植物的非传统稳定同位素前处理及测定技术研究进展_李杨子.pdf

收稿日期：2022-05-05；录用日期：2022-10-20；网络出版：2022-11-13Received Date:2022-05-05;Accepted Date:2022-10-20;Online first:2022-11-13基金项目：中国科学院战略性先导科技专项（B 类）（XDB40000000）；陕西省杰出青年科学基金（2022JC）；国家自然科学基金项目（41991252，42173012）Foundation Item:Chinese Academy of Sciences Strategic Leading Science and Technology Project(XDB40000000);Shaanxi Provincial Science Fund for Distinguished Young Scholars(2022JC);National Natural Science Foundation of China(41991252,42173012)通信作者：黄华宇，E-mail：；贺茂勇，E-mail：Corresponding Author:HUANG Huayu,E-mail:;HE Maoyong,E-mail:专论REVIEWVol.14 No.3 Jun.2023 DOI:10.7515/JEE221016地 球 环 境 学 报地 球 环 境 学 报Journal of Earth EnvironmentJournal of Earth EnvironmentJEE引用格式：Citation:李杨子,黄华宇,贺茂勇,等.2023.植物的非传统稳定同位素前处理及测定技术研究进展 J.地球环境学报,14(3):284 296.Li Y Z,Huang H Y,He M Y,et al.2023.Advances in non-traditional stable isotope pretreatment and determination techniques for plants J.Journal of Earth Environment,14(3):284 296.植物的非传统稳定同位素前处理及测定技术研究进展李杨子1,2，黄华宇1*，贺茂勇2*，张婧雯2,3，张 帆2,4，邓 丽2，李峥岩2,4，张 宁2,4，周江迪2,31.西北大学 城市与环境学院，西安 7101272.中国科学院地球环境研究所 黄土与第四纪地质国家重点实验室，西安 7100613.长安大学 地球科学与资源学院，西安 7100544.太原理工大学 矿业工程学院，太原 030024Advances in non-traditional stable isotope pretreatment and determination techniques for plantsLI Yangzi1,2,HUANG Huayu1*,HE Maoyong2*,ZHANG Jingwen2,3,ZHANG Fan2,4,DENG Li2,LI Zhengyan2,4,ZHANG Ning2,4,ZHOU Jiangdi2,31.College of Urban and Environmental Science,Northwest University,Xian 710127,China2.State Key Laboratory of Loess and Quaternary Geology,Institute of Earth Environment,Chinese Academy of Sciences,Xian 710061,China3.School of Earth Science and Resources,Changan University,Xian 710054,China4.College of Mining Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China Abstract:Background,aim,and scope Plants are involved in the biogeochemical cycle of various elements and have been hot topics in the research of food safety,health care,pollution control,ecology and environment.Non-traditional stable isotopes as new techniques are being applied in plant isotope research.Due to the high organic matter content in plants,the complexity of isotopic fractionation,and the difficulties in sample processing and determination,the non-traditional stable isotope research in plants develop slowly compared with elemental 摘 要：一直以来植物都是多领域的研究重点，随着非传统稳定同位素的不断发展，植物非传统稳定同位素研究日益增加。