稳定同位素比例质谱仪(IRMS)的原理和应用

第42卷第2期2021年3月Vol42No2Mar2021质谱学报JournalofChinese MassSpectrometrySociety稳定同位素比技术用于橄榄油的掺假鉴定马玉华】，唐方东2,刘佳煜2,忻智炜2,曾友石r杜林1，刘卫1 !1.中国科学院上海应用物理研究所，上海201800'.上海市计量测试技术研究院，上海201203）摘要：市场上橄榄油掺假现象屡禁不止，传统鉴定方法存在局限性％本研究利用元素分析仪-稳定同位素比质谱仪（elemental analyzer-isotope ratio mass spectrometer,EA-IRMS）对市场上常见的7种植物油进行氢、碳稳定同位素比值检验，并对测量结果进行显著性差异分析，同时分析橄榄油中氢、碳稳定同位素比值的相关性。

结果表明：橄榄油中&D范围为一146.78%。

——125.30%D,13C范围为一29.72%。

——28.59%。

，与其他品类植物油中氢稳定同位素比值差异显著（P V0.05）,与除葵花籽油、野山茶油外的植物油中碳稳定同位素比值差异显著（P V0.05）;且橄榄油中氢、碳稳定同位素比值具有较强的相关性（Peasods r=0.904）计算模拟豆油、玉米油对橄榄油掺假的情况，结果表明，氢、碳稳定同位素比结合分析最低能检测出玉米油掺假10%、豆油掺假30%以上的情况％该研究可为橄榄油的掺假鉴定提供方法参考％关键词：稳定同位素比质谱仪（isotope ratio mass spectrometer,IRMS）；橄榄油；掺假鉴定中图分类号:O657.63文献标志码:A文章编号：10042997（2021）02018908doi：10.7538/zpxb.2020.0042开放科学（资源服务）标识码（OSID）:Olive Oil Adulteration IdentificationUsing Stable Isotope Ratio TechniqueMA Yu-hua1,TANG Fang-dong2,LIU Jia-y u z,XIN Zhi-wei2,ZENG You-shi1,DU Lin1,LIU Wei1(1.Shanghai Institute of Applied Physics,Chinese Academy of Sciences,Shanghai201800,China；2.Shanghai Institute of Bleasurement and Testing Technology,Shanghai201203,China)Abstract:Olive oil adulteration issue on the market emerges in an endless stream.Sta-bleisotoperatiotechniquecanbee f ectivelyusedfortheadulterationidentificationof oliveoil Inthisresearch"isotoperatiodi f erencesbetweenoliveoilandothervegetable edible oils were investigated Sevencommonvegetableedibleoils wereco l ectedfrom markets Stablehydrogenandcarbonisotoperatiosofselectededibleoilsweremeasured byelementalanalyzer-isotoperatio massspectrometer(EA-IRMS)The correlation betweenthehydrogenandcarbonstableisotoperatiosinoliveoilwasalsoanalyzed收稿日期20200413修回日期：2020-05-27基金项目：加速器质谱测量树木年轮中氚的样品制备及应用研究（11705265）基于同位素技术研究氚化氢在土壤中的转化机理（1906164）上海市质量技术监督局科技计划项目（01701）资助作者简介：马玉华（1991—），女（汉族），山东人，助理研究员，从事核技术及应用％E-mail：mayuhua@通信作者：杜林（1987—），男（汉族），山东人，助理研究员，从事核技术及应用％E-mail：***************.cn 刘卫（1966—），男（汉族），湖南人，研究员，从事核技术及应用。

稳定同位素质谱仪的应用一、地质地球化学：稳定同位素质谱仪的最早应用主要研究轻元素（CHONS）的稳定同位素在自然界（岩石圈、土壤圈、水圈、大气圈）的丰度及其变化机理、在各种天然过程中的化学行为，并以此为指导研究天然和环境物质的来源、迁移过程以及经历过的物理和化学反应。

研究领域：固体地球学科：地球动力学、地质构造学、岩石学、矿床学、矿物学、沉积学。

其他：海洋学、水文学、冰川学、古气候学、天体学、天体化学、考古学、石油/石油相关。

二、农业、林业（起步也比较早）稳定同位素技术在农业研究中的应用包括：科学施肥、作物营养代谢、生物固氮、土壤呼吸、农用化学物质对环境影响、饲料配方、水产养殖、林木果树、药材等。

