氣體地球化學(xué)系列科普文章由”中國礦物巖石地球化學(xué)學(xué)會(huì)氣體地球化學(xué)專業(yè)委員會(huì)“組織策劃，由《科普中國》和《科學(xué)網(wǎng)》共同發(fā)布。

0.引言：

同位素比質(zhì)譜（Isotope Ratio Mass Spectrometry，簡稱IRMS）是一種用于測量元素同位素相對(duì)豐度的分析技術(shù)，在許多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，包括地質(zhì)學(xué)、生態(tài)學(xué)、生物學(xué)、化學(xué)和環(huán)境科學(xué)等。它可以用來研究地質(zhì)樣品的年齡、生態(tài)系統(tǒng)中的元素循環(huán)、生物體內(nèi)的代謝過程等各種科學(xué)問題。

分析穩(wěn)定同位素比值通常涉及測量自然系統(tǒng)中由質(zhì)量同位素分餾引起的同位素變化。另一方面，放射性同位素分析涉及測量自然放射性的衰變產(chǎn)物的豐度，并用于大多數(shù)長壽命放射性測年方法中。同位素比質(zhì)譜（IRMS）允許精確測量自然存在的同位素混合物。用于精確測定同位素比例的大多數(shù)儀器都是磁質(zhì)譜完成。此種類型的分析儀有兩個(gè)優(yōu)勢(shì)。首先，它可以設(shè)置為多收集器分析，其次，它提供高質(zhì)量的“峰形”。這兩個(gè)因素對(duì)于非常高精度和準(zhǔn)確度的同位素比分析非常重要。

1.氣體（源）同位素比質(zhì)譜（Gas source IRMS, G-IRMS)

圖1. 用于測量CO2氣體源同位素比質(zhì)譜（G-IRMS)示意圖（維基百科）

尼爾（Alfred Nier）設(shè)計(jì)的磁場型儀器是氣體同位素比質(zhì)譜設(shè)計(jì)的一個(gè)重大進(jìn)步，這種類型的儀器通常被稱為“Nier型”。在最一般的術(shù)語中，該儀器通過電離感興趣的樣本，將其加速到千伏范圍內(nèi)的電勢(shì)上，并根據(jù)它們的質(zhì)量-電荷比（m/z）將產(chǎn)生的離子流分離開來。具有較輕離子的束線在較小半徑上彎曲，而具有較重離子的束線在較大半徑上偏轉(zhuǎn)。然后使用“法拉第杯”或倍增器探測器來測量每個(gè)離子束的電流。許多放射性同位素測量是通過對(duì)固體源進(jìn)行電離而進(jìn)行的，而輕元素（例如氫、碳、氧）的穩(wěn)定同位素測量通常是在具有氣體源的儀器中進(jìn)行的。在“多收集器”儀器中，離子收集器通常具有一組法拉第杯，允許同時(shí)檢測多個(gè)同位素。測量同一元素穩(wěn)定同位素的自然變化的方法通常稱為穩(wěn)定同位素分析。

圖2. 尼爾設(shè)計(jì)的小型“同位素比質(zhì)譜”，建于20世紀(jì)60年代中期，他用來說服美國宇航局官員，在航天器上安裝這種儀器是可行的（John De Laeter et al. 2006） 因?yàn)椴煌凰刂g的質(zhì)量差異導(dǎo)致同位素分餾，對(duì)樣品的同位素組成產(chǎn)生可測量的影響，這些影響是它們的生物或物理特征。例如，氫同位素氘（重氫）的質(zhì)量幾乎是氫同位素的兩倍。含有氫同位素（和常見氧同位素，質(zhì)量為16）的水分子的質(zhì)量為18。含有氘原子的水的質(zhì)量為19，重5%以上。在蒸發(fā)過程中，蒸發(fā)重水分子所需的能量比蒸發(fā)普通水要高，因此同位素分餾發(fā)生在蒸發(fā)過程中。因此，與南極降雪相比，海水樣品將表現(xiàn)出明顯可檢測的同位素比差異。

