稳定同位素分析技术原理及应用 李 波
主要内容 稳定同位素基本概念 稳定同位素分析技术 现有稳定同位素分析仪器 稳定同位素比质谱仪 (IRMS) 波长扫描光腔衰荡光谱仪 (WS-CRDS) 稳定同位素的应用
同位素概念 第一节 基本概念 同位素指具有相同质子数和不同中子数的原子 它们在元素周期 表中占据了相同的位置 例如 : 碳的 3 个主要同位素分别为 12 C 13 C 和 14 C, 它们都有 6 个质子和 6 个电子, 而中子数分别为 6 7 和 8 同位素分类稳定同位素 (stable isotope): 物理性质相对比较稳定, 没有放 射性和辐射效应的同一元素的一些原子, 已有 300 个之多 不稳定同位素或放射性同位素 (radioactive isotope): 能自发地 放出粒子并衰变为另一种同位素的原子, 已发现 1200 个以上 例如 : 12 C 13 C 为稳定同位素, 而 14 C 为放射性同位素
同位素效应 (Isotope Effects) 基本概念 由于同位素之间在物理化学上存在着差异, 使反应物和生成 物在同位素组成上会有所不同, 这种现象称为同位素效应, 它是利用同位素进行科学研究的基础 同位素分馏 (Isotope Fractionation) 指同位素比值不同的两种物质之间或同一物质两个相态之间 发生的同位素分配 例如 : 叶片光合作用会发生碳同位素分馏
基本概念 植物组织中的 13 C 与 12 C 的比值都普遍小于大气 CO 2 中的 13 C 与 12 C 比值, 表明 CO 2 在通过光合作用形成植物组织的过程中, 会产生碳同位素分馏, 从而使叶片与 CO 2 的碳同位素比值产生差异, 分馏的强度与植物类型 遗传特性 生理特点 生长环境等因素密切相关
基本概念 同位素丰度 (Isotope Abundance) 1 绝对丰度指某一同位素在所有稳定同位素总量中的相对份额, 常以该同位素与 1 H( 取 1 H=10 12 ) 或 28 Si( 28 Si=10 6 ) 的比值表示 2 相对丰度指同一元素各同位素的相对含量 例如 12 C=98.892%, 13 C=1.108% 大多数元素由两种或两种以上同位素组成, 少数元素为单同位素元素, 例如 19 F=100%
基本概念 同位素比值 (R 值 ) 同位素比值为某一元素的重同位素原子丰度与轻同位素原子丰度之比. 例如 D/H 13 C/ 12 C 34 S/ 32 S 等 由于轻元素在自然界中轻同位素的相对丰度很高, 而重同位素的相对丰度都很低,R 值就很低且很冗长繁琐不便于比较, 故在实际工作中采用了样品的 δ 值来表示样品的同位素成分
基本概念 δ 值 样品的同位素比值 RSp 与一标准物质的同位素比值 (RSt) 作比较, 比较结果称为样品的 δ 值 其定义为 : δ( )=(RSp/RSt -1) 1000 即样品的同位素比值相对于标准物质同位素比值的千分差 在已知的在陆生植物中, 据光合途径可分为 C3 C4 和 CAM 植物 :C3 植物的 δ13c 值为 -20 ~-35 ( 平均为 -26 ),C4 植物为 -7 ~-15 ( 平均为 -12 ), 而 CAM 植物为 -10 ~-22 ( 平均为 -16 )
δ 值大小与采用的标准有关, 在进行同位素分析时首先要选 择合适的标准, 不同样品的比较采用同一标准才有意义 国际通用同位素标准是由国际原子能委员会 (A) 和美国 国家标准和技术研究所 (NIST) 颁布的 对同位素标准物质的一般要求是 : 组成均一性质稳定 ; 数量较多, 以便长期使用 ; 化学制备和同位素测量的手续简便 ; 基本概念 同位素标准 (Isotope Standard) 大致为天然同位素比值变化范围的中值, 便于大多数样品测定
