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浅析同位素比质谱仪及稳定同位素分析技术

摘要

同位素地球化学经历了近一个世纪的发展，已经成为一门成熟的学科。它不但成为研究各种基础地球科学问题的手段，而且在解决人类社会面临的重大资源、环境、生态问题方面开始发挥关键作用。同位素质谱分析测试技术是同位素研究的基础。新的测试技术的创立，新的测试仪器的研制，原有仪器设备和测试方法的改进是稳定同位素地球化学研究发展的依托。本文通过对同位素质谱技术的原理、仪器结构、解释过程及必威体育精装版发展和成果进行综述评述了同位素质谱分析测试技术中常用的多接收器等离子体质谱法、激光探针质谱、离子探针、热电离质谱法和高精度质谱计分析同位素的原理、应用范围、存在问题和研究进展；以熟悉和掌握同位素质谱技术为目的；加深了对同位素质谱技术的认识，并就该技术在近几年的前沿发展获得了很好的了解和掌握。

关键词：同位素质谱；分析；技术；进展

同位素质谱仪

1.1同位素质谱仪的发展历史

1912年：世界第一台质谱仪装置问世

20世纪40年代：质谱仪开始用于测定同位素

20世纪50年代：质谱仪开始用于分析石油

20世纪60年代：研究GC-MS联用技术

70年代：计算机技术的发展使得质谱仪开始实现自动化和数字化

1.2同位素质谱仪简介

质谱法是一种按照离子的质核比（m/z）大小对离子进行分离和测定的方法。

质谱法的作用是：①准确测定物质的分子量；②根据碎片特征进行化合物的结构分析。分析时，首先将分子离子化，然后利用离子在电场或磁场中运动的性质，把离子按质荷比大小排列成谱，此即为质谱。

1.3同位素质谱仪的分类

单聚焦质谱

有机质普双聚焦质谱

按用途分无机质谱按原理分四极质谱

同位素质谱飞行时间质谱

回旋共振质谱

气质联用

按联用方式分液质联用

质质联用

同位素质谱分析

2.1概述

仪器分析通常按照最后测量过程中所观测对象的性质进行分类。质谱法(MassSpectroscopy)就是其中的一类分析方法。质谱分析是一种物理分析方法，它是利用元素质量于电荷比的关系来进行分析的方法。它利用仪器测定物质的同位素组分及其比例，可用于定性分析、同位素分析以及有机物的结构测定。这种仪器就是质谱仪。按照检测方式，质谱仪可以分为两类：一类是用照相法同时检测多种离子，称为MassSpectrograph，现已被淘汰；另一类是用电子学方法检测离子，称为MassSpectrometer。后者目前已被广泛用来精确测量元素的同位素组分，通常所说的质谱仪主要是指这一类。

2.2质谱仪的工作原理

质谱仪是一类能使物体离子化，并通过适当的电场、磁场将它们按质荷比分离、检测分析的仪器。当被测样品在离子源中被电离后，产生各种带正电荷的离子。在加速电场的作用下，形成离子束射入质量分析器。在质量分析器中，由于受磁场的作用，入射的离子束会改变运动的方向。当离子的速度和磁场强度不变时，离子作用等速圆周运动，其轨迹于质荷比(即质量对电荷的比值)的大小有关。不同的离子会按其质荷比的大小分离运行，然后记录成质谱图。

质谱(MassSpectrum，简称MS)是指所记录的这些离子的相对丰度按照其质荷比分布的曲线。根据谱线的位置及相应离子的电荷数，可进行定性分析；根据谱线的黑度或者相应离子流的相对强度，可进行定量分析。那是MassSpectrograph的处理结果。而目前常用的MassSpectrometer则用检测器将分离后的离子接受、经放大器放大信号、送计算机处理、得出各类参数。

2.3质谱仪的基本结构

虽然质谱仪有多种类型，但基本上都可分为离子源、质量分析器和检测器三大部分，其中包括了电气系统、真空系统、放大器；此外，还有进样系统和计算机等支持。

进样系统：进样系统是把待测样品导入质谱仪系统。主要可分为手动人工进样系统和自动进样系统。以往手工进样只能一个一个的分析，计算机的应用再加上自动进样系统，使得仪器分析实现了自动化。

进样系统

离子源：离子源在质谱仪中的作用是使被测物体离子化，加速并使离子会聚成具有一定几何形状和能量的离子束。按离子产生的方式不同，离子源的种类有：电子