同位素测试仪器设备
现在常用的稳定同位素比值测量仪器为质谱计。质谱计的工作原理是利用质荷比不同的离子在磁场或电场中运动轨迹的不同来测量离子的质量和数量。离子源、分析器和检测器是所有质谱计的基本组成部分 (图87.1) ，但是在不同种类的仪器中设计各有不同。此外，不同类型的仪器还可包含部分特有的装置。
图87.1 同位素质谱计简图
离子源
质谱计的离子源是将试样中待测元素的同位素转化为用于测量的离子流的装置。其功能是: ① 通过电子轰击、加热或离子轰击等方法，将试样中待测元素的同位素转化为离子。② 在高压的作用下对离子加速，产生离子流。离子流中所有离子的动能均为:
岩石矿物分析第四分册资源与环境调查分析技术
式中: e'为离子电荷; V 为加速电压; m 为离子质量; U'为离子运动速度。
分析器
置于磁场或 (和) 电场中的一条管道。离子垂直磁力线飞入磁场，受到垂直于磁场及运动方向的力 F (洛仑兹力) 的作用。
岩石矿物分析第四分册资源与环境调查分析技术
式中:B为磁场强度;e'为电荷;U'为离子运动速度。
由式(87.1)和式(87.2)，可导出:
岩石矿物分析第四分册资源与环境调查分析技术
由上式可看出，在离子电荷相同的情况下，F是离子质量的函数。离子受力做弧形运动，重离子运动轨迹的曲率半径较轻离子的为大，质量不同的离子发生分离，为离子检测提供了条件。有些仪器采用电场分离或同时使用磁场与电场进行分离。
离子检测器
由狭缝、离子接收器及放大测量装置组成。狭缝的作用是只让散开的离子束中待测的部分通过。离子接收器常为一个中空金属筒(法拉第筒)，经一高阻接地。离子流通过时，在电阻上产生电压降。由电压降的大小可量度离子流强度。若离子流太小，则采用电子倍增器。
同位素比值测量一般采用双束或多束测量法，同时收集两种或多种待测同位素的离子流，直接测量同位素比值。
目前常用于同位素比值测量的仪器为气体同位素质谱计和热表面电离质谱计。近年来新开发的同位素分析仪器有离子探针质谱计、加速器质谱计和高分辨多接收激光等离子体质谱计。
87.1.1.1 气体同位素质谱计
气体同位素质谱计(IRMS)是对气体样品进行同位素测量的专用质谱计。除离子源、分析器和离子检测器外，它还含有专门的进样系统，有两种不同的进样方式。如果在进样气流中分子的平均自由程长于气体流经的管道，则称该气流为分子流。在分子流中，气体分子彼此不影响。这时，由于后面要谈到的动力同位素效应，轻组分流动速度比重组分的流动速度大，使得重同位素在气体中容易富集，引起质量歧视。另一种方式是黏性流进样。在黏性流中，分子自由程小，气体分子彼此影响，质量歧视大大减小。黏性流的正常气压为13.332kPa左右。目前黏性流进样方法使用更为普遍。
现代气体同位素比值质谱计都采用双进样系统，以便在尽可能短的时间内交替引入标准气体与待测气体，相互比较，提高测量精度。在气体同位素质谱计中，采用电子轰击离子源，即用电子轰击由进样装置进入离子源的气体分子，使之电离产生离子。然后在加速电压作用下形成离子流。
近年来，质谱计有很大改进，设计了微量进样系统，采用了多接收器，实现了计算机自动控制和数据自动处理。这些大大降低了测量过程中的人为因素影响，提高了测量速度和测量精度。气体同位素质谱计常用于氢、氧、硫、碳、氮、硅、氯等元素的同位素分析。对δD的测量精度可达0.2‰，对δ18O、δ13C和δ34S的测量精度可达0.02‰，可以测量两对以上的同位素比值。
连续流质谱(Continuous Flow MS)是在气体同位素质谱基础上发展起来的一种新型仪器。它的特点是用载气不停地将待测气样带入离子源，可减少试样的损失，提高分析速度和灵敏度，现在主要用于环境、生物等复杂试样和微量试样的同位素分析。
87.1.1.2 热表面电离质谱计
热表面电离质谱计(TIMS)是对固体试样进行同位素测量的专用质谱计。其特点是采用灯丝加热，使涂在样品带上的待测试样电离，产生离子流。热表面电离质谱计常用于Sr、Nd、Pb、B、Cl、Li等固体元素的同位素比值分析。
87.1.1.3 离子探针质谱计
离子探针质谱计(SIMS，又称二次离子质谱)的主要特点是它的离子源。与其他仪器不同，在离子探针质谱中是用一次离子轰击样品靶激发出二次离子，然后对二次离子进行同位素分析。这种仪器最大的优点是其极高的空间分辨率，由于一次离子的良好聚焦性能，它可以将激发点的直径控制在5μm以内。为了能对极小的试样进行同位素测量，对分析用的质谱计也做了特别设计。它往往使用双聚焦质谱仪，能够达到高分辨率(10000以上)，以将待测离子与杂质离子区分开。其接收器一般采用离子倍增器，以提高灵敏度。此外，离子探针质谱计还能分析一些用其他方法难以分析的同位素，如Fe和Os的同位素。
离子探针质谱出现于20世纪70年代，最早用于半导体微量杂质的分布研究，70年代后期开始用于氧同位素研究，80年代用于硫和铅同位素研究，目前已广泛用于B、C、O、Si、S、Mg、Ca、稀土、Sr、Pb、U等同位素分析。
当然，离子探针质谱也有其薄弱之处，即分析的精确度较常规方法仍有较大差距。
87.1.1.4 加速器质谱
加速器质谱(AMS)是利用加速器的原理对不同的离子进行分离。由于加速器的高分辨性能，加速器质谱能达到极高的灵敏度。这种仪器对于分析含量极低的同位素有特别的优势，因而特别适于10B、14C、26Al、32Si、36Cl等宇宙射线成因同位素的分析。近年来，随着该项技术的发展(加速器能量加大和灵敏度提高)，这种技术得到广泛应用，成为年轻年代学测定和研究侵蚀、沉积过程的重要手段。
87.1.1.5 多接收器激光等离子体质谱
多接收器激光等离子体质谱(MC-LA-ICP-MS)是在等离子体质谱计(ICP-MS)的基础上发展起来的一种新型质谱计。这种仪器最基本的特征是利用等离子体技术使试样电离，产生离子，进行同位素分析。由于等离子体技术的电离效应远好于表面电离法，有些用热表面电离质谱难以分析的元素(如Os、Fe)也可被电离进行同位素分析。这种技术无需对待测样品进行繁琐的预处理，可以同时测定多种元素的同位素，因而显著地提高了测试工作的效率。早期的ICP-MS多采用四级杆质谱，这种质谱分析速度快，但精确度不够高。新一代的仪器采用磁质谱，前面加上激光采样装置，离子接收部分采用多接收器。新的配置显著提高了测量的精确度和空间分辨率，成为新的有力的工具。MC-LA-ICP-MS的出现使多种重同位素的测试成为可能，这将大大拓宽同位素研究的范围，对同位素研究带来深远影响。
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