1、穩定同位素質譜譚揚2015.11.03目錄01穩定同位素質譜相關知識02IRMS及其外部設備工作原理03樣品處理方法04相關應用穩定同位素質譜相關知識01穩定同位素質譜相關背景知識A同位素：質子數相同，中子數不同的原子（1700余種）穩定同位素：無可測放射性的同位素，自成核以來就保持穩定（260余種）碳元素有 8 種核素同位素 ： 129C、 1210C 、 1211C 、 1214C 、 1215C 、 1216C放射性核素1213C 、 1212C穩定性核素D/H 13C/12C 18O/16O 15N/14N穩定同位素質譜相關背景知識AH2OD216OH216OD218OHD16O3.

2、同位素分餾：同一元素的同位素之間，由于核質量的差別，其物理和化學性質存在微小差別穩定同位素質譜相關背景知識A穩定同位素質譜分析的標準物質由世界各國權威實驗室公認的國際統一標準，并把這些樣品的值人為地設定成 0 。碳、氫、氧、氮和硫的國際公認的同位素標準列入下表，也標出了這些標準物質的絕對同位素豐度。 B穩定同位素質譜分析的標準物質B候選物質具有代表性和適用性 可成批制備，并具備重新復制的特點 最小包裝單元之間及單元內部具有良好的均勻性 在有限期內具有良好的穩定性 測量的平均值即為該標準物質特性量的標準值 具有溯源性的基本特性，為測量在國際范圍具有可比性提供了保證穩定同位素質譜分析的標準物質IA

3、EAGBWIAS國際原子能機構美國地質勘探局美國USGS有證標準物質國家標準物質中國Elemental Microanalysis Ltd英國B穩定同位素質譜分析的標準物質實驗室可以選用不同的標準物質進行樣品同位素比值的測定，但所得的結果必須換算成相對于國際公認的同位素標準的千分差后出具正式的分析報告。表示方法為： 15NAir 13CPDB ； 18OSMOW 或 18OPDB ； DSMOW 34SCDT 0時，Rsa Rst, 即說明樣品比標準 “重” 0時，Rsa Rst，則樣品比標準“輕”BIRMS及其外部設備工作原理02穩定同位素質譜-IRMS-工作原理AEA-IRMSGCisol

4、ink-IRMSGasbench-IRMSPrecon-IRMS穩定同位素質譜-IRMS-工作原理AEA：土壤、沉積物、水Gcisolink：有機物Gasbench：碳酸鹽Precon：氣體外部設備進樣系統離子源質量分析器離子檢測器譜圖顯示IRMSMAT253穩定同位素質譜-IRMS-工作原理A原子質量m與偏轉軌道半徑R成正比洛倫茨定律：離子源磁場接收器穩定同位素質譜-IRMS-工作原理A標準物質1參考氣2待測樣品3校準過程CO2 植物土壤沉積物N2 海水中的氨氮、硝氮植物土壤沉積物H2海水、淡水中的HCO 海水、淡水中的OEA-IRMS的工作原理B13CPDB CO2 15NAir N2 E

5、A-IRMS的工作原理B分離CO2、N2 在線稀釋13CPDB CO2 15NAir N2 EA-IRMS的工作原理BN2CO2N2和CO2的譜圖EA-IRMS的工作原理B分離H2、CO 在線稀釋18OSMOW CO DSMOW H2EA-IRMS的工作原理BH2和CO的譜圖H2COGC-Isolink-IRMS的工作原理C13CPDB CO2 15NAir N2 DSMOW H2GC-Isolink-IRMS的工作原理CGC單元高溫單元通He，在線稀釋CO2、N2、H2 GC-Isolink-IRMS的工作原理C燃燒，將C轉化為CO2，N轉化為N2 GC-Isolink-IRMS的工作原理C

6、高溫裂解，將H轉化為H2 GC-Isolink-IRMS的工作原理C以C為例，每一種化合物中的C轉化為CO2，會得到一個值 有機化合物的譜圖Gas-bench-IRMS的工作原理D13CPDB CO2 Gas-bench-IRMS的工作原理DGas-bench-IRMS的工作原理D碳酸鹽或DIC中CO2的譜圖Precon-IRMS的工作原理E13CPDB （CO2、CH4 ）CO2 15NAir N2O Precon-IRMS的工作原理E將CH4氧化為CO2Precon-IRMS的工作原理E以N2O為例，該峰為CO2雜質峰N2O的譜圖樣品處理方法03土壤、沉積物、植物樣品的處理方法A土壤、沉積

