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穩(wěn)定同位素技術(shù)原理介紹

閱讀:4811      發(fā)布時(shí)間:2022-3-28
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什么是穩(wěn)定同位素

  由于原子核所含有的中子數(shù)不同,具有相同質(zhì)子數(shù)的原子具有不同的質(zhì)量,這些原子被稱(chēng)為同位素。例如,碳的3個(gè)主要同位素分別為12C、13C14C,它們都有6個(gè)質(zhì)子和六個(gè)電子,但中子數(shù)則分別為6、78。與質(zhì)子相比,含有太多或太少中子均會(huì)導(dǎo)致同位素的不穩(wěn)定性,如14C。這些不穩(wěn)定的放射性同位素"將會(huì)衰變成穩(wěn)定同位素。而12C13C則因?yàn)橘|(zhì)子和中子所*的穩(wěn)定結(jié)合,不發(fā)生衰變,即為穩(wěn)定同位素。

穩(wěn)定同位素含量如何測(cè)量?

  在生態(tài)學(xué)和環(huán)境科學(xué)研究中的是碳、氮、硫、氧和氫的穩(wěn)定同位素,這些穩(wěn)定性同位素可以通過(guò)氣體同位素比率質(zhì)譜分析法測(cè)得。首先將樣品轉(zhuǎn)化成氣體(如CO2,N2,SO2H2),在離子源中將氣體分子離子化(從每個(gè)分子中剝離一個(gè)電子,導(dǎo)致每個(gè)分子帶有一個(gè)正電荷),接著將離子化氣體打入飛行管中。飛行管是彎曲的,磁鐵置于其上方,帶電分子依質(zhì)量不同而分離,含有重同位素的分子彎曲程度小于含輕同位素的分子。在飛行管的末端有一個(gè)法拉第收集器,用以測(cè)量經(jīng)過(guò)磁體分離之后,具有特定質(zhì)量的離子束強(qiáng)度。

image.png

  以CO2為例,需要有三個(gè)法拉第收集器來(lái)收集質(zhì)量分別為44、4546的離子束。不同質(zhì)量離子同時(shí)收集,從而可以精確測(cè)定不同質(zhì)量離子之間的比率。

  圖 CO2的三個(gè)最常見(jiàn)質(zhì)量——4412C,16O,16O)、4513C,16O,16O)和4612C,18O,16O)在質(zhì)譜儀飛行管中的分布圖。進(jìn)入飛行管的CO2在通過(guò)離子源時(shí),每個(gè)分子都被剝離一個(gè)電子,形成帶正電的離子。

  在飛行管中,磁場(chǎng)導(dǎo)致離子發(fā)生偏離,偏離半徑與離子的質(zhì)量/電荷比率成比例。重離子比輕離子偏離?。ㄆx半徑大)。以CO2為例,質(zhì)量為46的離子偏離半徑最大,質(zhì)量為44的離子偏離半徑最小,質(zhì)量為45的離子則介于兩者之間。電荷也會(huì)影響偏離半徑,但對(duì)于絕大多數(shù)分子而言,由于離子源僅剝離一個(gè)電子,因此,離子電荷數(shù)基本是恒定的。

  穩(wěn)定同位素豐度表示為樣品中兩種含量最多同位素比率與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中響應(yīng)比率之間的比值,用符號(hào)(δ)表示。由于樣品與標(biāo)準(zhǔn)參照物之間比率差異較小,所以穩(wěn)定同位素豐度表示為樣品與標(biāo)準(zhǔn)之間偏差的千分?jǐn)?shù)。以碳為例:

δ13C樣品 = {(13C/12C樣品) / (13C/12C ;標(biāo)準(zhǔn))  -1} x 1000

  標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的穩(wěn)定同位素豐度被定義為0‰。以碳為例,國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)為Pee Dee Belemnite,一種碳酸鹽物質(zhì),其普遍*的同位素絕對(duì)比率(13C/12C)為0.0112372。如果某種物質(zhì)的13C/12C比率>;0.0112372,則具有正值;若其13C/12C比率<;0.0112372,則具有負(fù)值。下表列出了5種環(huán)境穩(wěn)定同位素的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)及其絕對(duì)同位素比率。氧和氫等穩(wěn)定同位素具有多個(gè)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

元素

δ符號(hào)

測(cè)量比率(R)

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)

R, 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)

H

δD

2H/1H

標(biāo)準(zhǔn)平均海水 (SMOW)

0.00015575



2H/1H

標(biāo)準(zhǔn)南極輕降水 (SLAP)

0.000089089

C

δ13C

13C/12C

Pee Dee Belemnite (PDB)

0.0112372

N

δ15N

15N/14N

大氣

0.003676

O

δ18O

18O/16O

標(biāo)準(zhǔn)平均海水 (SMOW)

0.0020052



18O/16O

Pee Dee Belemnite (PDB)

0.0020672



18O/16O

標(biāo)準(zhǔn)南極輕降水(SLAP)

0.0018939

S

δ34S

34S/32S

Canyon Diablo Triolite (CDT)

0.045005

如何在生態(tài)和環(huán)境科學(xué)研究中運(yùn)用穩(wěn)定同位素?

