1、讲讲 座座付付 昀昀20132013年年3 3月月14 14日日 同位素质谱仪原理同位素质谱仪原理 生态学中应用生态学中应用 同位素？同位素？原子、中子和同位素原子、中子和同位素H11H21H311 质子,1 电子(D)1 质子,1 中子,1 电子(Tritium)1 质子,2 中子,1 电子一、一、同位素的概念和原理同位素的概念和原理同位素？同位素？一个原子或离子的质量主要在原子核一个原子或离子的质量主要在原子核 质子中子电子带一个正电荷并且有一个原子的质量.它的实际质量 近似为 10-24g.带一个零电荷并且有一个原子的质量.它的实际质 量 近似为 10-24g带一个负电荷，只有一个为质子
2、的 onl1/2000th质量质子数和中子数的总和=原子量原子数=质子数C,C126136CarbonOxygenSulphurHydrogenNitrogenH11H21C126C136N147N157S3216S3316S3416S3616O168O178O18899.9840.0156020406080100%99.6350.365020406080100%98.8921.108020406080100%99.7590.0370.204020406080100%95.020.764.2100.014020406080100%稳定同位素的自然丰度稳定同位素的自然丰度H31C146各种同位素
3、的各种同位素的Delta值的标准值的标准HO:SMOW 大洋水（大洋水（Standard Mean Ocean Water）D/H=（155.76 0.10）10-6 D,SMOW=0（DSMOW=0）18O/16O=(2005.2 60)10-6 18O,SMOW=0（18OSMOW =0）C:PDB 美国南卡罗来纳州白垩纪皮狄组层位中的拟箭石化石美国南卡罗来纳州白垩纪皮狄组层位中的拟箭石化石（Peedee Belemnite）13C/12C=(11237.2 93)10-6 13C,PDB=0（13CPDB=0）N:Air 空气中氮气为标准空气中氮气为标准（Air）15N/14N=(367
4、6.5 60)10-6 15N,Air=0（15NAir=0）S:CDT 选用选用Canyon Diablo铁陨石中的陨硫铁铁陨石中的陨硫铁(Troilite)为为标准物质标准物质 34S/32S=0.0450045 93 34S,CDT=0（34SCDT=0）同位素比值同位素比值:非常小的值非常小的值13C/12C PDB=0.01123713C/12C SAMPLE=0.01124813C=+1 变化变化 vs PDB13C/12C SAMPLE=0.01122613C=-1 变化变化 vs PDB 国际通用的参考物质国际通用的参考物质(PDB)举例举例 (13C/12Csam-13C/1
5、2CPDB)x 100013C/12CPDB Delta （千分值）（千分值）=自然界碳同位素变化自然界碳同位素变化稳定 IRMS只分析化学稳定的同位素，无放射性。主要分析的稳定同位素有：2H13C15N18O 34S上述同位素一般转化为如下气体引入IRMS，所以也可以叫气体同位素质谱仪：H2CO2N2CO SO2比 IRMS测量较重同位素对较轻同位素的比率，以CO2为例：IRMS分析的比率：45/44 和 46/44稳定同位素比质谱仪稳定同位素比质谱仪IRMSIsotope Ratio Mass Spectrometer稳定同位素质谱分析稳定同位素质谱分析测量过程测量过程氧化燃烧还原氧化燃烧
6、还原H2OCO2SO2N2444546CO212C16O2+12C16O17O+,13C16O2+12C16O18O+,13C16O17O+Multiple DetectorsCOH2高温裂解高温裂解IsoPrime100 IRMSIsoPrime100 IRMSIonisation SourceFaraday CollectorsMagnet Separation所有IRMS系统中最大的线性范围实用的无限制放大器 范围增加10倍可轻松分析微量样品，无需对分析精度妥协Ability to analyse very high C:N:S ratios without need for dilut
7、ion不需稀释，直接分析高C:N:S比的样品自动增益转换进行附近同位素样品分析无需转换放大器自动高阻检测即插即用的高阻具有优秀的系统弹性可升级的多接收器阵列简单增加分析接收通道，实现多接收器应用要求仪器诊断套件完整的诊断软件，用户可自定义参数，对测试系统性能可选择的放大器抽真空系统可对放大器部分抽真空，获得极低的噪声，并内置压力和温度传感器100V 前置放大器前置放大器IsoPrimeIsoPrime100100V0V10V50V最具智能化的IRMS前置放大器IonVantage 软件软件新版软件提供给用户最具灵活性的EA-IRMS系统IsoPrime100与Elementar研发的新元素分析
