%a8谱学原理与同位素质谱分析方法_重新改_

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1、-32-目录质谱学原理与同位素质谱分析方法霍卫国张福松第一节　质谱学概论一、质谱学的发展二、质谱分析技术的应用三、质谱分析技术与同位素水文学第二节质谱仪的工作原理、结构和主要性能指标一、质谱仪的工作原理二、同位素质谱仪的基本结构三、同位素质谱仪的主要性能指标第三节气相轻元素的稳定同位素分析概要一、气相稳定同位素质谱仪二、δ值的概念三、关于稳定同位素标准四、稳定同位素分析基本流程和测量结果的误差分析第四节用于同位素测定的样品制备系统和质谱分析方法一、同位素样品的制备1.水中δD、δ18O测定的样品制备2.水中δ

2、13C测定的样品制备3.水中δ34S测定的样品制备4.水中δ15N测定的样品制备二、同位素质谱分析1.H2中δD的质谱分析2.N2中δ15N的质谱分析3.CO2中δ13C、δ18O的质谱分析4.SO2中δ34S的质谱分析质谱学原理与同位素质谱分析方法32-32-第一节　质谱学概论一、质谱学的发展质谱学在现代科学仪器领域中占有重要位置，质谱仪器已成为推动科学技术发展的最重要工具之一。在近百年发展历史中，科学家们以质谱仪器作为主要研究工具和手段，先后在不同的科学研究领域中造就出10名诺贝尔奖获得者，从而反映出质谱

3、技术在整个科学技术发展中所作出的重要贡献。质谱学是1898年英国著名物理学家J.J.Tnomson“阴极射线”研究的产物，他采用短的横电场和横磁场的平行组合作为质量分析器，利用辉光放电得到离子，采用照相法记录，给出了抛物线形的质谱图，第一次发现了氖的二种同位素20Ne、22Ne的存在。1918年美国芝加哥大学物理学家A.J.Dempster研制成功第一台采用180°均匀磁场作为质量分析器的方向聚焦型质谱仪并发现了Ae、Zn、Ca元素的同位素，他于1918年至1924年先后分析了53个元素的同位素并制定出了第一

4、个同位素丰度表。与此同期英国剑桥大学物理学家F.W.Aston于1919年发表了他的第一台速度聚焦型质谱仪，用高频火花源给出单一方向的离子束，得到了与光谱相似的质量谱图，并于1924年至1937年三次改进了自己的仪器，使其质量分辨本领从130提高到2000，第一次证明了原子质量亏损，证实了爱因斯坦相对论的公式。1940年A.O.C.Nier发表了第一台应用60°扇形磁场作为质量分析器的文章，并采用了双离子接收器和较完善的供电与测量系统，使质谱仪器的灵敏度和精确度大大提高，他用该类型仪器进行了大量的元素同位素测

5、定，现代同位素表中50%的非放射性元素的同位素相对含量都是采用尼尔的数据，尼尔型质谱仪成为现代工业型磁式质谱仪的基础。1957年Holmer和Morell首次实现了色谱－质谱联用法［Gc/Ms］，把色谱仪器的高分离能力和质谱仪器的高鉴別能力结合起来，利用质谱仪器作为色谱的定性探测器，而色谱则做为质谱仪器的进样装置，成为分析复杂化学组份的最有效的方法之一。不仅具有很高的灵敏度，而且可以迅速得出定量与定性的分析结果，在有机化学、生物化学、地球化学、石油、化工、医学、环境等领域发挥了巨大作用。可以说色谱一质谱联用法

6、，极大地推动了质谱技术的发展。质谱技术另一引人注目的成果是离子探针质谱仪［SIMS］的出现，R.Castaing等人（1949年电子探针的创始者）关于离子探针质谱的研制报告。提出了利用高能聚焦的一次离子束作为“探针”轰击被分析固体样品而产生二次离子并引入质谱仪，进行固体表面及深度三维空间分析的技术，这是一种应用于元素及同位素的高灵敏度的微区分析方法，离子探针质谱仪兼顧了电子探针［EPMA］和火花原质谱仪［SSMS］的工作特性，已经成为电子、半导体、地质等部门及固体物理、表面科学、材料科学、地球科学、环境科学等

7、基础科学及应用科学领域的重要研究手段。建立在以鉴别物质的质量这一基本特性上的质谱分析技术，由于它具有高灵敏度、高鉴别能力可以与多种分离、分析方法相兼容的明显优势，使之在现代分析技术领域中占据着重要的位置。成为发展最迅速、仪器类型最多、功能最齐全的分析仪器。二、质谱分析技术的应用质谱仪器在应用上可分为三大类：同位素质谱、有机质谱、无机质谱。质谱技术目前在原子能、有机化学、生物学、环境科学、地质科学、石油化工、食品科学、医药学、刑侦科学、航天科学等十分广泛的科学研究领域中已成为不可缺少的有效地分析手段。下面僅简要

8、地予以介绍：1．质谱法是测定同位素丰度最为准确可靠的常用方法，至今天然元素的同位素丰度的全部主要数据均来自质谱测定结果。由于同位素质谱32-32-测定精度的不断提高和测定方法的改善，使得在化学发展历史进程中有十分重要意义的化学元素的原子质量测量的进一步精确化得以实现。在核物理、核化学和天体物理学科中具有重要意义。2．同位素质谱技术广泛地应用于核工业的各个关键部门，包括铀矿同位素地质学研究，核燃料的分