穩定同位素比例質譜儀（IRMS）的原理和應用

　　同位素質譜最初是伴隨著核科學與核工業的發展而發展起來的，同位素質譜是同位素地質學發展的重要實驗基礎。當前我國同位素質譜技術已深入到礦床同位素地球化學、巖石年代學、有機穩定同位素地球化學、無機穩定同位素地球化學等各個方面，并在國家一系列重大攻關和研究課題中發揮重大作用，如金礦和石油天然氣研究、水資源開發等。穩定同位素技術的出現加深了生態學家對生態系統過程的進一步了解，使生態學家可以探討一些其它方法無法研究的問題。與其它技術相比，穩定同位素技術的優點在于使得這些生態和環境科學問題的研究能夠定量化并且是在沒有干擾（如沒有放射性同位素的環境危害）的情況下進行。有些問題還只能通過利用穩定同位素技術來解決。現在，有許多農業研究機構和大學，已經開始使用高精度同位素質譜計從事合理用肥、果實營養、固氮分析、農藥毒性、家畜氣候對作物的影響以及食品質量控制等多方面的研究工作。與原子能和地質研究工作相比較，在農業和食品方面應用同位素方法從事科研和檢測工作，正處于方興未艾階段，隨著人類社會發展，對農業的要求越來越高，今后大力開展和普及用現代化方法研究農業增產、改善果實質量以及進行食品質量控制檢測的工作前途無限廣闊。

　　一、 有關同位素的基本概念

　　1、 同位素（Isotope）

　　由于原子核所含有的中子數不同，具有相同質子數的原子具有不同的質量，這些原子被稱為同位素。例如，碳的3個主要同位素分別為12C、13C和14C，它們都有6個質子和6個電子，但中子數則分別為6、7和8。

　　2、 穩定同位素（Stable isotope）

　　同位素可分為兩大類：放射性同位素（radioactive isotope）和穩定同位素（stable isotope）。

　　凡能自發地放出粒子并衰變為另一種同位素者為放射性同位素。

　　無可測放射性的同位素是穩定同位素。 其中一部分是放射性同位素衰變的最終穩定產物。例如206Pb和87Sr等。另一大部分是天然的穩定同位素，即自核合成以來就保持穩定的同位素，例如12C和13C、18O和16O等。與質子相比，含有太多或太少中子均會導致同位素的不穩定性，如14C。這些不穩定的“放射性同位素”將會衰變成穩定同位素。

　　3、 同位素豐度（Isotope abundance）

　　① 絕對豐度：指某一同位素在所有各種穩定同位素總量中的相對份額，常以該同位素與1H（取1H＝1012）或28Si（28Si＝106）的比值表示。這種豐度一般是由太陽光譜和隕石的實測結果給出元素組成，結合各元素的同位素組成計算的。

　　② 相對豐度：指同一元素各同位素的相對含量。例如12C＝98.892％，13C＝1.108％。大多數元素由兩種或兩種以上同位素組成，少數元素為單同位素元素，例如19F＝100％。

　　4、 R值和δ值

　　①一般定義同位素比值R為某一元素的重同位素原子豐度與輕同位素原子豐度之比. 例如 D/H、13C/12C、34S/32S等，由于輕元素在自然界中輕同位素的相對豐度很高，而重同位素的相對豐度都很低，R值就很低且冗長繁瑣不便于比較，故在實際工作中通常采用樣品的δ值來表示樣品的同位素成分。

