1、同位素的变与不变
同位素可分为放射性同位素和稳定性同位素，稳定性同位素的“稳定性”表现在它在和地球寿命（大约109年）一样长的时间尺度里没有任何衰变的记录，所以安全、稳定、无辐照伤害而不需要特别防护。迄今为止，人类已经发现的 118 种元素有3000多种同位素，其中不具有放射性的稳定同位素有274种。那放射性同位素就一定变化吗?
答案是确定的。放射性同位素是非常不稳定的，它会不断“变化”，不间断、自发地放射出射线，直至变成另一种稳定同位素。放射性同位素在进行衰变的时候，可放射出a射线、B射线、y射线和发生电子俘获等。对此，我们通常用“半衰期”来表示衰变的快慢。半衰期指的是一定数量放射性同位素数目减少到其初始值一半时所需要的时间。例如氚(H或T)的是 12.43年也就是说，假定原来有100个氚原子，经过12.43年后，就只剩下50个了，那根据这个特性我们就可以在地质和考古工作中，利用放射性同位素的半衰期来推断地层或古代文物的年代。如利用碳-14 测定年代，可推算出植物、骨骼、毛发等古生物样品的年代，还可广泛用于地质学、海洋学和气象学等领域中的年代研究。当然放射性元素还可用其穿透性用于医学化疗、测量金属内部结构、辐射育种等等方面。
今天我们主要来了解一下稳定同位素，那稳定同位素为什么这么稳定呢？让我们从原子的结构来解释这个问题。从物理学角度看，元素的放射性取决于原子核的稳定性。原子核中存在两种力，即核力和电磁力。强相互作用的核力表现为核子与核子之间的吸引力，通常强相互作用的力量很大，但是范围很小。电磁力表现为质子与质子之间的库仑力，并且同性电荷总是相互排斥的，通常电磁力作用范围很大，但是相互作用力很小。当这两种作用力势均力敌的时候，原子核就能够稳定存在。
2、稳定同位素应用仪器
早在1912年，科学家就发现稳定同位素，但是由于难以获得高纯度的稳定同位素以及检测技术的限制，稳定同位素发展应用一直到20世纪60年代才得以发展，被广泛开发并应用于地质、医学、营养学、生命科学、食品安全、现代农业、生态环境等领域。促进这些领域发展离不开的是我们称之为“眼睛”的稳定同位素检测技术，与此相关的仪器设备实现了高精准度、高效率的定量测定，就像是拓展视角广度和深度的“望远镜”和“显微镜”，为我们推开了稳定同位素的神秘之门。常用的仪器有质谱仪、核磁共振谱仪及红外光谱仪。我们目前测试中心的测试同位素仪器就属于质谱仪的一种。质谱仪是在电磁场的作用下使带电粒子束按其质荷比（m/z）的大小进行分离，并对其进行测量的大型分析仪器。其他两类仪器应用较为局限，核磁共振谱仪主要研究集中1H和13C相关原子核的图谱，近些年应用在生命科学领域；在临床医学诊断13C呼气试验(13C-UBT)检测中应用最广泛的就是价廉物美的非色散型红外光谱仪。
质谱仪流程示意图
主要常用的质谱仪器有同位素质谱仪，有机质谱仪及无机质谱仪三种。
稳定同位素质谱仪采用磁质量分析器，其特点是分辨率高，测试速度快，结果精确，样品用量少（微克量级)，对样品的前处理要求较高，进入同位素质谱仪检测的样品需要转化为气态。该在技术在同位素示踪、水文地质、农产品溯源、食品真伪鉴别等诸多科学领域发挥重要作用。
同位素质谱仪原理示意图
有机质谱仪目主要用于有机化合物的结构鉴定、同位素标记位点的确定及同位素丰度的测定，它能提供化合物的分子量、元素组成以及官能团等信息。通常按照质量分析器将其分为四极杆质谱仪、离子阱质谱仪、飞行时间质谱仪等。在食品安全分析、农兽药残留、非法添加物的测定方面均是使用色谱与有机质谱联用的方法开展的，通过稳定同位素内标试剂的引入，使得质谱定量更加准确。
有机质谱仪原理示意图
无机质谱仪则是物质离子化的方式不一样，无机质谱仪是以电感耦合高频放电(ICP)或其他的方式使被测物质离子化，如二次离子质谱（SIMS）、电感耦合等离子质谱仪（ICP-MS）等。无机质谱仪主要用于无机元素微量分析和无机同位素分析等方面。
文章转自：中科院深海所公共技术中心