一文读懂同位素质谱仪

二维码

什么是同位素？

原子由原子核和核外电子组成，原子的重量主要集中在原子核中，核外电子的重量非常小。原子核包含大量的基本粒子，其中质子和中子被看作是原子核的主要构成，反映了原子核的质量和电荷。质子是一种带正电的离子，一个质子的电荷与一个电子的电荷大小相同，极性相反。中子的质量与质子的质量相近而略偏重，不带电荷。一个中性原子的核外电子数与质子数相等，因此，当原子处于电中性时，原子核的质子数决定了该原子所拥有的核外电子数，核外电子及其分布决定原子的化学性质。
同位素:指原子核内质子数相同而中子数不同的一类原子。
同位素的表示:在元素符号的前面，下脚标为质子数，上脚标为质量数。
由于某一元素的质子数是固定的，所以下脚标质子数可以忽略不写。
每一个同位素又统称为核素，其总数目接近1700种但只有约260种是稳定的。许多元素有两种或多种同位素。
同位素可分为稳定同位素和不稳定同位素两类。大部分放射性同位素并不自然存在，因为与太阳年龄相比，它们的衰变速率太快，但它们可以在实验室中用核反应的方法人工产生。
同位素含量用同位素丰度来表示，即一定元素的某一同位素在诸同位素总原子数中的相对百分含量。
什么是同位素质谱？

根据原子（分子）质量的顺序进行排列的图谱，叫做质谱。通过微波吸收法、核感应法或者光谱法均能够使得试验验装置构成，从而进行质谱研究。历史上，质谱仪是以电磁学原理作为基础设计而成的仪器。由于这种仪器中采用的质量分析器仅可以对带电粒子起分离作用，因此将研究的原子（分子）转变成离子是基本要求，而离子的质量和电荷的比值就是仪器所获得的信息。这几年以来，分析有机物结构、分离与分析同位素、测定原子量和其它科学实验都yuan利用质谱仪进行的，使质谱法形成，在现代分离、分析研究领域中，它占据的地位举足轻重。首先将样品转化成如二氧化碳，氮气，二氧化硫或者氢气等气体，气体分子在离子源中离子（从每个分子中将一个电子剥离，从而使得一个正电荷为每个分子所带有），接着往飞行管中打入离子化气体。飞行管是弯曲的，在飞行管上方放置磁铁，带电分子因为质量差异而分离，含有重同位素的分子的弯曲程度比含轻同位素的分子要小。有一个法拉第收集器在飞行管的末端，用来对经过磁体分离之后，具有特定质量的离子束强度进行测量，因为其是将样品转化成气体才可以测量，因此又被称为气体同位素比例质谱仪。以二氧化碳为例，质量分别为44、45和46的离子束需要有三个法拉第收集器来收集，同时对质量不同的离子进行收集，从而能够将不同质量离子之间的比率精确测定出来。磁场中带电粒子在运动时发生偏转，偏转程度和粒子的质荷比成负相关。
同位素质谱的特点

新一代同位素质谱仪以单片电路分析框架为基础，并不只是重新设计从前的机型，而且有着更加小的体积。由于固定结合离子光学组件和独特的分析平台，使更加可靠，更加高效以及前所未有的分析能力得以实现。其有着非常灵活的配置，其能够对不同领域的使用要求均适用。1.功能多样性（1）质量范围更加的宽。（2）在线氢分析能够现场升级。（3）最多能够对10个检测器进行配置。（4）接收器排列最灵活多样。2.可靠坚固（1）所有离子光学组成都有固定排列的单片分析器，集成信号扩大器和数字转换器。（2）所有的离子光学组成都是固定的，安装或维护时不需要对位置进行调整。（3）真空排气设计达到最优。3.方便紧凑（1）更好的占地面积。（2）在线外围设备能够放置在上盖上。（3）内置多向进样，微量进样以及双路进样。（4）连续流接口由前部面板开关。（5）内置所有所有真空。（6）低噪音设计。4.灵敏度和以往的机型相比较，新一代同位素质谱仪达到了前所未有的高灵敏度。5.可扩展性外围样品前处理设备最为全面，最为完善：专门碳酸盐装置，专门氢装置，痕量气体分析仪，多用途样品制备装置，液相色谱仪、多用途样品制备装置、痕量气体分析仪、液相色谱仪，气相色谱仪以及元素分析仪，对于不同行业不同用户的需要都满足。
同为素质谱的应用

