稳定同位素比例质谱仪(IRMS)的原理和应用
同位素质谱计工作原理
同位素质谱计是用来测定同位素比 值的精密仪器。它是在一密闭的真空系 统内，通过仪器内的离子源将待测样品 变为带电离子，这些离子在一高压电场 力的作用下获得了能量，经聚焦、整形 成一束截面为矩形的离子束，定向射入 一个固定的磁场内（称为磁分离器）。
带电粒子在磁场内高速运动，导致 它们的运动轨迹发生偏转。样品的质量 数（M）、电荷（e）、高压（V）、磁 场强度（H）以及粒子偏转运动的曲率 半径（R），存在以下关系：
Ⅲ 磁分离器（separating magnet）
MAT261质谱计采用扇形对称式均匀磁场作为质量分析 器，称之为磁分析器。扇形磁场是由一对电磁铁的扇形极 靴而构成。极靴之间有一定的间隙(叫做磁隙)，它是离子 发生偏转的通道部分，是主要利用的磁场空间。径向聚焦 是磁场的主要特性，当离子束按一定角度射入均匀扇形磁 场后，在磁场力的作用下，粒子束发生偏转运动，使不同 质荷比的离子按照大小分离开来，射出磁场，到达接收器 就能实现相同质荷比离子聚焦在一起。
分析系统（analyzer system）
Ⅱ 样品转盘（magazine drive） 样品转盘的功能就是选择分析样品，当做完 一个样品后，通过它选择下一个样品来进行分析； 或者可以选择任一个样品进行分析，同时，它还 具有辅助离子聚焦的作用（MAGAZINE FOCUS）。
分析系统（analyzer system）
分析系统（analyzer system）
Ⅰ 离子源（ion source）
结构上分为单金属带（如Pb样），双金属带（如Sr 样）。单带直接通电流加热使样品蒸发、电离。双带是在 单带的基础上，附加一个电离带，蒸发和电离彼此分开， 温度可以分别调节。样品带用来加热样品至最合适的蒸发 温度，而电离带却处在实际允许的最高温度下工作，以便 既获得强的离子流，又不激烈蒸发样品，保持离子流的稳 定性。当蒸发出来的样品原子(分子)碰撞灼热的电离带表 面时，一部分原子(分子)由于失去或得到电子而被电离。 其电离效率比单带源高得多。
元素分析仪与稳定同素质谱仪联用—ESIRMS操作
子源应关闭 Source Off）； • 开启离子源 Source On，显示高压[HV] 读数（KV）； • 一般在待机状态下当前配置设为ConFloIV和CO2 模式，显示
CO2m/z 44, 45, 46电压信号（mV）； • 峰对中和自动聚焦：通入CO 2 参考气，进行1~2次峰对中
• sets拖入Source中，将Continuous Flow sets（例如， ConFlo IV + Flash HT + AS3000）拖入Capillary中。
• 外围设备（Peripherals）：Dual Inlet, ConFlo IV, Flash HT, GC IsoLink, LC IsoLink, GasBench, etc.
0.1 μL 7. Identifier1, Identifier 2, Comment, Preparation：用于自定义样品明细 8. Method：从下拉列表中选择合适的IRMS方法
（三）运行测试： • 选中目标序列（用鼠标拖拽Sequence 界面第一列
的目标序号即选中） • 点击“Start”按钮 • 弹出Start Sequence 对话框 • Results 结果输出： ① 文件夹路径和命名：建议存储在默认路径下
六、EA-IRMS应用
1. 装样 将新鲜样品烘干，磨碎，称重，锡囊包裹，装入固体自动 进样器的样品盘里。
• 称重原则：确保样品气峰高与参考气峰高尽量一致（均设在 6000 mV 左右）。在Open Split Smpl Dilu = 0% 情况下，要想 获得 Intensity [ m/z 44 CO 2 ] = 6000mV 的信号，称重时所 需样品的碳质量数大约为 40 μg C；要想获得 Intensity [m/z 28 N 2 ] = 6000 mV 的信号，称重时所需样品的氮质量数大约 为 90 μg N。
稳定同位素原理及在矿床学上的应用
= 0 表明样品与标准样品同位素比值一致
千分分馏（1000lnα）和同位素分馏值Δ ：相对富集系数值— —指两物质间的同位素组成差别 1000lnα ≈ΔA-B=δA—δB
6
§1.2同位素分馏
从严格意义上讲，在周期表中所有元素 的不同种同位素由于其质量上存在差别， 在自然界的各种物理，化学和生物的反应 和过程中都会发生同位素分馏，这些反应 和过程包括：蒸发作用，扩散作用，吸附 作用，化学反应，生物化学反应等等。