但因植物样品中有机物含量高，同位素分馏复杂，样品前处理及测定中存在诸多难题。本文对植物样品非传统稳定同位素工作中常用的前处理方法和测定技术进行了总结。综述了直接萃取法、湿法消解和高温灰化法的原理、操作和优缺点；以 K、Ca、Mg、Fe、B 等典型非传统稳定同位素为例介绍了非传统稳定同位素常用测定技术，旨在为植物样品的非传统稳定同位素测定进行梳理，最后对其应用方向和测试方法的发展方向进行了展望。关键词：植物；非传统稳定同位素；植物消解；同位素测定第 3 期李杨子，等：植物的非传统稳定同位素前处理及测定技术研究进展285DOI:10.7515/JEE221016DOI:10.7515/JEE221016research.Materials and methods This paper summarizes the pre-treatment processes and determination methods of non-traditional stable isotopes(such as K,Ca,Mg,Fe and B)in plant samples.Results Relevant studies reported non-traditional stable isotope techniques used in the fields of food identification and traceability,migration and transformation of contaminants,and ecological and environmental status.Discussion We analyzed the sample pretreatment and isotope determination methods in plants.Plant samples need to be ablated into a transparent solution for subsequent processing and determination,and the most commonly used methods are direct extraction,wet ablation and high temperature ashing.The digested samples also need to be chemically purified to separate the target elements to avoid the interference in isotope determination.The isotope determination is performed by thermal ionization mass spectrometry(TIMS),inductively coupled plasma mass spectrometer(ICP-MS)or multi-collector ICP-MS.The difference between laser ablation-ICP-MS and laser ablation-MC-ICP-MS does not require ablation and chemical separation for determining sample isotopes.Conclusions The high organic content and complex composition of plant samples make the pretreatment process more difficult and require more consideration of sample digestion conditions as well as the interference of organic matter may exist in the separation and purification and analytical determination processes.We should considerate the selection of suitable resins,exchange columns and leaching acids owing to the different properties of elements and the information on the fractionation