第一章稳定同位素质谱分析技术
　　从1942年研制出第一台商品型同位素质谱仪以来，经过半个多世纪的发展，稳定同位素质谱分析技术不断与时俱进，仪器性能不断提升，各种配套设备也相继研发并投入使用，使得相关测量的精确度和灵敏度显著提高，自动化测量成为趋势，为相关研究开拓出更为广阔的前景。本章简要介绍稳定同位素比质谱仪的发展及应用、工作原理和主要技术指标。
　　第一节稳定同位素比质谱仪概述
　　质谱仪（mass spectrometer）是一种应用广泛的大型分析仪器，它的种类很多，分类方法也不完全一致。按质量分析器的工作原理，可将质谱仪分为静态仪器和动态仪器两大类。根据质谱仪的应用范围，则可分为气体同位素比质谱仪、有机质谱仪和无机质谱仪等。本节介绍几种常见质谱仪的类别及应用。
　　一、同位素比质谱仪的发展
　　从质谱分析器发展到现在精密的同位素质谱仪，经历了一系列的发展历程。早在19世纪初期，在剑桥大学的卡尔迪什实验室（Cavendish Laboratory，University of Cambridge），约瑟夫 汤姆孙、欧内斯特 卢瑟福和弗朗西斯 威廉 阿斯顿等著名科学家奠定了质谱仪的基础。现简要介绍质谱仪（主要是同位素比质谱仪）的发展历史。
　　1913年，汤姆孙和阿斯顿使用“正电荷射线分析器”首次发现了氖元素的两个同位素20Ne和22Ne。
　　1919年，阿斯顿利用磁场和电场研制出一种称为“正电荷射线谱仪”的仪器，这便是同位素比质谱仪的原型。
　　1920年，阿斯顿首先引入“质谱”（massspectrum）术语。
　　1927年，阿斯顿研制出第二代“质谱仪”，可发现同位素并测定其原子量。1940年，阿尔弗雷德 尼尔推出了一种精确测定同位素比值的气体源质谱仪。1942年，出现了第一台商品型的同位素比质谱仪。
　　1947年，哈罗德 尤里开始了现代同位素地球化学的研究，定量地阐明了稳定同位素分馏效应引起的同位素自然丰度变异现象。
　　1957年，尤里等组装了一台特性化的同位素比质谱仪，扩大了质谱仪在同位素自然丰度变异上的应用范围。
　　1960～1970年，同位素比质谱仪（isotope ratio mass spectrometer，IRMS）的制造技术进一步发展，并商品化。随着计算机技术的快速发展，仪器的测量精度和易操作性得到了极大提高。
　　1980年，同位素比质谱仪实现了自动化，如双路进样（dual-inlet，DI）系统机械组件的自动化，并相继研制出多种气体样品的离线制样装置。
　　1983年，汤姆斯 普雷斯顿和尼古拉斯 欧文斯首先米用连续流（continuous flow，CF）样品进样方式，以氦气（He）作载气，用杜马（Dumas）干燃烧法分析固体样品中的氮同位素比值。
　　1984年，出现了一种选择性的连续流方法（GC-IRMS），即通过气相色谱分离气体混合物中的组分，然后将它们分别燃烧成CO]气体，由稳定同位素比质谱仪测定各单组分的13C丰度。后来，这种方法扩展到分析土壤中产生的N]O和CH4这些微量气体中的13C和15N丰度。
　　二、稳定同位素比质谱仪
　　稳定同位素比质谱仪（IRMS）能精确测定碳（C）、氮（N）、氢（H）、氧（O）等质量数不大的元素在稳定同位素组成上的微小差异（如2取4、13C/12C、15N/14N、18O/16O等）。不同化合物组成的样品经化学、物理反应转化为简单气体（如CO]、N2、N2O、H2等）后，进入质谱仪器分析其同位素组成，因此又称为气体同位素比质谱仪。
　　质谱分析法中气体同位素比质谱仪最为经典，它能够精确测定元素同位素比值的微小差异，样品用量少，结果精确度高。元素周期表中大多数元素的同位素质量、丰度和原子量的测定都是借助同位素比质谱法完成的。气体同位素比质谱仪和分析技术在质谱学诞生和发展历程中做出了重要贡献，在农学、土壤学、环境科学、化学、核科学、地质学、考古学、地球科学、生命科学及食品溯源等众多研究领域都有广泛的应用。
