稳定同位素怎么测：IRMS 与 MC-ICP-MS 原理、区别与选型

同位素比值分析主要有两大平台：气体源同位素比值质谱（IRMS，常与元素分析仪联用为 EA-IRMS）与多接收电感耦合等离子体质谱（MC-ICP-MS）。 两者的电离方式、适用元素与前处理都不同，选错平台会直接影响能不能测、精度够不够。本文梳理两者的原理、分工与选型逻辑，供研究设计与送检参考。

一、IRMS：轻稳定同位素的经典平台

IRMS 采用气体离子源（电子轰击电离）。样品需先经化学转化为简单气体——燃烧/裂解成 CO₂、N₂、SO₂、H₂、CO 等，再进质谱按质荷比分离、由多个法拉第杯同时接收， 测出如 ¹³C/¹²C、¹⁵N/¹⁴N、³⁴S/³²S、²H/¹H、¹⁸O/¹⁶O 的比值，以 δ 值相对国际参考标准报告（碳→VPDB、氮→Air-N₂、硫→VCDT、水的氢氧→VSMOW-SLAP）。注意氧有三套并行标度——水与硅酸盐用 VSMOW-SLAP、碳酸盐用 VPDB、氧气用 Air-O₂，详见参考标准速查页。 与元素分析仪联用即 EA-IRMS，适合固体有机/无机样的批量 C、N、S 同位素分析。

• 适用元素：传统轻稳定同位素 H、C、N、O、S。
• 前处理：须把待测元素定量转化为气体（燃烧/在线裂解）。C 与 N 可在同一次燃烧中同时测定（一份样同时给出 δ¹³C、δ¹⁵N、%C、%N、C:N）；δ²H/δ¹⁸O 须另做高温裂解（银杯、独立反应器），与 C/N 分开进行。
• 校正：δ 记法 + 用国际标准物质做标准化/校准曲线外部校正。
• 样品量：直接称取原始样品，有机固体常在毫克量级，无需柱化学。

二、MC-ICP-MS：金属与重同位素的高精度平台

MC-ICP-MS 采用高温等离子体离子源，电离效率极高，能把 IRMS 的燃烧路线难以电离的金属与类金属也电离为离子； 配双聚焦质量分析器（Nier-Johnson 几何）与一排法拉第杯，多接收器同时测量各离子束，因而比单接收 ICP-MS 精度显著更高。 它是 ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr、Pb、Fe、Cu、Zn、Li、Mg 等金属/放射成因同位素体系的主力平台；上机所需的是纯化后的目标元素，常在 ng–µg 量级。

• 适用元素：金属与类金属、放射成因及非传统稳定同位素（Sr、Pb、Fe、Cu、Zn、Li、Mg 等）。
• 一个重要例外：Ca 同位素的核心指标 δ⁴⁴/⁴⁰Ca 无法在常规 MC-ICP-MS 上测定——⁴⁰Ar⁺ 与 ⁴⁰Ca⁺ 分开需约 20 万分辨率，商用仪器达不到，因此只能报 δ⁴⁴/⁴²Ca；高精度 δ⁴⁴/⁴⁰Ca 以 TIMS 配双稀释剂为主流。另有一个独立理由：⁴⁰K 衰变会生成放射成因 ⁴⁰Ca，含钾体系中 ⁴⁰Ca 并非纯稳定同位素，这也使 δ⁴⁴/⁴²Ca 在某些场景下更可取。
• 前处理：一般需化学纯化/柱分离目标元素以消除基质与同量异位素干扰。
• 校正：仪器质量歧视（mass bias）按体系而定：⁸⁷Sr/⁸⁶Sr、¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd 等放射成因比值可用天然恒定比做内标归一化（δ⁸⁸/⁸⁶Sr 这类稳定同位素比则不能——内标归一化会连自然分馏一起抹掉）；Pb 常用 Tl 掺杂做外标归一化，但公认最准确的是双／三稀释剂法；Fe、Zn 等同位素数 ≥4 的体系可用双稀释剂，而 Cu、Li 只有 2 个稳定同位素、原理上无法做双稀释剂：Li 实务上以 SSB 为主，Cu 则 SSB 与掺 Zn 外标归一化（Maréchal 等 1999 建立的经典方案）并用。SSB 的前提是基体已彻底纯化、样品与标样的浓度与酸度匹配。详见质量歧视校正页。
• 样品量（口径须分清）：上机所需的目标元素量很小（常为 ng–µg 级），但因须先做基体分离与柱化学，实际消解称样量往往在数十至上百毫克——例如 Kazlagić 等（2022）称取约 100 mg 水泥粉末消解，再取其中含约 2 µg Sr 的子样过柱纯化（该文以 MC-TIMS 测定；柱化学带来的称样负担与最终上机平台无关，MC-ICP-MS 同理）。因此"MC-ICP-MS 更省样"只在"上机的目标元素量"这一口径下成立；就送样量与前处理工作量而言常常相反（本所金属同位素固体样送样量要求见金属同位素服务页）。硫是例外之一，MC-ICP-MS 所需硫量确实显著更少。