40
原理：水/岩反应导致了热液矿床蚀变 围岩的同位素异常
水岩反应公式：
Wδ
i +Rδ i 水 岩石=
Wδ
f +Rδ f 水 岩石
41
42
§4.3影响成矿溶液重H、O 同位素组成的因素
（1） 成矿溶液的来源 （2）成矿溶液载迁移过程中，由于温 度降低和与通道周围的岩石发生同位 素交换； （3）加入成因不同的流体，会改变成 矿溶液的原始同位素特点； （4）成矿溶液的的化学成份发生变化。
1、根据研究对象和目的，选择有效的研究方法：
• 例：研究火成岩成因，最好选用H、O、Sr 、 Pb等，选择S、C效果就不佳，S、C同位素 研究成矿的物理、化学环境却很有效，H、 O研究成矿来源，热液蚀变，S、O地质测温， 效果较好。
19
2、根据研究对象、目的和研究 方法，采集有效的样品
例如，研究蚀变作用，抗交换能力差的长石， 黑云母能灵敏地反映蚀变的情况，抗交换能力的 矿物（石英、磁铁矿、白云母）往往能提供蚀变
lnα∝ 1/T
高温
低温
我们可以用分馏曲线或函数关系表示，例如，白云母 —H2O 的分馏方程： 103 lnα=2.38(106T-2 ）—3.89 只要测定一对同位素平衡矿物对的δ值，就可以利用：
LC-MS原理 质谱法原理及应用
LC-MS原理质谱法原理及应用质谱法的原理及应用质谱法的原理及应用摘要：用电场和磁场将运动的离子（带电荷的原子、分子或分子碎片）按它们的质荷比分离后进行检测的方法。
测出了离子的准确质量，就可以确定离子的化合物组成。
这是由于核素的准确质量是一多位小数，决不会有两个核素的质量是一样的，而且决不会有一种核素的质量恰好是另一核素质量的整数倍。
关键词：质谱法离子运动离子源质量分析器正文：1898年W.维恩用电场和磁场使正离子束发生偏转时发现,电荷相同时，质量小的离子偏转得多,质量大的离子偏转得少。
1913年J.J.汤姆孙和F.W.阿斯顿用磁偏转仪证实氖有两种同位素[kg1]Ne和[kg1]Ne 阿斯顿于1919年制成一台能分辨一百分之一质量单位的质谱计，用来测定同位素的相对丰度，鉴定了许多同位素。
但到1940年以前质谱计还只用于气体分析和测定化学元素的稳定同位素。
后来质谱法用来对石油馏分中的复杂烃类混合物进行分析，并证实了复杂分子能产生确定的能够重复的质谱之后,才将质谱法用于测定有机化合物的结构,开拓了有机质谱的新领域。
质谱法的原理是待测化合物分子吸收能量（在离子源的电离室中）后产生电离，生成分子离子，分子离子由于具有较高的能量，会进一步按化合物自身特有的碎裂规律分裂，生成一系列确定组成的碎片离子，将所有不同质量的离子和各离子的多少按质荷比记录下来，就得到一张质谱图。
由于在相同实验条件下每种化合物都有其确定的质谱图，因此将所得谱图与已知谱图对照，就可确定待测化合物。
利用运动离子在电场和磁场中偏转原理设计的仪器称为质谱计或质谱仪。
前者指用电子学方法检测离子，而后者指离子被聚焦在照相底板上进行检测。
质谱法的仪器种类较多,根据使用范围,可分为无机质谱仪和有机质谱计。
常用的有机质谱计有单聚焦质谱计、双聚焦质谱计和四极矩质谱计。
目前后两种用得较多，而且多与气相色谱仪和电子计算机联用。
主要由以下部分组成：1，高真空系统质谱计必须在高真空下才能工作。
有机碳同位素测定
有机碳同位素测定有机碳同位素测定是一种重要的地球化学技术，它可以帮助科学家们更好地了解生物地球化学循环、全球气候变化以及化石资源形成的机制。
本文将详细介绍有机碳同位素测定的原理、方法和应用，以便读者更好地理解和掌握这一技术。
一、有机碳同位素的基本知识有机碳同位素包括14C、13C和12C三种同位素，其中12C是稳定同位素，其在地球上的丰度约为98.9%；13C也是稳定同位素，其在地球上的丰度约为1.1%；而14C则是放射性同位素，其自然存在于大气中的含量约为1.3×10-12。
有机物中的碳同位素组成可以用δ13C和δ14C两个参数来表示，其计算公式如下：δ13C=（Rsample/Rstandard-1）×1000‰其中Rsample和Rstandard分别为有机物样品和标准样品中13C/12C的比值，14Csample和14Cstandard分别为有机物样品和标准样品中14C/12C的比值。
注：‰表示相对差异的千分之一。
有机碳同位素测定的方法主要包括放射性测定法、稳定同位素测定法、质谱成像技术等，下面分别介绍。
（一）放射性测定法放射性测定法是利用放射性同位素14C的衰变来测定样品中14C的含量。
14C的衰变曲线呈指数衰减，可以用来计算样品中14C的含量。
具体方法包括放射性计数法、加速器质谱法等。
