同位素測試儀器設備

現在常用的穩定同位素比值測量儀器為質譜計。質譜計的工作原理是利用質荷比不同的離子在磁場或電場中運動軌跡的不同來測量離子的質量和數量。離子源、分析器和檢測器是所有質譜計的基本組成部分 (圖87.1) ，但是在不同種類的儀器中設計各有不同。此外，不同類型的儀器還可包含部分特有的裝置。

圖87.1 同位素質譜計簡圖

離子源

質譜計的離子源是將試樣中待測元素的同位素轉化為用于測量的離子流的裝置。其功能是: ① 通過電子轟擊、加熱或離子轟擊等方法，將試樣中待測元素的同位素轉化為離子。② 在高壓的作用下對離子加速，產生離子流。離子流中所有離子的動能均為:

巖石礦物分析第四分冊資源與環境調查分析技術

式中: e'為離子電荷; V 為加速電壓; m 為離子質量; U'為離子運動速度。

分析器

置于磁場或 (和) 電場中的一條管道。離子垂直磁力線飛入磁場，受到垂直于磁場及運動方向的力 F (洛侖茲力) 的作用。

巖石礦物分析第四分冊資源與環境調查分析技術

式中:B為磁場強度;e'為電荷;U'為離子運動速度。

由式(87.1)和式(87.2)，可導出:

巖石礦物分析第四分冊資源與環境調查分析技術

由上式可看出，在離子電荷相同的情況下，F是離子質量的函數。離子受力做弧形運動，重離子運動軌跡的曲率半徑較輕離子的為大，質量不同的離子發生分離，為離子檢測提供了條件。有些儀器采用電場分離或同時使用磁場與電場進行分離。

離子檢測器

由狹縫、離子接收器及放大測量裝置組成。狹縫的作用是只讓散開的離子束中待測的部分通過。離子接收器常為一個中空金屬筒(法拉第筒)，經一高阻接地。離子流通過時，在電阻上產生電壓降。由電壓降的大小可量度離子流強度。若離子流太小，則采用電子倍增器。

同位素比值測量一般采用雙束或多束測量法，同時收集兩種或多種待測同位素的離子流，直接測量同位素比值。

目前常用于同位素比值測量的儀器為氣體同位素質譜計和熱表面電離質譜計。近年來新開發的同位素分析儀器有離子探針質譜計、加速器質譜計和高分辨多接收激光等離子體質譜計。

87.1.1.1 氣體同位素質譜計

氣體同位素質譜計(IRMS)是對氣體樣品進行同位素測量的專用質譜計。除離子源、分析器和離子檢測器外，它還含有專門的進樣系統，有兩種不同的進樣方式。如果在進樣氣流中分子的平均自由程長于氣體流經的管道，則稱該氣流為分子流。在分子流中，氣體分子彼此不影響。這時，由于后面要談到的動力同位素效應，輕組分流動速度比重組分的流動速度大，使得重同位素在氣體中容易富集，引起質量歧視。另一種方式是黏性流進樣。在黏性流中，分子自由程小，氣體分子彼此影響，質量歧視大大減小。黏性流的正常氣壓為13.332kPa左右。目前黏性流進樣方法使用更為普遍。

現代氣體同位素比值質譜計都采用雙進樣系統，以便在盡可能短的時間內交替引入標準氣體與待測氣體，相互比較，提高測量精度。在氣體同位素質譜計中，采用電子轟擊離子源，即用電子轟擊由進樣裝置進入離子源的氣體分子，使之電離產生離子。然后在加速電壓作用下形成離子流。

近年來，質譜計有很大改進，設計了微量進樣系統，采用了多接收器，實現了計算機自動控制和數據自動處理。這些大大降低了測量過程中的人為因素影響，提高了測量速度和測量精度。氣體同位素質譜計常用于氫、氧、硫、碳、氮、硅、氯等元素的同位素分析。對δD的測量精度可達0.2‰，對δ18O、δ13C和δ34S的測量精度可達0.02‰，可以測量兩對以上的同位素比值。

連續流質譜(Continuous Flow MS)是在氣體同位素質譜基礎上發展起來的一種新型儀器。它的特點是用載氣不停地將待測氣樣帶入離子源，可減少試樣的損失，提高分析速度和靈敏度，現在主要用于環境、生物等復雜試樣和微量試樣的同位素分析。

87.1.1.2 熱表面電離質譜計

熱表面電離質譜計(TIMS)是對固體試樣進行同位素測量的專用質譜計。其特點是采用燈絲加熱，使涂在樣品帶上的待測試樣電離，產生離子流。熱表面電離質譜計常用于Sr、Nd、Pb、B、Cl、Li等固體元素的同位素比值分析。

87.1.1.3 離子探針質譜計

離子探針質譜計(SIMS，又稱二次離子質譜)的主要特點是它的離子源。與其他儀器不同，在離子探針質譜中是用一次離子轟擊樣品靶激發出二次離子，然后對二次離子進行同位素分析。這種儀器最大的優點是其極高的空間分辨率，由于一次離子的良好聚焦性能，它可以將激發點的直徑控制在5μm以內。為了能對極小的試樣進行同位素測量，對分析用的質譜計也做了特別設計。它往往使用雙聚焦質譜儀，能夠達到高分辨率(10000以上)，以將待測離子與雜質離子區分開。其接收器一般采用離子倍增器，以提高靈敏度。此外，離子探針質譜計還能分析一些用其他方法難以分析的同位素，如Fe和Os的同位素。

離子探針質譜出現于20世紀70年代，最早用于半導體微量雜質的分布研究，70年代后期開始用于氧同位素研究，80年代用于硫和鉛同位素研究，目前已廣泛用于B、C、O、Si、S、Mg、Ca、稀土、Sr、Pb、U等同位素分析。

當然，離子探針質譜也有其薄弱之處，即分析的精確度較常規方法仍有較大差距。

87.1.1.4 加速器質譜

加速器質譜(AMS)是利用加速器的原理對不同的離子進行分離。由于加速器的高分辨性能，加速器質譜能達到極高的靈敏度。這種儀器對于分析含量極低的同位素有特別的優勢，因而特別適于10B、14C、26Al、32Si、36Cl等宇宙射線成因同位素的分析。近年來，隨著該項技術的發展(加速器能量加大和靈敏度提高)，這種技術得到廣泛應用，成為年輕年代學測定和研究侵蝕、沉積過程的重要手段。

87.1.1.5 多接收器激光等離子體質譜

多接收器激光等離子體質譜(MC-LA-ICP-MS)是在等離子體質譜計(ICP-MS)的基礎上發展起來的一種新型質譜計。這種儀器最基本的特征是利用等離子體技術使試樣電離，產生離子，進行同位素分析。由于等離子體技術的電離效應遠好于表面電離法，有些用熱表面電離質譜難以分析的元素(如Os、Fe)也可被電離進行同位素分析。這種技術無需對待測樣品進行繁瑣的預處理，可以同時測定多種元素的同位素，因而顯著地提高了測試工作的效率。早期的ICP-MS多采用四級桿質譜，這種質譜分析速度快，但精確度不夠高。新一代的儀器采用磁質譜，前面加上激光采樣裝置，離子接收部分采用多接收器。新的配置顯著提高了測量的精確度和空間分辨率，成為新的有力的工具。MC-LA-ICP-MS的出現使多種重同位素的測試成為可能，這將大大拓寬同位素研究的范圍，對同位素研究帶來深遠影響。