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实验室分析方法--同位素质谱法

2022.1.26

质谱技术成为分析科学的重要组成部分是从同位素的发现开始的，并伴随同位素分析、研究和应用而发展。英国著名物理学家汤姆逊在1913年用简陋的抛物线装置发现惰性气体氖的两个稳定性同位素，标志着质谱技术的开始，而汤姆逊的抛物线装置被后人公认为是现代质谱仪的雏形。

汤姆逊的学生和助手阿斯顿（Aston），不但改进了汤姆逊的抛物线装置，建造了第一台具有速度聚焦的质谱仪，研究、发现和测量了几十种元素的同位素质量和丰度，证明了氖同位素20Ne和2Ne的存在；而且成功解释了用化学法测量的氯原子量不为整数的原因。自此以后，随着质谱仪器性能改进和测量方法的进步，元素周期表中的大多数元素的核素质量、同位素丰度和原子量测量都是借助同位素质谱来完成的。由此不难看出同位素质谱技术在质谱学的诞生、发展历程中所扮演的重要角色。如上所述，早期同位素质谱法的主要工作集中于天然同位素的探索、发现和元素同位素丰度、原子质量和原子量的测量为原子质量、原子量标准值的建立和元素周期表的完善做出了重要贡献。时至今日，元素同位素丰度和原子量的修订仍然借助同位素质谱法。同位素质谱法在物理学的另一项工作是为基本常数的修订提供相关元素同位素丰度的精确值，如当前各主要大国的科学家联合开展的阿伏伽德罗常数修订工作的一项关键任务，就是借助同位素质谱法提高测定元素硅同位素丰度的不确定度，为阿伏伽德罗常数的计算提供精确值。

第二次世界大战后期，随着军事强国对放射性同位素需求的迫切，同位素质谱法成为同位素分离效率监督和大量同位素分离产品丰度质量鉴定的最准确方法，包括用气体同位素质谱法测量氢、氘、氚等气体核素，用热电离质谱法测量铀、钚等锕系元素的同位素。与此同时，在核物理、核化学研究工作中的一些重要环节，诸如核燃料燃耗测定、核反应裂变产额测定等的测量，同位素质谱法给出的结果最准确。

20世纪中期掀起的通过测试宇宙样品的成分及同位素组成，探索宇宙奥秘和寻找未被发现核素的工作，也是用高灵敏度、高丰度灵敏度的同位素质谱测量方法实施的。

同位素质谱法是同位素地质学、同位素地球化学研究，石油和天然气的勘探、开采的主要测试方法。通过测定岩石、矿物、化石、月岩、陨石等样品中的某些元素同位素丰度、丰度比、δ值或元素含量等参数，为地质学、海洋学、宇宙探测、考古和远古突发事件研究提供丰富的信息。同位素质谱技术和方法提供的信息，有力地支持了科学技术研究和国民经济发展；科学技术进步和经济发展需求促进同位素质谱仪器与方法完善。

方法（仪器）	电离方式	分离方法	动态范围	方法应用
GSIRMS	EI	磁场	常量-痕量	H、C、O、N、S等元素同位素测量
TIMS	TI	磁场	常量-痕量	碱金属、碱土金属、稀土元素、过渡金属元素、锕系和卤族元素同位素测量，大约占周期表中85％的元素
MC-ICP-MS	ICP	磁-电	常量-痕量	涵盖元素周期表大多数元素
AMS	SI	磁-电	超痕量	长寿命、微含量宇宙射线成因核素的高灵敏度、高丰度灵敏度分析
LRIMS	LRI	磁-电	微量-痕量	有选择的高灵敏度、高丰度灵敏度分析，微区分析
LIMS	LI	电磁	微量-痕量	微区分析
HR-SIMS	SI	电磁	微量-痕量	单颗粒锆石同位素分析，微区分析，深度剖析
SVMS	EI	磁场	常量-痕量	Ar、He、Ne、kr、Xe等惰性气体同位素静态分析