稳定同位素质谱 谭扬 2015.11.03

目录 01 稳定同位素质谱相关知识 02 IRMS及其外部设备工作原理 03 样品处理方法 04 相关应用

01 稳定同位素质谱 相关知识

A 稳定同位素质谱相关背景知识 同位素：质子数相同，中子数不同的原子（1700余种） 稳定同位素：无可测放射性的同位素，自成核以来就保持稳定（260余种） 碳元素有 8 种核素同位素 ： 129C、 1210C 、 1211C 、 1214C 、 1215C 、 1216C放射性核素 1213C 、 1212C稳定性核素 D/H 13C/12C 18O/16O 15N/14N

A 稳定同位素质谱相关背景知识 3. 同位素分馏：同一元素的同位素之间，由于核质量的差别，其物理和化学性质存在微小差别 H216O D216O H216O D218O HD16O 3. 同位素分馏：同一元素的同位素之间，由于核质量的差别，其物理和化学性质存在微小差别

A 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 B 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δ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。

B 稳定同位素质谱分析的标准物质 候选物质具有代表性和适用性 可成批制备，并具备重新复制的特点 最小包装单元之间及单元内部具有良好的均匀性 在有限期内具有良好的稳定性 测量的平均值即为该标准物质特性量的标准值 具有溯源性的基本特性，为测量在国际范围具有可比性 提供了保证

Elemental Microanalysis Ltd 稳定同位素质谱分析的标准物质 B 有证标准物质 IAEA GBW USGS IAS 国际原子能机构 美国 地质勘探局 美国 国家标准物质 中国 Elemental Microanalysis Ltd 英国

B 稳定同位素质谱分析的标准物质 δ15NAir ‰ δ13CPDB ‰ ； δ18OSMOW ‰ 或 δ18OPDB ‰； 实验室可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： δ15NAir ‰ δ13CPDB ‰ ； δ18OSMOW ‰ 或 δ18OPDB ‰； δDSMOW ‰ δ34SCDT ‰ δ ＞0时，Rsa ＞Rst, 即说明样品比标准 “重” δ ＜0时，Rsa ＜Rst，则样品比标准“轻”

02 IRMS及其外部设备 工作原理

稳定同位素质谱-IRMS-工作原理 A EA-IRMS GCisolink-IRMS Gasbench-IRMS Precon-IRMS

A 稳定同位素质谱-IRMS-工作原理 EA：土壤、沉积物、水 Gcisolink：有机物 Gasbench：碳酸盐 Precon：气体 外部设备 进样系统 离子源 质量分析器 离子检测器 谱图显示 IRMS MAT253

稳定同位素质谱-IRMS-工作原理 A 洛伦茨定律： 接收器 磁场 原子质量m与偏转轨道 半径R成正比 离子源

A H2 CO CO2 N2 稳定同位素质谱-IRMS-工作原理 校准过程 标准物质 δ1 参考气 δ2 待测样品 δ3 海水、淡水中的H 植物 土壤 沉积物 CO2 海水中的氨氮、硝氮 N2

EA-IRMS的工作原理 B δ13CPDB ‰ →CO2 δ15NAir ‰ →N2

EA-IRMS的工作原理 B δ13CPDB ‰ →CO2 δ15NAir ‰ →N2 在线稀释 分离CO2、N2

EA-IRMS的工作原理 B N2 CO2 N2和CO2的谱图

EA-IRMS的工作原理 B δ18OSMOW ‰ →CO δDSMOW ‰ →H2 在线稀释 分离H2、CO

EA-IRMS的工作原理 B H2 CO H2和CO的谱图

δ13CPDB ‰ →CO2 δ15NAir ‰ →N2 δDSMOW ‰ →H2 GC-Isolink-IRMS的工作原理 δ13CPDB ‰ →CO2 δ15NAir ‰ →N2 δDSMOW ‰ →H2

C GC-Isolink-IRMS的工作原理 高温单元 通He，在线稀释CO2、N2、H2 GC单元

C GC-Isolink-IRMS的工作原理 燃烧，将C转化为CO2，N转化为N2

C GC-Isolink-IRMS的工作原理 高温裂解，将H转化为H2

以C为例，每一种化合物中的C转化为CO2， GC-Isolink-IRMS的工作原理 有机化合物的谱图 以C为例，每一种化合物中的C转化为CO2， 会得到一个δ值