　　目前主流的气体同位素比质谱仪有：①美国赛默飞世尔科技（ThermoFisherScientific）公司生产的稳定同位素比质谱仪产品，包括MAT-250、251、252、253，DeltaS系列的DeltaVAdvantage和DeltaVplus，以及最近新推出的MAT-253plus。②英国/德国艾尔蒙塔（Elementar）公司的IsoPrimerl00型稳定同位素比质谱仪。③英国赛康（Sercon）质谱公司生产的Sercon系列稳定同位素比质谱仪。④英国NU仪器公司生产的稳定同位素比质谱仪（perspective ratio mass spectrometer）。
　　三、几种稳定同位素比质谱仪联用仪器简介
　　稳定同位素比质谱仪通常采用黏滞流进样系统，可分为双路进样和连续流进样两种方式。双路进样是经典的进样方法，带双路进样系统的稳定同位素比质谱仪已沿用多年，离线制备样品气体后，能实现最精确的元素同位素比值测定。连续流进样是近三十余年来发展起来的，它实现了质谱仪与其他外部设备的耦合，能在线制备样品并送入质谱仪，是目前最常用的进样方式，在接口的辅助下，有一系列不同的联用仪器，如元素分析-稳定同位素比质谱联用仪、微量气体预浓缩装置-稳定同位素比质谱联用仪、气相色谱-燃烧-稳定同位素比质谱联用仪、多用途在线气体制备装置-稳定同位素比质谱联用仪等。
　　（—）带双路进样系统的稳定同位素比质谱仪（dual inlet-isotope ratio mass spectrometer，DI-IRMS）
　　这种稳定同位素比质谱仪配备了一套双路进样系统，主要用于对同位素比值差异较小的自然丰度样品的精密测量。双路进样系统设置成结构完全相同的标准端和样品端，每个进样侧由8个气动阀门和1个可变容积储样器组成。分析样品时，向双路进样系统两侧的可变容积储样器内分别送入标准样品气体和待测样品气体。若左路送入的是标准样品气体，在计算机程序中就将左路设成标准端，另一路则是样品端（图1-1）。
　　通过计算机软件控制或用手动调节储样器的马达可改变双路进样系统两侧可变容积储样器的体积，使样品端和标准端的气体呈相同的压力和流速，以获得相等强度的离子束流。然后启动编制的计算机测样程序，由计算机控制多次反复地切换转换阀，实现两路三束的元素同位素比值精密测量。双路进样系统的内精度可达到。
　　带双路进样系统的稳定同位素比质谱仪只能测定纯净的气体样品，因此一般需要采用离线制样的方法制备样品，操作较为耗时，样品需求量较大。在连续流进样方式尚未普及之前，离线制样装置被广泛用于制备N2和CO2气体样品。
　　（二）元素分析-稳定同位素比质谱联用仪（element analyses-isotope ratio mass spectrometer，EA-IRMS）
　　EA-IRMS是一种碳、氮自动分析仪与稳定同位素比质谱仪相连接的联用仪器（图1-2）。它使用连续流进样方式，经高温氧化、还原、色谱柱分离纯化等过程产生的样品气体，随高纯He流进入离子源。在双路进样中参考气和样品气在同位素比质谱仪
　　相同压力下反复交替进入，产生近似高度和形状的矩形信号峰，而连续流进样中参考气先于样品气进入，受不同进入途径的影响，参考气和样品气的信号峰差异大，由于色散效应样品气峰形为高斯形，峰形强度随样品量变化，经常需要标准物质校正测定结果（表1-1）。但是，连续流进样方式比双路进样方式方便快捷、样品需求量小，可分析低浓度混合物的元素同位素比值。
　　1.元素分析仪部分