樣品必須在進(jìn)入質(zhì)譜儀之前經(jīng)過處理，以便每次只有一種氣體進(jìn)入。通常，通過燃燒、氣相色譜進(jìn)樣或化學(xué)捕集來制備樣品，然后通過捕集阱、過濾器、催化劑和/或色譜法純化所需的氣體物種（通常是氫（H2）、氮（N2）、二氧化碳（CO2）或二氧化硫（SO2））。IRMS儀器的兩種最常見類型是連續(xù)流儀器和雙路進(jìn)樣儀。在雙路進(jìn)樣IRMS中，從樣品獲得的純化氣體通過一套閥門系統(tǒng)迅速與已知同位素組成的標(biāo)準(zhǔn)氣體交替，以便對(duì)兩種氣體進(jìn)行多次比較測量。在連續(xù)流IRMS中，樣品制備發(fā)生在進(jìn)樣到IRMS之前，從樣品產(chǎn)生的純化氣體只被測量一次。標(biāo)準(zhǔn)氣體可以在樣品之前和之后或在一系列樣品測量之后測量。雖然連續(xù)流IRMS儀器可以實(shí)現(xiàn)更高的樣品量，并且比雙路進(jìn)樣儀更方便使用，但產(chǎn)生的數(shù)據(jù)精度大約低10倍。

輕元素（C/H/O/N/S等）的穩(wěn)定同位素技術(shù)涉及使用氣體同位素比質(zhì)譜儀等儀器分析元素的不同同位素的相對(duì)豐度。這項(xiàng)技術(shù)在地質(zhì)學(xué)、生態(tài)學(xué)、生物學(xué)和環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，可用于追蹤元素的循環(huán)、生態(tài)系統(tǒng)中的食物鏈研究、污染來源追蹤、食物營養(yǎng)成分分析等，為科學(xué)研究和環(huán)境監(jiān)測提供了重要的工具

2.熱電離質(zhì)譜儀（Thermal Ionisation Mass Spectrometer，TIMS）

熱電離質(zhì)譜（TIMS），也被稱為表面電離，是一種高度敏感的同位素質(zhì)譜表征技術(shù)。放射性同位素的同位素比例被用來精確測量樣品的元素分析。樣品中的帶電離子是通過熱電離效應(yīng)形成的?；瘜W(xué)純化的液體樣品被置于金屬絲上，然后加熱以蒸發(fā)溶劑。通過加熱足夠釋放一個(gè)電子來從純化樣品中去除電子，然后電子離化樣品的原子。TIMS利用磁扇質(zhì)譜儀根據(jù)它們的質(zhì)荷比分離離子。離子通過電位梯度獲得速度，并由靜電透鏡聚焦成束。然后，離子束穿過電磁鐵的磁場，在那里它根據(jù)離子的質(zhì)量/電荷比被分成不同的離子束。這些經(jīng)過質(zhì)譜分辨的束流被導(dǎo)入探測器，然后轉(zhuǎn)換為電壓。隨后檢測到的電壓用于計(jì)算同位素比例。

熱電離質(zhì)譜（TIMS）利用高溫下的絲材料（如鉭、鎢等）將樣品蒸發(fā)并電離，通過控制絲的溫度和活化劑來提高電離效率和總產(chǎn)量。TIMS通常采用兩個(gè)絲或單絲方法，可通過多絲設(shè)置提高性能。樣品絲上蒸發(fā)的分析物落在電離絲上進(jìn)行電離，然后使用磁扇質(zhì)譜儀或四極體分析質(zhì)荷比。TIMS在質(zhì)譜儀中使用法拉第杯、戴利檢測器或電子倍增器等檢測器，通常與多采集器系統(tǒng)一起使用，廣泛應(yīng)用于同位素比質(zhì)譜分析。

