同位素比质谱（IRMS）是质谱领域的一种专门技术，用于测量给定样品中同位素的相对丰度。它在地球和环境科学领域具有多样的应用，主要关注稳定同位素和放射性同位素分析。稳定同位素有助于揭示自然系统中的质量依赖性同位素分馏，而放射性同位素分析则涉及测量自然放射性衰变产物的丰度，支持长寿命放射性测年方法。
理解IRMS
IRMS的核心是同位素比质谱仪，能够精确测量自然存在的同位素混合物。主要用于此目的的仪器通常属于磁扇区类别，因其多收集器分析能力和产生高质量的“峰形”而受到青睐。由Alfred Nier创新的操作概念涉及离子化样品，通过千伏范围的电位加速样品，并根据其质荷比（m/z）对产生的离子流进行分类。较轻离子的弯曲程度小于较重离子，导致它们分离。电流测量通过“法拉第杯”或倍增器探测器进行。离子化方法在稳定同位素分析中的应用与轻元素（例如H，C，O）的稳定同位素测量有关，通常使用气源。与此相反，固体源的离子化通常用于放射性同位素测量。多收集器仪器包括一系列法拉第杯，有助于同时检测多种同位素。
图1 用于测量CO2的同位素比质谱仪的示意图
稳定同位素分析的应用
稳定同位素分析涉及测量同一元素的同位素丰度的变化。这对于解析生物学和物理学历史具有深远的意义，因为同位素之间的质量差异引发同位素分馏，从而在样本中留下独特的组成特征。例如，重氢同位素（氘），与普通氢同位素相比，具有显著的质量差异，使得研究水源、蒸发过程和气候变化成为可能。
通过将同位素比与已建立的标准进行比较，可以获得准确的测量结果。例如，碳同位素比可以相对于国际碳标准进行测量，该标准通常来自于化石韧带贝齿，在南卡罗来纳州的Cretaceous地层中发现，作为参考点。氧同位素比可以相对于V-SMOW标准进行测量。
创新和挑战
IRMS仪器有不同的类型，如连续流和双入口。虽然连续流仪器具有更高的样品吞吐量和方便性，双入口仪器提供更高的精度。此外，次级离子质谱（SIMS）、热离子化质谱（TIMS）和多收集器电感耦合等离子体质谱（MC-ICP-MS）等创新推动了IRMS的应用。
TIMS通过其简单性、稳定性和经济性在放射性测年中发挥作用，尽管在高电离势种类方面存在限制。MC-ICP-MS提供了增强的精度，但由于能量分布挑战，需要更复杂的仪器。
IRMS的能力延伸到加速器质谱（AMS），可以高度敏感地分析极低水平同位素。它显著扩展了碳-14测年的范围，彻底改变了放射性测年领域。
总之，IRMS是揭示各种样本同位素组成的关键工具，从而丰富了我们对地球历史、环境变化和生物过程的理解。随着技术的进步，IRMS不断扩展其应用领域，在同位素分析领域为研究人员提供了新的机会和挑战。
主要参考资料：Wikipedia. (2023). Isotope-ratio mass spectrometry. Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/Isotope-ratio_mass_spectrometry
图1：用于石油天然气中特定烃类化合物同位素分析的气相色谱-同位素比值质谱联用系统（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）
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