3稳定性同位素分析

1第三章稳定性同位素分析2复习以前的内容•核物理与辐射防护基本知识；•放射性测量固体闪烁仪液体闪烁仪•稳定同位素分析3第一节稳定性同位素的基本概念4稳定同位素是指某元素中不发生或极不易发生放射性衰变(半衰期1015年的放射性核素)的核素。历史：汤姆生（Ne）、阿斯顿（质谱仪）简介5•原子核的稳定性，是指原子核不会自发地改变其质子数、中子数和它的基本性质。按原子核的稳定性可分为稳定原子核和不稳定(或放射性)原子核两类。•原子核的结合能•原子核的结合能非常大，所以一般原子核都是非常稳定的系统。然而，不同原子核的稳定程度不同。•结合能与原子核内核子之比，称为比结合能•核子的比结合能越大，原子核就愈稳定。一、原子的稳定性6•1、原子核中的质子数等于和大于84（钋）的原子核是不稳定的。即原子序数84以后的元素均为放射性元素。•2、具有少于84个质子的原子核，质子数和中子数均为偶数时，其核稳定。•3、质子数或中子数等于2，8，20，28，50，82，126的原子核特别稳定。这些数称为幻数。质子数和中子数都是幻数，称为双幻数核。•4.中子数和质子数之比n／p，在Z＜20（钙）时n／p=1，原子核稳定。随着原子序数增加，n／p值增大，比值越大，稳定性越差。7•5、质子数Z的稳定范围在1-83（铋）,但没有Z=43（锝）、61（钷）的稳定核素。•6、核子数A的稳定范围在1-209，但没有A=5、8的稳定核素。•7、中子数N的稳定范围在0-126，其中没有N=19、21、35、39、45、61、89、115、123的稳定核素。8同位素分布图解9同位素丰度元素中某种同位素的含量。•自然界中存在的某一元素的各种同位素的相对含量(以原子百分计)。•氢的同位素丰度：1H=99.985％，2H=0.015％；氧的同位素丰度：16O=99.76％，17O=0.04％，18O=0.20％。•同位素组成存在一定范围的涨落，天然物质中，较重元素相对恒定。轻元素不断地分离，由于衰变某些元素的的同位素不断产生或消灭。二、同位素的组成10•绝对丰度：指某一种同位素在所有稳定同位素总量中的相对份额。•相对丰度：指同一元素各同位素的相对含量。如12C=98.90％。•同位素丰度有以下规律：•①原子序数在27（钴）号以前的元素中，往往有一种同位素的丰度占绝对优势。如14N为99.64％，15N为0.36％。大于27号的元素同位素的丰度趋向于平均，如锡的10种天然同位素中丰度最大的是120Sn，为32.4％。•②原子序数为偶数的元素中，往往是偶数中子数同位素的丰度大。如硫的天然同位素中，32S，33S，34S，36S，其大致丰度为95.02％，0.75％，4.21％，0.02％。11•同位素分离是研究同一元素的不同同位素之间的分离，被分离的同位素应属同一原子序数的同一元素，例如235U和238U的分离，1H、2H、和3H间的分离。•(1)直接利用同位素质量差别，如电磁分离，离心分离；•(2)利用平衡分子传递性质的差别；如扩散、热扩散、离子迁移，分子蒸馏；•(3)利用热力学性质上的差别(化学平衡和相平衡)，如精馏、化学交换、萃取、吸收、吸附、离子交换、结晶；•(4)利用同位素化学反应动力学性质上的差别，如电解、光化学分离(包括激光分离)。三、同位素分离12第二节稳定性核素分析技术简介13•13C、18O、15N等分析技术广泛应用于生物、医学、环保、农药等领域。•稳定性核素分析通常是指对样品中被研究元素的同位素丰度的测定，如15N标记的L色氨酸、13C标记的呼气试验。•稳定性同位素探测技术SIP，如质谱法、核磁场共振、光谱法、气相色谱法、中子活化法。14质谱分析法（MS）是将分析样品离子化，使带正电的离子加速并在电磁场的作用下，按不同的质荷比(m/z)分开，形成相应的质谱图。根据质谱峰出现的位置，可进行定性分析，根据质谱峰的强度可进行定量分析。