　　②樣品（sq）的同位素比值Rsq與一標準物質（st）的同位素比值（Rst）比較，比較結果稱為樣品的δ值。其定義為：

　　 δ（‰）=（Rsq/Rst －1）×1000

　　即樣品的同位素比值相對于標準物質同位素比值的千分差。

　　5、 同位素標準（Isotope standard）

　　δ值的大小顯然與所采用的標準有關，所以在作同位素分析時首先要選擇合適的標準，不同的樣品間的比較也必須采用同一標準才有意義。對同位素標準物質的一般要求是：

　　（a） 組成均一性質穩定；

　　（b） 數量較多，以便長期使用；

　　（c） 化學制備和同位素測量的手續簡便；

　　（d） 大致為天然同位素比值變化范圍的中值，便用于絕大多數樣品的測定；

　　（e） 可以做為世界范圍的零點。

　　目前國際通用的同位素標準是由國際原子能委員會（IAEA）和美國國家標準和技術研究所（NIST）頒布的，其主要的分析標準和數據報道如下：

　　（a） 氫同位素：分析結果均以標準平均大洋水（Standard Mean Ocean Water，即SMOW）為標準報導，這是一個假象的標準，以它作為世界范圍比較的基點，其D/H SMOW =（155.76±0.10）×10－6。事實上并不存在SMOW這樣一種無知，它是根據NBS－1定義的，NBS－1是由NBS分發的一個水樣，它是用Potome河水制成的蒸餾水，相對于SMOW，其氫同位素比值為：δDNBS－1＝－47.6‰。后來IAEA分發了兩個用作同位素標準的水樣V－SMOW和SLAP，其氫同位素比值分別為

　　δDVSMOW＝0‰。

　　δDSLAP＝－428‰。

　　（b） 碳同位素：標準物質為美國南卡羅來納州白堊紀皮狄組層位中的擬箭石化石（Peedee Belemnite，即PDB），其13C/12C =（11237.2±90）×10－6，定義其δ13C＝0‰。。

　　（c） 氧同位素：大部分氧同位素分析結果均以SMOW標準報導，它是根據水樣NBS－1定義的，18O/16O SMOW＝（2005.2±0.43）×10－6， 17O/16O SMOW＝（373±15）×10－6；而在碳酸鹽樣品氧同位素分析中則經常采用PDB標準，其18O/16O＝2067.1×10－6，它與SMOW標準之間存在轉換關系。相對于SMOW，NBS－1的樣同位素比值為：δ18ONBS－1＝－7.94‰。兩個IAEA標準水樣VSMOW和SLAP的氧同位素比值分別為：

　　δ18OVSMOW＝0‰。

　　δ18OSLAP＝－55.50‰。

　　（d） 硫同位素：標準物質選用Canyon Diablo鐵隕石中的隕硫鐵(Troilite)，簡稱CDT。34S/32S CDT＝0.0450045±93，定義CDT的δ34S＝0‰。 。

　　（e） 氮同位素：選空氣中氮氣為標準。15N/14N＝（3.676.5±8.1）×10－6，定義其δ15N＝0‰。 。

　　（f） 硅同位素：硅同位素組成常以30Si/28Si比值表示，標準是石英砂NBS－28，定義其δ30Si＝0‰。

　　（g） 硼同位素：采用SRM951硼酸做為標準，NBS推薦的11B/10B比值為4.04362±0.00137，定義其δ11B＝0‰。

　　二、 穩定同位素比例質譜儀（IRMS）工作原理簡介

　　質譜是按照原子（分子）質量的順序排列的圖譜。利用光譜法、核感應法或微波吸收法都可以構成試驗裝置，進行質譜研究；而歷史上把基于電磁學原理設計而成的儀器叫做質譜儀（mass spectrometer或mass spectrograph）。因此種儀器中采用的質量分析器只能對帶電粒子起分離作用，所以，要求將被研究的原子（分子）轉變成離子，而儀器所獲得的信息則是離子的質量m與電荷e之比m/e。近百年來，人們利用質譜儀進行了原子量測定、同位素分離與分析、有機物結構分析和其它科學實驗，形成質譜法（mass spetromettry或mass spetroscopy），其在現代分離、分析研究領域中占有重要地位。

　　質譜儀器的主要特點有：① 擅長同位素分析；② 可以進行多種形態樣品（氣體、液體、固體、常溫、高溫、常量、微量……）分析；③ 可以同時（或順序）檢測多種成分；④ 可以連續（或間歇）進樣、連續分析；⑤ 可以提供豐富的結構信息；⑥ 可以進行快速分析與實時檢測；⑦ 即可進行定性分析，也可定量分析；⑧ 樣品用量少，靈敏度很高；⑨測量準確度與精密度較高；⑩ 儀器結構復雜，造價較高。同位素比例質譜儀是利用離子光學和電磁原理，按照質荷比（m/e）進行分離從而測定同位素質量和相對含量的科學實驗儀器。