同位素质谱在我国农业、医学、环境 学、海洋学、石油、化工、冶金等方面的应用也日益广泛。近年来，同位素质谱学在高分辨率、高准确度、高灵敏度研究方面上了新的台阶，而且在同位素精确质量测定，化学溯源于世界水平接近。同位素地质学方面同位素质谱是同位素地质学发展的重要实验基础。当前我国同位素质谱技术已深入到矿床同位素地球化学、岩石年代学、有机稳定同位素地球化学、无机稳定同位素地球化学等各个方面，并在国家一系列重大攻关和研究课题中发挥重大作用，如金矿和石油天然气研究、水资源开发等。核科学与核工业方面同位素质谱最初是伴随着核科学与核工业的发展而发展起来的。主要研究领域：1）超低丰度同位素杂质的分析：核工业的迅速发展和我国核产品不断进入国际市场，对超低丰度同位素杂质分析提出了很高的要求；2）燃烧及核燃料纯度分析：采用同位素稀释质谱法（IDMS）分析核燃料UO2、 UO3、U3O8中的B、Pb、Sm、Y、Eu、Th等；3）U、Li等同位素标准参考物质的研制。核物理研究方面包括原子质量的精确测测定；测定原子核的结合能和敛集曲线；测定放射性同位素的半衰期；同位素丰度和原子量的精确测量；发现天然反应堆；在高能核物理研究中的应用同位素质谱测量在高能核物理研究工作中主要有以下几项应用：研究能量在100兆电子伏以上的原子与靶子作用所发生的核反应机理；研究发生在星球表面和大陆空间及陨石上的宇宙线照射形成的核反应机理；探讨核反生成的短寿命粒子与质量关系；测定高能粒子与靶子作用的核反应截面和碎片粒子产额；高能质谱测定常集中在对稀有氧化和碱金属的分析工作上。标准参考物质的研制发明方面标准参考物质的研制是衡量一个国家分析工作水平的重要标志。同位素稀释质谱（IDMS）是唯一微量、痕量和超痕量元素权威测量法。因为IDMS可以通过天平称重和同位素丰度比的质谱测量，将化学成分分析转化为同位素丰度的质谱测量。IDMS具有绝对测量性质；灵敏度高；方法准确；测量的动态范围宽；样品制备不需要严格定量分离；测量值能够直接溯源到国际基本单位制的物质量基本单位——摩尔。临床医学的应用进行营养学、药理学和临床医学方面的研究；利用IDMS法测定人体血、尿、头发中的微量元素，进行病情诊断和病理研究工作。如医用同位素质谱分析方法主要有CO2呼气检查、4He和重水示踪原子等方法。利用He示踪原子方法，检验肺功能障碍性病变患者，已获得明显效果。应用重水作示踪剂，检测人体肺水肿患者，给出与正常人不同变化曲线。在生物学和化学研究工作中的应用稳定性同素示踪原子方法，正在越来越多的领域里代替了放射性示踪原子方法，从而扩大了示踪原子的应用范畴。如应用稳定性同位素示踪原子方法，采用含有18O的重氧水H218O作示踪原子，进行质谱分析，最后证明绿色植物放出的氧气，主要来源于根部吸入的水分，而不是光合作用放出的氧气。用18C方法证明了光合作用不仅能在光照条件下进行，耐用也能在黑暗条件下以缓慢的速度进行。用征水和重氧水浇灌植物，然后定时采集植物各部位的水进行分析，发现些树木运送水分的速度高达每小时14 m。用重水作标记，探测人体水的循环，发现吸入少量重水以后，经两个小时即在人体所有各器官达到平衡，即重水成分已均匀分布。两个星期以后完全排出体外。为此，在某些从事放射性物质研究的机构里，给工作人员发放茶叶，以加速体内水分流通，有利于排出少量放射性物质。在化学领域中，早在30年以前，就已经应用D 、18O和18N等同位素作示踪原子，研究有机化合物的结构和成分变化情况。环境科学的应用近年来同位素质谱在环境科学的应用日益受到重视，尤其在大气、土壤、水质及生态环境研究均发挥重要作用。应用稳定性同位素丰度变化，研究和指示环境污染源和污染程度，在环保工作中的重要意义。如利用测定铅同位素比的方法，很容易判明汽油生产厂家及其对大气的污染程度；在环保工作中，还使用同位素稀释方法测定各种水体中有害的微量元素含量，用以监测水质质量。农业增产应用现在，有许多农业研究机构和大学，购买高精度同位素质谱计，以从事合理用肥、果实营养、固氮分析、农药毒性、家畜气候对作物的影响等多方面的研究工作。而且随着世界人口的增加，提高粮食单产的问题越发显得重要，所以农业研究工作有着极为广阔的前途。（1）合理使用肥料；（2）农药毒性的研究；（3）用轻水灌溉；（4）研究气候对作物的影响。如用18O作示踪原子，研究温度和农作物生长和成分的影响表明，灌溉水只供给植物组织中15%的氧，其余85%的氧只能从空气中的CO2取得；（5）固氮酶的研究。如用15N作示踪原子研究固氮作用，发现各种固氮酶能够将土壤中的氮固定下来，有效地克服了氮的蒸发和流失作用，然后再把它固定下来的氮当中的20%排给水稻利用。还发现了水稻根际粪产碱菌和阴沟肠细菌的固氮作用，并能将氮转移给水稻。这些均为我国农业研究工作者发现的廉价固氮酶，有一定的经济价值。质谱分析为固氮研究提供了可靠的数据。与原子能和地质研究工作相比较，农业上应用同位素方法从事科研工作，正处于方兴未艾阶段，随着人类社会发展，对农业的要求越来越高，今后大力开展和普及用现代化方法研究农业增产和改善果实质量的工作前途无限广阔。（6）其他应用如石油、冶金、电子等方面。

原文地址：https://zhuanlan.zhihu.com/p/643943930