三、两平台对照与选型

选型逻辑：测 H、C、N、O 的传统轻同位素→选 EA-IRMS；测 Sr、Pb 等金属/放射成因同位素→选 MC-ICP-MS。还有第三个平台：TIMS（热电离质谱）。⁸⁷Sr/⁸⁶Sr 与 δ⁴⁴/⁴⁰Ca 的最高精度测定，TIMS（常配双稀释剂）仍是参照平台； Pb 则取决于是否采用双稀释剂法，两平台均可实现。MC-ICP-MS 的优势在于对高电离能、难热电离元素（Fe、Cu、Hf 等）的高效电离与更高通量，Hf 尤为典型； W 则两条路线并存，最高精度的 ¹⁸²W/¹⁸⁴W 仍由负离子 TIMS 保持。金属稳定同位素目前是两平台并用，选择取决于目标元素与精度要求。 （TIMS 属行业通行平台，本所未配置；如项目确需 TIMS 级精度，可在方案沟通时说明，我们会据实告知平台边界。）

硫处于两者边界：EA-IRMS 可测 δ³⁴S，MC-ICP-MS 在样品量极少或需痕量时更有优势。实际以目标元素、精度要求与可得样品量共同决定。

四、核素科技的平台配置

需要补充的是，轻稳定同位素并非只有 IRMS 一条路：水的 δ²H、δ¹⁸O 还有激光吸收光谱路线 （光腔衰荡光谱 CRDS），液态水样直接进样、无需转化为气体，通量高、稳定性好——这也是本所水同位素的实际平台。 核素科技的平台分工为：IRMS 线（EA IsoLink + Delta V Plus 测固体 δ¹³C、δ¹⁵N、δ³⁴S； GasBench II + MAT 253 Plus 测碳酸盐与 DIC 的 δ¹³C、δ¹⁸O）、CRDS 线（Picarro L2130-i 测水 δ²H、δ¹⁸O）、MC-ICP-MS 线（测 ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr、Pb、Li、Mg、Fe、Cu、Zn、Cd、Nd、Hg 等金属同位素）。 可覆盖从食品溯源、生态、环境到地质的多元研究需求；具体项目、精度指标与送样量请与技术顾问确认。

常见问题

参考文献

1. Albarède F. 等 (2004) Precise and accurate isotopic measurements using multiple-collector ICPMS. Geochim. Cosmochim. Acta 68:2725-2744.（支持多接收克服等离子体不稳定因而精度更高；支持质量歧视校正含 SSB、Tl/Pb 外标归一化及 SSB 的纯化前提） https://repository.geologyscience.ru/server/api/core/bitstreams/5b374828-93bc-4a10-9dda-294fea240840/content
2. Hanousek O., Berger T.W., Prohaska T. (2016) The performance of single and multi-collector ICP-MS instruments for 34S/32S isotope ratio measurements. Analytical Methods.（支持单接收顺序测量与多接收同时测量的实测不确定度对比：MC-ICP-MS 0.02%、ICP-SFMS 0.08%、ICP-QMS 0.3-0.5%） https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC5087850/
3. Platzner T.I., Segal I., Halicz L. (2007) Selected isotope ratio measurements of light metallic elements (Li, Mg, Ca and Cu) by MC-ICP-MS. Anal. Bioanal. Chem. 390:441-450.（支持商用 MC-ICP-MS 为正向双聚焦构型；支持 ⁴⁰Ca 被 ⁴⁰Ar⁺ 遮蔽、只能监测 ⁴²/⁴³/⁴⁴Ca） https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC2226005/
4. Asakawa D., Zhu Y. (2024) Determination of Calcium Isotopes Using Inductive Coupled Plasma-Tandem Mass Spectrometry with Ozone-Induced Oxidation. Anal. Chem. 96(41):16315-16321.（支持分离 ⁴⁰Ca⁺/⁴⁰Ar⁺ 需约 20 万分辨率、商用仪器无法达到） https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC11483431/
5. Horst A., Gehre M., Fahle M., Kümmel S. (2024) Continuous-flow stable sulfur isotope analysis of organic and inorganic compounds by EA-MC-ICPMS. Anal. Chem. 96(21):8510-8517.（支持 MC-ICP-MS 测 δ³⁴S 所需硫量更少：低至 5-40 nmol S） https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC11140681/
6. Kazlagić A. 等 (2022) Development of a sample preparation procedure for Sr isotope analysis of Portland cements. Anal. Bioanal. Chem. 414:4379-4389.（支持柱化学路线的消解称样量在数十至上百毫克量级：约 100 mg 水泥粉末消解后取含约 2 µg Sr 的子样过柱——子样取量、非分离产率。注意该文比值由 MC-TIMS 测定，此处仅引其前处理称样口径） https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC9142479/
7. CIAAW - Oxygen / Carbon / Nitrogen / Hydrogen isotopic reference materials.（支持氧存在 VSMOW-SLAP、VPDB、Air-O₂ 三套并行标度，以及碳 VPDB、氮 Air-N₂、氢 VSMOW-SLAP 的标尺定义） https://www.ciaaw.org/oxygen-references.htm
8. UC Santa Cruz Stable Isotope Laboratory - CN-EA-IRMS Instrument Method.（支持 C 与 N 一次燃烧同时测定：单份样同时给出 δ¹⁵N、δ¹³C、µg C、µg N、C:N） https://isotope.ucsc.edu/analysis/carbon-nitrogen/instrument-method
9. Maréchal C.N., Télouk P., Albarède F. (1999) Precise analysis of copper and zinc isotopic compositions by plasma-source mass spectrometry. Chem. Geol. 156(1-4):251-273.（支持 Cu 同位素测定的经典方案为掺 Zn 外标归一化——原文"Zn for a Cu sample, Cu for a Zn sample"，外精度 0.04‰；方法学实测。原文付费墙，本站未取得原文全文） https://doi.org/10.1016/S0009-2541(98)00191-0

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