of the isotope leaching,the residual of the resin blank and the contribution of the blank.Finally,during the mass spectrometry process,all factors affecting the determination of the target isotope should be correctly evaluated and deducted.On the other hand,an adaptive calibration method should be selected to obtain the correct results.Recommendations and perspectives There are still many potential non-traditional stable isotopes that have not yet been applied in plant-related studies.Moreover,laser exfoliation systems have a promising future in the field of isotope determination of plant samples.The advantages of simple pretreatment and the possibility of micro-regional in situ analysis will greatly increase the scope of application of non-traditional stable isotopes.Key words:plant;non-traditional stable isotopes;plant digestion;isotope determination元素周期表中有 51 个元素拥有两个及以上的稳定同位素，但传统的气体质谱仪只能测定 H、C、O、N、S 的同位素体系，这些元素被称为传统稳定同位素。近年来随着多接收电感耦合等离子体质谱仪（multi-collector inductively coupled plasma mass spectrometer，MC-ICP-MS）和热电离质谱（thermal ionization mass spectrometry，TIMS）的发展，以前难以被测定的同位素逐渐发展起来，这些同位素被称为非传统稳定同位素，例如 Li、Ca、Cu、Fe、Ti、K、V、Ba 等（黄方和田笙谕，2018）。植物不仅可以通过光合作用吸收大气中的二氧化碳释放氧气供人类呼吸及调节碳氧平衡（Dong et al.，2021），也通过食物链为动物（人类）等提供食物。作为生物圈的重要组成部分，植物还直接参与陆地与海洋中物质循环和能量循环（Bianchi et al.，2018；Dahl and Arens，2020；Chaplot，2021）。因此对植物的研究一直是地球化学、环境污染控制、食品药品安全、气候环境变化等领域的关注重点。近些年来，随着分析手段的进步，植物样品中的非传统稳定同位素分析在非传统稳定同位素储库补充（Bao et al.，2020；Sauzat et al.，2021）、污染物溯源（Kbek et al.，2020；Wang et al.，2021）、物质循环（Wang et al.，2020；Li et al.，2021）等领域得到广泛应用，受到了越来越多学者的关注，已经成为植物相关研究领域的热门方向之一。高质量的同位素分析方法的建立是开展研究的前提，植物样品的非传统稳定同位素测定方法主要有两个关键环节，首先是样品的前处理及分离纯化，需要将样品制备成分析仪器支持的形态；其次是分析测定，根据待测同位素性质及实验室条件选用合适的分析仪器及方法。植物样品通常成分复杂，有机物含量高，往往需要复杂的前处理手段和分析技术来保证分析结果的精准度。本文对非传统稳定同位素测定过程中常用的前处理及分析方286地球环境学报第 14 卷DOI:10.7515/JEE221016DOI:10.7515/JEE221016法进行了总结。综述了直接萃取法、湿法消解和高温灰化法的原理、操作和优缺点。结合 K、Ca、Mg、Fe、B、Zn 等几种典型的非传统稳定同位素的分析方法，对目前已有化学分离步骤（离子交换柱和微升华法）及仪器分析测定技术，比如热电离质谱、电感耦合等离子体质谱（inductively coupled plasma mass spectrometer，ICP-MS）、多接收电感耦合等离子体质谱及激光剥蚀-多接收电感耦合等离子体质谱等（laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometer，LA-ICP-MS）的仪器原理和发展历程进行介绍，并对目前存在的不足和未来发展方向提出展望。