气体稳定同位素比质谱仪是专注于高精度快速测定C、H、O、N、S同位素的仪器。同位素在物理化学性质上的差异，是利用同位素进行科学研究的基础。13C/12C、15N/14N、18O/16O、34S/32S和D/H包含丰富研究信息，具有综合长期地球化学变化和联系不同系统成分的能力，起到时空联络员的独特作用。
天津大学地科院的气体稳定同位素比质谱仪（Thermo Fisher Scientific公司的253 Plus型和Delta V系列）于2017年12月投入使用，同时配备Flash 2000 HT、GC-IsolinkⅡ、GasBench Ⅱ和 Precon等多台外设，可准确分析植物、动物、土壤、沉积物、碳酸盐、水样和气体等各种类型样品中的C、N、H、O和S等常见元素的稳定同位素比值及其元素组成，广泛应用于地质学、生态学、环境科学等研究领域。
一、极高的灵敏度性能
253 Plus稳定同位素比质谱仪配备有10 kV EI离子源，具备高灵敏度和高线性、计算机控制离子源电压和参数，以及不同高阻之间自由转换等优点。可精确测量13C/12C、15N/14N、18O/16O、34S/32S、和D/H等的同位素比值。离子流强度达50 V，可在极少的样品量下实现极佳的精度，质量数范围高达150 amu。可采用双路和连续流两种模式测量，配有多种在线测量的外围设备。
Delta V系列灵敏度仅次于253 Plus，质量数范围可达100 amu。配有双路和连续流两种测量模式， 以及GC-Isolink和GasBench等外围设备。
其关键的性能指标如下：
型号 (model) |
加速电压 (acceleration voltage) |
质量数范围 (mass number) |
分辨率 ( resolution ratio) |
灵敏度 ( sensitivity) |
放大倍数 (amplification factor) |
253 Plus |
10 kV |
1-150 amu |
200(10%vally) |
600(Molecules/ion) |
1013 |
Delta V |
3 kV |
1-100 amu |
110(10%vally) |
1200(Molecules/ion) |
1012 |
二、样品类型的普适性
稳定同位素比质谱仪在实际应用中，一般需要联接不同的外围设备，外围设备具有前处理和进样系统双重功能，可将不同介质的样品（固体、液体和气体）转化为高纯气体（如H2，CO2，N2，N2O和SO2等），然后导入到GIRMS进行同位素测量分析。
（1）动态闪燃和高温裂解一体的元素分析仪（Flash 2000HT）
对于动植物、土壤、沉积物等固体样品的有机碳氮和固体氢氧同位素比值测试，前处理经过干燥-粉碎-酸化（碱性土壤测碳同位素需要，消除无机碳的影响）-称重后即可上元素分析仪完成自动测试，对于水氢氧同位素的测试，只需要过0.45um滤膜即可。
Flash 2000HT
（2）多用途在线气体制备及导入装置（GasBench II）
GasBench II 通过在线顶空进样，可以完成固体碳酸盐碳氧同位素和水体中溶解性无机碳（DIC）碳同位素的测试。固体碳酸盐样品经过称样-在线氦气吹扫-加酸反应后即可测试，对于水体DIC样品，经过样品中加酸-在线氦气吹扫-加样反应后上机自动测试。
GasBench II
（3）气体预浓缩装置（Precon）
Precon可完成低浓度CH4-δ13C（低至1.7ppm）、N2O-δ15N 、δ18O（低至0.3ppm）及CO2-δ13C样品的富集并导入质谱仪主机完成相应同位素的测试。
Precon
（4）专用气相色谱仪（GC-Isolink II）
GC-Isolink II 可分离不同有机物，同时将各类有机物转化成测定相应同位素的气体，并导入质谱主机，完成C、N、H、O稳定同位素的测试。
GC-Isolink II
仪器测样种类及前处理要求
测试种类 |
前处理要求 |
样品量 |
CO2气体 |
纯气 |
/ |
动植物、土壤、沉积物等固体CN |
磨碎，至少过80目筛，土壤、沉积物类样品测C需酸化，锡杯称重 |
CN元素绝对量30-50ug |
动植物、盐类HO |
磨碎，至少过80目筛，银杯称重 |
O元素绝对量50ug，H元素绝对量10ug |
水HO |
过0.45um滤膜，用2ml玻璃样品瓶装样 |
2ml |
单体C、N、H、O |
告知GC仪器测样参数、色谱柱型号 |
2ml |
|
CH4、N2O气体 |
CH4浓度＞1.7ppm，N2O浓度＞0.3ppm |
100ml |
碳酸盐C、O，无机溶解碳（DIC）的C |
测O确保磷酸为无水磷酸，用12ml样品瓶装样 |
C、O元素绝对量50ug |
|
硫酸盐、硫化物、自然硫 |
锡杯称重，加V2O5 |
S元素绝对量50ug |
三、广泛的应用
气体稳定同位素比质谱仪可以测定自然界不同类型样品的13C/12C、15N/14N、18O/16O、34S/32S、和D/H的同位素比值，在流域地球化学循环、构造地貌学、生态水文、大气环境与气候变化等领域具有广泛应用。
1. 流域地球化学循环
（1）通过DOC-δ13C和DIC-δ13C研究水库和山地流域等对河流碳循环的影响
水库在世界范围内广泛建立，对环境的影响很大，特别是对河流碳循环的影响。通过GIRMS对不同水库河流中溶解无机碳(DIC)、溶解有机碳(DOC)和颗粒有机碳(POC)的稳定碳同位素测定，结合水化学和其它地理特征，研究揭示人类活动、水文管理和原生PIC对水库碳循环的影响。
https://doi.org/10.1016/j.watres.2022.119267
https://doi.org/10.1016/j.watres.2021.116933