放射性计数法是将样品放入放射性计数器中，通过计数器的测量来获得样品中14C的含量。
当样品中14C的含量很低时，计数器要运行很长时间才能获得足够的数据，因此用这种方法测量样品的时间比较长。
加速器质谱法是将样品中的14C分离出来，然后通过质谱仪进行分析。
这种方法比较准确，可以测量非常小的样品。
但是，它的设备比较昂贵，不便于大规模使用。
（二）稳定同位素测定法稳定同位素测定法是利用稳定同位素13C和12C的比值，根据碳同位素效应来测定样品中13C的含量，从而计算出14C的含量。
这种方法不需要使用放射性同位素，所以比较方便和安全。
傅里叶变换-离子回旋共振质谱与核磁共振
傅里叶变换-离子回旋共振质谱与核磁共振一、引言傅里叶变换是一种数学工具，可以将函数在时域和频域之间进行转换。
离子回旋共振质谱（IRMS）和核磁共振（NMR）是利用傅里叶变换原理的仪器，在化学、生物学、药物研发等领域有重要应用。
本文将探讨傅里叶变换在离子回旋共振质谱和核磁共振中的应用，介绍其原理和技术特点。
二、离子回旋共振质谱离子回旋共振质谱是一种测定元素同位素比例的分析方法，主要用于地球科学、天文学和核物理等领域。
该技术利用离子在磁场中受到的洛伦兹力和外加交变电场引起的振荡来分析样品中同位素的含量。
离子回旋共振质谱仪的关键部分是储存环和检测系统，其中傅里叶变换在信号处理中起到重要作用。
离子回旋共振质谱仪通过加速器将样品中的原子或分子离子化，并将离子注入到一个磁场中。
离子在磁场中绕轴线做匀速回旋运动，并在外加的交变电场作用下产生振荡。
这种振荡会导致离子围绕轴线做径向运动，最终被探测器捕获。
离子的运动轨迹可以用复数表示，而复数的频谱可以通过傅里叶变换得到。
离子回旋共振质谱仪利用傅里叶变换将时域信号转换为频域信号，从而可以得到样品中同位素的含量信息。
三、核磁共振核磁共振是一种通过核自旋共振现象来研究物质结构和性质的方法，广泛应用于化学、生物学、医学等领域。
核磁共振仪利用傅里叶变换原理进行信号处理，从而得到样品中核自旋共振频率的信息。
核磁共振仪的工作原理是利用样品中核自旋在外加磁场中的共振现象来获取样品信息。
当样品置于外加静磁场中时，核自旋会沿外加磁场的方向取向。
施加射频脉冲后，核自旋将发生共振现象并产生幅度衰减的自旋回波信号。
这个信号随时间变化，可以通过傅里叶变换将其转换为频谱信号，从而得到样品中核自旋共振频率的信息。
四、傅里叶变换在IRMS和NMR中的应用1. 信号处理傅里叶变换在离子回旋共振质谱和核磁共振仪中起着至关重要的作用。
离子回旋共振质谱仪通过傅里叶变换将时域信号转换为频域信号，从而得到样品中同位素的含量信息。
LC-MS原理质谱法原理及应用
LC-MS原理质谱法原理及应用LC-MS原理质谱法原理及应用质谱法的原理及应用质谱法的原理及应用摘要：用电场和磁场将运动的离子（带电荷的原子、分子或分子碎片）按它们的质荷比分离后进行检测的方法。
测出了离子的准确质量，就可以确定离子的化合物组成。
这是由于核素的准确质量是一多位小数，决不会有两个核素的质量是一样的，而且决不会有一种核素的质量恰好是另一核素质量的整数倍。
关键词：质谱法离子运动离子源质量分析器正文：1898年W.维恩用电场和磁场使正离子束发生偏转时发现,电荷相同时，质量小的离子偏转得多,质量大的离子偏转得少。
1913年J.J.汤姆孙和F.W.阿斯顿用磁偏转仪证实氖有两种同位素[kg1]Ne和[kg1]Ne 阿斯顿于1919年制成一台能分辨一百分之一质量单位的质谱计，用来测定同位素的相对丰度，鉴定了许多同位素。
但到1940年以前质谱计还只用于气体分析和测定化学元素的稳定同位素。
后来质谱法用来对石油馏分中的复杂烃类混合物进行分析，并证实了复杂分子能产生确定的能够重复的质谱之后,才将质谱法用于测定有机化合物的结构,开拓了有机质谱的新领域。
质谱法的原理是待测化合物分子吸收能量（在离子源的电离室中）后产生电离，生成分子离子，分子离子由于具有较高的能量，会进一步按化合物自身特有的碎裂规律分裂，生成一系列确定组成的碎片离子，将所有不同质量的离子和各离子的多少按质荷比记录下来，就得到一张质谱图。
由于在相同实验条件下每种化合物都有其确定的质谱图，因此将所得谱图与已知谱图对照，就可确定待测化合物。
利用运动离子在电场和磁场中偏转原理设计的仪器称为质谱计或质谱仪。
前者指用电子学方法检测离子，而后者指离子被聚焦在照相底板上进行检测。
质谱法的仪器种类较多,根据使用范围,可分为无机质谱仪和有机质谱计。
常用的有机质谱计有单聚焦质谱计、双聚焦质谱计和四极矩质谱计。
目前后两种用得较多，而且多与气相色谱仪和电子计算机联用。
