同位素比例质谱

同位素比例质谱
1 同位素有关概念
同位素：两个原子质子数目相同，但中子数目不同，则他们仍有相同的原子序，在周期表是同一位置的元素。

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）。

放射性同位素指某些同位素的原子核很不稳定，会不间断地、自发地放射出射线，直至变成另一种稳定同位素。

稳定同位素指某元素中不发生或极不易发生放射性衰变的同位素，常用的有34种，已实现规模生产的稳定同位素及化合物有235U、重水、6Li、10B，而常用于质谱分析的主要是12C和13C、18O和16O、34S和32S、D/H等。

2 同位素丰度
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。

相对丰度：指同一元素各同位素的相对含量。

例如12C＝98.892％，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％。

3 R值和δ值
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。

样品（se）的同位素比值Rse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（‰）=（Rse/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）。

氢同位素标准物质：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 =（155.76±0.10）×10－6。

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 =（11237.2±90）×10－6，定义其δ13C ＝0‰。

硫同位素标准物质为Canyon Diablo铁陨石中的陨硫铁(Troilite)，简称CDT。

34S/32S CDT＝0.0450045±93，定义CDT的δ34S＝0‰。

氮同位素标准物质为：选空气中氮气为标准，15N/14N＝（3.676.5±8.1）×10－6，定义其δ15N＝0‰。

氧同位素标准物质：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＝（2005.2±0.43）×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＝2067.1×10－6，它与SMOW标准之间存在转换关系。

4 稳定同位素质谱的原理
稳定同位素质谱仪测定样品中的C、H、O、S等同位素之前，需要将样品转化成相应的气体。

如H 同位素分析转化成氢气，C、O同位素分析分析采用二氧化碳气体，S同位素分析采用二氧化硫和SF6 。

下面以元素分析仪-同位素比例质谱（EA-IRMS)为例介绍下原理：以测定葡萄酒中乙醇的δ13C为例。

Integra-CN稳定碳同位素比质谱仪( 英国Sercon 质谱有限公司,软件为
V ANCA-V29I)。

R
如图：大致过程为样品经过燃烧氧化、还原、脱水、色谱分离和碳同位素比值测定由仪器操作软件自动控制完成，具体过程先将样品包囊在锡纸中放入自动进样器中，进样后锡纸进入1000℃高温的燃烧炉中，锡纸燃烧样品温度瞬间升至1800℃并被氧化生成CO2，NO X , N2 , H2O.随着载气流先后通过氧化炉中填充材料去除卤化物和硫化物，氧化产物随着载气通过氧化管，进入600℃的高温铜丝除去通入的过量氧气，并将二氧化氮还原成氮气，然后样品和载气通过含有Mg(CLO4)2的填充柱除水，经过上述过程后载气和样品气体进入气相色谱填充柱将CO2和N2分离，样品进入质谱离子源进行δ13C测定。

下面是HPLC-IRMS联用内部结构图（赛默飞DELTA V Advantage气体同位素质谱仪）
HPLC系统由一个Rheos Allegro binary pump (Flux Instruments, Buchs, Switzerland) ，一个HTCPAL 自动进样(Axel Semrau GmbH, Sprockhövel, Germaney)和一个PRP-X400, 4.1 ×150 mm, 7 um 阳离子交换柱（Hamilton AG, Bonaduz, Switzerland，作用分离glyphosate 和AMPA）组成。

5 稳定同位素的应用
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、医学和环境科学研究领域。

目前常见的主要应用分为两个方面，①各种物质同位素δ值存在着天然的差异，②稳定同位素示踪方法。

5.1 通过鉴定物质的来源来确定产品的真伪。

李学民（2014）等对比较了旋转蒸发仪、全玻璃蒸馏装置和全自动蒸馏控制系统3种蒸馏方法，对葡萄酒乙醇δ13C值的影响，确定了元素分析-同位素比质谱仪的最佳测定条件，建立了元素分析-同位素比质谱法测定乙醇δ13C值方法。

在重复性和再现性条件下，对乙醇标准及葡萄酒中乙醇δ13C的值进行了测定，为葡萄酒掺假检测研究奠定基础。

另外，如果葡萄酒中13C同位素比随着地区或产地的不同而发生变化，则葡萄糖、果糖、甘油和乙醇中的13C/12C之比可以作为其一致的内部参数。

因此François Guyon（2011）对甜、半甜葡萄酒中的葡萄糖，果糖，甘油和乙醇中的3C/12C进行HPLC-co-IRMS检测，并确定了鉴定葡萄酒真伪的相关参数。

5.2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δ15N值可以作为水域环境污染程度指标。

目前利用轻元素(C、N、O)的稳定性同位素比值的变化研究温室气体的来源和释放规律的工作相对较少，曹亚澄(2008)等利用一种带全自动预GC浓缩接口(PreCon)的同位素质谱计，高精度地测定大气浓度下N2O、CH4或CO2中的碳、氮、氧稳定性同位素比值，给空气质量监测提供了新的研究方法。

Doroth5ea M（2013）.等人利用HPLC-IRMS建立了测定草甘膦及其延生物AMPA中的δ13C值，对于进一步研究C同位素分流意义重大。

Eun-Ji Y u（2014）等人利用Delta V Plus IRMS 建立了同时测定CO2气体浓度和C同位素比例的方法。

参考文献：
[1] 李学民.元素分析-同位素比质谱法测定葡萄酒中乙醇δ13C值[J].分析化学,2014.
[2] François Guyon.Intrinsic ratios of glucose, fructose, glycerol and ethanol.13C/12C isotopic ratio determined by HPLC-co-IRMS:toward determining constants for wine authentication [J].Anal Bioanal Chem(2011).
[3] 曹亚澄。

大气浓度下N2O、CH4和CO2中氮、碳和氧稳定同位素比值的质谱测定[J].土壤学报。

[4] Dorothea M. Kujawinski & J.Carbon isotope ratio measurements of glyphosate and AMPA by liquid chromatography coupled to isotope ratio mass spectrometry[J].Anal Bioanal Chem (2013）。

[5] Eun-Ji Yu（2014），Simultaneous measurement of CO2 concentration and isotopic ratios in gas samples using IRMS。