●肥料的利用/转化途径和利用效率（13C，15N）。

●氮素的硝化、反硝化过程（2H，15N，18O）。

●光合作用及同化产物的传导和分布研究●利用稳定同位素展开的固氮研究。

●农业残留、代谢及降解研究。

●土壤碳氮循环研究：有机质年龄及周转率的测定、土壤细根年龄测算、土壤呼吸等。

三、生态稳定同位素技术加深了对生态过程的研究，可以探讨一些其他方法无法研究的问题。

1. 植物生理生态学稳定同位素（2H、13C、15N和18O）可对生源元素的吸收、水分来源、水分平衡和利用效率等进行测定，从而研究植物的光合作用途径；●植物水分胁迫程度；●植物水分利用效率：植物13C组成能够在时间尺度上反映植物的水分利用效率。

●植物水通量检测：通过植物中水2H和18O组成，判定植物对表层水和深层水的依赖程度。

●确定植物的分布区域（15N,18O,2H）●光合作用、呼吸作用研究：对生态系统CO2交换的相对贡献（13C，18O）●蒸发和升腾作用研究：对生态系统水交换或蒸散（ET）的相对贡献（2H，18O）●树木年轮同位素环境响应：通过年轮同位素比值变化，分析过去环境变化（湿度、旱涝、气候特征）。

2. 生态系统生态学稳定同位素技术可用来研究生态系统的气体交换、生态系统功能及对全球变化的响应等；●碳、氮循环及碳、氮平衡研究。

稳定性氢同位素分析在牛肉产地溯源中的应用（作者:___________单位:___________邮编:___________）作者：郭波莉魏益民Kelly D.Simon潘家荣魏帅【摘要】探讨了利用高温热解炉和同位素比率质谱仪(IRMS)联用测定肉品中稳定性氢同位素比率的方法，并利用此方法测定了我国不同地域来源脱脂牛肉、牛尾毛中氢同位素比率。

分析了牛组织中氢同位素组成与地域经度、纬度及海拔高度变化的关系，以及稳定性氢同位素用于牛肉产地溯源的可行性。

结果表明，不同地域来源牛组织中δ2H值的差异显著，其与当地饮水中氢同位素组成密切相关，而且有随着地理纬度增加而减小的趋势;牛尾毛与牛肉中δ2H值的相关性显著。

稳定性氢同位素是用于牛肉产地溯源的一项很有潜力的指标,且牛肉和牛尾毛中的氢同位素组成均可反映牛来源地的信息。

【关键词】牛肉，产地，溯源，稳定性氢同位素1引言随着食品生产和贸易的全球化发展，以及食品安全事件的频繁发生，各国政府、食品监管部门和消费者日益关注食品的产地来源。

高精度的稳定性同位素天然丰度分析是目前被认为追溯食品产地来源的一项有效技术。

生物体中稳定性碳、氮同位素测定方法比较成熟，测定结果比较稳定，常用于植源性食品的掺假鉴别和来源鉴别，以及动物膳食和营养级的研究。

20世纪90年代，随着疯牛病、口蹄疫、禽流感等动物疫病疫情的不断发生，有学者相继将稳定性同位素分析技术用于奶制品，包括鲜奶[1，2]、奶酪[3～5]、黄油[6]和肉制品，包括牛肉[7～10]、羊肉[11,12]、猪肉[13]和鸡肉[14]的产地溯源研究。

但目前，稳定性氢同位素用于动物食品产地溯源的研究还比较少[12,15]。

这主要由于生物体中稳定性氢同位素测定方法还不成熟，而且生物体中部分氢不断与周围环境的水中的氢发生交换。

本研究利用高温热解炉与同位素比率质谱仪联用测定牛组织中氢同位素比率，分析了测定方法的稳定性和精确性，并分析了我国不同地域来源牛组织中稳定性氢同位素组成差异，探讨了稳定性氢同位素组成用于我国牛肉产地溯源的可行性。

稳定同位素比例质谱仪（IRMS）的原理和应用祁彪，崔杰华（中国科学院沈阳应用生态研究所农产品安全与环境质量检测中心，沈阳，110016）同位素质谱最初是伴随着核科学与核工业的发展而发展起来的，同位素质谱是同位素地质学发展的重要实验基础。