在使用熱電離固體樣品進(jìn)行IRMS測量時(shí)，涉及的同位素分大多依賴于熱電離方法。這些方法包括鍶－鍶測年、鈾－鉛測年、鉛－鉛測年和釤－釹測年。當(dāng)這些同位素比例由TIMS測量時(shí)，由于樣品的激發(fā)而發(fā)生質(zhì)量依賴分餾，因此必須進(jìn)行校正以準(zhǔn)確測量同位素比率。TIMS方法有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。它設(shè)計(jì)簡單，比其他質(zhì)譜儀便宜，產(chǎn)生穩(wěn)定的離子發(fā)射。它需要穩(wěn)定的電源，并適用于具有低電離勢(shì)的物種，例如鍶（Sr）和鉛（Pb）。這種方法的缺點(diǎn)來自熱電離中達(dá)到的最高溫度。熱絲達(dá)到的溫度不到2500攝氏度，導(dǎo)致無法產(chǎn)生高電離勢(shì)物種的原子離子，例如鋨（Os）和鎢（Hf-W）。盡管在這種情況下TIMS方法可以創(chuàng)建分子離子，但具有高電離勢(shì)的物種更適合使用MC-ICP-MS進(jìn)行分析。

圖3. Finnigan MAT 262熱電離質(zhì)譜儀（TIMS）用于測量放射性源和非傳統(tǒng)穩(wěn)定性同位素（美國匹茲堡大學(xué)）

不同同位素的相對(duì)豐度被用來描述不同同位素的化學(xué)分餾，它們?cè)诜欠派湫酝凰氐牟煌A庫中的遷移，以及通過放射性子同位素的存在來推斷太陽系物體的年齡或起源。元素分析是TIMS的主要應(yīng)用之一，因?yàn)樗峁┛煽康耐凰乇壤?。根?jù)電離能降低的趨勢(shì)，周期表底部左側(cè)的元素適用于TIMS。此外，周期表右上方的非金屬元素由于高電子親和力，也是優(yōu)秀的選擇。這項(xiàng)技術(shù)廣泛應(yīng)用于同位素地球化學(xué)、地質(zhì)年代學(xué)和宇宙化學(xué)。定量同位素比技術(shù)包括同位素稀釋熱電離質(zhì)譜法（ID-TIMS）和化學(xué)磨蝕熱電離質(zhì)譜法（CA-TIMS）。同位素稀釋方法的使用是因?yàn)樵赥IMS中信號(hào)強(qiáng)度與放入TIMS的量不成比例。對(duì)于年代測定，具有磁扇的質(zhì)譜儀比四極質(zhì)譜儀或四極質(zhì)譜分析儀具有更好的精確性。電感耦合等離子體四極質(zhì)譜儀允許更高精度地檢測同位素比例的變化，這是通過放射性衰變實(shí)現(xiàn)的。更高的精度意味著年代測定中的更高分辨率。3.多收集器感應(yīng)耦合等離子體質(zhì)譜儀（Multicollector inductively coupled plasma mass spectrometer, MC-ICP-MS）

多收集電感應(yīng)耦合等離子體質(zhì)譜是一種帶有等離子體源的多收集質(zhì)譜儀。MC-ICP-MS的開發(fā)旨在提高ICP-MS在同位素比測量中可達(dá)到的精度。傳統(tǒng)的ICP-MS分析使用四極分析器，只允許單收集器分析。由于等離子體的固有不穩(wěn)定性，這限制了四極分析器精度，這對(duì)于大多數(shù)放射性同位素分析是不夠的。用于放射性測年的同位素比分析通常由TIMS完成。然而，某些系統(tǒng)（例如Hf-W和Lu-Hf）難以或無法通過TIMS進(jìn)行分析，原因是所涉及元素具有高電離勢(shì)。因此，可以使用MC-ICP-MS進(jìn)行這些方法的分析。Ar-ICP產(chǎn)生的離子束具有較大的固有動(dòng)能分布，這使得質(zhì)譜儀的設(shè)計(jì)比傳統(tǒng)的TIMS儀器更復(fù)雜。首先，與四極ICP-MS分析系統(tǒng)不同，磁質(zhì)譜儀器必須以較高的加速電位（數(shù)千伏）運(yùn)行，以減小離子束的能量分布?，F(xiàn)代的儀器大多在6-10kV下運(yùn)行。在磁場中，離子的偏轉(zhuǎn)半徑取決于離子的動(dòng)能和質(zhì)荷比（嚴(yán)格來說，磁鐵是動(dòng)量分析儀而不僅僅是質(zhì)譜儀）。由于能量分布較大，具有相似質(zhì)荷比的離子可以在空間中的不同點(diǎn)焦點(diǎn)集中。然而，在質(zhì)譜分析中，具有相同質(zhì)荷比的離子在同一點(diǎn)焦點(diǎn)，為了克服這些限制，商業(yè)MC-ICP-MS是雙聚焦儀器。