7、物樣品中的C（不含無機碳）、N同位素、植物樣品中的C、N：烘干（不超過60）、磨細（60100目）、錫紙包樣（進樣量為2040gC/次或2040gN/次）土壤、沉積物、植物樣品的處理方法A2. 土壤、沉積物樣品中的C同位素（含有無機碳）：烘干（不超過60）、磨細（60100目）、去除無機碳、錫紙包樣（進樣量為2040gC/次）土壤、沉積物、植物樣品的處理方法A去除無機碳 的適用方法：亞硫酸法: 海洋沉積物鹽酸熏蒸法: 土壤醋酸緩沖溶液法: 湖積物60烘干包樣、測試鹽酸熏蒸法示意圖海水、河水樣品中的氨氮、硝氮B凱氏定氮裝置示意圖蒸餾法：（適用于銨氮、硝氮含量較高的水樣，5mg/L，氨氮直接蒸餾，

8、硝氮在去除完氨氮后，添加達氏合金將硝氮轉化為氨氮后再蒸餾海水、河水樣品中的氨氮、硝氮B氨氮化學法示意圖：NO3-NO2- N2O2. 化學法：（適用于銨氮、硝氮含量較低的水樣，0.510mol/L）氣體樣品C氣體采樣袋：直接采集氣體樣品，不少于100mL頂空瓶：鉗口、聚四氟乙烯墊（樣品需510nmol）水樣中的H、O同位素D需要做植物或土壤中的水樣中氧和氫穩定同位素測定，預先自己抽提出植物或土壤中的水分處理好的水或者雨水、河水等水樣裝在2ml的頂空瓶中，確保水分沒有泄漏和蒸發水裝至瓶頸處，減少水與頂空的交換水樣中的有機碳E4mL樣品加8.5%H3PO4 pH3除無機碳密封樣品加K2S2O8 1

9、0060min冷卻樣品上機測試穩定同位素質譜相關應用04穩定同位素示蹤的優點A由于穩定性核素不發生核衰變，不存在核素的半衰期，因此不受試驗時間和測定時間的限制，只要在稀釋范圍內，可進行長期試驗；1234穩定性核素不產生核輻射，對人體和生物體無放射性危害，沒有輻射效應，十分安全；穩定性同位素示蹤試驗不會對試驗環境產生污染，不存在試驗殘留物處理問題；穩定同位素示蹤技術是現代農業、環境、生態和土壤學研究中一項重要的技術。穩定同位素示蹤的缺點A穩定性同位素示蹤的靈敏度遠較放射性同位素示蹤低。在試驗體系中，常被大量同種元素的自然豐度同位素稀釋，其稀釋倍數不可能很大，所以靈敏度較低；穩定同位素示蹤劑，不但

10、目前品種較少，其價格也較貴。我們最常用的仍然是13C、15N、18O和2H等。現在15N標記物的價格已下降，而13C和18O標記物的售價仍偏高。二、穩定同位素示蹤技術 二、穩定同位素示蹤技術二、穩定同位素示蹤技術二、穩定同位素示蹤技術二、穩定同位素示蹤術環境方面的應用B大氣污染源的研究：溫室氣體（特別是 CO2、CH4和 N2O）的源和匯；監測這些微量氣體的濃度，僅反映它們的整個累積過程，無法確定這些變化的原因。只有精確測定這些氣體的穩定性同位素組成，才能進一步理解這些氣體的源和匯，以及產生這些氣體的機理。環境方面的應用B采集南極法爾茲半島兩個地點的海豹糞土進行試驗研究，結果表明：糞土排放的

11、N2O與當地大氣中的 N2O相比，貧化 15N和18O；N2O 還原成 N2的過程會引起 15N 的富集；高水分含量有利于土壤反硝化作用，使排放的 N2O 富集15N。食品方面的應用C食品安全溯源。同位素溯源技術是國際上目前應用于追溯不同來源食品和實施產地保護的一種直接有效的工具之一，在食品安全研究領域有著廣闊的應用前景；同位素溯源技術是利用生物體內同位素的組成受氣候、環境、生物代謝類型等因素的影響，使不同種類及不同地域來源的食品原料中的同位素自然豐度存在著差異，從而區分出不同種類的產品及其來源。食品方面的應用C蜜源植物都屬C3植物，其純凈天然蜂蜜（Honey）的13CPDB值應在-23.5 -27.5 之間摻入蜂蜜的是一些 C4 植物的富含果