5 种环境稳定同位素的国际标准及其绝对同位素比率 元素 δ 符号 测量比率 (R) 国际标准物质 基本概念 R 值, 国际标准 H δd 2 D/ 1 H 标准平均大洋海水 (SMOW) 0.00015575 2 D/ 1 H 标准南极轻降水 (SLAP) 0.000089089 C δ 13 C 13 C/ 12 C Pee Dee Belemnite (PDB) [ 美国南卡罗来纳州白垩纪皮狄组层位中的拟箭石化石 ] 0.0112372 N δ 15 N 15 N/ 14 N 大气氮气 0.0036765 O δ 18 O 18 O/ 16 O 标准平均大洋海水 (SMOW) 0.0020052 18 O/ 16 O Pee Dee Belemnite (PDB) [ 碳酸盐样品氧同位素分析 ] 0.0020671 18 O/ 16 O 标准南极轻降水 (SLAP) 0.0018939 S δ 34 S 34 S/ 32 S Canyon Diablo Triolite (CDT) 铁陨石中的陨硫铁 0.0450045
原子百分超 (atom percent excess) 百分超又称过量原子百分数, 是指稳定同位素的浓度超过其在自然界存在数值的百分数 原子百分超 (Atom percent excess), 又称富集度 (Enrichment) APE= A-A 自 A- 实际丰度值 ;A 自 - 自然丰度值 基本概念 稳定同位素在自然界是以恒定比例存在的, 其存在量常以 % 原子表示 例如, 正常氨基酸中的氮是由 14 N 与 15 N 组成 的, 前者占 99.63%, 后者占 0.37%, 标记时将丰度低的同位 素的含量提高, 其浓度以百分超 ( 即过量原子百分数的简 称 ) 来表示, 如 10 过量原子百分数的 15 N 指的是 10.37% 的氮
稳定同位素比值如何进行检测分析? 相关的仪器都有什么呢?
第二节 根据仪器工作原理, 可分为 : 稳定同位素比质谱仪 稳定同位素分析技术 Isotope Ratio Mass Spectrometers(IRMS) 波长扫描光腔衰荡光谱仪 Wavelength-scanned cavity ring down spectroscopy(ws- CRDS)
IRMS 原理及结构 同位素比质谱仪 (IRMS) 质谱仪器是利用离子光学和电磁原理, 按照质荷比 (M/e) 进行分离从而测定样品的同位素质量和相对含量的仪器 同位素质谱仪主要用以测定同位素丰度, 对测量的准确度 精密度与丰度灵敏度的要求较高 ; 在稳定同位素分析中均以气体形式进行质谱分析, 因此常有气体质谱仪之称
IRMS 的基本结构 IRMS 原理及结构 同位素比质谱仪 (IRMS) 前处理系统进样系统离子源质量分析器离子检测器 真空系统 电气系统 数据处理系统 核心部分 : 进样系统 离子源 质量分析器 离子检测器
进样系统 IRMS 原理及结构 将待测气体样品导入质谱仪 ( 送入离子源 ) 的系统 要求 : 导入样品, 但不破坏离子源和分析室的真空 离子源 待测样品气体分子发生电离 ( 生成正离子 负离子 分子 离子 碎片离子 单电荷离子 多电荷离子等 ), 并将离子加速, 聚焦成离子束 要求 : 电离效率高, 单色性好 质量分析器其作用是将具有不同荷质比的离子分开 主体为 : 扇形磁铁 ; 要求 : 分离大, 聚焦效果好
IRMS 原理及结构 离子检测器接收来自质量分析器的具有不同荷质比的离子束, 并加以放大和记录 离子接收器 ( 法拉第筒 : 通过一高电阻将微弱电流信号转化为电压信号 ) 和放大测量装置 ( 记录和测量 ) ( 同时接收 ) 要求 : 灵敏度要高, 信号不畸变 真空系统保证样品中的分子 ( 原子 ) 在进样系统与离子源中正常运行, 保证离子在离子源中产生与在分析系统中相同的状态, 消减不必要的粒子碰撞 散射效应 复合效应和离子 - 分子效应, 减小平底与记忆效应 真空泵 : 机械泵 ( 一级泵 ) 涡轮分子泵 ( 二级泵 )
IRMS 的测量基本过程 1 将被分析的样品以气体形式送入离子源 ; 2 把被分析的元素转变为电荷为 e 的阳离子, 应用纵电场将离子束准直成为一定能量的平行离子束 ; 3 利用电 磁分析器将离子束分解成不同 M/e 比值的组分 ; 4 记录并测定离子束每一组分的强度 ; 5 6 IRMS 原理及结构 应用计算机程序将离子束强度 ( 离子流信号强度 ) 转化为同位素丰度 ; 将待测样品与工作标准相比较, 得到相对于工作标准的同位素比值