主要由以下部分组成：1，高真空系统质谱计必须在高真空下才能工作。
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。
其中一部分是放射性同位素衰变的最终稳定产物。
例如206Pb 和87Sr等。
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。
浅谈质谱技术及其应用
浅谈质谱技术及其应用摘要：质谱分析灵敏度高，分析速度快，被广泛应用于化学，化工，环境，能源，医药，运动医学，刑事科学技术，生命科学，材料科学等各个领域。
本文对质谱仪原理进展了介绍，并表达了质谱仪的开展过程，对质谱仪技术在各个领域的应用进展了综述，并对其开展提出了展望。
关键词：质谱仪应用开展1 质谱技术质谱〔又叫质谱法〕是一种与光谱并列的谱学方法，通常意义上是指广泛应用于各个学科领域中通过制备、别离、检测气相离子来鉴定化合物的一种专门技术。
质谱法在一次分析中可提供丰富的构造信息，将别离技术与质谱法相结合是别离科学方法中的一项突破性进展。
在众多的分析测试方法中，质谱学方法被认为是一种同时具备高特异性和高灵敏度且得到了广泛应用的普适性方法。
质谱分析是一种测量离子质荷比〔质量-电荷比〕的分析方法，其根本原理是使试样中各组分在离子源中发生电离，生成不同荷质比的带电荷的离子，经加速电场的作用，形成离子束，进入质量分析器。
在质量分析器中，再利用电场和磁场使发生相反的速度色散，将它们分别聚焦而得到质谱图，从而确定其质量。
1.2 质谱技术的开展1910年，英国剑桥卡文迪许实验室的汤姆逊研制出第一台现代意义上的质谱仪器。
这台质谱仪的诞生，标志着科学研究的一个新领域一质谱学的开创。
第一台质谱仪是英国科学家弗朗西斯·阿斯顿于1919年制成的。
阿斯顿用这台装置发现了多种元素同位素，研究了53个非放射性元素，发现了天然存在的287种核素中的212种，第一次证明原子质量亏损。
他为此荣获1922年诺贝尔化学奖。
1934年诞生的双聚焦质谱仪是质谱学开展的又一个里程碑。
在此期间创立的离子光学理论为仪器的研制提供了理论依据。
双聚焦仪器大大提高了仪器的分辨率，为准确原子量测定奠定了根底。
1.3 质谱技术的分类质谱仪器一般由样品导入系统、离子源、质量分析器、检测器、数据处理系统等局部组成。
质谱仪种类非常多，工作原理和应用范围也有很大的不同。
稳定同位素比质谱法
稳定同位素比质谱法
下面是关于稳定同位素比质谱法的介绍：
稳定同位素比质谱法（Stable Isotope Ratio Mass Spectrometry，简称IRMS）是一种常用的分析技术，用于确定样品中不同同位素的相对丰度。
这种方法通过将样品中的同位素分离并利用质谱仪进行分析，测量样品中不同同位素的相对丰度。
通过稳定同位素比质谱法，可以确定样品中同位素的比例，从而推断样品的来源、物质转化过程、生物化学循环等信息。
该技术广泛应用于地球科学、生物科学、环境科学等领域，用于研究元素循环、生态系统过程等。
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
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。
气体稳定同位素质谱仪
气体稳定同位素质谱仪嘿，兄弟们，今天我要跟你们聊聊我最近的新宠——气体稳定同位素质谱仪。
这玩意儿听起来高大上，其实呢，也就跟我家冰箱一样，是个好帮手。
得说说这玩意儿怎么用。
我嘛，是个化学实验室的小白，刚开始的时候，看着这仪器上的按钮跟密密麻麻的数字，简直头都大了。
后来，我请教了实验室的老大，他告诉我：“年轻人，这谱仪其实就跟玩儿电脑一样，得慢慢摸索。
”我一听，心里那个美啊，终于有共同语言了。
记得第一次用这谱仪的时候，老大在旁边给我示范。
他手一按，仪器就开始嗡嗡嗡地叫，像是在唱歌。
不一会儿，屏幕上就显示出一堆曲线图来。
我看着这些曲线，眼睛都直了，就跟看马良画龙一样，神奇。
老大说：“你看，这些曲线图里的每个峰值，都代表着一种同位素。
就像你们年轻人喜欢玩的游戏，每个角色都有独特的技能一样。
”我哈哈一笑，心想，这化学还真是挺有意思的。
后来，我开始自己上手。
嘿，一上手就发现这谱仪还挺贴心的，操作简便，还带语音提示。
我操作着仪器，一边跟旁边的同事聊天：“这谱仪真是太智能了，将来会不会取代我们啊？”同事一笑：“取代你？我看你是被这谱仪的魅力征服了。
”真的，用这谱仪的过程，就像是在玩儿一场化学版的寻宝游戏。
