稳定同位素质谱仪应用技术培训讲义

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生态学研究中的应用
稳定同位素的应用
利用同位素研究植物水分胁迫程度、水分利用效率、水分 来源等 如：植物在光合作用中倾向于吸收含有轻碳同位素（ 12C） 的CO2，其吸收程度受有效水含量和光合途径影响，水分有 效性和光合途径是干旱或湿润环境植物的重要特性。因此， 植物 13C组成能够在时间尺度上整合反映植物的水分利用效 率。通过测定植物体中水2H和18O组成，也能够判定植物对 表层水和深层水的依赖程度。
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生态学研究中的应用
稳定同位素的应用
区分光合和呼吸对生态系统CO2交换的相对贡献(13C, 18O) 区分蒸腾和蒸发对生态系统水交换或蒸散(ET)的相对贡献 (2H, 18O) 判断动物如候鸟、蝴蝶等的迁徙路线（18O, 2H） 稳定同位素分析在昆虫生态、海草生态研究中的应用 土壤养分对作物茎叶稳定碳同位素组成和生物产量的影响
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生态学研究中的应用
稳定同位素的应用
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，而这种分馏的大小与植物的光合 作用类型、遗传特性、生理特点、生长环境 等因素密切相关。
主要研究轻元素（H、O、C、N、S等）稳定同位素在自然界（岩 石圈、土壤圈、水圈、大气圈、生物圈和环境以及星体）的丰度变 化、机理及在各种天然过程中的化学行为，并以此为指导研究天然环 境物质的来源、迁移过程以及经历过的物理化学反应和条件。
研究领域： 固体地球科学（例如：地球动力学、构造地质学、岩石学、 矿床学、矿物学、沉积学）――＞其它各个学科（例如：海洋 学、水文学、冰川学、古气候学、天体化学、考古学、环境科 学、农林业等）甚至――＞生态学、医学、食品安全等学科.
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稳定同位素质谱仪应用技术培训
李
波
主要内容
稳定同位素基本知识 稳定同位素的应用 稳定同位素质谱分析原理 IRMS操作
IRMS主机 EA-Conflo-IRMS PreCon-GC/C-IRMS GCC-IRMS
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生态学研究中的应用
稳定同位素的应用
稳定同位素技术加深了生态学家对生态系统过程 的进一步了解，可以探讨一些其它方法无法研究的问 题。通过使用该技术，可测出许多随时空变化的生态 过程，同时又不会对生态系统的自然状态造成干扰。 在过去的几十年中，生态学中有许多令人瞩目的进步 依赖于稳定性同位素技术，它已能够被用来解决生态 的许多问题。
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R值和δ值（同位素组成的表示方法）
基本概念
① R值 一般定义同位素比值R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。
② δ值
样品（Sa）的同位素比值RSa与一标准物质（St）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（‰）=（RSa/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。
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温室气体研究中的应用
稳定同位素的应用
稳定同位素指标可用于提供大气中痕量气体在各空间尺度 上的释放信息，辩识其源汇，及用于研究痕量气体的全球质 量平衡，它已广泛被应用于研究如CO2、CH4和N2O 等痕量气 体的产出机理、源汇识别和各源贡献率的确定上。 由于存在同位素分馏效应，不同来源的温室气体（如甲 烷）具有不同的同位素特征，各种温室气体源的稳定同位素 组成在很大程度上取决于其产生过程。利用轻元素(C、N、O) 的稳定性同位素比值的变化研究这些微量温室气体的来源和 释放规律。
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第一节 基本概念
什么是同位素（Isotope）
同位素指具有相同质子数和不同中子数的原子。“isotope”一词源于希腊语（原义为 同一个地方），意指同位素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。
C N O
δ13C δ15N δ18O
13C/12C 15N/14N 18O/16O 18O/16O
[美国南卡罗来纳州白垩纪皮狄组层位中的拟箭石化石]
大气氮气 标准平均大洋海水 (SMOW) Pee Dee Belemnite (PDB)
[碳酸盐样品氧同位素分析]
18O/16O
标准南极轻降水(SLAP) Canyon Diablo Triolite (CDT) 铁陨石中的陨硫铁
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农、林业研究中的应用
稳定同位素的应用
肥料的利用/转化途径和利用效率(13C, 15N)--科学施肥 氮素的硝化、反硝化过程(2H, 18O) 光合作用及同化产物的传导和分布研究 利用稳定同位素开展生物固氮方面的研究 农药残留、代谢及降解中的应用 土壤碳氮循环研究：有机质年龄及周转率的测定、 土壤细根年龄测算、土壤呼吸等
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同位素标准（Isotope Standard）
基本概念
δ值的大小显然与所采用的标准有关，所以在作同位素分 析时首先要选择合适的标准，不同样品间的比较也必须采用 同一标准才有意义。 目前国际通用的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 。
同位素分类