一、质谱分析15概述generalization分子质量精确测定与化合物结构分析的重要工具；第一台质谱仪：1912年；早期应用：原子质量、同位素相对丰度等；40年代：高分辨率质谱仪出现，有机化合物结构分析；60年代末：色谱-质谱联用仪出现，有机混合物分离分析；促进天然有机化合物结构分析的发展；同位素质谱仪；无机质谱仪；有机质谱仪；m/z1529435785991131427116质谱法的特点●信息量大，应用范围广，是研究有机化学和结构的有力工具。●由于分子离子峰可以提供样品分子的相对分子量的信息，所以质谱法也是测定分子量的常用方法。●分析速度快、灵敏度高、高分辨率的质谱仪可以提供分子或离子的精密测定。●质谱仪器较为精密，价格较贵，工作环境要求较高，给普及带来一定的限制。●信息量大，应用范围广，是研究有机化学和结构的有力工具。●由于分子离子峰可以提供样品分子的相对分子量的信息，所以质谱法也是测定分子量的常用方法。●分析速度快、灵敏度高、高分辨率的质谱仪可以提供分子或离子的精密测定。●质谱仪器较为精密，价格较贵，工作环境要求较高，给普及带来一定的限制。17质谱仪1.进样系统2.离子源3.质量分析器4.离子检测器5.记录器6.真空系统18质谱仪与质谱分析原理massspectrometerandmassspectrometry进样系统离子源质量分析器检测器1.气体扩散2.直接进样3.气相色谱1.电子轰击2.化学电离3.场致电离4.激光1.单聚焦2.双聚焦3.飞行时间4.四极杆质谱仪需要在高真空下工作：离子源（10-310-5Pa）质量分析器（10-6Pa）(1)大量氧会烧坏离子源的灯丝；(2)用作加速离子的几千伏高压会引起放电；(3)引起额外的离子－分子反应，改变裂解模型，谱图复杂化19原理与结构电离室原理与结构仪器原理图2021•有机质谱仪：•气相色谱质谱联用仪GC-MS•液相色谱-质谱联用仪LC-MS：液相色谱仪经接口与质谱计结合而构成的液相色谱－质谱法的分析仪器。•其他有机质谱质谱仪质谱仪的种类22无机质谱仪•火花源双聚焦质谱仪•感应耦合等离子体质谱仪ICP-MS：一种高灵敏度的痕量分析仪器。利用ICP产生的离子进行质谱分析，从而完成元素定性、半定量和定量分析的测定。括能分析难测定元素，即稀土元素，贵金属，铀等、能与色谱分析联用进行元素形态分析等优点。•二次离子质谱仪SIMS：这是用来检测材料的一种仪器，即是利用离子束把待分析的材料从表面溅射出来，然后再检测出离子组分并进行质量分析。23•单聚焦磁场分析器•双聚焦分析器•四极杆质谱仪•飞行时间质谱仪•离子阱质谱仪•傅立叶变换质谱仪24①单聚焦磁场分析器收集器离子源BS1S2磁场R方向聚焦；相同质荷比，入射方向不同的离子会聚；分辨率不高25②双聚焦分析器离子源收集器磁场S1S2+-方向聚焦：相同质荷比，入射方向不同的离子会聚；能量聚焦：相同质荷比，速度(能量)不同的离子会聚；质量相同，能量不同的离子通过电场和磁场时，均产生能量色散；两种作用大小相等，方向相反时互补实现双聚焦；2619:40:23LC-MS(四极杆)联用仪器结构示意图27离子阱质量分析器特定m/z离子在阱内一定轨道上稳定旋转，改变端电极电压，不同m/z离子飞出阱到达检测器；2819:40:23LC-MS(离子阱)联用仪器结构示意图2930碎片离子峰fragmentionpeaks一般有机化合物的电离能为7－13电子伏特，质谱中常用的电离电压为70电子伏特，使结构裂解，产生各种“碎片”离子。