我一会儿分析这个气体样本，一会儿又研究那个，感觉像是开启了一扇通往新世界的大门。
有一次，我分析一个样品时，仪器突然“嘟嘟嘟”地叫起来，屏幕上的曲线图也变得扭曲起来。
我吓了一跳，赶紧请教老大：“这怎么回事啊？”老大过来一看，笑着说：“年轻人，这是仪器在告诉你，它发现了一个未知同位素！”我当时就惊呆了，没想到这谱仪竟然这么牛。
老大继续说：“这可是个重大发现，你赶紧记录下来！”我赶紧拿出笔记本，一笔一划地记下来。
那一瞬间，我仿佛看到了自己站在了化学界的巅峰。
现在，我已经成了实验室里的小明星，大家都说我用这谱仪有一套。
我心里那个美啊，这不就是我们年轻人的追求吗？不断探索，不断进步。
这就是我跟我家气体稳定同位素质谱仪的故事，希望你们喜欢。
元素分析仪-稳定同位素比例质谱仪的使用及维护
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;张丽梅【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.【期刊名称】《实验科学与技术》【年(卷),期】2018(016)003【总页数】5页(P67-71)【关键词】元素分析仪;同位素比例质谱仪;使用;维护【作者】严玉鹏;郭智成;张丽梅【作者单位】华中农业大学资源与环境学院, 湖北武汉 430070;北京嘉德元素科技有限公司, 北京朝阳区 101318;华中农业大学资源与环境学院, 湖北武汉430070【正文语种】中文【中图分类】TH6元素分析仪－稳定同位素比例质谱(EA－IRMS)分析法在同位素自然丰度和示踪分析方面得到广泛应用，具有测试速度快、结果精确、样品用量少等优点[1]。
作为便捷的分析测试仪器，EAIRMS被广泛应用于地球化学、地质、环境、生物、农业、生态系统以及食品检测等各领域[2－13]。
EA－IRMS技术可应用于土壤、植物等样品中H、C、N、O和S等元素的定量分析以及其稳定碳同位素比例的高效精确测定和分析。
EA－IRMS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。
本文主要介绍了EA－IRMS的基本工作原理，结合对该实验室Vario PYRO cube元素分析仪－Isoprime100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。
1 EA－IRMS的工作原理元素分析仪－稳定同位素比例质谱仪整个分析系统主要包括 Vario PYRO cube元素分析仪、Isoprime100质谱仪、稀释器和参考气进样器四部分，结构示意简图如图1(以CN模式为例)所示。
稳定同位素质谱仪
稳定同位素质谱仪
稳定同位素质谱仪的结构主要可分为进样系统、离子源、质量分析器和检测器。
进样系统是把待测气体引入同位素质谱仪系统，目前主要的进样系统有元素分析仪、色谱仪（GC和LC）、顶空分析仪和双路进样。
离子源是将待测样品的气体分子电离，加速并聚焦成离子束。
质量分析器试讲不同质荷比的离子分开，主体为一扇形磁铁，要求其分离好，聚焦效果好。
检测器指的是法拉第接收杯，接收来自质量分析器的具有不同质荷比的离子束，比加以放大和记录。
同位素分析仪
同位素分析仪随着科技的发展，同位素分析仪成为科研领域中一个重要的工具。
同位素分析仪是一种用于分析样品中不同同位素比例的设备。
同位素分析仪可以对化学元素中的同位素进行定量分析，为原子核物理、地球化学、生物、医学和环境科学等领域打开了广阔的研究空间。
本文将对同位素分析仪的原理、分类及应用进行介绍。
原理同位素分析仪的核心原理是利用原子核的不稳定性。
这种不稳定性来源于核素中质子数与中子数的不同。
这种不稳定性表现为放射性衰变，核素会通过放射性衰变来变成稳定的同位素。
不同核素具有不同的衰变速率，因此会产生不同的放射性崩变信息。
通过观察样品放射性崩变信息的变化，可以得到样品中不同同位素的含量。
同位素分析仪的使用离不开一个关键组件——质谱。
带电的离子会被引入到磁场或电场中，从而产生轨迹偏转。
不同的同位素离子因质量不同，轨迹也不同。
通过分析轨迹偏转情况，可以得到样品中不同同位素含量的比例。
分类根据不同的离子分离方法，同位素分析仪可以分为不同的类型。
下面介绍主要的分类。
质子交换反应式同位素质谱主要用于对反应产物中的同位素进行快速分析。
其中一个离子会参与质子交换反应，形成带正电荷的分子离子。
这些离子会根据它们的质荷比值被分离到不同的检测器中。
这种方法适用于对样品中含有很少的稳定同位素进行测量。
感应耦合等离子体质谱该方法主要适用于稳定同位素的测量。
