同位素質(zhì)譜ZUI初是伴隨著核科學與核工業(yè)的發(fā)展而發(fā)展起來的，同位素質(zhì)譜是同位素地質(zhì)學發(fā)展的重要實驗基礎(chǔ)。當前我國同位素質(zhì)譜技術(shù)已深入到礦床同位素地球化學、巖石年代學、有機穩(wěn)定同位素地球化學、無機穩(wěn)定同位素地球化學等各個方面，并在國家一系列重大攻關(guān)和研究課題中發(fā)揮重大作用，如金礦和石油天然氣研究、水資源開發(fā)等。穩(wěn)定同位素技術(shù)的出現(xiàn)加深了生態(tài)學家對生態(tài)系統(tǒng)過程的進一步了解，使生態(tài)學家可以探討一些其它方法無法研究的問題。與其它技術(shù)相比，穩(wěn)定同位素技術(shù)的優(yōu)點在于使得這些生態(tài)和環(huán)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(huán)境危害)的情況下進行。有些問題還只能通過利用穩(wěn)定同位素技術(shù)來解決。現(xiàn)在，有許多農(nóng)業(yè)研究機構(gòu)和大學，已經(jīng)開始使用高精度同位素質(zhì)譜計從事合理用肥、果實營養(yǎng)、固氮分析、農(nóng)藥毒性、家畜氣候?qū)ψ魑锏挠绊懸约笆称焚|(zhì)量控制等多方面的研究工作。與原子能和地質(zhì)研究工作相比較，在農(nóng)業(yè)和食品方面應(yīng)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(fā)展，對農(nóng)業(yè)的要求越來越高，今后大力開展和普及用現(xiàn)代化方法研究農(nóng)業(yè)增產(chǎn)、改善果實質(zhì)量以及進行食品質(zhì)量控制檢測的工作前途無限廣闊。

一、 穩(wěn)定同位素比例質(zhì)譜儀(IRMS)工作原理簡介

質(zhì)譜是按照原子(分子)質(zhì)量的順序排列的圖譜。利用光譜法、核感應(yīng)法或微波吸收法都可以構(gòu)成試驗裝置，進行質(zhì)譜研究;而歷史上把基于電磁學原理設(shè)計而成的儀器叫做質(zhì)譜儀(mass spectrometer或mass spectrograph)。因此種儀器中采用的質(zhì)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(zhuǎn)變成離子，而儀器所獲得的信息則是離子的質(zhì)量m與電荷e之比m/e。近百年來，人們利用質(zhì)譜儀進行了原子量測定、同位素分離與分析、有機物結(jié)構(gòu)分析和其它科學實驗，形成質(zhì)譜法(mass spetromettry或mass spetroscopy)，其在現(xiàn)代分離、分析研究領(lǐng)域中占有重要地位。

質(zhì)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(tài)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(xù)(或間歇)進樣、連續(xù)分析;⑤可以提供豐富的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)復雜，造價較高。同位素比例質(zhì)譜儀是利用離子光學和電磁原理，按照質(zhì)荷比(m/e)進行分離從而測定同位素質(zhì)量和相對含量的科學實驗儀器。

1、 IRMS的基本測量過程

在穩(wěn)定同位素分析中均以氣體形式進行質(zhì)譜分析，因此常有氣體質(zhì)譜儀之稱。同位素質(zhì)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(zhuǎn)變?yōu)殡姾蔀閑的陽離子，應(yīng)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(yīng)用計算機程序?qū)㈦x子束強度轉(zhuǎn)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(zhì)譜儀的原理是首先將樣品轉(zhuǎn)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(zhì)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(jīng)過磁體分離之后，具有特定質(zhì)量的離子束強度。由于它是把樣品轉(zhuǎn)化成氣體才能測定，所以又叫氣體同位素比例質(zhì)譜儀。以CO2為例，需要有三個法拉第收集器來收集質(zhì)量分別為44、45和46的離子束。不同質(zhì)量離子同時收集，從而可以精確測定不同質(zhì)量離子之間的比率。

帶電粒子在磁場中運動時發(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)程度與粒子的質(zhì)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(yīng)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(zhì)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(xiàn)為粒子質(zhì)量的函數(shù)，確切來說是荷質(zhì)比

的函數(shù)。據(jù)此，帶電粒子在磁場中運動時因洛侖茲力而偏轉(zhuǎn)，導致不同質(zhì)量同位素的分離，重同位素偏轉(zhuǎn)半徑大，輕同位素偏轉(zhuǎn)半徑小。

實際測定中，不是直接測定同位素的一概含量，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(wěn)定同位素分析的質(zhì)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(jié)構(gòu)

同位素比例質(zhì)譜儀與其它質(zhì)譜儀一樣，其結(jié)構(gòu)主要可分為進樣系統(tǒng)、離子源、質(zhì)量分析器和檢測器四部分，此外還有電氣系統(tǒng)和真空系統(tǒng)支持。