IRMS 原理及结构 磁场 离子源 检测器 进样系统 计算机 电压 / 频 率转换器 放大器
WS-CRDS 原理 理论依据 : 几乎所有小的气相分子 ( 如 CO 2,H 2 O,NH 3 ) 均具有 特有的近红外吸收光谱, 在负压条件下, 每种微小的气相 分子都能在其特征吸收波长处特征光谱线 但由于痕量气 体吸收形成的峰太低而不能检测到, 如何有效解决这个问题是关键 WS-CRDS 通过极度扩大光程路径, 可以在极 短时间内监测到 PPb, 甚至 PPt 水平 工作原理 : 待测气体通过泵进入腔体, 光源发射特定波长激 光, 经过腔体内反光系统的连续反射, 光强度以指数级迅 速衰减直至为零, 衰减被光电感应器实时记录, 其强度与 目标气体的浓度成正比 WS-CRDS 原理及结构
WS-CRDS 基本结构 IRMS 原理及结构 前处理系统进样系统光源腔室 检测器 泵及气袋 激光二极管 反射系统 数据处理系统 核心部分 : 进样系统 光源 光反射传递系统 检测器
第三节 现有仪器及配置 稳定同位素比值质谱仪 (IRMS) 1 Thermo Finnigan DELTA plus XP 2 MAT 253(2 台 ) 碳同位素分析仪 (WS-CRDS) Picarro itoc-crds
EA TC/EA GC GCC PreCon Conflo 仪器型号 : Thermo Finnigan DELTA Plus XP 连续流在线分析系统 IRMS
RIMS 配置及检测项目 Flash EA-IRMS: 有机物或无机物 ( 固体 液体 ) 中 C N S H O TC/EA-IRMS: 测定水中 O 的 δ 值 GCC-IRMS: 测定有机液体单分子化合物中的 C N 的 δ 值 PreCon-IRMS : 测定在自然丰度的 N 2 O 中 N O 的 δ 值 ; CH 4 CO 2 中 C 的 δ 值 Gas Bench II-IRMS : 碳酸盐中 C O; 水中 H O Dual inlet system-irms : S Si
对样品的要求 要求根据质谱仪灵敏度送入足够量气体样品, 样品太少影响精度或不能分析, 太多时降低真空度, 并使空间电荷增大, 也影响精度 必须避免杂质气体的影响, 特别是水和有机物 ; 防止质量数相似气体的混入 : N2O/CS/CO2 CO/C2H4/N2 IRMS 分析
EA-IRMS 13 C : 样品中 C 含量 > 5 μg ( 最佳 50 μg), 样品称样量 例如 : 植物 (40%C)0.2 mg 左右 ; 土壤 (3%C)2~3 mg 15 N : 样品中 N 含量 > 10 μg( 最佳 50 μg), 样品称样量 例如 : 植物 (3%N) 2~3 mg; 土壤 (0.3%N) 10-15 mg PreCon-IRMS CH4-13 C : CH 4 含量 > 1.7 ppm; N2O- 15 N : N 2 O 含量 > 0.3 ppm; 气体进样量为 100 ml, 样品需要量 >200 ml; IRMS 分析
TC/EA-IRMS 18 O: 水样进样量 1ul 固体样品中 O 含量 > 10μg( 最佳 20 μg) GC-C-IRMS 样品为能通过气相毛细管柱分离的有机样品, 进样量 1uL, 如氨基糖 脂肪酸中 C N 同位素 Gas Bench II-IRMS : 碳酸盐中 C O, 取样量 2-5mg; 水中 H O, 取样量 10ml Dual inlet system-irms : S Si, 需离线制备成气体样品 SF 6 SiF 4 IRMS 分析
IRMS 分析 代表性要强 样品要均匀, 固体样品要充分混匀 粉碎过 100 目筛 样品要干燥 要除去水分, 或水分含量非常低, 保证可以通过仪器进行去除