　　1、 IRMS的基本測量過程

　　在穩定同位素分析中均以氣體形式進行質譜分析，因此常有氣體質譜儀之稱。同位素質譜分析儀的測量過程可歸納為以下步驟：

　　① 將被分析的樣品以氣體形式送入離子源；

　　② 把被分析的元素轉變為電荷為e的陽離子，應用縱電場將離子束準直成為一定能量的平行離子束；

　　③ 利用電、磁分析器將離子束分解為不同m/e比值的組分；

　　④ 記錄并測定離子束每一組分的強度；

　　⑤ 應用計算機程序將離子束強度轉化為同位素豐度；

　　⑥ 將待測樣品與工作標準相比較，得到相對于國際標準的同位素比值。

　　2、 IRMS的基本原理：

　　同位素比例質譜儀的原理是首先將樣品轉化成氣體（如CO2，N2，SO2或H2），在離子源中將氣體分子離子化（從每個分子中剝離一個電子，導致每個分子帶有一個正電荷），接著將離子化氣體打入飛行管中。飛行管是彎曲的，磁鐵置于其上方，帶電分子依質量不同而分離，含有重同位素的分子彎曲程度小于含輕同位素的分子。

　　在飛行管的末端有一個法拉第收集器，用以測量經過磁體分離之后，具有特定質量的離子束強度。由于它是把樣品轉化成氣體才能測定，所以又叫氣體同位素比例質譜儀。以CO2為例，需要有三個法拉第收集器來收集質量分別為44、45和46的離子束。不同質量離子同時收集，從而可以精確測定不同質量離子之間的比率。

　　帶電粒子在磁場中運動時發生偏轉，偏轉程度與粒子的質荷比m/e成反比。帶電離子攜帶電荷e'，通過電場時獲得能量e'V，它應與該離子冬動能相等：

　　1/2m' v' 2＝e' V （1）

　　式中m'和 v'分別為粒子的質量和速度，e'為粒子電荷，V為電壓。帶電粒子沿垂直磁力線方向進入磁場時，受到洛侖茲力作用，此力垂直于磁場方向和運動方向，力的大小為：

　　 F=e' VB/c （2）

　　式中B為磁場強度，c為光速。合并（1）和（2）式，得到：

　　 F＝ （3）

　　顯然，F為粒子質量的函數，確切來說是荷質比 的函數。據此，帶電粒子在磁場中運動時因洛侖茲力而偏轉，導致不同質量同位素的分離，重同位素偏轉半徑大，輕同位素偏轉半徑小。

　　實際測定中，不是直接測定同位素的絕對含量，因為這一點很難做到；而是測定兩種同位素的比值，例如18O/16O或34S/32S等。用作穩定同位素分析的質譜儀是將樣品和標準的同位素比值作對比進行測量。

　　3、 IRMS的基本結構

　　同位素比例質譜儀與其它質譜儀一樣，其結構主要可分為進樣系統、離子源、質量分析器和檢測器四部分，此外還有電氣系統和真空系統支持。

　　（a） 進樣系統：即把待測氣體導入質譜儀的系統。它要求導入樣品但不破壞離子源和分析室的真空。為避免擴散引起的同位素分餾，要求在進樣系統中形成粘滯性氣體流，即氣體的分子平均自由路徑小于儲樣器和氣流管道的直徑，因此氣體分之間能夠彼此頻繁碰撞，分子間相互作用，形成一個整體。。

　　（b） 離子源：在離子源中，待測樣品的氣體分子發生電離，加速并聚焦成束。針對某種元素，往往可以采用不止一種離子源測定同位素豐度。對離子源的要求是電離效率高，單色性好。

　　（c） 質量分析器：接收來自質量分析器的具有不同荷質比的離子分開。主體為一扇形磁鐵。要求其分離大，聚焦效果好。

　　（d） 離子檢測器：接收來自質量分析器的具有不同荷質比俄離子束，并加以放大和記錄。由離子接收器和放大測量裝置組成。離子通過磁場后，待分析離子束通過特別的狹縫后，重新聚焦落到接收器上并收集起來。接收器一般為法拉第筒。現代質譜儀都有兩個或多個接收器以便同時接收不同質量數的離子束，交替車輛樣品和標準的同位素比值并將兩者加以比較，可以得到高的測量精度。對檢測部分的要求是靈敏度高，信號不畸變。

