同位素像“指纹”一样包含了重要的地球化学过程信息，不同的物质包含了不同的同位素比值，捕捉这种“指纹信号”意义重大，同位素技术也因此成为目前地球化学研究中的重要手段。
　　同位素质谱仪是伴随着核科学与核工业发展起来的，当前该仪器已深入到矿床同位素地球化学、岩石年代学、有机稳定同位素地球化学、无机稳定同位素地球化学、同位素水文学（图1）等各个学科，并在国家一系列重大攻关和研究课题中发挥重大作用。此外，同位素质谱仪的应用领域也在不断扩大，在农业、医学、环境学、海洋学、石油、化工、冶金等方面，也常常能看到同位素质谱仪的“影子”，可见同位素质谱仪在众多领域都有着举足轻重的地位。

图1 同位素水文学

　　探究同位素质谱仪我们首先要认识什么是同位素：由于原子核所含有的中子数不同，具有相同质子数的原子有不同的质量，这些原子被称为同位素。例如，氢的3个主要同位素分别为₁¹H、₂¹H和₃¹H，它们都有1个质子和1个电子，但中子数则分别为0、1和2。
　　同位素可分为放射性同位素和稳定同位素两大类。凡能自发地放出粒子并衰变为另一种同位素者为放射性同位素；无可测放射性的同位素是稳定同位素，其中一部分是放射性同位素衰变的最终稳定产物。放射性同位素主要用于地质和考古测年，稳定同位素主要用于地球化学和环境示踪。以稳定同位素为例，不同的地质样品中稳定同位素的比值有所差别，就像人类的指纹一样，触摸过哪里就会留下自己的指纹。测试不同样品的稳定同位素比值，就好比是检测“地球化学指纹”，区分地质和环境样品的来源。例如测试水的氢氧同位素可以反演水汽来源，测试矿石的包裹体氢氧同位素可以示踪矿产的流体来源。
　　根据原子（分子）质量的顺序进行排列的图谱，叫做质谱。通过微波吸收法、核感应法或者光谱法均能够使得试验装置构成，从而进行质谱研究。历史上，质谱仪是以电磁学原理作为基础设计而成的仪器。近几年来，分析有机物结构、分离与分析同位素、测定原子量和其他科学实验都是利用质谱仪进行。
　　为了精确地获取这些“指纹”信息，首先要将样品转化成如二氧化碳、氮气、二氧化硫或者氢气等气体，气体分子在离子源中电离（从每个分子中将一个电子剥离，从而使得一个正电荷为每个分子所带有），接着往飞行管中打入离子化气体。飞行管是弯曲的，在飞行管上方放置磁铁，带电分子因为质量差异而分离。在飞行管的末端有一个法拉第收集器，用来对经过磁体分离之后，具有特定质量的离子束强度进行测量，因为其是将样品转化成气体才可以测量，因此又被称为气体同位素比质谱仪（图2）。

图2 气体稳定同位素比质谱仪（IRMS）工作原理图

　　近年来，同位素质谱仪不断升级，在体积缩小的同时有了更加可靠、更加高效的分析能力，并且配置非常灵活，可以与双路进样系统、元素分析仪、微量气体预浓缩装置等多种外设联用，满足了更多元的测试需求，比如食品溯源、病因追踪、探索古气候与古人类的生存环境等，为人们认识世界开辟了一条新的途径。未来，随着仪器性能、分析方法和样品处理等方面能力的不断提升，同位素质谱仪的研究成果一定会遍地开花。