以期为植物样品中非传统稳定同位素测定体系的建立提供参考，为植物非传统稳定同位素的储库探讨、机理解析及应用研究提供技术支持。1 植物样品前处理植物样品中非传统稳定同位素的测定一般流程如图 1 所示，在原位测试中不需要进行复杂的前处理。因为植物中含有大量的有机物，这些有机质有可能在同位素的前处理及分析检测过程中导致同位素分馏，掩盖样品的真实信息，所以选取合适的前处理方法和控制干扰的手段非常重要。非传统稳定同位素分析测定的方法和其他同位素分析方法一样，需要采用各种化学纯化的手段获得纯净的样品，再进行质谱测定，包含样品制备、化学分离和质谱测定。在前处理过程中，每一个环节的操作不当都会导致最终测定的溶液和原始样品中的同位素组成不同（Zhu et al.，2016）。样品制备不当会引入过高的空白或污染，样品制备、化学分离和质谱测定过程中都存在同位素分馏的可能。这些情况的存在将直接体现在测试数据的结果上，掩盖了同位素组成的真实变化和蕴藏的科学价值。因此为获取自然界不同物质源区和生物地球化学过程记录的真实同位素信息，必须保证前处理过程的准确有效。图 1 植物样品非传统稳定同位素测定流程Fig.1 Non-traditional stable isotope determination process of plant samples第 3 期李杨子，等：植物的非传统稳定同位素前处理及测定技术研究进展287DOI:10.7515/JEE221016DOI:10.7515/JEE2210161.1 植物样品的消解非传统稳定同位素的测定目前主要使用溶液法，这就要求将样品制备成溶液才能使用仪器进行测定。而植物样品由于其组织结构的特殊性，消解方式需要根据植物样品的性质以及检测项目的特性来确定。随着同位素分析精度的提高，由于样品处理不当导致严重误差的风险越来越大，因此样品前处理成为了分析测定成功的最关键点（Hoenig，2001）。目前植物样品处理最常用的方法主要有萃取法、高温灰化法、湿式消解法、微波消解法等（刘亚轩等，2013）。表 1 对常用的处理方法的优缺点及适用范围做了简单对比。表 1 不同消解方法的对比Tab.1 Comparison of different digestion methods方法Method优点Advantage缺点Shortcoming适用范围Scope of application萃取法Extraction简单、可针对性提取Simple,targeted extraction样品分解不完全Incomplete sample decomposition游离形式存在或结合键易被破坏的元素，或能溶于浸提液的含待测元素的分子Elements with free form or easily broken binding bonds,or molecules containing elements to be tested that can be dissolved in the extract高温灰化High temperature ashing去除有机物、避免污染Removal of organic matter,avoids contamination易高温挥发物质可能损失High temperature volatile substances may be lost有机物含量高，不易在高温下挥发或发生同位素分馏的样品Samples with high organic content that are not easily volatilized at high temperatures or subject to isotopic fractionation湿法消解Wet digestion设备简单、适用性强Simple equipment and strong applicability可能消解不完全Possible incomplete digestion适用于绝大部分植物样品It is suitable for most plant samples微波消解Microwave digestion时间短、无样品损失Short time,no sample loss成本高High cost可溶于酸溶液的样品Sample soluble in acid solution1.1.1 萃取法萃取法的原理是利用萃取液能解离某些与待测元素结合的键，并对待测元素或含待测元素的结构有良好的溶解力，而从试样中将含有待测元素的部分萃取出来。萃取过程不需要加热，有时可以使用超声波进行辅助萃取。Marques and Nbrega（2017）使用超声波辅助萃取对菠菜叶种的 Cu、K、Mg、Mn 和 Na 进行了快速有效的提取，提取过程仅 30 s，可见结合超声波辅助的萃取法可以快速分馏部分金属元素。新型的萃取材料也可以提高萃取法的分离效果，Suquila et al.（2019）利用超分子溶剂型微萃取物（SUPRAS）与超声波辅助萃取相结合的方法对银杏叶中的 Cd 含量进行了提纯测定。