稳定同位素质谱仪使用方法

稳定同位素质谱分析的核心逻辑与进样技术

在轻元素（C、H、O、N、S）丰度分析领域，稳定同位素质谱仪（IRMS）凭借其极高的质量分辨率和丰度灵敏度，成为地球化学、食品溯源及生态学研究的精密利器。不同于常规质谱关注分子离子碎片，IRMS的核心任务是测定样品与标准物质之间同位素比值的微小差异，即$\delta$值。

实际操作中，进样系统的选择直接决定了分析的维度。目前主流的配置包括连续流模式（Continuous Flow）和双路进样模式（Dual Inlet）。双路进样虽精度更高，但耗样量大且效率较低；而连续流模式通过元素分析仪（EA）、气相色谱（GC）或顶空进样装置与质谱联用，实现了高通量的在线分析。

仪器初始化与状态参数调优

开启IRMS前，真空度的检查是准则。分析室真空度通常需稳定在$10^{-8}$ mbar以下。在离子源参数调优时，需关注电子发射电流与陷阱电流（Trap Current）的平衡，确保电离效率的大化。

针对C、N同位素分析，常见的系统参数参考指标如下：

• 加速电压（High Voltage）：通常设定在3kV至5kV之间，视具体机型而定。
• 离子源温度：保持在180°C - 250°C，过高易导致有机物裂解，过低则易产生记忆效应。
• 束流稳定性：在测试标准气体时，主峰（如m/z 44）的信号强度脉冲波动应小于0.05%。
• H3+因子修正：在进行氢同位素（D/H）测试前，必须进行H3+因子的测定与修正，理想值应小于10 ppm/nA，以消除离子源内碰撞反应对$m/z 3$信号的干扰。

典型分析模式下的操作流程与技术指标

在EA-IRMS联用模式下，样品的完全燃烧与产物纯化是获得准确数据的基石。氧化炉温度一般维持在960°C - 1020°C，还原炉则需精确控制在600°C左右以彻底去除多余的氧并还原氮氧化物。

在GC-IRMS模式下，柱箱升温程序的线性直接影响色谱峰的形态。为保证同位素比值的一致性，色谱峰必须具备良好的对称性（拖尾因子控制在0.8 - 1.2之间），且进入质谱前必须通过转化炉（氧化或裂解）将化合物定量转化为监测气体（如$CO2$、$N2$或$H_2$）。

实验结果的精密校准与质量控制

数据产出后的校正流程是IRMS使用的“下半场”。单次序列运行中，必须插入已知丰度的实验室工作标准（Laboratory Standards）以及国际标准物质（如V-PDB、V-SMOW）。

1. 线性修正：通过改变标准气的注入压力，建立信号强度与同位素比值的线性回归方程，纠正因离子源内空间电荷效应引起的偏差。
2. 漂移修正：利用序列首尾的监控样，修正因磁场漂移或电子学系统波动导致的时间轴偏移。
3. 空白扣除：特别是在小微量样品分析中，需严格扣除锡囊包装、助燃剂或载气杂质贡献的底噪，避免$\delta$值向零点靠拢。

操作者应养成每日记录“峰中心”位置（Peak Centering）与“稳定性测试”（Stability Test）结果的习惯。当观察到内精度（Internal Precision）显著优于外精度（External Precision）时，通常预示着样品前处理的均一性存在缺陷，而非质谱仪本身的硬件故障。保持离子源的洁净度和灯丝的适时更换，是维持长周期高精度分析的必然要求。