稳定同位素分析技术原理及应用

稳定同位素分析技术原理及应用李波＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝IAE主要内容Ò稳定同位素基本概念Ò稳定同位素分析技术Ò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）Ò稳定同位素的应用第一节基本概念Ò同位素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12C、13C和14C，它们都有6个质子和6个电子，而中子数分别为6、7和8。Ò同位素分类稳定同位素（stableisotope）：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（radioactiveisotope）：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：12C、13C为稳定同位素，而14C为放射性同位素。＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝IAE基本概念Ò同位素效应（IsotopeEffects）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。＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝IAEÒ同位素分馏(IsotopeFractionation)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¾植物组织中的13C与12C的比值都普遍小于大气CO2中的13C与12C比值，表明CO2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CO2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。＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝IAE基本概念基本概念＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝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1H（取1H＝1012）或28Si（28Si＝106）的比值表示。IAE②相对丰度指同一元素各同位素的相对含量。例如12C＝98.892％，13C＝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19F＝100％。Ò同位素丰度（IsotopeAbundance）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、13C/12C、34S/32S等。基本概念＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝IAEÒ同位素比值（R值）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＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝IAE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。Òδ值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（IAEA）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：¾组成均一性质稳定；¾数量较多，以便长期使用；¾化学制备和同位素测量的手续简便；¾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基本概念＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝IAEÒ同位素标准（IsotopeStandard）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R值,国际标准HδD2D/1H标准平均大洋海水(SMOW)0.000155752D/1H标准南极轻降水(SLAP)0.000089089Cδ13C13C/12CPeeDeeBelemnite(PDB)[美国南卡罗来纳州白垩纪皮狄组层位中的拟箭石化石]0.0112372Nδ15N15N/14N大气氮气0.0036765Oδ18O18O/16O标准平均大洋海水(SMOW)0.002005218O/16OPeeDeeBelemnite(PDB)[碳酸盐样品氧同位素分析]0.002067118O/16O标准南极轻降水(SLAP)0.0018939Sδ34S34S/32SCanyonDiabloTriolite(CDT)铁陨石中的陨硫铁0.0450045基本概念＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝IAE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（Atompercentexcess），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＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝IAE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14N与15N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15N指的是10.37%的氮。Ò原子百分超（atompercentexcess）＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝IAE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？第二节稳定同位素分析技术Ò稳定同位素比质谱仪IsotopeRatioMassSpectrometers（IRMS）Ò波长扫描光腔衰荡光谱仪Wavelength-scannedcavityringdownspectroscopy（WS-CRDS）＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝IAE根据仪器工作原理，可分为：Ò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。＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝IAEIRMS原理及结构IRMS的基本结构核心部分：进样系统、离子源、质量分析器、离子检测器同位素比质谱仪（IRMS）前处理系统进样系统离子源质量分析器离子检测器数据处理系统电气系统真空系统IRMS原理及结构＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝IAE¾进样系统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。¾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。IRMS原理及结构＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝IAE¾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。¾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。¾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原理及结构＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝IAEIRMS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；⑥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＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝IAEIRMS原理及结构＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝IAE放大器计算机离子源磁场检测器进样系统电压/频率转换器WS-CRDS原理理论依据：几乎所有小的气相分子（如CO2,H2O,NH3）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＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝IAEWS-CRDS基本结构核心部分：进样系统、光源、光反射传递系统、检测器前处理系统进样系统腔室光源检测器数据处理系统反射系统泵及气袋IRMS原理及结构＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝IAE激光二极管第三节现有仪器及配置Ò稳定同位素比值质谱仪（IRMS）①ThermoFinniganDELTAplusXP②MAT253(2台)Ò碳同位素分析仪（WS-CRDS）PicarroiTOC-CRDS＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝IAEEAGCGCCPreConConfloTC/EAIRMS仪器型号：ThermoFinniganDELTAPlusXP连续流在线分析系统IAERIMS配置及检测项目¾FlashEA-IRMS：有机物或无机物（固体、液体）中C、N、S、H、O。¾TC/EA-IRMS：测定水中O的δ值。¾GCC-IRMS：测定有机液体单分子化合物中的C、N的δ值。¾PreCon-IRMS：测定在自然丰度的N2O中N、O的δ值；CH4、CO2中C的δ值。¾GasBenchII-IRMS：碳酸盐中C、O；水中H、O。¾Dualinletsystem-IRMS：S、Si＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝IAEÒ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／CO2CO／C2H4／N2IRMS分析＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝IAEzEA-IRMS13C:样品中C含量＞5μg(最佳50μg)，样品称样量例如:植物(40%C)0.2mg左右；土壤