　　元素分析仪是在线制备样品的部分，能自动将样品转化为供稳定同位素比质谱仪分析用的纯净气体（以碳和氮为例，分别转化为CO2和N2）。元素分析仪由自动进样器、氧化炉、还原炉、吸水/CO2柱、色谱分离柱和热导检测器（thermal conductivity detector，TCD）、多用途接口等构成。样品在氧化、还原炉中反应产生的混合气体，在吸水/CO2柱中去除水分/CO2，再经色谱分离柱纯化后得到纯净的目标气体，最后经多用途接口送入质谱仪。
　　1）自动进样器
　　自动进样器有固体进样器和液体进样器之分。固体进样器由计算机程序控制、齿轮马达驱动，将样品盘的孔位对准反应炉的顶口，固体样品包于锡囊，放置于进样器的孔位中；液体进样器主要用于不挥发、黏度不大的液体样品。
　　2）氧化炉
　　氧化炉也称燃烧炉。样品进入氧化炉中，在过氧条件下瞬间高温分解，形成碳、氮、硫、水汽等多成分的混合气体。根据样品高温分解的难易和所需测定的元素同位素比值的不同，氧化炉内填充的物料也不相同。氧化炉的炉温一般在950～1800。。。
　　3）还原炉
　　氧化炉氧化能力的降低将使样品燃烧不完全，从而产生如％OX等氮氧化物气体，它们将影响元素同位素比值的精确测定。还原炉的功能就是彻底将这些氮氧化物气体还原成N2，同时去除剩余的02。还原炉的炉温一般设定在680°c。
　　4）吸水/CO2柱
　　吸水柱内填充有白色的高氯酸镁[Mg（Cl04）2]颗粒，吸C02柱内填充的是黑色的碱石灰试剂。在吸水柱和吸C02柱之间设置一个切换阀，当同步测定碳和氮或单独测定碳同位素比值时，需要关闭吸C02柱的通道，让气体只通过吸水柱去除水分；如只测定氮元素同位素比值时，打开吸C02柱的通道，去除样品气体中的水分和C02。
　　5）色谱分离柱
　　色谱分离柱可根据不同气体在柱内保留时间的不同对样品进行分离，例如N]优先流出分离柱，C0]气体随后，实现N]和C0]的完全分离。色谱柱有填充柱（packedGCcolumn），也有毛细管柱（capillaryGCcolumn）。由于毛细管柱对N2和C0]气体的分离效能高，且性能稳定，目前在EA-IRMS联用仪上一般都配备毛细管分离柱。
　　6）热导检测器
　　热导检测器是专门为测定样品中总氮和总碳的百分含量而设置的。
　　2.多用途接口部分
　　所谓接口是指连接在线连续流样品制备系统与稳定同位素比质谱仪的装置，具有以下3种功能：
　　（1）保证进入质谱仪的样品气流稳定，又能满足离子源最佳工作条件。
　　（2）可同时连接多种不同的参比气体，方便测定时与不同样品气体比较测量。
　　（3）经分析程序控制，多用途接口能自动进行线性测试。
　　多用途接口由样品气体开口分流部分和参比气体开口分流部分组成。元素分析仪属于气体流量较高（流量在80～140mL/min）的样品制备系统，而质谱仪离子源正常工作的气体流量仅为0.3～0.4mL/min。多用途接口必须能够降低或分流样品的气体流量，且气体的分流还必须在恒定的气体压强下完成。
　　3.质谱仪部分
　　与元素分析仪联用的稳定同位素比质谱仪，通常是扇形磁场质谱，具有60°或90°的扇形场。质谱仪的离子接收器，一般配备万用三杯接收系统。测定氮同位素比值时，三个法拉第杯分别接收的是m//z28、m/z29和m/z30三种离子束；测定碳同位素比值时，接收的则是m/z44、m/z45和m/z46三种离子束。

 

目录
“地理科学专业土壤学课程系列教材”前言
前言
第一章　稳定同位素质谱分析技术　1
第一节　稳定同位素比质谱仪概述　1
一、同位素比质谱仪的发展　1
二、稳定同位素比质谱仪　2
三、几种稳定同位素比质谱仪联用仪器简介　3
第二节　稳定同位素比质谱仪的工作原理与基本组成　12
一、稳定同位素比质谱仪的工作原理　12
二、稳定同位素比质谱仪的基本组成　13
第三节　稳定同位素比质谱仪的主要技术指标　17
一、质量范围　18
二、分辨率　18
三、绝对灵敏度　18
四、丰度灵敏度　19
五、相对灵敏度　19