林立等（2011）使用 1 mol L1 KOH，超声萃取紫菜、海带、圆白菜、茶叶、菠菜几种常见植物中的 I 离子并使用 IC-ICP-MS 进行测定，显示了萃取法对元素的针对性特效提取的良好性能。这是一种比较简单、安全，并且在某种情况下具有特殊意义的样品预处理方法。由于萃取法未经激烈反应，被萃取的仅限于以游离形式存在或结合键易被破坏的元素，或能溶于萃取液的含待测元素的分子。萃取法因元素、样品基体、样品颗粒大小、萃取液种类、浓度、萃取时间及萃取温度等参数的变化而影响浸提的元素形态和溶解量。因此，使用这类方法要结合样品、实验目的并经过条件试验验证。1.1.2 高温灰化消解高温灰化是利用高温下空气中的氧作氧化剂，样品经干燥 碳化 氧化过程后，有机物分解挥发，剩余灰分主要为金属氧化物或耐高温盐类，多数易溶于硝酸，且高温下有机物的分解更加完全，因此在植物样品的消解中使用非常广泛。Akinyele and Shokunbi（2015）对植物类食品样品中的 Mn、Fe、Cu、Zn、Cr、Cd、Pb 和 Ni 进行了分析，消解效果优于湿法消解。高温灰化一般不需加其他试剂，可以避免使用的试剂中含有待测元素导致空白值较高或污染样品，已在农作物、药用植物、植物性食品等多种类型的样品前处理中应用。但高温炉中可能会含有被测元素，容易造成样品的污染，且某些元素会在高温时损失，因此高温灰化不适用于挥发性元素的样品前处理，特别是在高温条件下容易逸出的元素。植物样品的灰化温度一般选择 400 600，视待测元素而定，实际实验中考虑到元素挥发损288地球环境学报第 14 卷DOI:10.7515/JEE221016DOI:10.7515/JEE221016失多选用 500作为灰化温度，灰化时间多为 5 h（王莲珍等，1991）。例如桃叶标准样品进行灰化处理后检测其中的多种元素的损失状况，200时 As、Sb、Cr、Hg、Se、Cl、Br 经 5 h 或更长时间灰化均发生明显损失，500时 Na、K、Cs 开始出现损失，随着温度升高、时间增长，各元素损失率均上升，但当损失率达到某一较高的数值后不再继续增长；Ba、Ca、Sc、Sm、La、Fe、Zn、Mn、Mg、Al、Co 在 200 800均无明显损失（邢大荣，1986）。李世珍等（2011）通过对香薷样品中的 Fe、Cu、Zn 同位素进行分析发现高温灰化香薷根样品过程中未发生 Fe、Cu、Zn 同位素分馏，但香薷茎样品的灰化过程中发生了 Fe 同位素的分馏，香薷叶样品则发生了 Cu 和 Fe 的分馏。显然使用高温灰化法时必须先确认目标元素是否会发生损失以及分馏现象。1.1.3 湿法消解湿法消解是用酸在加热条件下破坏样品中的有机物或还原性物质的方法，消解过程温度一般较低，待测元素不容易逸失。由于所用设备简单、消解易完全、适用性强等优点，在植物样品的前处理中使用非常广泛。其缺点是消解液可能会与个别元素形成沉淀，同时酸用量较大，导致空白值增加，样品受试剂污染的可能性比高温灰化大。湿法消解主要是利用硝酸、高氯酸、硫酸、过氧化氢等氧化性试剂作氧化剂，样品经连续的氧化 水解过程后，有机物降解逃逸，溶液成分主要为水溶性金属盐类。湿法消解的研究主要集中于所用强酸的种类及混合酸的配比。湿法消解所用酸的种类及配比主要由样品性质决定。硝酸是一种几乎通用的消化试剂，也是用于有机物分解的最广泛的一级氧化剂。因为硝酸不干扰大多数元素的测定结果，并且一般可以直接购买到或使用亚沸蒸馏器制得足够纯度的硝酸。对于易消解样品可用硝酸所占比例较大的混合酸进行消解。盐酸和过氧化氢可有效地与硝酸结合使用，作为改善消化质量的手段（Llorent-Martnez et al.，2013），对于样品中不易被消解的无机基质而言使用硝酸与盐酸 13 的比例配置王水可以有较好的消解效果。朱若华等（2007）以王水作为消解体系消解了国槐、雪松、草坪草和小叶冬青几种植物样品，取得了较好的消解效果。对于样品量大、难消解的有机物选用硝酸与过氧化氢为消解体系通常可以取得较好的消解效果，但过氧化氢反应较为剧烈，需要先在室温下进行充分的预反应以避免微波消解过程中发生危险。汪雨和李家熙（2009），汪雨和刘晓端（2009）在硝酸过氧化氢=103 的体系中对灌木枝叶和茶叶进行消解，使用 CS-AAS 对样品中的 P、S 元素进行了简单快速的测定。部分植物样品中含有的硅酸盐不溶于大多数酸，该类样品需要额外加入适量的氢氟酸进行消解，但氢氟酸在赶酸过程中易生成氟化钙等沉淀物（Margu et al.，2005），通常通过加酸蒸发或加入硼酸以去除（Niemel et al.，2004）。植物样品中的硅酸盐含量一般不高，并且氢氟酸的大量引入可能会导致某些元素回收率降低，因此氢氟酸的用量不宜过多（Sucharov and Suchara，2006）。高氯酸作为一种强氧化剂，对有机物的消解有很好的效果，但因其反应非常剧烈，易发生危险，尽量不用于高有机质含量样品的消解过程。邱爱军等（2012）在硝酸高氯酸=201 的消解体系中对花粉样品进行消解。苟体忠等（2012）使用了硝酸高氯酸=21 的体系消解灌木枝叶，实验中使用了KBH4进行预还原并添加 EDTA 进行掩蔽以降低其他元素干扰。