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提出了一种适用于微量气体定量分析的大小球三步同位素稀释质谱法，并给出其实验模型和不确定度理论分析结果。通过引入三步稀释过程，不涉及稀释剂的纯度、丰度、添加质量等方面的数据，仅需测定各步稀释剂质量之比，在其中的两步反稀释过程中使用了基标准纯物质，从而使微量气体的定量分析结果可溯源至基标准纯物质。该方法解决了已有同位素稀释质谱法在微量气体定量分析中的难题。