　　4、 IRMS的主要部件

　　Finnigan MAT DeltaplusXP同位素比例質譜儀是一種用于精密測定13C、15N、18O和34S同位素比值的中型質譜儀。該IRMS系統部件主要由系統主機、四個外設、兩個接口和一個工作站組成。

　　① 主機即質譜儀，由離子源、質量分析器、檢測器、電氣系統以及真空系統組成。

　　② 四個外設包括：燃燒型元素分析儀（flash EA1112）、高溫裂接元素分析儀（TC/EA）、氣相色譜儀（GC）和預濃縮裝置（PreCon）。

　　③ 兩個接口：連接元素分析儀的連續流接口（即Conflo Ⅲ）和連接氣相色譜儀的帶燃燒、裂接的接口（GCC）。

　　④ 一個工作站：一臺運行控制程序ISODAT NT的奔騰計算機。

　　三、 IRMS分析技術的應用

　　隨著同位素質譜測試技術的改進，大大拓寬了穩定同位素的研究領域。除了人們所熟知的“穩定同位素地球化學”已形成一門獨立的學科外，穩定同位素技術還應用于農業、醫學和環境科學研究領域。通過同位素分析，可以得知農作物施肥的最佳配方比和時間；診療病癥；了解物品組成成分與來源；推斷古氣候及環境條件特征 總結它的應用主要分為兩個方面： ①各種物質同位素δ值存在著天然的差異。 ②穩定同位素示蹤方法 同位素質譜測試技術應用的幾個實例：

　　1、 同位素比例質譜法鑒別海洛因來源

　　當前，毒品來源推斷技術已成為國際上的研究熱點之一。化合物的穩定同位素比值被稱為該化合物的“同位素簽字”，它能反映化合物的來源信息。海洛因是由嗎啡經二乙酰化得到，海洛因的13C同位素比值能反映海洛因的合成和來源信息，但由于乙酰基對13C的貢獻，不能完全反映嗎啡來源地信息。因此，為研究海洛因的來源地，應排除乙酰基的影響，即把海洛因水解為嗎啡，再測定嗎啡的13C同位素比值來推斷其原產地。

　　2、 生態系統中污染物的監測與環境保護

　　在不同環境條件下，穩定同位素的組成會有一定的差異。譬如不同來源的含氮物質可以具有不同的氮同位素組成，因此氮同位素是一種很好的污染物指示劑。目前，化肥的使用非常普遍，土壤中的氮肥及其它的含氮有機物隨著水土的流失而流進江河湖海，因此δ15N值可以作為水域環境污染程度指標。

　　3、 食品質量控制方面的應用

　　根據植物C3和C4循環產物的δ13C值得不同，碳同位素技術在食品質量控制方面可以發揮特別的作用，能夠解決常規分析技術解決不了的問題。例如，常規歸分析技術無法分別甜菜糖和蔗糖，但甜菜是C3植物，δ13C約為－25.5‰，蔗糖是C4植物，δ13C約為－11.5‰，應用碳同位素技術則可以輕而易舉地加以區分。同樣楓樹是C3植物，δ13C＝－22.4‰～－25.5‰，所以在楓樹糖漿中若摻入蔗糖，用δ13C分析即可檢出。同樣的方法可以鑒別蜂蜜（主要來自C3植物）中摻入的蔗糖，或是區別天然香料（δ13C約為－20‰）和合成香料（δ13C＝－27‰）等。谷物發酵形成酒精的過程中碳同位素分餾不超過千分之幾，所以也可用來鑒別酒類。應用碳同位素技術甚至可以堅定喂蛋雞的飼料，用麥子喂養雞的蛋其δ13C＝－23.7‰，玉米喂養雞的蛋其δ13C＝－11.0‰，混合飼料喂養雞時的蛋其δ13C介于其間。

　　同樣的原理還可以應用于考古，由于有機殘余物的δ13C可追溯古代文明的食品狀況。把碳和氧同位素綜合應用，還可對于不同食品的混合作出更精細的判斷。