1、稳定同位素质谱谭扬谭扬2015.11.032015.11.03目录稳定同位素质谱相关知识IRMS及其外部设备工作原理样品处理方法相关应用稳定同位素质谱相关知识稳定同位素质谱相关背景知识1.同位素：同位素：质子数相同，中子数不同的原子（质子数相同，中子数不同的原子（1700余种）余种）2.稳定同位素：稳定同位素：无可测放射性的同位素，自成核以来就保持稳无可测放射性的同位素，自成核以来就保持稳定（定（260余种）余种）碳元素有碳元素有 8 种核素同位素种核素同位素：129C、1210C、1211C、1214C、1215C、1216C放射性核素放射性核素1213C、1212C稳定性核素稳定性核素D/
2、H 13C/12C 18O/16O 15N/14N稳定同位素质谱相关背景知识H2OD216OH216OD218OHD16O3.同位素分馏：同位素分馏：同一元素的同位素同一元素的同位素之间，由于核质量的差别，其物理之间，由于核质量的差别，其物理和化学性质存在微小差别和化学性质存在微小差别稳定同位素质谱相关背景知识稳定同位素质谱分析的标准物质由世界各国权威实验室公认的国际统一标准，并把这些样品的值人为地设定成 0。碳、氢、氧、氮和硫的国际公认的同位素标准列入下表，也标出了这些标准物质的绝对同位素丰度。稳定同位素质谱分析的标准物质 候选物质具有候选物质具有代表性代表性和和适用性适用性 可成批制备，并
3、具备可成批制备，并具备重新复制重新复制的特点的特点 最小包装单元之间及单元内部具有良好的最小包装单元之间及单元内部具有良好的均匀性均匀性 在有限期内具有良好的在有限期内具有良好的稳定性稳定性 测量的平均值即为该标准物质特性量的测量的平均值即为该标准物质特性量的标准值标准值 具有具有溯源性溯源性的基本特性，为测量在国际范围具有可比性的基本特性，为测量在国际范围具有可比性提供了保证提供了保证稳定同位素质谱分析的标准物质IAEAGBWIAS国际原子能机构美国地质勘探局美国USGS有证标准物质国家标准物质中国Elemental Microanalysis Ltd英国稳定同位素质谱分析的标准物质实验室可
4、以选用不同的标准物质进行样品同位素比值的测定，但所得的结果必须换算成相对于国际公认的同位素标准的千分差后出具正式的分析报告。表示方法为：15NAir 13CPDB ；18OSMOW 或或 18OPDB；DSMOW 34SCDT 0时，时，Rsa Rst,即说明样品比标准即说明样品比标准“重重”0时，时，Rsa Rst，则样品比，则样品比标标准准“轻轻”IRMS及其外部设备工作原理稳定同位素质谱-IRMS-工作原理 EA-IRMS GCisolink-IRMS Gasbench-IRMS Precon-IRMS稳定同位素质谱-IRMS-工作原理EA：土壤、沉积物、水：土壤、沉积物、水Gcisol
5、ink：有机物：有机物Gasbench：碳酸盐：碳酸盐Precon：气体：气体外部设备外部设备进样系统进样系统离子源离子源质量分析质量分析器器离子检测离子检测器器谱图显示谱图显示IRMSMAT253稳定同位素质谱-IRMS-工作原理VHRemm2251082.4原子质量原子质量m与偏转轨道与偏转轨道半径半径R成正比成正比洛伦茨定律：洛伦茨定律：离子源离子源磁场磁场接收器接收器稳定同位素质谱-IRMS-工作原理标准物质标准物质1参考气参考气2待测样品待测样品3校准过程校准过程 植物植物 土壤土壤 沉积物沉积物CO2 海水中的氨氮、硝氮海水中的氨氮、硝氮 植物植物 土壤土壤 沉积物沉积物N2 海水
6、、淡水中的海水、淡水中的HH2 海水、淡水中的海水、淡水中的OCO EA-IRMS的工作原理13CPDB CO2 15NAir N2 EA-IRMS的工作原理分离分离CO2、N2 在线稀释在线稀释13CPDB CO2 15NAir N2 EA-IRMS的工作原理N2CO2N2和和CO2的谱图的谱图EA-IRMS的工作原理分离分离H2、CO 在线稀释在线稀释18OSMOW CO DSMOW H2EA-IRMS的工作原理H2和和CO的谱图的谱图H2COGC-Isolink-IRMS的工作原理13CPDB CO2 15NAir N2 DSMOW H2GC-Isolink-IRMS的工作原理GC单元单
