱分析技术的快速发展，使得H.C.O.N.S等元素的稳定同位素丰度变化的测定精度大大提高，促进了矿床同位素地球化学、水同位素地球化学、油气资源同位素地球化学、同位素地层学及地质事件研究、古温度古气候研究的发展。

稀有气体的组成以及同位素丰度的测定是探索一些天体和地质体的物质来源，成岩机理和各种地质及物理化学过程的钥匙。利用稀有气体同位素变化研究种种地球化学过程和演化历史具有重要的理论意义和应用价值。稀有气体同位素质谱计以高丰度灵敏度，高分辨本领，静态超高真空技术为特点，满足了氦（He）、氖（Ne）、氩（Ar）、氪（Kr）、氙（Xe）同位素分析的需求，成为稀有气体同位素地球化学和宇宙化学的重要实验工具。

色谱/质谱［GC/MS］的应用，带动了分子有机地球化学研究的发展。便之成为有机地球化学的一个极其活跃的分支领域。不仅在新的生物标誌物，如各种陆源萜类烃、含硫化合物的检出，生物标誌物的定性與定量技术等基础研究而且在应用生物标誌物进行陆相油气勘探评价方面积累了大量有价值的宝贵资料。热解/色谱/质谱［C/Gc/MS］分析方法进入有机宇宙化学，为探索生命起源和天外生命提供了重要信息，曾被用于星球土壤样品中和大气中的有机成分测定。

6．近年来，世界各主要的环境科学分析杂志大量报导了质谱技术在环境科学领域如环境化学、环境地质学、环境生物学、环境地理学、环境病毒学、环境监测、环境治理、环境评价等方面的应用。例如有机污染的质谱分析，重金属污染的质谱分析，水质无机有机定性定量的质谱分析，农药残留分析，城市大气监测等方面。

7．质谱技术在法庭科学中具有极为广阔的应用前景并扮演着愈来愈重要的角色。例如分析违禁药物及毒性物质在体液中的活性、代谢过程和产物。爆炸物及其残渣和可疑物的鉴别。海洛因产地的调查，兴奋剂的监测及同位素标记示踪等。质谱技术可以灵敏、准确并在很短时间内从复杂的物证基底中鉴别出极微量的目标化合物，从而提出准确的法庭证据。

8．质谱技术在钢铁、石油、化工、真空设备等工业流程控制中发挥重要作用。既是中间生产过程中的监测仪器，，又是生产终端质量监测的重要手段。是工业生产流程自动化的关键环节。

9．应用同位素质谱进行的C、N、O、S、H同位素示踪技术是农业科学的前缘课题之一。涉及N元素循环、最佳施肥方法选择、植物光合作用研究、营养转化、农药残留量检