在样品中产生离子，并将其喷入磁力场，形成轨迹，并被导入质谱仪中分离。
优点是可以同时分析样品中许多同位素。
气体质谱气体质谱法是基于气体分子的分离。
通常使用更轻的氢气作为载气来运输样品中的同位素离子，样品在进入质谱仪之前会被加热至蒸发。
在质谱中，质量不同的气体分子发生碰撞以产生载荷，其中包括离子。
然后，这些离子会根据其质量被分离并被记录下来。
电离飞行时间质谱电离飞行时间质谱利用离子在电场中移动的时间与整个质谱的通道长度之间的关系来分离同位素。
这种方法适用于测量样品中稀有同位素的含量。
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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。
其中一部分是放射性同位素衰变的最终稳定产物。
例如206Pb 和87Sr等。
另一大部分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和13C、18O 和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）①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1H（取1H ＝1012）或28Si（28Si＝106）的比值表示。
这种丰度一般是由太阳光谱和陨石的实测结果给出元素组成，结合各元素的同位素组成计算的。
②相对丰度：指同一元素各同位素的相对含量。
例如12C＝％，13C＝％。
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％。
4、R值和δ值①一般定义同位素比值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. 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δ值来表示样品的同位素成分。
②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δ值。
其定义为：δ（‰）=（Rsq/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。
5、同位素标准（Isotope standard）δ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是：（a）组成均一性质稳定；（b）数量较多，以便长期使用；（c）化学制备和同位素测量的手续简便；（d）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；（e）可以做为世界范围的零点。
目前国际通用的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，其主要的分析标准和数据报道如下：（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 =（±）×10－6。
事实上并不存在SMOW这样一种无知，它是根据NBS－1定义的，NBS－1是由NBS分发的一个水样，它是用Potome 河水制成的蒸馏水，相对于SMOW，其氢同位素比值为：δD NBS－1＝－‰。
后来IAEA分发了两个用作同位素标准的水样V－SMOW和SLAP，其氢同位素比值分别为δD VSMOW＝0‰。
δD SLAP＝－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（Peedee Belemnite，即PDB），其13C/12C =（±90）×10－6，定义其δ13C＝0‰。
（c）氧同位素：大部分氧同位素分析结果均以SMOW标准报导，它是根据水样NBS－1定义的，18O/16O SMOW＝（±）×10－6，17O/16O SMOW＝（373±15）×10－6；而在碳酸盐样品氧同位素分析中则经常采用PDB标准，其18O/16O＝×10－6，它与SMOW标准之间存在转换关系。
相对于SMOW，NBS －1的样同位素比值为：δ18ONBS－1＝－‰。
两个IAEA标准水样VSMOW和SLAP的氧同位素比值分别为：δ18OVSMOW＝0‰。
δ18OSLAP＝－‰。
（d）硫同位素：标准物质选用Canyon Diablo铁陨石中的陨硫铁(Troilite)，简称CDT。
34S/32S CDT ＝±93，定义CDT的δ34S＝0‰。