在雙聚焦質(zhì)譜儀中，離子是由靜電分析器（Electrostatic analyzer，ESA)，靜電分析器）和磁場的動(dòng)能和質(zhì)荷比（動(dòng)量）分別聚焦。磁鐵和ESA都被精心選擇以匹配彼此的能量聚焦特性，并且排列成能量聚焦方向相反的方式。簡化地說，兩個(gè)組件都具有能量聚焦項(xiàng)，當(dāng)適當(dāng)排列時(shí)，能量項(xiàng)會(huì)相互抵消，具有相同質(zhì)荷比的離子在空間中的同一點(diǎn)焦點(diǎn)。重要的是要注意，雙聚焦不會(huì)減小動(dòng)能分布，不同的動(dòng)能不會(huì)被過濾或均勻化。雙聚焦適用于單收集和多收集儀器。在單收集儀器中，ESA和磁鐵可以采用前向幾何（首先ESA然后磁鐵）或反向幾何（首先磁鐵然后ESA）排列，因?yàn)橹恍枰c(diǎn)對(duì)點(diǎn)的聚焦，而不是點(diǎn)對(duì)面的聚焦。在多收集器儀器中，只有前向幾何（ESA然后磁鐵）是可能的，因?yàn)樾枰蛊矫娑皇墙裹c(diǎn)。

圖4. Justin Simon領(lǐng)導(dǎo)的同位素宇宙化學(xué)和地球年代學(xué)中心（CICG）設(shè)在美國宇航局約翰遜航天中心的天體材料研究和探索理事會(huì)。團(tuán)隊(duì)測量各種各樣的元素及其同位素，以了解太陽系的起源，將星云塵埃和氣體轉(zhuǎn)化為行星組成部分的過程，以及行星形成。多收集電感耦合等離子體質(zhì)譜（MC-ICP-MS）實(shí)驗(yàn)室擁有Nu Sapphire 1700，這是一種新型大型幾何MC-ICP-MS，具有多極碰撞單元干擾去除裝置。這種大色散質(zhì)譜儀提供了以真正的高質(zhì)量分辨率進(jìn)行精確同位素比測量的能力（每個(gè)探測器安裝的獨(dú)立可調(diào)收集器縫隙允許“平頂”峰值分辨率－ 5%至95%的峰值－ 5000至≥25,000，取決于信號(hào)傳輸），用于各種非傳統(tǒng)穩(wěn)定同位素系統(tǒng)，如Mg，
多收集電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（MC-ICP-MS）結(jié)合了電感耦合等離子體源卓越的電離能力和磁扇多收集器質(zhì)譜儀的精確測量優(yōu)勢(shì)。它是一種極為強(qiáng)大的技術(shù)，用于地球科學(xué)、核安全、環(huán)境科學(xué)和金屬組學(xué)領(lǐng)域中液體和固體樣品的高精度同位素比分析?；诙嗍占骷夹g(shù)的優(yōu)勢(shì)，高精度同位素比分析的所有優(yōu)點(diǎn)，以高靈敏度、低噪聲和快速切換多個(gè)應(yīng)用的靈活性，提取即使是最小樣品中的信息。對(duì)于那些需要更高分辨率的同位素系統(tǒng)，最新的MS/MS多收集ICP-MS提供了全新的解決方案。利用獨(dú)特的前置質(zhì)量過濾器與專用的碰撞/反應(yīng)池相結(jié)合，該系統(tǒng)能夠在同位素比分析之前分離同位素異質(zhì)干擾和基體元素。MS/MS-MC-ICP-MS過濾噪音，為您提供令人驚嘆的同位素比數(shù)據(jù)，清晰度卓越。

