1. 气体同位素质谱

    气体同位素质谱，即：气体（源）同位素比质谱（Gas Source Isotope Ratio Mass Spectrometry，Gas-IRMS），是一种主要于分析轻元素稳定同位素组成的仪器。样品在进入质谱分析之前，需要将不同类型的样品（包括固体和液体）对应的目标元素通过不同方法转化为可用于同位素分析的高纯气体，所以又称为气体同位素质谱。该技术通过电子轰击离子源（EI)将气体分子离子化，然后根据带电粒子的荷质比在质量分析器中进行分离，最终由离子检测器记录离子束强度，以获得气体同位素比值的信息。IRMS原理上能够实现多种同位素比值的测定，如氢同位素（D/H）、碳同位素（¹³C/¹²C）、氧同位素（¹⁸O/¹⁶O和¹⁷O/¹⁶O）、氮同位素（¹⁵N/¹⁴N）和硫同位素（³⁴S/³²S、³³S/³²S、³⁶S/³²S）等。在实际应用中，需要使用不同的前处理系统和进样系统，将不同介质的样品（固体、液体和气体）转化为高纯气体（如H₂、CO₂、N₂、N₂O和SO₂等）（表1），然后导入IRMS进行同位素测量分析，以实现不同的研究目的。

  表1. 气体同位素质谱分析的气体种类（引自资料2）

   气体同位素质谱的工作原理：将制备的气体引入质谱离子源电离，然后将离子带电加速并聚焦到进入飞行管中。飞行管中的电磁铁会根据离子的质量/电荷比改变离子的路径，从而将离子束分离。离子束通过多个离子检测器收集并测量为电流，可以被放大并以高精确度确定。

    气体同位素质谱使用两种类型的接口：粘性气体流入口和连续流气体入口。粘性气体流入口使用双路进样系统，“标准”气体和“样本”气体交替使用。连续气体流入口使用载气，如氦气，将气体带入离子源。粘性流动系统可以进行高精度分析，但需要相对较大的样品量以确保粘性流动，这抑制了流动系统的分馏过程。连续流动系统产生较低的分析精度，但允许测量更小的样品量。

图1. 气相色谱-气体同位素质谱联用仪

图2. 高精度气体成分分析质谱计（MAT 271)

(图片来源：中国科学院西北生态环境资源研究院地球化学分析测试中心网站）

 2. 稀有气体同位素质谱：

   除此，用于稀有气体，即氦 (He)、氖 (Ne)、氩 (Ar)、氪 (Kr) 、氙 (Xe)同位素比值测试的同位素质谱也属于气体同位素质谱。可以用来确定样品的年龄、地质年代、地球化学过程等研究。不过，由于稀有气体含量极低，这让分析变得非常困难。为了应对这个难题，稀有气体质谱仪采用了静态真空和高分辨率的技术，让分析变得更加精确和可靠。测试流程如下：首先，将含有稀有气体的样品加热或通过激光照射，使其释放出来。然后，这些气体会被送入气体处理系统进行净化和分离，以去除杂质。接下来，纯化后的稀有气体会被送入质谱仪主机中。在主机中，气体会被电子轰击产生形成离子，随后，电磁场会按不同的质量将离子分离，并使用不同的检测器测量具有不同质量的离子信号。这样，我们就可以得到稀有气体的不同同位素的比值。

图3. 稀有气体同位素质谱

(图片来源：中国科学院西北生态环境资源研究院地球化学分析测试中心网站）

3.高分辨气体同位素质谱

    高精度气体同位素质谱仪，是一款双聚焦同位素比质谱仪，专为挥发性和半挥发性分子的同位素分析而设计，用于稳定同位素地球化学研究。该仪器的质量分辨率可达到约27,000（M/ΔM），可使用传统的双进样口和/或载气分析各种气体和半挥发性化合物。在He质量范围内的丰度灵敏度达到10^-12，对于一系列分析物，精度通常接近计数统计极限（Eiler et al. 2012）。该仪器可解决来自污染物和多种同位素同素异构体同位素干扰，从而实现对具有复杂质谱的分子（如碳氢化合物）的直接同位素分析。这种能力可以通过将分子离子的同位素比与其子离子的同位素比进行比较，从而实现位置同位素组成的测量，包括多重取代。

 图2. 高分辨气体同位素质谱仪示意图（Eiler et al. 2012）

   高分辨率与多接收技术将为同位素地球化学提供广泛的潜在新工具，包括但不限于：单重和多重取代的甲烷和较大的碳氢化合物；丙烷和较大碳氢化合物的位置特异性¹³C分析；CO₂和其他分子的碎片离子的¹⁷O/¹⁶O和¹⁸O/¹⁶O的精确分析；各种N₂O同位素同素异构体（包括¹⁸O、¹⁷O、位置特异性¹⁵N和各种“聚团”）的分析；以及高精度和丰度灵敏度的惰性气体分析。这些功能极大地扩展了可以用于地质学、油气地球化学环境地球化学、生物化学和地球和行星科学问题的稳定同位素研究（Eiler et al. 2012）。