通常对于含木质部分较高的植物根、茎等较难消解样品，可提高高氯酸、过氧化氢等强酸性、强氧化性试剂的用量，或提高分解温度，使样品消解更加完全。在实际使用中，需要先根据样品中可能含有的物质类型选择相对应的消解用酸，再根据实际情况进行酸的类型和用量调整以达到最佳的消解效果。为避免容器导致的污染，实验室一般选用石英、硼硅酸盐玻璃和聚四氟乙烯（PTFE）容器。由于加热手段和所用容器类型的不同，湿法消解又分为敞开式湿法消解、增压消解、冷凝回流消解等多种消解方式，但其原理基本一致，且容器密封性越好待测元素损失越小。敞开式消解是最为便宜且最便于自动化的方法，但这种类型的消解系统受到较低的最高消化温度的限制，最高消化温度不能超过相应酸或酸混合物的环境压力沸点。例如，硝酸对许多基体的氧化能力在122的沸点下是不足以完成消解的。增压消解是在湿法消解的基础上改进而来的消解方法中较为优秀的一种。将样品置于耐压密闭的容器中进行高温消解，在高温条件下，所加试剂挥发产生高第 3 期李杨子，等：植物的非传统稳定同位素前处理及测定技术研究进展289DOI:10.7515/JEE221016DOI:10.7515/JEE221016压环境，样品比在常压环境下湿法消解更加完全，但增压消解有被微波消解所取代的趋势。施燕支等（2005）使用硝酸，在 160条件下消解茶叶、小麦粉和大米粉样品并测定。李艳香等（2010）通过添加过氧化氢并使用增压消解提高了对有机物的消解效果，在硝酸过氧化氢=61，190的条件下增压消解了灌木枝叶和杨树叶样品。1.1.4 微波消解微波消解是利用微波能加热、快速分解样品的技术，也是湿法消解技术的改进和延伸。微波消解增加了压力使得植物样品消解完全，减少与外界环境的接触，降低了污染，避免了由于酸挥发而造成的损失，同时提高了温度，又缩短了消解时间，且大大减少了消解时酸量的消耗，空白值也相对较低，是目前应用相对广泛的消解方法，但微波消解的使用往往受限于设备成本。与传统的湿法消解相比，微波消解具有溶样速度快、试剂消耗少、空白值低、操作简便、使用安全、易控制、避免元素挥发损失、溶样重现性好等众多优点，得到了越来越广泛的应用（Smith and Arsenault，1996）。需要注意的是，实际应用中并非微波加热一定优于其他加热方法，低反应压力、低功率的微波消解仪相较于一般的增压消解而言没有显著的优势，甚至效率可能更低（刘垒等，2013）。而支持高温高压以及高功率的微波消解仪则可以大幅缩短消解时间，优化消解效果，是目前大多数样品消解最理想的手段。微波消解植物样品所用的试剂中，多种酸及其配比组合都有应用。常用的消解体系主要有：硝酸、硝酸 过氧化氢、氢氟酸、高氯酸、硝酸 盐酸等。除此之外为防止反应过于剧烈，使用微波消解仪消解前需要进行预消解。吴志鹏等（2019）使用微波消解法对小麦粉、菠菜、及固体生物质燃料行了处理，对消解酸体系、预消解及微波消解程序进行了优化实验，使用 ICP-OES测定了其中的多种元素含量，研究结果表明预反应温度、时间、加酸量都会影响最终回收率。1.2 植物样品化学分离纯化分离纯化用以除去各种基体元素，保留目标元素。由于基体元素的存在会干扰目标元素的测试，因此化学分离的好坏直接关系到测定结果的准确度和精确度。不同元素的化学分离方案存在一定的差异（He et al.，2017），植物样品常采用的分离纯化方法有离子交换法和微升华方法两种。1.2.1 离子交换树脂法离子交换树脂与交换柱的选择是离子交换法的第一步。离子交换树脂，是带有官能团（有交换离子的活性基团）、具有网状结构、不溶性的高分子化合物。根据吸附离子类型划分为阴离子和阳离子交换树脂。在选择离子交换树脂时，需要考虑目标元素的性质和不同类型树脂的吸附能力，通常以络合物形式存在的元素需要使用阴离子树脂，而常以离子形式存在的元素需要使用阳离子树脂进行纯化。针对某些特定的元素优先考虑特效树脂，如分离 Sr 优先选择 Sr 特效树脂进行纯化（贺茂勇等，2012；Erban Kochergina et al.，2021），B 元素分离也有对应的 B 特效树脂（He et al.，2015）。树脂种类确定后还需要选择适当的树脂体积，树脂的体积决定了树脂柱上的最大离子承载量，同时树脂体积越大淋洗时间越长，虽然会导致实验成本和空白的提高，但更容易区分不同元素的淋洗区间，提升分离效果。在化学分离的过程中不同质量的同位素被洗脱出的顺序不同，比如重的41K 会比轻的39K 先流出，这导致了当回收率不足时，样品的同位素值很可能失真（王昆等，2020）。基体元素的残留也会对树脂的活性产生影响。为了降低实验成本，所用的树脂往往会在清洗后重复使用，但不恰当的清洗溶液无法洗净树脂上的某些元素，进而造成基体元素的不断累积，使得淋洗曲线发生偏移，例如 HCl作为清洗酸时 Ba 会残留在树脂上（刘峪菲等，2015）。同时植物样品本身基质复杂，含有多种有机物，这些有机物可能会对树脂与离子的交换能力产生影响，例如 Li et al.（2021）研究发现苹果酸含量的增加会导致 K 在进行化学分离时发生分馏现象。