当前我国同位素质谱技术已深入到矿床同位素地球化学、岩石年代学、有机稳定同位素地球化学、无机稳定同位素地球化学等各个方面，并在国家一系列重大攻关和研究课题中发挥重大作用，如金矿和石油天然气研究、水资源开发等。

稳定同位素技术的出现加深了生态学家对生态系统过程的进一步了解，使生态学家可以探讨一些其它方法无法研究的问题。

与其它技术相比，稳定同位素技术的优点在于使得这些生态和环境科学问题的研究能够定量化并且是在没有干扰（如没有放射性同位素的环境危害）的情况下进行。

有些问题还只能通过利用稳定同位素技术来解决。

现在，有许多农业研究机构和大学，已经开始使用高精度同位素质谱计从事合理用肥、果实营养、固氮分析、农药毒性、家畜气候对作物的影响以及食品质量控制等多方面的研究工作。

与原子能和地质研究工作相比较，在农业和食品方面应用同位素方法从事科研和检测工作，正处于方兴未艾阶段，随着人类社会发展，对农业的要求越来越高，今后大力开展和普及用现代化方法研究农业增产、改善果实质量以及进行食品质量控制检测的工作前途无限广阔。

一、有关同位素的基本概念1、同位素（Isotope）由于原子核所含有的中子数不同，具有相同质子数的原子具有不同的质量，这些原子被称为同位素。

例如，碳的3个主要同位素分别为12C、13C和14C，它们都有6个质子和6个电子，但中子数则分别为6、7和8。

2、稳定同位素（Stable isotope）同位素可分为两大类：放射性同位素（radioactive isotope）和稳定同位素（stable isotope）。