圖5. 利用MS/MS MC-ICP-MS原位Rb-Sr定年，前置質(zhì)量過濾器（用于分離基質(zhì)元素）、碰撞/反應(yīng)池（用于分離87Rb和87Sr）以及多收集器檢測器陣列的結(jié)合意味著地質(zhì)樣品可以以前所未有的精度進(jìn)行定年。（引自：//assets.thermofisher.com/TFS-Assets/CMD/brochures/br-000688-neoma-msms-br000688-en.pdf）

4.二次級(jí)離子質(zhì)譜（Secondary ion mass spectrometry,SIMS)

我們進(jìn)入了一個(gè)信息時(shí)代，科學(xué)家們對(duì)于如何更深入地了解物質(zhì)的構(gòu)成和性質(zhì)有了更高的需求。在這個(gè)背景下，表面質(zhì)譜成像技術(shù)變得越來越重要，它們能夠揭示微觀世界中的結(jié)構(gòu)和成分。一種重要的表面質(zhì)譜成像技術(shù)，從最早的SIMS（Secondary Ion Mass Spectrometry）到近年來的靜態(tài)SIMS，以及它們的應(yīng)用領(lǐng)域和技術(shù)發(fā)展。在1910年，英國物理學(xué)家J.J.湯姆森觀察到了通過離子轟擊固體表面誘發(fā)的正離子和中性原子的釋放。然而，真正的突破發(fā)生在20世紀(jì)40年代，隨著真空泵技術(shù)的改進(jìn)，使得SIMS的首個(gè)原型實(shí)驗(yàn)成為可能。這項(xiàng)研究由Herzog和Viehb?ck于1949年在奧地利維也納大學(xué)進(jìn)行。在此之后，SIMS技術(shù)不斷發(fā)展壯大。在20世紀(jì)70年代，科學(xué)家們引入了四極質(zhì)譜儀，使得SIMS技術(shù)更加精確和靈敏。同時(shí)，A. Benninghoven提出了靜態(tài)SIMS方法，其中主要離子電流密度非常小，僅需要表面的極小部分進(jìn)行分析。這種方法的引入使得對(duì)微小樣品的分析成為可能。SIMS技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，包括地質(zhì)學(xué)、核物理學(xué)、環(huán)境科學(xué)和金屬組學(xué)等領(lǐng)域。例如，它被用來分析月球巖石、追溯元素的來源、研究地質(zhì)過程和監(jiān)測環(huán)境變化。近年來，SIMS技術(shù)的發(fā)展一直在關(guān)注新型主要離子種類的開發(fā)，如C60+、離子化的金，以及大氣團(tuán)簇離子束等。這些創(chuàng)新使得我們能夠更深入地研究微觀世界?？偟膩碚f，表面質(zhì)譜成像技術(shù)已經(jīng)成為科學(xué)界不可或缺的工具，它們不僅幫助我們理解物質(zhì)的本質(zhì)，還為各種應(yīng)用領(lǐng)域提供了重要的信息。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，我們可以期待在未來看到更多令人興奮的發(fā)展。