7、元高温单元高温单元通通He，在线稀释，在线稀释CO2、N2、H2 GC-Isolink-IRMS的工作原理燃烧，将燃烧，将C转化为转化为CO2，N转化为转化为N2 GC-Isolink-IRMS的工作原理高温裂解，将高温裂解，将H转化为转化为H2 GC-Isolink-IRMS的工作原理以以C为例，每一种化合物中的为例，每一种化合物中的C转化为转化为CO2，会得到一个会得到一个值值 有机化合物的谱图有机化合物的谱图Gas-bench-IRMS的工作原理13CPDB CO2 Gas-bench-IRMS的工作原理Gas-bench-IRMS的工作原理碳酸盐或碳酸盐或DIC中中CO2的谱图的谱图P
8、recon-IRMS的工作原理13CPDB（CO2、CH4）CO2 15NAir N2O Precon-IRMS的工作原理将将CH4氧化为氧化为CO2Precon-IRMS的工作原理以以N2O为例，该峰为例，该峰为为CO2杂质峰杂质峰N2O的谱图的谱图样品处理方法土壤、沉积物、植物样品的处理方法1.土壤、沉积物样品中的土壤、沉积物样品中的C（不含无机碳）、（不含无机碳）、N同位素、植物样同位素、植物样品中的品中的C、N：烘干（不超过烘干（不超过60）、磨细（）、磨细（60100目）、目）、锡纸包样（进样量为锡纸包样（进样量为2040gC/次或次或2040gN/次）次）土壤、沉积物、植物样品的处
9、理方法2.土壤、沉积物样品中的土壤、沉积物样品中的C同位素（含有无机碳）：同位素（含有无机碳）：烘干（不超烘干（不超过过60）、磨细（）、磨细（60100目）、目）、去除无机碳去除无机碳、锡纸包样（进样、锡纸包样（进样量为量为2040gC/次）次）土壤、沉积物、植物样品的处理方法去除无机碳去除无机碳 的适用方法：的适用方法：亚硫酸亚硫酸法法:海洋沉积物海洋沉积物 盐酸盐酸熏蒸法熏蒸法:土壤土壤 醋酸醋酸缓冲溶液法缓冲溶液法:湖积物湖积物60烘干烘干包样、测试包样、测试盐酸熏蒸法示意图盐酸熏蒸法示意图海水、河水样品中的氨氮、硝氮凯氏定氮装置示意图凯氏定氮装置示意图1.蒸馏法：蒸馏法：（适用于铵氮
10、、硝氮含量较高的水样，适用于铵氮、硝氮含量较高的水样，5mg/L，氨氮直接蒸馏，硝氮在去除完氨氮后，添加达氏合金将硝氮转氨氮直接蒸馏，硝氮在去除完氨氮后，添加达氏合金将硝氮转化为氨氮后再蒸馏化为氨氮后再蒸馏海水、河水样品中的氨氮、硝氮氨氮化学法示意图：氨氮化学法示意图：NO3-NO2-N2O2.化学法：化学法：（适用于铵氮、硝氮含量较低的水样，（适用于铵氮、硝氮含量较低的水样，0.510mol/L）气体样品1.气体采样袋：直接采集气体样品，不少于气体采样袋：直接采集气体样品，不少于100mL2.顶空瓶：钳口、聚四氟乙烯垫（样品需顶空瓶：钳口、聚四氟乙烯垫（样品需510nmol）水样中的H、O同
11、位素1.需要做植物或土壤中的水样中氧和氢稳定同位素测定，预先需要做植物或土壤中的水样中氧和氢稳定同位素测定，预先自己抽提出植物或土壤中的水分自己抽提出植物或土壤中的水分2.处理好的水或者雨水、河水等水样装在处理好的水或者雨水、河水等水样装在2ml的顶空瓶中，确的顶空瓶中，确保水分没有泄漏和蒸发保水分没有泄漏和蒸发水装至瓶颈处，减少水装至瓶颈处，减少水与顶空的交换水与顶空的交换水样中的有机碳 4mL样品样品 加加8.5%H3PO4 pH3 除无机碳除无机碳 密封样品密封样品 加加K2S2O8 100 60min 冷却样品冷却样品 上机测试上机测试稳定同位素质谱相关应用稳定同位素示踪的优点由于稳定
12、性核素由于稳定性核素不发生核衰变不发生核衰变，不存在核素的半衰，不存在核素的半衰期，因此不受试验时间和测定时间的限制，只要在期，因此不受试验时间和测定时间的限制，只要在稀释范围内，可进行长期试验稀释范围内，可进行长期试验；1234 4稳定性核素稳定性核素不产生核辐射不产生核辐射，对人体和生物体，对人体和生物体无放射性危害，没有辐射效应，十分安全；无放射性危害，没有辐射效应，十分安全；稳定性同位素示踪试验稳定性同位素示踪试验不会对试验环境产不会对试验环境产生污染生污染，不存在试验残留物处理问题，不存在试验残留物处理问题；稳定同位素示踪技术是现代稳定同位素示踪技术是现代农业、环境、生态和土壤学农业