8、仪套件相连接IonVantage IRMS软件可智能，直观的计算机控制EA“一次运行”样品程序和分析结果同步功能自动检漏功能和方法设计Isoprime 100+EA vario PYRO cubevario PYRO cubeEA diluterElemental Analyser固体和液体的批量分析固体和液体的批量分析CHNS 顺序分析顺序分析CNS&OH 高温分析高温分析TraceGas痕量痕量N2O,CO2 和和 CH4大气样品分析大气样品分析,硝酸还原微生物方法硝酸还原微生物方法GCd d13C,d d15N,d dD and d d18O 单体单体烃同位素比值烃同位素比值（由由 GC
9、分离分离得到）得到）土壤土壤农业环境农业环境(古环境古环境)海洋海洋水文地理水文地理大气大气 气候变化气候变化生态生态生物地球化学循环生物地球化学循环地质地质食品掺假食品掺假兴奋剂检测兴奋剂检测石油化工石油化工临床生物学临床生物学法医鉴定法医鉴定二二、稳定同位素质谱的应用稳定同位素质谱的应用陆地生态系统的稳定陆地生态系统的稳定碳碳同位素变化同位素变化陆地生态系统的稳定陆地生态系统的稳定氮氮同位素变化同位素变化水气输送过程中水气输送过程中氢氢氧氧同位素变化同位素变化纬度效应、大陆效应、海拔效应、季节效应纬度效应、大陆效应、海拔效应、季节效应18O=0-13-15-17-3-51、植物光合作用类型
10、的判定；、植物光合作用类型的判定；2、氮氮分配与利用：分配与利用：15N标记方法标记方法；3、植物水分利用效率的测定；、植物水分利用效率的测定；4、植物水分胁迫程度的指示；、植物水分胁迫程度的指示；5、植物水分来源的研究；、植物水分来源的研究；6、同位素在食物链研究中应用同位素在食物链研究中应用1、植物植物光合作用光合作用类型，鉴别光合途径类型，鉴别光合途径13CO2+H12CO-3 CO2+H13CO-2022-8-6Food Analysis202 2、氮氮分配与利用：分配与利用：1515NN标记方法标记方法1、地上部分：测定植株地上部分（茎、叶、果实等）的重量（g）、N%、15N的同位素
11、丰度（atom%，即APC值）；2、地下部分：测定植株的根的重量（g）、N%、15N的同位素丰度（atom%）；3、土壤各组成成分：包括定时测定土壤中的15N残留、淋溶作用和气体损失的15N（主要是N2O、NH3测其体积、浓度和15N同位素丰度）追踪示踪剂追踪示踪剂15N的去向，的去向，研究研究N分配与分配与利用效率利用效率1、植株来自示踪示踪15N的%Ndff=植株中15N原子百分超/示踪示踪15N原子百分超100%；2、植株来自示踪示踪15N的量 Ndff kg/hm2=植物吸氮量 kg/hm2 植物%Ndff3、N利用率%=植物 Ndff kg/hm2/施氮量 kg/hm2 100%Ag
12、rar-AnalyseChemische AnalyseBrennstoff-AnalyseIsotopen-AnalyseUmwelt-AnalyseVerbrauchsmaterialien3 3、植物水分利用效率的测定、植物水分利用效率的测定植物的 13C 值：13C p=13Ca-a-(b-a)Ci/Ca13C p：植物组织的碳同位素比率13Ca：大气CO2 的碳同位素比率a,b：CO2 扩散和羧化过程中的同位素分馏Ci,Ca：细胞间及大气的CO2 浓度A：光合速率E：蒸腾速率W：叶内外水汽压之差WUE：水分利用效率WUE=A/E=(Ca-Ci)/1.6WWUE=(13Ca-13Cp-
13、b)/1.6W Ca(a-b)4 4、1313C C指示指示植物胁迫程度植物胁迫程度刘国利等，刘国利等，2010.水分胁迫下紫花苜蓿的水分利用效率水分胁迫下紫花苜蓿的水分利用效率5 5、植物水分来源、植物水分来源同一地区各类植物不同的水分来源同一地区各类植物不同的水分来源植物水分来源植物水分来源 消费者的氮稳定性同位素（15N）相对其食物的15N发生3-4的富集。消费者相对其食物的15N稳定的富集作用可以用于评价生物的营养级位置，其公式为：式中15Nbase为生态系统食物网的初级生产者或初消费者的氮稳定性同位素比率（即=1时，15Nbase为初级生产者15N，而当=2时，15Nbase为初级消
14、费者15N）15Nconsumer为消费者的氮稳定性同位素比率，15N为营养级传递过程中的富集值（平均值约为3.4）。6.6.同位素在食物链研究中应用同位素在食物链研究中应用 -食物网结构和营养级关系同位素其他方面的应用同位素其他方面的应用2.区分光合和呼吸对净生态系统区分光合和呼吸对净生态系统CO2交换或交换或NEE的相对贡献（的相对贡献（13C判定）判定）3.区分蒸腾和蒸发对净生态系统水交换或蒸散（区分蒸腾和蒸发对净生态系统水交换或蒸散（ET）的相对贡献（）的相对贡献（2D,18O）4.判定判定N2O的来源（硝化细菌或反硝化细菌）（的来源（硝化细菌或反硝化细菌）（15N，18O）5.如何确定空气和水体污染物的来源（如何确定空气和水体污染物的来源（15N,34S,18O）6.确定城市能源消耗对大气确定城市能源消耗对大气CO2 CO和氮化物的贡献（和氮化物的贡献（13C,15N,18O）7.判定史前人类社会是否以谷物作为食物来源（判定史前人类社会是否以谷物作为食物来源（13C）1.区分土壤呼吸释放区分土壤呼吸释放CO2的来源（植物根系或土壤微生物）（的来源（植物根系或土壤微生物）（13C,18O）28