當(dāng)處理固體表面時(shí)，用于測量放射性同位素相對(duì)豐度的另一種方法是二次離子質(zhì)譜（SIMS）。這種類型的離子微探分析通常通過將主要（氧）離子束聚焦在樣品上來生成一系列次級(jí)正離子，然后可以根據(jù)它們的質(zhì)量/電荷比進(jìn)行聚焦和測量。SIMS是U-Pb分析中常用的方法，因?yàn)橹饕x子束用于轟擊單個(gè)鋯石顆粒的表面，以產(chǎn)生Pb離子的次級(jí)束。Pb離子使用雙聚焦質(zhì)譜儀進(jìn)行分析，該質(zhì)譜儀包括靜電和磁性分析器。這種組合允許根據(jù)它們的動(dòng)能和質(zhì)荷比來聚焦次級(jí)離子，從而可以使用一系列法拉第杯準(zhǔn)確收集這些離子。在SIMS分析中出現(xiàn)的一個(gè)主要問題是在剝離的分子離子和感興趣的離子之間生成同質(zhì)異構(gòu)體的干擾。這個(gè)問題在U-Pb測年中出現(xiàn)，因?yàn)镻b離子的質(zhì)量與HfO2+幾乎相同。為了克服這個(gè)問題，可以使用敏感的高分辨率離子微探儀（SHRIMP）。SHRIMP是一種雙聚焦質(zhì)譜儀，允許根據(jù)其相對(duì)較大的尺寸在不同的離子質(zhì)量之間產(chǎn)生較大的空間分離。對(duì)于U-Pb分析，SHRIMP允許將Pb與其他干擾的分子離子，如HfO2+，分離開來。

圖5. 澳大利亞國立大學(xué)地球科學(xué)研究學(xué)院SHRIMP II，SIMS是一種常用的U-Pb分析方法，它是用一次離子束轟擊單個(gè)鋯石顆粒的表面，以產(chǎn)生二次束的Pb離子。 威斯康星大學(xué)地質(zhì)系（WiscSIMS實(shí)驗(yàn)室）配備了一臺(tái)CAMECA IMS-1280。IMS-1280是一臺(tái)大半徑多收集器離子顯微探針，相比早期儀器，它引入了許多改進(jìn)，其中一些旨在提高同位素比率分析的精度和準(zhǔn)確性。檢測器組件包括總共10個(gè)電子倍增器和法拉第杯探測器，配備五個(gè)可移動(dòng)的小推車，用于同時(shí)分析廣泛的同位素系統(tǒng)?？墒褂脡A金屬（Cs+）和雙等離子體源（O-，O+）。可以實(shí)現(xiàn)小至250納米的斑點(diǎn)大?。ㄊ褂肅s），但通常使用直徑為10微米、深度為1微米的斑點(diǎn)，以增加樣品量（約1納克/分析）并優(yōu)化準(zhǔn)確性和精度。對(duì)于研磨良好的硅酸鹽，δ18O和δ17O的精度通常為±0.3‰（2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)）使用10微米直徑斑點(diǎn)（Kita等人，2009年，Chem Geol; Valley和Kita，2009年，MAC Shortcourse v 41）。

圖6. 美國威斯康星大學(xué)地質(zhì)系二次離子質(zhì)譜，即：WiscSIMS，主要目標(biāo)是為SIMS用戶提供最佳的分析精度和準(zhǔn)確度，用于1至10微米尺度的穩(wěn)定同位素比率的原位分析。綜合起來，這些數(shù)據(jù)可以為地質(zhì)，行星或生物興趣的樣本提供基本的深層次的理解。5.加速器質(zhì)譜（Accelerator mass spectrometer,AMS)

對(duì)于極低水平存在的同位素，可以使用加速器質(zhì)譜儀（AMS）。例如，放射性同位素14^C的衰變速率廣泛用于測定有機(jī)材料的年代，但這種方法曾經(jīng)僅限于相對(duì)較大的樣品，不超過幾千年。AMS將14^C測年的范圍擴(kuò)展到約6萬年前，并且比傳統(tǒng)的IRMS靈敏度高約106倍。AMS的工作原理是通過一個(gè)大的（兆電子伏特級(jí)別）電勢(shì)加速負(fù)離子，然后進(jìn)行電荷交換并加速回地面。在電荷交換期間，可以有效地去除干擾物種。此外，束線的高能量允許使用能量損失探測器，可以區(qū)分具有相同質(zhì)量/電荷比的物種。這些過程結(jié)合在一起，允許分析超過10的12次方的極端同位素比。