六、线性　19
七、信号稳定度　20
八、放大器动态范围　20
九、峰顶平坦度　21
十、峰形　21
十一、放大器测试　21
十二、系统稳定度　22
十三、精密度　22
十四、准确度　24
第二章　稳定同位素比质谱仪测定值的精准性与数据校准　25
第一节　稳定同位素比质谱仪测定值的校准　25
一、稳定同位素质谱分析的影响因素　25
二、稳定同位素比质谱仪测定值的精准性　29
三、稳定同位素比质谱仪测定值的溯源性　30
四、稳定同位素比质谱仪测定数据的校正（标准化）　31
第二节　稳定同位素标准物质及其分类　33
一、标准物质的特点　33
二、同位素基准物质　33
三、同位素标准物质/有证同位素标准物质　34
四、实验室工作标准物质　35
第三节　稳定同位素比质谱仪测定结果的比对　37
一、实验室间比对的目的　37
二、比对用检测材料　38
三、实验室间比对的步骤　38
四、国际实验室间比对　39
第三章　土壤和植物样品前处理方法与碳氮同位素质谱分析　41
第一节　土壤和植物样品前处理技术与保存方法　41
一、土壤和植物样品的干燥　41
二、土壤和植物样品的研磨和过筛　42
三、土壤和植株样品的保存　42
四、注意事项　42
第二节　土壤和植物样品的氮同位素质谱分析　42
一、方法原理　43
二、仪器、器皿和试剂　44
三、操作步骤　44
四、结果计算　47
五、注意事项　48
六、测定结果举例　48
第三节　土壤和植物样品中有机碳的碳同位素质谱分析　49
一、方法原理　49
二、仪器、器皿和试剂　49
三、操作步骤　50
四、结果计算　52
五、注意事项　52
六、测定结果举例　53
第四章　土壤无机氮前处理方法和质谱分析　54
第一节　土壤无机氮的提取和保存方法　54
一、浸提原理　54
二、仪器、器皿和试剂　55
三、操作步骤　55
四、土壤浸提液的保存　56
五、注意事项　58
第二节　氧化镁-达氏合金蒸馏法分离铵态氮和硝态氮　58
一、方法原理　59
二、仪器、器皿和试剂　59
三、操作步骤　60
四、质谱分析　62
五、注意事项　62
第三节　微扩散法分离铵态氮和硝态氮　62
一、方法原理　62
二、仪器、器皿和试剂　63
三、操作步骤　64
四、结果计算　65
五、注意事项　68
六、测定结果举例　69
第四节　化学转化法分离无机氮　70
一、化学转化法分离富集15N的无机氮与质谱分析　70
二、化学转化法分离自然丰度铵态氮和硝态氮与质谱分析　81
第五节　反硝化细菌法分离无机氮　92
一、方法原理　92
二、操作步骤　92
三、测定结果的校准　99
四、注意事项　100
五、反硝化细菌法的特点　101
六、测定结果举例　101
第六节　土壤无机氮前处理方法比较和选择　102
一、氧化镁-达氏合金蒸馏法　102
二、微扩散法　104
三、化学转化法　104
四、反硝化细菌法　105
五、选择处理方法的建议　105
第五章　气态样品前处理方法与碳氮同位素质谱分析　106
第一节　气态样品的保存方法　106
一、储存容器　106
二、各种储存容器的保存效果　106
第二节　N2同位素比值的质谱分析　108
一、N2浓度和15N丰度的测定方法　109
二、高15N丰度的N2同位素比值测定方法　112
第三节　N2O、CH4、CO2同位素比值的质谱分析　116
一、方法原理　116
二、仪器及设备　117
三、试剂　117
四、分析步骤　118
五、注意事项　120
第四节　水体溶存气体的提取及质谱分析　120
一、方法原理　120
二、操作步骤　120
三、注意事项　121
四、测定结果举例　122
第五节　N2O同位素异位体的质谱分析方法　122
一、方法原理　123
二、操作步骤　125
三、注意事项　128
四、测定结果举例　128
主要参考文献　130