• EA-IRMS • GCisolink-IRMS • Gasbench-IRMS • Precon-IRMS
A
稳定同位素质谱-IRMS-工作原理
EA：土壤、沉积物、水 Gcisolink：有机物 Gasbench：碳酸盐 Precon：气体
外部设备 进样系统
离子源
质量分析 器
离子检测 器
谱图显示
B
EA-IRMS的工作原理
δ18OSMOW ‰ →CO
δDSMOW ‰ →H2
在线稀释
分离H2、CO
B
EA-IRMS的工作原理
H2
CO
H2和CO的谱图
C
GC-Isolink-IRMS的工作原理
δ13CPDB ‰ →CO2 δ15NAir ‰ →N2 δDSMOW ‰ →H2
C
GC-Isolink-IRMS的工作原理
有证标准物质
IAEA
GBW
USGS
IAS
国际原子能机构 美国
地质勘探局 美国
国家标准物质 中国
Elemental Microanalysis Ltd
英国
B
稳定同位素质谱分析的标准物质
实验室可以选用不同的标准物质进行样品同位素比值的测定 ，但所得的结果必须换算成相对于国际公认的同位素标准的 千分差后出具正式的分析报告。表示方法为：
氨氮化学法示意图：NO3-→NO2- → N2O
C
气体样品
1. 气体采样袋：直接采集气体样品，不少于100mL 2. 顶空瓶：钳口、聚四氟乙烯垫（样品需5~10nmol）
H2O
3. 同位素分馏：同一元素的同位素 之间，由于核质量的差别，其物理 和化学性质存在微小差别
A
稳定同位素质谱相关背景知识
B
稳定同位素质谱分析的标准物质
由世界各国权威实验室公认的国际统一标准，并把这些样品的δ值人为 地设定成 0 ‰。碳、氢、氧、氮和硫的国际公认的同位素标准列入下表， 也标出了这些标准物质的绝对同位素丰度。
将CH4氧化为CO2
E
Precon-IRMS的工作原理
N2O的谱图
以N2O为例，该峰 为CO2杂质峰
03
样品处理方法
A
土壤、沉积物、植物样品的含无机碳）、N同位素、植物样 品中的C、N：烘干（不超过60℃）、磨细（60~100目）、 锡纸包样（进样量为20~40μgC/次或20~40μgN/次）
稳定同位素质谱
谭扬 2015.11.03
目录
01 稳定同位素质谱相关知识 02 IRMS及其外部设备工作原理 03 样品处理方法 04 相关应用
01
稳定同位素质谱 相关知识
A
稳定同位素质谱相关背景知识
1. 同位素：质子数相同，中子数不同的原子（1700余种）
2. 稳定同位素：无可测放射性的同位素，自成核以来就保持稳 定（260余种）
D
Gas-bench-IRMS的工作原理
δ13CPDB ‰ →CO2
D
Gas-bench-IRMS的工作原理
D
Gas-bench-IRMS的工作原理
碳酸盐或DIC中CO2的谱图
E
Precon-IRMS的工作原理
δ13CPDB ‰（CO2、CH4 ）→CO2 δ15NAir ‰ →N2O
E
Precon-IRMS的工作原理
碳元素有 8 种核素同位素 ： 129C、 1210C 、 1211C 、 1214C 、 1215C 、 1216C放射性核素 1213C 、 1212C稳定性核素
D/H 13C/12C 18O/16O 15N/14N
A
稳定同位素质谱相关背景知识
H216O HD16O
D216O D218O
B
稳定同位素质谱分析的标准物质
候选物质具有代表性和适用性 可成批制备，并具备重新复制的特点 最小包装单元之间及单元内部具有良好的均匀性 在有限期内具有良好的稳定性 测量的平均值即为该标准物质特性量的标准值 具有溯源性的基本特性，为测量在国际范围具有可比性
提供了保证
B
稳定同位素质谱分析的标准物质
60℃烘干
包样、测试
盐酸熏蒸法示意图
B
海水、河水样品中的氨氮、硝氮
1. 蒸馏法：（适用于铵氮、硝氮含量较高的水样，＞5mg/L， 氨氮直接蒸馏，硝氮在去除完氨氮后，添加达氏合金将硝氮转 化为氨氮后再蒸馏
凯氏定氮装置示意图
B
海水、河水样品中的氨氮、硝氮
2. 化学法：（适用于铵氮、硝氮含量较低的水样，0.5~10μmol/L）
CO2
• 海水、淡水中的H
• 海水、淡水中的O
N2
H2 CO
B
EA-IRMS的工作原理
δ13CPDB ‰ →CO2
δ15NAir ‰ →N2
B
EA-IRMS的工作原理
δ13CPDB ‰ →CO2
δ15NAir ‰ →N2
在线稀释
分离CO2、N2
B
EA-IRMS的工作原理
N2
CO2
N2和CO2的谱图
δ15NAir ‰
δ13CPDB ‰ ；
δ18OSMOW ‰ 或 δ18OPDB ‰；
δDSMOW ‰
δ34SCDT ‰
δ ＞0时，Rsa ＞Rst, 即说明样品比标准 “重” δ ＜0时，Rsa ＜Rst，则样品比标准“轻”
02
IRMS及其外部设备 工作原理
A
稳定同位素质谱-IRMS-工作原理
IRMS MAT253
A
稳定同位素质谱-IRMS-工作原理
洛伦茨定律：
m 4.82 10 5 Rm2 H 2
e
V
原子质量m与偏转轨道 半径R成正比
磁场
接收器
离子源
A
稳定同位素质谱-IRMS-工作原理
校准过程
标准物质 δ1
参考气 δ2
待测样品 δ3
• 植物 • 土壤 • 沉积物
• 海水中的氨氮、硝氮 • 植物 • 土壤 • 沉积物
GC单元
高温单元
通He，在线稀释CO2、N2、H2
C
GC-Isolink-IRMS的工作原理
燃烧，将C转化为CO2，N转化为N2
C
GC-Isolink-IRMS的工作原理
高温裂解，将H转化为H2
C
GC-Isolink-IRMS的工作原理
有机化合物的谱图
以C为例，每一种化合物中的C转化为CO2， 会得到一个δ值
A
土壤、沉积物、植物样品的处理方法
2. 土壤、沉积物样品中的C同位素（含有无机碳）：烘干（不超 过60℃）、磨细（60~100目）、去除无机碳、锡纸包样（进样 量为20~40μgC/次）
A
土壤、沉积物、植物样品的处理方法
去除无机碳 的适用方法： 亚硫酸法: 海洋沉积物 盐酸熏蒸法: 土壤 醋酸缓冲溶液法: 湖积物