13、、环境、生态和土壤学研究中一项重要的技术研究中一项重要的技术。稳定同位素示踪的缺点 稳定性同位素示踪的稳定性同位素示踪的灵敏度灵敏度远较放射性同位素示踪低。远较放射性同位素示踪低。在试验体系中，常被大量同种元素的自然丰度同位素稀在试验体系中，常被大量同种元素的自然丰度同位素稀释，其稀释倍数不可能很大，所以灵敏度较低；释，其稀释倍数不可能很大，所以灵敏度较低；稳定同位素示踪剂，不但目前稳定同位素示踪剂，不但目前品种较少品种较少，其价格也，其价格也较贵较贵。我们最常用的仍然是我们最常用的仍然是13C、15N、18O和和2H等。现在等。现在15N标记标记物的价格已下降，而物的价格已下降，而13C和和
14、18O标记物的售价仍偏高。标记物的售价仍偏高。二、稳定同位素示踪技术二、稳定同位素示踪技术 二、稳定同位素示踪技术二、稳定同位素示踪技术二、稳定同位素示踪技术二、稳定同位素示踪技术二、稳定同位素示踪技术二、稳定同位素示踪技术二、稳定同位素示踪术二、稳定同位素示踪术环境方面的应用大气污染源的研究：大气污染源的研究：温室气体温室气体（特别是（特别是 CO2、CH4和和 N2O）的源和汇；）的源和汇；监测这些微量气体的浓度，仅反映它们的整个累积过监测这些微量气体的浓度，仅反映它们的整个累积过程，无法确定这些变化的原因。只有精确测定这些气程，无法确定这些变化的原因。只有精确测定这些气体的体的稳定性同位
15、素稳定性同位素组成，才能进一步理解这些气体的组成，才能进一步理解这些气体的源和汇，以及产生这些气体的机理。源和汇，以及产生这些气体的机理。环境方面的应用采集南极法尔兹半岛两个地点的海采集南极法尔兹半岛两个地点的海豹粪土进行试验研究，结果表明：豹粪土进行试验研究，结果表明：粪土排放的粪土排放的 N2O与当地大气中与当地大气中的的 N2O相比，相比，贫化贫化 15N和和18O；N2O 还原成还原成 N2的过程会引起的过程会引起 15N 的的富集富集；高水分含量有利于土壤反硝化高水分含量有利于土壤反硝化作用，使排放的作用，使排放的 N2O 富集富集15N。食品方面的应用u食品安全食品安全溯源溯源。同
16、位素溯源技术是国际上目前应用于。同位素溯源技术是国际上目前应用于追溯不同来源食品和实施产地保护的一种直接有效的追溯不同来源食品和实施产地保护的一种直接有效的工具之一，在食品安全研究领域有着广阔的应用前景；工具之一，在食品安全研究领域有着广阔的应用前景；u同位素溯源技术是利用生物体内同位素的组成受气候、同位素溯源技术是利用生物体内同位素的组成受气候、环境、生物代谢类型等因素的影响，使不同种类及不环境、生物代谢类型等因素的影响，使不同种类及不同地域来源的食品原料中的同地域来源的食品原料中的同位素自然丰度同位素自然丰度存在着差存在着差异，从而区分出不同种类的产品及其来源。异，从而区分出不同种类的产品
17、及其来源。食品方面的应用蜜源植物都属蜜源植物都属C3植物植物，其纯净，其纯净天然蜂蜜（天然蜂蜜（Honey）的）的13CPDB值应在值应在-23.5 -27.5 之间之间掺入蜂蜜的是一些掺入蜂蜜的是一些 C4 植物植物的的富含果糖的玉米和甘蔗糖浆富含果糖的玉米和甘蔗糖浆（HFCS），它们的），它们的13CPDB值在值在-12.517.5食品方面的应用u 我国多种蜂蜜的我国多种蜂蜜的13CPDB 值的范围值的范围 酒中的乙醇酒中的乙醇13C、2H、18O食品方面的应用 根据同位素的比值判断根据同位素的比值判断植物源产植物源产品的产地品的产地，如果汁、葡萄酒和丹，如果汁、葡萄酒和丹参等；参等；根据根据13C和和15N值判断值判断动物源动物源产品的产地和饲料来源产品的产地和饲料来源，如区分，如区分和判别常规养殖的牛肉和有机养和判别常规养殖的牛肉和有机养殖的牛肉等。殖的牛肉等。THANKSTHANKS