加速器質(zhì)譜（AMS）是一種高度敏感且精確的質(zhì)譜技術(shù)，用于測量放射性同位素含量，特別用于極低濃度的同位素分析，如14C測年。AMS將樣品中的同位素離子加速到高能量，然后根據(jù)它們的質(zhì)荷比分離并檢測，廣泛應(yīng)用于考古學(xué)、地質(zhì)學(xué)、氣候研究等領(lǐng)域，提供了關(guān)鍵的時(shí)間信息和同位素示蹤能力。

圖7. 勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室的加速器質(zhì)譜儀（維基百科）

5.靜態(tài)稀有氣體質(zhì)譜（Static noble gas IRMS)

稀有氣體同位素質(zhì)譜是一種高度精確的分析技術(shù)，用于研究稀有氣體元素的同位素組成。稀有氣體同位素是指地球大氣中含量非常低的氣體元素，通常包括氦（He）、氖（Ne）、氬（Ar）、氪（Kr）、氙（Xe）和氡（Rn）。這些元素在地球的大氣中占據(jù)極少的比例，但它們的同位素分布和組成對(duì)于多個(gè)科學(xué)領(lǐng)域具有重要意義，包括地質(zhì)學(xué)、天文學(xué)、核物理學(xué)和環(huán)境科學(xué)。靜態(tài)氣體質(zhì)譜儀是一種將待分析的氣體樣品饋送到儀器源中，然后在整個(gè)分析過程中不再供給或抽氣的方法。這種方法可用于對(duì)樣品中給您的超微量稀有氣體進(jìn)行“穩(wěn)定同位素”分析，但在放射性測年或同位素地球化學(xué)中特別用于稀有氣體（稀有氣體或惰性氣體）的同位素分析。重要的例子包括氬-氬測年和氦同位素分析。

稀有氣體同位素分析是一項(xiàng)復(fù)雜而挑戰(zhàn)性的科學(xué)技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)之所以具有挑戰(zhàn)性，主要因?yàn)橄∮袣怏w元素在自然界中的濃度極低，樣品的準(zhǔn)備和分析過程都要求極高的精確度和靈敏度。此外，來自其他同位素或分子的干擾物質(zhì)可能會(huì)干擾同位素分析，因此需要采取措施來減少或校正這些干擾。高精度的質(zhì)譜儀器是進(jìn)行稀有氣體同位素分析的關(guān)鍵，它們必須能夠精確地分離不同同位素，確保準(zhǔn)確測量同位素比率。

除此，數(shù)據(jù)解釋也是一個(gè)挑戰(zhàn)，因?yàn)橄∮袣怏w同位素比率需要進(jìn)行精確的解釋，盡管面臨諸多挑戰(zhàn)，稀有氣體同位素分析在地質(zhì)學(xué)、天文學(xué)、環(huán)境科學(xué)和核物理學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用和價(jià)值，為科學(xué)家們提供了深入研究自然界同位素豐度和演化過程的工具，有助于解開地球和宇宙中許多重要問題的謎團(tuán)?？茖W(xué)家們?nèi)匀恍枰粩喔倪M(jìn)分析方法和儀器，以克服這些挑戰(zhàn)，推動(dòng)著這一領(lǐng)域的不斷發(fā)展和進(jìn)步，為我們提供了更深入的洞察力，拓寬了我們對(duì)自然界的認(rèn)識(shí)和理解。

圖8. 中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院油氣資源研究中心氣體同位素實(shí)驗(yàn)室MM5400靜態(tài)稀有氣體同位素比質(zhì)譜