D Gas-bench-IRMS的工作原理 δ13CPDB ‰ →CO2

D Gas-bench-IRMS的工作原理

D Gas-bench-IRMS的工作原理 碳酸盐或DIC中CO2的谱图

E Precon-IRMS的工作原理 δ13CPDB ‰（CO2、CH4 ）→CO2 δ15NAir ‰ →N2O

E Precon-IRMS的工作原理 将CH4氧化为CO2

E Precon-IRMS的工作原理 N2O的谱图 以N2O为例，该峰 为CO2杂质峰

03 样品处理方法

A 土壤、沉积物、植物样品的处理方法 土壤、沉积物样品中的C（不含无机碳）、N同位素、植物样品中的C、N：烘干（不超过60℃）、磨细（60~100目）、锡纸包样（进样量为20~40μgC/次或20~40μgN/次）

A 土壤、沉积物、植物样品的处理方法 2. 土壤、沉积物样品中的C同位素（含有无机碳）：烘干（不超过60℃）、磨细（60~100目）、去除无机碳、锡纸包样（进样量为20~40μgC/次）

A 土壤、沉积物、植物样品的处理方法 去除无机碳 的适用方法： 亚硫酸法: 海洋沉积物 盐酸熏蒸法: 土壤 醋酸缓冲溶液法: 湖积物 60℃烘干 包样、测试 盐酸熏蒸法示意图

B 海水、河水样品中的氨氮、硝氮 蒸馏法：（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化为氨氮后再蒸馏 凯氏定氮装置示意图

B 海水、河水样品中的氨氮、硝氮 2. 化学法：（适用于铵氮、硝氮含量较低的水样，0.5~10μmol/L） 氨氮化学法示意图：NO3-→NO2- → N2O

C 气体样品 气体采样袋：直接采集气体样品，不少于100mL 顶空瓶：钳口、聚四氟乙烯垫（样品需5~10nmol）

D 水样中的H、O同位素 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 处理好的水或者雨水、河水等水样装在2ml的顶空瓶中，确保水分没有泄漏和蒸发 水装至瓶颈处，减少 水与顶空的交换

E 水样中的有机碳 冷却样品 上机测试 4mL样品 加8.5%H3PO4 pH＜3 除无机碳 密封样品 加K2S2O8 100℃ 60min

04 稳定同位素质谱 相关应用

A 稳定同位素示踪的优点 4 3 2 1 稳定同位素示踪技术是现代农业、环境、生态和土壤学研究中一项重要的技术。 稳定性同位素示踪试验不会对试验环境产生污染，不存在试验残留物处理问题； 1 稳定性核素不产生核辐射，对人体和生物体无放射性危害，没有辐射效应，十分安全； 由于稳定性核素不发生核衰变，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，只要在稀释范围内，可进行长期试验；

A 稳定同位素示踪的缺点 稳定性同位素示踪的灵敏度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，不但目前品种较少，其价格也较贵。我们最常用的仍然是13C、15N、18O和2H等。现在15N标记物的价格已下降，而13C和18O标记物的售价仍偏高。

二、稳定同位素示踪技术 根据要求准备以5个方面向大家汇报 44

二、稳定同位素示踪技术 根据要求准备以5个方面向大家汇报 45

二、稳定同位素示踪技术 根据要求准备以5个方面向大家汇报 46

二、稳定同位素示踪技术 根据要求准备以5个方面向大家汇报 47

二、稳定同位素示踪术 根据要求准备以5个方面向大家汇报 48

B 环境方面的应用 大气污染源的研究：温室气体（特别是 CO2、CH4和 N2O）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程，无法确定这些变化的原因。只有精确测定这些气体的稳定性同位素组成，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。

B 环境方面的应用 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： 粪土排放的 N2O与当地大气中的 N2O相比，贫化 15N和18O； N2O 还原成 N2的过程会引起 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。

C 食品方面的应用 食品安全溯源。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工具之一，在食品安全研究领域有着广阔的应用前景； 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，使不同种类及不同地域来源的食品原料中的同位素自然丰度存在着差异，从而区分出不同种类的产品及其来源。

C 食品方面的应用 蜜源植物都属C3植物，其纯净天然蜂蜜（Honey）的δ13CPDB‰值应在-23.5 ‰ ~ -27.5 ‰之间 掺入蜂蜜的是一些 C4 植物的富含果糖的玉米和甘蔗糖浆（HFCS），它们的δ13CPDB‰值在 -12.5‰~17.5‰

C 食品方面的应用 我国多种蜂蜜的δ13CPDB ‰值的范围

C 食品方面的应用 酒中的乙醇 δ13C、δ2H、δ18O 根据同位素的比值判断植物源产品的产地，如果汁、葡萄酒和丹参等； 根据δ13C和δ15N值判断动物源产品的产地和饲料来源，如区分和判别常规养殖的牛肉和有机养殖的牛肉等。

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