itoc-crds 配置 WC-CRDS 分析 主机 含光源 光腔 泵及同位素检测器 固体燃烧模块 手动进样 ;TOC TC:0.05-50mg C; 13 C:0.3-3mg C 水体湿氧化模块 ( 含 C 含量红外检测器 ) 自动进样 (88 位 ); 水 TOC TIC:50ppb-5000ppm C ; 13 C:10-500ppm C
那么, 稳定同位素技术的应用手段是 怎样的? 它又主要应用在哪些方面呢? 轻稳定同位素或有机元素稳定同位素
第四节 稳定同位素技术应用 稳定同位素技术手段 1 稳定同位素标记示踪 对研究目标化合物进行同位素人为标记, 使同位素比值与 自然丰度形成较大差异, 从而实现目标化合物的转化 代 谢 赋存形态等研究 2 自然丰度比较判别 利用研究对象的自然丰度比差异, 揭示差异, 解释相关反 应过程 形成机理等 如稳定同位素产地溯源技术
第四节 稳定同位素技术应用 稳定同位素最早应用于地质地球化学 主要研究轻元素 (H O C N S 等 ) 稳定同位素在自然界 ( 岩石圈 土壤圈 水圈 大气圈 生物圈和环境以及星体 ) 的丰度变化及机理 在各种天然过程中的化学行为, 并以此为指导研究天然和环境物质的来源 迁移过程以及经历过的物理化学反应
农业 土壤生态研究中的应用 稳定同位素技术在农研究中应用较早, 研究范 围包括科学施肥 作物营养代谢 生物固氮 土壤 呼吸等 稳定同位素的应用 例如 : 肥料的利用 / 转化途径和利用效率 ( 13 C, 15 N) 氮素的硝化 反硝化过程 ( 2 H, 15 N, 18 O) 土壤碳氮循环研究 : 有机质年龄及周转率的测定 土 壤细根年龄测算 土壤微生物呼吸等
林业 草地生态研究中的应用 稳定同位素的应用 森林 草地生态系统中, 稳定同位素技术应 用最为广泛, 如植被水分利用 胁迫, 植物光合 效率, 气候演变 调控, 根际生态过程, 树轮环 境响应, 微生物活动等
稳定同位素的应用 植物水分胁迫程度 水分利用效率 水分来源 如 : 植物在光合作用中倾向于吸收含有轻碳同位素 ( 12 C) 的 CO2, 其吸收程度受有效水含量和光合途径影响, 水分有效性和光合途径是干旱或湿润环境植物的重要特性 因此, 植物 13 C 组成能够在时间尺度上整合反映植物的水分利用效率 通过测定植物体中水 2 H 和 18 O 组成, 也能够判定植物对表层水和深层水的依赖程度
稳定同位素的应用 树木年轮同位素的环境响应 树轮宽度的生理影响因子较多, 且较复杂 ; 相比而言, 树轮稳定同位素比率的影响因子更容易弄清楚 树轮稳定同位素的最大优势或许在于树木在生长发育中响应了环境变化, 把当时每年水和空气里的碳 氢 氧萃取表现为树木年轮里同位素比值的变化, 从而为重建过去的环境提供一份 档案 树轮纤维素 δ 13 C
温室气体研究中的应用 稳定同位素可用于提供大气中痕量气体在各空间尺度上的 释放信息, 辩识其源汇, 已广泛被应用于研究如 CO2 CH4 CO 和 N2O 等大气痕量气体的产出机理 源汇识别和各源贡献 率的确定上 由于存在同位素分馏效应, 不同来源的温室气体 ( 如甲 烷 ) 具有不同的同位素特征, 各种温室气体源的稳定同位素组成在很大程度上取决于其产生过程 因此, 利用轻元素 (C N O) 的稳定性同位素比值的变化研究这些微量温室气 体的来源和释放规律 稳定同位素的应用
稳定同位素的应用 例如 : 热作用来源 ( 如生物质燃烧和化石燃料燃烧 ) 的甲烷 δ 13 C 较大, 而通过细菌作用产生的甲烷 δ 13 C 较小 如果所测甲烷样品的 13 C 较大, 可能来源于生物质或化石燃料燃烧等富 13 C 的源, 反之则可能来源于细菌等贫 13 C 的源 ; 不同气体样品的同位素值也可能 是多种源的混合结果, 因此利用碳同位素示踪可以得到有关大气 CH 4 的来源信息
稳定同位素的应用 环境监测与保护研究的应用 不同环境条件下, 稳定同位素的组成会有一定的差异 譬如 不同来源的含氮物质可以具有不同的氮同位素组成, 因此氮同 位素是一种很好的污染物指示剂 例如 : 运用稳定同位素法确定空气和水体污染物的来源 ( 15 N, 34 S, 18 O) 土壤 水体中持久污染物的来源 迁移及降解动态 污染环境生物修复