6. 移動(dòng)線同位素比質(zhì)譜（Moving wire IRMS）

移動(dòng)線同位素比質(zhì)譜主要指利用液相色譜——同位素比質(zhì)譜對(duì)于分析溶液中化合物的碳-13比例很有用，例如在液相色譜純化后。溶液（或色譜的流出物）被干燥到鎳或不銹鋼線上。在殘留物沉積在線上之后，它進(jìn)入爐中，在那里通過燃燒將樣品轉(zhuǎn)化為CO2和水。氣流最終進(jìn)入毛細(xì)管，經(jīng)過干燥、電離和分析。這個(gè)過程允許連續(xù)凈化和分析化合物的混合物，可以將分析時(shí)間減少四分之一。移動(dòng)線IRMS非常敏感，含有1納摩爾碳的樣品可以產(chǎn)生精確（在1‰內(nèi)）的結(jié)果。

圖9. 液相色譜/同位素比質(zhì)譜（Liquid Chromatography/Isotope Ratio Mass Spectrometry）（圖片來自布里斯托大學(xué)化學(xué)系）。它是一種聯(lián)合使用液相色譜（Liquid Chromatography，LC）和同位素比質(zhì)譜（Isotope Ratio Mass Spectrometry，IRMS）的分析方法，用于測量樣品中的同位素相對(duì)豐度，同時(shí)還可以分離和識(shí)別復(fù)雜混合物中的不同化合物。LC/IRMS 廣泛用于科學(xué)研究和應(yīng)用領(lǐng)域，特別是在生物、生態(tài)學(xué)、地質(zhì)學(xué)、食品科學(xué)等領(lǐng)域。它可以用于追蹤同位素標(biāo)記物質(zhì)的起源、流動(dòng)和轉(zhuǎn)化，幫助科學(xué)家理解各種過程和生態(tài)系統(tǒng)中的化學(xué)反應(yīng)。

圖10. LC-IRMS 分析系統(tǒng)（ Alfredo Martínez García實(shí)驗(yàn)室，德國馬克斯普朗克化學(xué)研究所）

7. 結(jié)束語 同位素比質(zhì)譜是一項(xiàng)精密的分析技術(shù)，不僅讓我們能夠深入了解元素的同位素組成，還在各個(gè)領(lǐng)域中提供了無限的可能性。從地質(zhì)學(xué)家使用它來揭示地球歷史，到生物學(xué)家利用它來研究生態(tài)系統(tǒng)和食物鏈，再到考古學(xué)家和氣象學(xué)家借助它來解密過去的秘密和預(yù)測未來的趨勢(shì)，該技術(shù)經(jīng)成為科學(xué)研究中不可或缺的工具之一。這項(xiàng)技術(shù)的精確性和多用途性令人印象深刻。通過測量同位素比例，我們可以了解自然界中的過程、變化和互動(dòng)，這對(duì)于解決許多環(huán)境和生態(tài)問題至關(guān)重要。無論是探索地球歷史、解開化學(xué)反應(yīng)的奧秘還是解答生物學(xué)和生態(tài)學(xué)的謎題，同位素比質(zhì)譜技術(shù)都為科學(xué)家提供了有力的工具，幫助我們更好地理解我們的世界。因此，同位素比質(zhì)譜技術(shù)不僅豐富了我們的科學(xué)知識(shí)，還為我們提供了更深入的洞察力，有望在未來繼續(xù)為各個(gè)領(lǐng)域的研究和探索提供關(guān)鍵支持。這項(xiàng)技術(shù)的不斷發(fā)展將不斷擴(kuò)展我們對(duì)自然界的理解，使我們更能夠應(yīng)對(duì)未來的挑戰(zhàn)和發(fā)現(xiàn)新的機(jī)會(huì)。

（注：本文主要內(nèi)容來自英文維基百科及以下參考資料，由中國礦物巖石地球化學(xué)學(xué)會(huì)氣體地球化學(xué)專業(yè)委員會(huì)秘書處李中平翻譯整理）

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