凡能自发地放出粒子并衰变为另一种同位素者为放射性同位素。

无可测放射性的同位素是稳定同位素。

傅里叶变换-离子回旋共振质谱与核磁共振一、引言傅里叶变换是一种数学工具，可以将函数在时域和频域之间进行转换。

离子回旋共振质谱（IRMS）和核磁共振（NMR）是利用傅里叶变换原理的仪器，在化学、生物学、药物研发等领域有重要应用。

本文将探讨傅里叶变换在离子回旋共振质谱和核磁共振中的应用，介绍其原理和技术特点。

二、离子回旋共振质谱离子回旋共振质谱是一种测定元素同位素比例的分析方法，主要用于地球科学、天文学和核物理等领域。

该技术利用离子在磁场中受到的洛伦兹力和外加交变电场引起的振荡来分析样品中同位素的含量。

离子回旋共振质谱仪的关键部分是储存环和检测系统，其中傅里叶变换在信号处理中起到重要作用。

离子回旋共振质谱仪通过加速器将样品中的原子或分子离子化，并将离子注入到一个磁场中。

离子在磁场中绕轴线做匀速回旋运动，并在外加的交变电场作用下产生振荡。

这种振荡会导致离子围绕轴线做径向运动，最终被探测器捕获。

离子的运动轨迹可以用复数表示，而复数的频谱可以通过傅里叶变换得到。

离子回旋共振质谱仪利用傅里叶变换将时域信号转换为频域信号，从而可以得到样品中同位素的含量信息。

三、核磁共振核磁共振是一种通过核自旋共振现象来研究物质结构和性质的方法，广泛应用于化学、生物学、医学等领域。

核磁共振仪利用傅里叶变换原理进行信号处理，从而得到样品中核自旋共振频率的信息。

核磁共振仪的工作原理是利用样品中核自旋在外加磁场中的共振现象来获取样品信息。

当样品置于外加静磁场中时，核自旋会沿外加磁场的方向取向。

施加射频脉冲后，核自旋将发生共振现象并产生幅度衰减的自旋回波信号。

这个信号随时间变化，可以通过傅里叶变换将其转换为频谱信号，从而得到样品中核自旋共振频率的信息。

四、傅里叶变换在IRMS和NMR中的应用1. 信号处理傅里叶变换在离子回旋共振质谱和核磁共振仪中起着至关重要的作用。

离子回旋共振质谱仪通过傅里叶变换将时域信号转换为频域信号，从而得到样品中同位素的含量信息。

同位素示踪技术在水文地质学中的应用一、引言水文地质学是研究地下水和地质构造之间相互作用的学科，同位素示踪技术是一种研究地下水流动和地下水污染传输的有效手段。

本文将详细介绍同位素示踪技术在水文地质学中的应用。

二、同位素示踪技术概述同位素示踪技术以自然界中存在的同位素为研究对象，通过对同位素进行监测、分析，来了解环境的物质与能量循环和转化过程。

其中比较常用的同位素有氢同位素（2H，称作氘）、氧同位素（18O、16O）、碳同位素（13C、12C）、氮同位素（15N、14N）等。

同位素示踪技术在水文地质学中的应用主要涉及氢氧同位素示踪、碳同位素示踪和氮同位素示踪等方面。

三、氢氧同位素示踪氢氧同位素示踪利用地下水中氢氧同位素比值的空间差异，研究地下水的来源、流动路径和补给特征。

其原理是：不同区域的地下水来源，其水分子中氢氧同位素比值是不同的。

通过测定地下水中氢氧同位素比值，可以判断地下水的补给源区和补给方式，进而对地下水补给机制、地下水与地表水的关系等进行研究。

氢氧同位素的测定主要采用同位素比值质谱仪（Isotope Ratio Mass Spectrometer，IRMS），通过测定样品中特定同位素的质量比，计算出其同位素比值。

同时，为了确定样品中同位素比值的精确度，通常采用同位素标准物质进行校正。

四、碳同位素示踪碳同位素示踪主要应用于研究地下水中有机和无机碳的来源及其转移特征。

碳同位素示踪的基本原理是：不同碳来源的同位素比值存在区别，通过测定地下水中有机和无机碳的碳同位素比值，可以推测其来源和服务的地质环境。

常用的碳同位素有自然含量的13C和12C。

在研究地下水中有机和无机碳来源的过程中，13C和12C的变化可以反映生物活动和化学反应的影响。

例如，如果地下水中有机碳主要来自植物残渣，其13C/12C比值应该相对较高；如果来自生物和人类排放物，则其13C/12C比值会比较低。

碳同位素的测定方法包括气相色谱-质谱联用技术（Gas Chromatography-Mass Spectrometry，GC-MS）和元素分析仪（Elemental Analyzers，EA）。

光催化二氧化碳还原同位素测试近年来，随着全球气候变化的加剧，二氧化碳的排放量不断增加，成为了全球关注的焦点。

因此，寻找一种能够有效地将二氧化碳转化为有用的化学品的方法，成为了科学家们研究的热点之一。

其中，光催化二氧化碳还原技术备受关注，因为它可以通过太阳能的利用，将二氧化碳转化为有用的化学品，同时还可以降低温室气体的排放量。

在光催化二氧化碳还原技术中，同位素测试是一项非常重要的研究内容。

同位素测试是指在化学反应中，通过对反应物和产物中同位素的比例进行分析，来确定反应机理和反应路径的一种方法。

在光催化二氧化碳还原技术中，同位素测试可以帮助我们确定反应产物的来源和化学键的形成方式，从而更好地理解反应机理和优化反应条件。

在进行光催化二氧化碳还原同位素测试时，需要使用一些特殊的仪器和技术。

首先，我们需要使用同位素比值质谱仪（IRMS）来分析反应物和产物中同位素的比例。

同位素比值质谱仪是一种高精度的分析仪器，可以准确地测量样品中同位素的比例。

其次，我们需要使用光催化反应器来进行反应。

光催化反应器是一种特殊的反应器，可以利用太阳能或者其他光源来促进反应的进行。

最后，我们还需要使用一些特殊的标记试剂，来标记反应物和产物中的同位素，以便于后续的分析。

在进行光催化二氧化碳还原同位素测试时，我们需要注意一些实验细节。

首先，我们需要选择合适的标记试剂，以确保反应物和产物中的同位素可以被准确地检测到。

其次，我们需要控制反应条件，包括光源的强度和波长、反应温度和反应时间等，以确保反应产物的同位素比例可以被准确地测量。

最后，我们需要进行一些对照实验，以确保实验结果的准确性和可靠性。

通过光催化二氧化碳还原同位素测试，我们可以获得很多有用的信息。

首先，我们可以确定反应产物的来源，从而更好地了解反应机理和反应路径。

其次，我们可以分析反应产物中的同位素比例，从而推断化学键的形成方式和反应路径。

最后，我们可以通过对比不同反应条件下的同位素比例，来优化反应条件，提高反应效率和产物选择性。