图3. 高分辨气体同位素质谱仪 （Eiler et al. 2012）

  4. 气体稳定同位素质谱应用

气体同位素技术是一种研究轻元素稳定同位素组成及其变化规律的技术，该技术已经应用于地球科学、环境科学、生物科学等多个领域，并在解决重大科学问题中发挥着重要作用。在地球科学领域，气体同位素技术广泛应用于地质学、环境科学、气候学等方面的研究广泛。在环境科学领域，气体同位素技术被用于追踪污染物的来源和传输途径，监测大气和水体的污染状况。气体同位素技术可以用于环境监测和生态系统研究。例如，通过分析土壤和水体中氮、氧、碳等元素的稳定同位素组成，可以了解它们的来源、转化和迁移途径，揭示生态系统的物质循环过程。

气体同位素技术还可以用于追踪大气污染物的来源和传输途径，监测气候变化和水循环的变化。在生物医学领域，气体同位素技术被广泛应用于药物代谢和人体生物活动的研究，以及疾病的早期诊断等方面。例如，通过分析血液和尿液中药物的稳定同位素组成，可以了解药物的代谢途径和代谢速率，预测药物的疗效和副作用。气体同位素技术还可以用于了解人体骨骼、牙齿等组织的代谢过程，帮助预防和治疗骨质疏松症等骨骼疾病。总的来说，气体同位素技术在不同领域的应用前景广阔。

 气体同位素技术应用两个方向：

1.同位素地球化学示踪：利用稳定同位素的地球化学特征，对地球化学过程进行示踪和定量研究的方法。它是通过测量样品中稳定同位素的比值变化，来推断样品所经历的地质、生物、环境等过程。稳定同位素地球化学示踪技术在地质、环境、生物等领域都有广泛的应用。例如，稳定同位素可以用于示踪天然物质形成的地质和地球化学过程，以及在生态学研究中，用于示踪生态系统过程和了解生理过程。

2. 同位素测温：同位素测温是一种利用地质体中共存物相之间的同位素分馏大小，应用已知的同位素分馏系数，即可计算物相之间的同位素“平衡”温度的方法。稳定同位素测温法是一种利用稳定同位素比值来估算古温度（气温、水温）的方法。

5.未来发展及挑战

首先，气体同位素分析仪器和设备价格昂贵，需要较高的技术水平进行操作和维护，因此限制了其在实验室的应用。随着技术的进步和成本的降低，未来稳定同位素技术有望更加广泛地应用于各个领域。其次，气体同位素技术的分析结果可能会受到样品污染、样品制备和数据解释等多种因素的影响，需要精细的实验设计和严谨的数据处理。因此，分析结果需要与其它分析结果相结合，进行数据验证，以提高其精确度和可靠性。

目前气体同位素技术主要应用于C、N、O、H等少数几个元素的分析，但随着技术的不断发展，人们越来越需要分析更多元素的同位素组成。例如，硫、氯、溴等元素在地球化学和环境科学中具有重要的地位，未来的气体同位素技术还需要开发更多的多元素分析方法和设备。目前常用的稳定同位素标记物主要是C、N、O等元素的同位素，但这些同位素在一些特殊情况下并不适用，例如在追踪微量元素的地球化学过程中。因此，未来需要开发更多新型稳定同位素标记物，以满足不同领域和不同应用的需要。气体同位素技术作为一种先进的分析技术，具有广泛的应用前景和不断发展的空间。未来，气体同位素技术的发展将不断推动其在各个领域的应用和探索，同时也需要不断解决相关的技术和数据处理问题，以提高其精度和可靠性。 

致谢：中国科学院西北生态环境资源研究院地球化学分析测试中心气体同位素实验室邢蓝田博士，曹春辉博士、刘艳博士通读了全文并提出修改意见，在此表示感谢！

参考资料：

1.John M. Eiler, et al., 2012, A high-resolution gas-source isotope ratio mass spectrometer. International Journal of Mass Spectrometry

2. http://www.ebd.csic.es/IsotopeCourse/Conferences/2014%20Fundamentals%20of%20IRMS%20-%20EBD%20course%20-%20Sevilla%20[Lecture%20seule].pdf

3. Gas Source Mass Spectrometry: Stable Isotope Geochemistry (carleton.edu)

4.中国科学院西北生态环境资源研究院地球化学分析测试中心网站：http://www.lig.cas.cn/huaxuefenxi/sypt/

5. 李中平科学网公众号 https://blog.sciencenet.cn/blog-3549522-1377103.html