(a)進樣系統(tǒng)：即把待測氣體導入質(zhì)譜儀的系統(tǒng)。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(tǒng)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(fā)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(zhì)量分析器：接收來自質(zhì)量分析器的具有不同荷質(zhì)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(zhì)量分析器的具有不同荷質(zhì)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(xiàn)代質(zhì)譜儀都有兩個或多個接收器以便同時接收不同質(zhì)量數(shù)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

中國科學院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所農(nóng)產(chǎn)品安全與環(huán)境質(zhì)量檢測中心的Finnigan MAT DeltaplusXP同位素比例質(zhì)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(zhì)譜儀。該IRMS系統(tǒng)部件主要由系統(tǒng)主機、四個外設(shè)、兩個接口和一個工作站組成。

① 主機：即質(zhì)譜儀，由離子源、質(zhì)量分析器、檢測器、電氣系統(tǒng)以及真空系統(tǒng)組成。

② 四個外設(shè)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(xù)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。

二、 IRMS分析技術(shù)的應(yīng)用

隨著同位素質(zhì)譜測試技術(shù)的改進，大大拓寬了穩(wěn)定同位素的研究領(lǐng)域。除了人們所熟知的“穩(wěn)定同位素地球化學”已形成一門獨立的學科外，穩(wěn)定同䧴?技術(shù)還應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、醫(yī)學和環(huán)境科學研究領(lǐng)域。通過同位素分析，可以得知農(nóng)作物施肥的ZUI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(huán)境條件特征

總結(jié)它的應(yīng)用主要分為兩個方面：

① 各種物質(zhì)同位素δ值存在著天然的差異;

② 穩(wěn)定同位素示蹤方法。

同位素質(zhì)譜測試技術(shù)應(yīng)用的幾個實例：

1、 同位素比例質(zhì)譜法鑒別******來源

當前，毒品來源推斷技術(shù)已成為國際上的研究熱點之一。化合物的穩(wěn)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。******是由****經(jīng)二乙酰化得到，******的13C同位素比值能反映******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****來源地信息。因此，為研究******的來源地，應(yīng)排除乙酰基的影響，即把******水解為****，再測定****的13C同位素比值來推斷其原產(chǎn)地。

2、 生態(tài)系統(tǒng)中污染物的監(jiān)測與環(huán)境保護

在不同環(huán)境條件下，穩(wěn)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(zhì)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(huán)境污染程度指標。

根據(jù)植物C3和C4循環(huán)產(chǎn)物的δ13C值得不同，碳同位素技術(shù)在食品質(zhì)量控制方面可以發(fā)揮特別的作用，能夠解決常規(guī)分析技術(shù)解決不了的問題。例如，常規(guī)歸分析技術(shù)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(yīng)用碳同位素技術(shù)則可以輕而易舉地加以區(qū)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(qū)別天然香料(δ13C約為-20‰)和合成香料(δ13C=-27‰)等。谷物發(fā)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(yīng)用碳同位素技術(shù)甚至可以堅定喂蛋雞的飼料，用麥子喂養(yǎng)雞的蛋其δ13C=-23.7‰，玉米喂養(yǎng)雞的蛋其δ13C=-11.0‰，混合飼料喂養(yǎng)雞時的蛋其δ13C介于其間。

同樣的原理還可以應(yīng)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(yīng)用，還可對于不同食品的混合作出更精細的判斷。

三、 我中心IRMS檢測技術(shù)的主要應(yīng)用

在中國科學院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所農(nóng)產(chǎn)品安全與環(huán)境質(zhì)量檢測中心，F(xiàn)innigan MAT DeltaplusXP同位素比例質(zhì)譜儀可以全天候連續(xù)運轉(zhuǎn)工作。目前為止，主要參與的課題和研究方向主要有：

① 東北黑土氮素轉(zhuǎn)化過渡特性及轉(zhuǎn)化過程調(diào)控研究(國家自然科學基金重點項目);

② 區(qū)分植物在土壤-植物系統(tǒng)N2O排放中的貢獻(國家自然科學基金);

③ 土壤-農(nóng)作物體系N2O排放系數(shù)的觀測與模式研究(國家自然科學基金重點項目);

④ 系列引導下石油污染土壤生物修復高效降解菌的篩選與應(yīng)用(環(huán)境工程重點實驗室開發(fā)基金);

⑤ 在食品質(zhì)量控制方面，我中心已經(jīng)以以同位素比例質(zhì)譜法用來鑒別蜂蜜和果汁的真?zhèn)危设b定出蜂蜜和果汁中人為摻入的蔗糖等成分。同時還正在展開以此技術(shù)用于酒類和喂蛋及飼料的鑒定的工作。

⑥ 另外，對于同位素比例質(zhì)譜法在考古方面的應(yīng)用，我們也正在積極的研究和探索之中。