（e）氮同位素：选空气中氮气为标准。
15N/14N＝（）×10－6，定义其δ15N＝0‰。
（f）硅同位素：硅同位素组成常以30Si/28Si比值表示，标准是石英砂NBS－28，定义其δ30Si＝0‰。
（g）硼同位素：采用SRM951硼酸做为标准，NBS推荐的11B/10B比值为±，定义其δ11B＝0‰。
二、稳定同位素比例质谱仪（IRMS）工作原理简介质谱是按照原子（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 spectrometer 或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，所以，要求将被研究的原子（分子）转变成离子，而仪器所获得的信息则是离子的质量m与电荷e之比m/e。
近百年来，人们利用质谱仪进行了原子量测定、同位素分离与分析、有机物结构分析和其它科学实验，形成质谱法（mass spetromettry或mass spetroscopy），其在现代分离、分析研究领域中占有重要地位。
质谱仪器的主要特点有：①擅长同位素分析；②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；③可以同时（或顺序）检测多种成分；④可以连续（或间歇）进样、连续分析；⑤可以提供丰富的结构信息；⑥可以进行快速分析与实时检测；⑦即可进行定性分析，也可定量分析；⑧样品用量少，灵敏度很高；⑨测量准确度与精密度较高；⑩仪器结构复杂，造价较高。
同位素比例质谱仪是利用离子光学和电磁原理，按照质荷比（m/e）进行分离从而测定同位素质量和相对含量的科学实验仪器。
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：①将被分析的样品以气体形式送入离子源；②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直成为一定能量的平行离子束；③利用电、磁分析器将离子束分解为不同m/e比值的组分；④记录并测定离子束每一组分的强度；⑤应用计算机程序将离子束强度转化为同位素丰度；⑥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。
2、IRMS的基本原理：同位素比例质谱仪的原理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。
飞行管是弯曲的，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，具有特定质量的离子束强度。
由于它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。
以CO2为例，需要有三个法拉第收集器来收集质量分别为44、45和46的离子束。
不同质量离子同时收集，从而可以精确测定不同质量离子之间的比率。
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'和v'分别为粒子的质量和速度，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，此力垂直于磁场方向和运动方向，力的大小为：F=e' VB/c（2）式中B 为磁场强度，c 为光速。
合并（1）和（2）式，得到：F ＝/m e'c2V e'm c V2e' e' B B ＝ （3） 显然，F 为粒子质量的函数，确切来说是荷质比/m e'的函数。
据此，带电粒子在磁场中运动时因洛仑兹力而偏转，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。
实际测定中，不是直接测定同位素的绝对含量，因为这一点很难做到；而是测定两种同位素的比值，例如18O/16O 或34S/32S 等。
用作稳定同位素分析的质谱仪是将样品和标准的同位素比值作对比进行测量。
3、 IRMS 的基本结构同位素比例质谱仪与其它质谱仪一样，其结构主要可分为进样系统、离子源、质量分析器和检测器四部分，此外还有电气系统和真空系统支持。
（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和分析室的真空。
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和气流管道的直径，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。