稳定同位素（stable isotope）： 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，为稳定同位素 ，已有300个之多。 不稳定同位素或放射性同位素（radioactive isotope）： 凡能自发地放出粒子并衰变 为另一种同位素者为放射性同位素，至今发现1200个以上。 如12C、13C为稳定同位素，而14C为不稳定的“放射性同位素” 。 最常研究的稳定同位素元素有5种：C、H、O、N、S
稳定同位素的应用
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＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝究中的应用
例如： 热作用来源(如生物质燃烧和化石燃料燃烧)的甲 烷δ13C 较大，而通过细菌作用产生的甲烷δ13C较 小。如果所测甲烷样品的 13C较大，可能来源于生物 质或化石燃料燃烧等富13C 的源，反之则可能来源于 细菌等贫13C 的源；不同气体样品的同位素值也可能 是多种源的混合结果，因此利用碳同位素示踪可以得 到有关大气CH4的来源信息。
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温室气体研究的应用
稳定同位素的应用
利用13C研究自然生态系统源汇的周期性季节特征 利用15N、18O判定N2O的来源（硝化细菌或反硝化细菌） 确定城市能源消耗对大气CO2, CO和氮化物的贡献(（13C , 15N, 18O） 利用稳定同位素研究植物N2O释放规律及其与光照度和光 合作用关系
② 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％。
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R值和δ值（同位素组成的表示方法）
树轮宽度的生理影响因子较多，且较复杂；相比而言，树轮 稳定同位素比率的影响因子更容易弄清楚。树轮稳定同位素的 最大优势或许在于树木在生长发育中响应了环境变化，把当时 每年水和空气里的碳、氢、氧萃取表现为树木年轮里同位素比 值的变化，从而为重建过去的环境提供一份“档案”。
树木年轮纤维素稳定同位素研究：树轮纤维素δ13C的气 候意义 利用树木年轮稳定同位素重建某地区相对湿度序列 树轮碳稳定同位素与周边地区旱涝变化关系的研究 树木年轮对气候变化的响应研究：树木年轮中不同组分 稳定碳同位素含量对气候的响应 应用稳定同位素分析古气候及环境条件特征
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农、林业研究中的应用
稳定同位素的应用
稳定同位素技术在农、林业研究中应用较早， 研究范围包括科学施肥、作物营养代谢、生物固 氮、生物工程、农用化学物质对农业环境的影响、 草场生产与管理、饲料配方、水产养殖、林木果 树、人参药材等，取得了很大成绩。
2H/1H 2H/1H
5种环境稳定同位素的国际标准及其绝对同位素比率
国际标准物质 标准平均大洋海水 (SMOW) 标准南极轻降水 (SLAP) Pee Dee Belemnite (PDB)
R值, 国际标 准 0.00015575 0.000089089 0.0112372 0.003676 0.0020052 0.0020672 0.0018939 0.045005
基本概念
由于在自然界中轻同位素（例如12C）的相对丰度很高，而 重同位素（例如13C）的相对丰度都很低，因此用绝对丰度来表 示某种物质的同位素组成比较困难。所以通常使用相对量来表 示同位素的组成，也就是同位素的比率（isotope ratio）或δ 单位表示。 这一表示方法不需要准确确定某一物质同位素的绝对丰 度，为国际上标准的表示方法。另外，同位素的比率δ 的测定 是由同位素比例质谱仪自动换算来完成的。
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同位素丰度（Isotope Abundance）
基本概念
① 绝对丰度：
指某一同位素在所有各种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。
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生态学研究中的应用
稳定同位素的应用
稳定同位素技术在碳、氮平衡和碳、氮循环研究中的应用。 比如：如何确定土壤中碳和氮周转速率(13C, 15N)？ 稳定同位素技术在水通量观测中的应用，如：植物如何有效 地利用水分？植物从土壤哪个层次获得水分(18O, 2H)？ 碳氮在植物体内的分配、转化规律及13C, 15N变化 确定植物的分布区域（15N, 18O, 2H） 碳氮在植物、大气、土壤之间的迁移和生态学过程
S
δ34S
34S/32S
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稳定同位素对于我们做科学研究有什 么作用？它又主要应用在哪些方面呢？
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第二节 稳定同位素的应用
稳定同位素最早应用于地质地球化学
利用稳定同位素研究海洋边界层大气中CH4的空间分布 规律和环境意义 生物气形成过程中CH4碳同位素变化规律的研究；包括 天然气成因碳同位素指标分析 水稻田中甲烷释放通量及碳同位素组成研究
稳定同位素的应用
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树木年轮研究中的应用
对同位素标准物质的一般要求是：
组成均一性质稳定； 数量较多，以便长期使用； 化学制备和同位素测量的手续简便； 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
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＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝ 元素 H δ符 号 δD 测量比 率(R)