https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2022.128621
https://doi.org/10.1016/j.watres.2021.117272
（2）探讨喀斯特地区的碳氮生物地球化学循环
https://doi.org/10.1016/j.catena.2023.107026
https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2022.115741
https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.148347
（3）研究水电站水库中的养分循环和生物演替
http://dx.doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.155392
http://dx.doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.153797
https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.145141
https://doi.org/10.1016/j.chemgeo.2021.120366
2. 构造地貌学
（1）青藏高原边界断裂系统碳循环过程研究
对青藏高原地区主要活动断裂带附近温泉水、热液气以及相关河流中δ13C-DIC、δ13C-CO2和δ13C-POC等相关指标的测试，了解温泉气中幔源和壳源贡献比例及空间变化特征，了解复杂地理条件对高海拔地区碳循环的影响和作用机制。
https://doi.org/10.1007/s11430-021-9810-x
https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2023.129482
https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2023.166262
https://doi.org/10.1021/acs.est.3c01593
https://doi.org/10.1016/j.apgeochem.2023.105645
（2）火山和地震活动对地球表面碳循环的影响研究
https://doi.org/10.1002/hyp.14943
https://doi.org/10.1029/2023JG007435
https://doi.org/10.3389/feart.2022.1091052
3. 生态水文
（1）沿海湿地和河口地区土壤有机碳氮的来源、分解和存储研究
利用稳定碳同位素（δ13C）和氮同位素（δ15N）的源解析特性，通过对沿海湿地和河口地区土壤样品中δ13C和δ15N的测定分析，探索植被、土壤和气候因素对土壤稳定碳、氮同位素分布模式的影响，研究有机质的输入、输出、交换和归宿。
https://doi.org/10.1007/s11104-023-06034-2
https://doi.org/10.1111/gcb.15403
https://doi.org/10.1111/gcb.15516
https://doi.org/10.1002/ldr.3720
（2）森林土壤大气氮沉降及相关生态功能关键过程研究
https://www.nature.com/articles/s41467-024-50674-6
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/gcb.15736
https://www.nature.com/articles/s41467-022-35381-4
https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2023GB007920
4. 大气环境与气候变化
（1）通过测定气溶胶中不同有机组分的δ13C变化，探究其来源及可能的光化学形成和转化机制。
http://dx.doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.155385
https://doi.org/10.1029/2023JD038864
https://doi.org/10.1029/2023JD038748
（2）利用硫同位素技术揭示灰霾期间硫酸盐快速形成的化学过程。
https://doi.org/10.1029/2022JD036960
（3）通过测定颗粒物中的NH4+-δ15N和NO3--δ15N、δ18O，研究NH4+和NO3-在PM2.5中的形成途径和来源贡献研究。
https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2022.119460
https://doi.org/10.1016/j.atmosres.2022.106225
https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2024.172328
https://doi.org/10.1029/2023JD040169.
四、联系预约
科学主管（负责仪器方法开发与设备运行保障）
李思亮（教授），电子邮箱：siliang.li@tju.edu.cn。
刘学炎（教授），电子邮箱：liuxueyan@tju.edu.cn。
技术主管（负责仪器日常管理、仪器的正常运转与科学使用及样品接收）
庞智勇（工程师），联系电话：16611895963，电子邮箱：zhiyong.pang@tju.edu.cn。
鲁丽（工程师），联系电话：13163017063，电子邮箱：lilu@tju.edu.cn。
