在化学的世界里，有一种神奇的技术叫做“同位素稀释质谱分析法（Isotope Dilution Mass Spectrometry)”。这项技术如何运作？它能为我们揭示怎样的奥秘呢？让我们一起来深入了解，以及通过一个简单的例子来理解这项技术的精髓。

什么是同位素稀释法？

同位素稀释分析是一种用来确定化学物质数量的方法。在最简单的概念中，同位素稀释法是将已知量的同位素富集物质加入待分析的样品中。通过将同位素标准物质与样品混合，有效地“稀释”了同位素标准物质的富集程度，从而构成了同位素稀释法的基础。同位素稀释法被归类为内部标准法，因为标准物质（分析物的同位素富集形式）直接加入到样品中。此外，与依赖信号强度的传统分析方法不同，同位素稀释法采用信号比值。由于这两个优点，同位素稀释法被认为是化学测量方法中具有最高计量地位的一种方法。

图1. 同位素稀释法的基本原理是将同位素标准物质加入样品中，改变样品的天然同位素组成。通过测量得到的同位素组成，可以计算出样品中分析物的数量。(维基百科）

早期历史

匈牙利化学家George de Hevesy因开发示踪剂方法（一种同位素应用的前身）获得了诺贝尔化学奖。分析性应用的示踪剂方法是同位素稀释法的先驱。这种方法于20世纪初由George de Hevesy开发，为此他在1943年获得了诺贝尔化学奖。同位素稀释法的早期应用是在1913年由George de Hevesy和Friedrich Adolf Paneth以示踪剂方法的形式，用于测定硫化铅和铬酸铅的溶解度。20世纪30年代，美国生物化学家David Rittenberg开创性地将同位素稀释法应用于生物化学，实现了对细胞新陈代谢的详细研究。

图2. 匈牙利化学家乔治·德·赫韦希因发展了放射示踪法，这是同位素稀释法的前身，因此被授予诺贝尔化学奖。

一个简单的例子：湖中的鱼

假设你是一名生态学家，要解释同位素稀释法的概念，你可以使用以下有趣的例子：想象一个湖中的鱼群数量（nA）需要被测定。为了说明这个例子，假设湖里的所有鱼都是蓝色的。在第一次调查时，生态学家投放了五条黄色的鱼（nB = 5）。在第二次调查时，生态学家按照抽样计划捕捉了一些鱼，并观察到蓝色鱼和黄色鱼（即自然鱼和标记鱼）的比例为10:1。可以使用以下公式计算湖中自然鱼的数量：

nA = nB × (10 / 1) = 50

这个例子类比于生态学中常用的标记和捕获方法，用于估计种群大小。同样，同位素稀释法的思想是类似的。当然，实际的同位素稀释法更加复杂，涉及更多的分析和计算，但这个例子可以帮助人们理解同位素稀释法的基本原理。在这个例子中，湖中的鱼相当于被分析的物质，黄色鱼代表稀释添加的同位素（峰），而蓝色鱼代表自然存在的同位素。通过比较标记鱼和自然鱼的比例，就可以推断出原样品中同位素的含量。这种方法在分析化学中被广泛应用，用于准确测定样品中目标物质的浓度。

图3.湖泊中同位素稀释分析与鱼类计数的教程插图（维基百科）

同位素稀释法应用举例：

比如我们要测量一个样品中铜（Cu）的含量，首先往样品里加入一种叫做65 Cu的稀释剂，然后让这两种铜的同位素在样品里混合均匀。接下来，我们用质谱仪来测量在混合前后，铜的不同同位素的丰度有没有发生变化。通过对比混合前后的同位素比例变化，我们就可以计算出原始样品中铜元素的含量。

这个方法的好处在于不需要对被测元素进行分离，而且在混合稀释剂和样品以及同位素达到平衡的过程中，损失对最终分析结果没有影响。因为这个方法是基于同位素比例的测量，而同位素比例的测量很少受到基本效应和仪器条件的变化影响，所以这个方法非常准确和精确。

同位素稀释质谱分析（IDMS）的原理是基于这样一个事实：许多元素在自然界中有两种或更多的稳定同位素，它们的比例保持恒定。在IDMS中，会向样品中添加一定量的一种稳定同位素，然后通过质谱仪测量同位素之间的比例。

IDMS的要求如下：

1. 目标分析元素必须有多种同位素。

2. 所有同位素的测量必须不受同质异构体的干扰（通常需要高分辨率质谱仪）。

3. 样品和稳定同位素的添加物（通常称为“稀释剂”）必须达到同位素平衡状态（对固体样品而言可能有问题）。

4. 同位素稀释分析可以纠正在添加稳定同位素之后发生的干扰、分析物损失和仪器漂移等问题。在进行形态分析时，可以区分两种不同的模式：

5. 物种特异性同位素稀释：这种方法用于测量特定形态（物种）的元素。它有助于准确确定该特定形态的浓度。
   

6. 物种非特异性同位素稀释：在这种方法中，不关心元素的特定形态，而是关注元素的总量。它提供了有关样品中元素整体浓度的信息。

7. 这两种方法都有其优缺点，具体取决于分析需求和挑战。

结论

同位素稀释法虽然听起来可能复杂，但它是一种令人惊叹的技术，可以帮助科学家以极高的精确性测量化学物质的数量。通过简单的比喻和实际应用，我们可以更好地理解同位素稀释法的运作原理。这项技术在许多领域都有重要应用，从环境研究到生物化学，都能帮助我们揭示化学世界的奥秘。

参考资料：

• 维基百科 https://en.wikipedia.org/wiki/Isotope_dilution

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