H3CCH2CH2CH2CH2CH315712957434357297115H3CCH2CH2CH2CH2CH3H3CCH2CH2CH2CH2CH3H3CCH2CH2CH2CH2CH3H3CCH2CH2CH2CH2CH3CH3CH2CH2CH2CH2CH31529435771正己烷31碎片离子峰H3CCCH3CH3H3CCHCH3H3CCH2CH3m/z15294357859911314271正癸烷3219:40:23碎片离子峰3319:40:23碎片离子峰142140127125105711581567751110108959381792766645149292829C2H5ClC2H5BrBrClC2H53419:40:23碎片离子峰2943577186M30405060708090H3CCH2CH2CH2H3CCCH3CH357H3CCH2CH2H3CCHCH343M=8635直链烷烃1615m/zmethaneM=16饱合烃的质谱图alkanesm/z1529435785991131427136环烷烃M=84Cyclohexane84(M)56(C4H8+)41(C3H5+)1008090100605030204070%OFBASEPEAK0204060801001030507090110037M=9898(M)1008090100605030204070%OFBASEPEAK02040608010010305070901108369554129MethylCyclohexaneCH3m/z=98m/z=833884(M)0204060801001030507090110695541271008090100605030204070%OFBASEPEAKCHCH3CCH3CH2CH3CHCH3CCH3CHCH3CCH3CH2CH3CH2CH3m/z=69m/z=5539质谱分析在分子生物学和医药学中的应用1.蛋白质和多肽的相对分子质量的测定2.肽谱测定3.肽序列的测定4.多糖结构的测定5.寡核苷酸和核酸的分析6.药物代谢7.微生物鉴定8.其他应用40将已知质量和丰度的浓缩稳定同位素作为稀释剂加入样品中，均匀混合，用质谱仪测定混合前后同位素丰度的变化，由此计算出样品中该元素含量的方法。例如测定样品中的Cu，先在样品中加入已知量的65Cu为稀释剂，改变了原样中65Cu和63Cu的丰度。测定原样在加入稀释剂后的63Cu与65Cu质量之比，即可求出原样中Cu的浓度。该法的优点是不需要对被测元素进行定量分离，加入稀释剂且同位素达到平衡以后的处理过程中的损失对分析结果无影响。由于是根据同位素比值的测定来求含量，而比值的测定很少受到基本效应和仪器条件变化的影响，因而该法是一种准确度和精度高的方法。二、同位素稀释质谱法IDMS41由于构成有机体主要元素稳定同位素2H、13C、15N、17O、33S的核自旋量子数不为零，在外磁场作用下，这些原子核会像陀螺一样进动，若此时在磁场垂直方向加一个射频电场，当其频率同样这些原子核进行动频率相同时，即出现共振吸收现象，核自旋取向改变，产生从低能级到高能级的跃迁；再回到低能级时就放出一定的能量，使核磁共振能谱上出现峰值，此峰的位置是原子核种类的标征。三、核磁共振法42核磁共振法鉴别不饱和聚酯树脂43光谱法是基于物质与辐射能作用时，测量由物质内部发生量子化的能级之间的跃迁而产生的发射、吸收或散射辐射的波长和强度进行分析的方法。四、光谱法44红外光谱法•红外光谱法分子吸收光谱的一种。利用物质对红外光区的电磁辐射的选择性吸收来进行结构分析及对各种吸收红外光的化合物的定性和定量分析的一法。被测物质的分子在红外线照射下，只吸收与其分子振动、转动频率相一致的红外光谱。对红外光谱进行剖析，可对物质进行定性分析。化合物分子中存在着许多原子团，各原子团被激发后，都会产生特征振动，其振动频率也必然反映在红外吸收光谱上。据此可鉴定化合物中各种原子团，也可进行定量分析。45傅里叶红外光谱仪A37046原子发射光谱法原子发射光谱，是依据各种元素的原子或离子在热激发或电激发下，发射特征的电磁辐射，而进行元素的定性与定量分析的方法，是光谱学各个分支中最为古老的一种。分为：火焰光度法、原子荧光、X射线荧光特点：1.多元素同时检出能力强；2.分析速度快；3.选择性好；4.检出限低；5.用ICP光源时，准确度高，标准曲线的线性范围宽；6.样品消耗少4748原子吸收光谱法当有辐射通过自由原子蒸气，且入射辐射的频率等于原子中的电子由