  穩(wěn)定同位素技術(shù)的出現(xiàn)加深了生態(tài)學(xué)家對(duì)生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程的進(jìn)一步了解,使生態(tài)學(xué)家可以探討一些其它方法無(wú)法研究的問(wèn)題。正如現(xiàn)代分子生物技術(shù)大大地推動(dòng)了基因、生物化學(xué)和進(jìn)化生物學(xué)的研究一樣,穩(wěn)定同位素技術(shù)對(duì)生態(tài)學(xué)研究也已產(chǎn)生了重要的影響。通過(guò)使用穩(wěn)定性同位素技術(shù),可以使生態(tài)學(xué)家測(cè)出許多隨時(shí)空變化的生態(tài)過(guò)程,同時(shí)又不會(huì)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的自然狀態(tài)和元素的性質(zhì)造成干擾。在過(guò)去的十幾年中,一些生態(tài)與環(huán)境科學(xué)的最令人矚目的進(jìn)步依賴(lài)于穩(wěn)定性同位素技術(shù),穩(wěn)定性同位素能夠被用來(lái)解決生態(tài)與環(huán)境科學(xué)的許多問(wèn)題。 包括:

植物如何有效地利用水分(13C)?
植物從土壤哪個(gè)層次獲得水分(18O, 2H)?
植物通過(guò)氮固定或吸收土壤NH4+NO3-獲得氮素相對(duì)比率(15N)?
如何確定土壤中碳和氮周轉(zhuǎn)速率(13C, 15N)?
區(qū)分土壤呼吸釋放CO2的來(lái)源(植物根系或土壤微生物)(13C, 18O
區(qū)分光合和呼吸對(duì)凈生態(tài)系統(tǒng)CO2交換或NEE的相對(duì)貢獻(xiàn)(13C, 18O
區(qū)分蒸騰和蒸發(fā)對(duì)凈生態(tài)系統(tǒng)水交換或蒸散(ET)的相對(duì)貢獻(xiàn)(2H, 18O
如何判定N2O的來(lái)源(硝化細(xì)菌或反硝化細(xì)菌)15N, 18O?
確定食物網(wǎng)初級(jí)消費(fèi)者事物來(lái)源(13C, 34S
確定食物鏈的長(zhǎng)度(15N
如何確定空氣和水體污染物的來(lái)源(15N, 34S, 18O
確定城市能源消耗對(duì)大氣CO2, CO和氮化物的貢獻(xiàn)(13C , 15N, 18O
判斷動(dòng)物如候鳥(niǎo)、蝴蝶等的遷徙路線(18O, 2H
判定人類(lèi)社會(huì)是否以谷物作為食物來(lái)源(13C
確定植物的分布區(qū)域(15N, 18O, 2H



     與其它技術(shù)相比,穩(wěn)定同位素技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于使得這些生態(tài)和環(huán)境科學(xué)問(wèn)題的研究能夠定量化并且是在沒(méi)有干擾(如沒(méi)有放射性同位素的環(huán)境危害)的情況下進(jìn)行。有些問(wèn)題還只能通過(guò)利用穩(wěn)定同位素技術(shù)來(lái)解決。例如,植物在光合作用傾向于吸收含有輕碳同位素(12C)的CO2,其吸收程度受有效水含量和光合途徑影響,水分有效性和光合途徑是干旱或濕潤(rùn)環(huán)境植物的重要特性。因此,植物13C組成能夠在時(shí)間尺度上整合反映植物的水分利用效率。通過(guò)測(cè)量植物莖水2H18O組成,也能夠判定植物對(duì)表層水和深層水的依賴(lài)程度。另一方面,通過(guò)向土壤添加15NH4+,并監(jiān)測(cè)14NH4+對(duì)其稀釋速率,就能夠測(cè)定獨(dú)立于硝化和固持(NH4+消耗過(guò)程)之外的土壤有機(jī)物質(zhì)的礦化速率。通過(guò)在原位添加富含15NNH4+NO3-,并監(jiān)測(cè)土壤中15N14N,就能夠量化每種微生物轉(zhuǎn)化量。

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天津歐捷科技專(zhuān)業(yè)經(jīng)營(yíng)元素分析耗材,同位素分析耗材。



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