1.2.2 微升华法B 因其自身的性质可以选用微升华法进行分离提纯，Gaillardette et al.（2001）首次应用了微升华进行同位素样品的分离提纯。其理论基础是，在酸性条件下，B(OH)3是 B 的唯一存在形态，在低温下很容易挥发，而其他成则分保留在残留物中。将阳离子纯化溶液放置在 5 mL Savillex PFA锥形瓶盖内表面的中心。然后，将小瓶置于电热板上，温度 95加热 18 h，使 B 升华并在小瓶的锥形尖端冷凝。之后冷却至室温并收集锥形底部290地球环境学报第 14 卷DOI:10.7515/JEE221016DOI:10.7515/JEE221016的冷凝液。微升华法因其高效 B 净化、低程序空白和高通量的优势而受到欢迎。贺茂勇等（2011）和 Xiao et al.（2019）分别对微升华的器具等进行改装以提高分离效率，将单次可处理样品量从0.5 mL 提升至 3 mL，对待处理样品浓度的要求显著降低。研究表明了这一手段可以高效去除有机物，同时保证 B 元素回收率，因此对植物样品的处理非常有效。2 植物样品的非传统稳定同位素测定随着质谱仪器的发展，植物非传统稳定同位素最早使用热电离质谱进行测定，之后逐渐开始采用电感耦合等离子体质谱和多接收电感耦合等离子体质谱进行测定，同时与激光剥蚀系统的联用也逐渐应用于同位素测定中。测定时需要考虑仪器测定过程中所产生的干扰以及质量歧视效应以保证所得结果的真实准确（白江昊等，2020）。2.1 TIMS热电离质谱一直是国际公认的同位素组成分析最经典、最精密、最准确的仪器之一。其原理是首先通过进样系统把待分析的样品送进离子源；离子源把样品中的原子、分子电离成离子；质量分析器使离子按照质荷比的大小分离开来；检测器用以测量、记录离子流强度而得出质谱图。随着仪器发展，多接受热电离质谱仪的应用有效地克服了离子流强度的波动对测量结果精密度和准确度的影响，但其测量的准确度仍受到检测器之间差异的影响。同时在热电离质谱分析中，待测元素在高熔点、高功函的高纯金属带（Re、Ta、Pt、W）表面发生蒸发、电离，离子经聚焦分离后进入检测器，获得同位素丰度比值。Midwood et al.（2000）使用对苏格兰松的针叶、茎木、茎皮、细根和粗根中的天然 Mg 和 K 同位素进行了测定，其中 Mg 同位素测定结果与标准一致，但 K同位素测定结果偏高。在这个过程中，由于轻、重质量同位素的蒸发速率不同，使得前期测得的轻质量同位素比重偏高，随着时间的推移，重质量同位素逐渐富集，其比重逐渐升高，这便是 TIMS测量中的同位素分馏效应（颜妍等，2019）。同位素分馏效应导致 TIMS 测得的同位素丰度比具有明显的时间相关性，需要对测量结果进行合理的校正。Borovika et al.（2021）对松针、番茄叶、菠菜叶、地衣等样品中的 Cd 同位素进行了测定，精度（2SD，n=47）为 0.029。2.2 ICP-MS电感耦合等离子体质谱是上世纪 80 年代发展起来的新的分析测试技术。它以将 ICP 的高温（7726.85）电离特性与四极杆质谱计的灵敏快速扫描的优点相结合而形成一种新型的强有力的元素分析、同位素分析和形态分析技术。在 ICP-MS 中，ICP 作为质谱的高温离子源使样品在通道中进行蒸发、解离、原子化、电离等过程。离子通过样品锥接口和离子传输系统进入高真空的MS 部分，MS 部分使用四极快速扫描质谱仪，浓度线性动态范围达 9 个数量级，可测定浓度范围从 ng L1到 mg L1。因此与传统无机分析技术相比，ICP-MS 技术提供了最低的检出限、最宽的动态线性范围、干扰最少、分析精密度高、分析速度快、可进行多元素同时测定以及可提供精确的同位素信息等分析特性。ICP-MS 主要用作元素含量测试，其同位素测试值因受到质量分馏的影响，尤其是低质量数的同位素测定误差较大，在植物非传统稳定同位素研究中相对其他仪器而言使用较少。离子经由磁场或者四级杆进行分离，从而实现对不同质量数的元素进行测定。与 TIMS 不同的是，在 ICP-MS中，质量区分是空间电荷效应的结果。在电感耦合等离子体中形成的离子离开截取锥后，带正电的离子在库仑力的作用下的分离，轻离子比重离子偏转得更多。因此在 ICP-MS 中，较轻与较重同位素的测量同位素比小于真实值。而 TIMS 中，质量区分效应是较轻同位素从样品灯丝中优先蒸发的结果，这导致较轻与较重同位素的测量同位素比值大于真实值（Becker，2002）。ICP-MS 的主图 2 B 同位素微升华分离装置（Gaillardette et al.，2001）Fig.2 Boron isotope micro sublimation separation device(Gaillardette et al.,2001)第 3 期李杨子，等：植物的非传统稳定同位素前处理及测定技术研究进展291DOI:10.7515/JEE221016DOI:10.7515/JEE221016要优势在于测定过程中发生的质量分馏与时间无关，并且电感耦合等离子体作为离子