稳定同位素技术原理介绍

什么是稳定同位素？

　　由于原子核所含有的中子数不同，具有相同质子数的原子具有不同的质量，这些原子被称为同位素。例如，碳的3个主要同位素分别为¹²C、¹³C和¹⁴C，它们都有6个质子和六个电子，但中子数则分别为6、7和8。与质子相比，含有太多或太少中子均会导致同位素的不稳定性，如¹⁴C。这些不稳定的“放射性同位素"将会衰变成稳定同位素。而¹²C和¹³C则因为质子和中子所*的稳定结合，不发生衰变，即为稳定同位素。

稳定同位素含量如何测量？

　　在生态学和环境科学研究中的是碳、氮、硫、氧和氢的稳定同位素，这些稳定性同位素可以通过气体同位素比率质谱分析法测得。首先将样品转化成气体（如CO₂，N₂，SO₂或H₂），在离子源中将气体分子离子化（从每个分子中剥离一个电子，导致每个分子带有一个正电荷），接着将离子化气体打入飞行管中。飞行管是弯曲的，磁铁置于其上方，带电分子依质量不同而分离，含有重同位素的分子弯曲程度小于含轻同位素的分子。在飞行管的末端有一个法拉第收集器，用以测量经过磁体分离之后，具有特定质量的离子束强度。

　　以CO₂为例，需要有三个法拉第收集器来收集质量分别为44、45和46的离子束。不同质量离子同时收集，从而可以精确测定不同质量离子之间的比率。

　　图 CO₂的三个最常见质量——44（¹²C,¹⁶O,¹⁶O）、45（¹³C,¹⁶O,¹⁶O）和46（¹²C,¹⁸O,¹⁶O）在质谱仪飞行管中的分布图。进入飞行管的CO₂在通过离子源时，每个分子都被剥离一个电子，形成带正电的离子。

　　在飞行管中，磁场导致离子发生偏离，偏离半径与离子的质量/电荷比率成比例。重离子比轻离子偏离小（偏离半径大）。以CO₂为例，质量为46的离子偏离半径最大，质量为44的离子偏离半径最小，质量为45的离子则介于两者之间。电荷也会影响偏离半径，但对于绝大多数分子而言，由于离子源仅剥离一个电子，因此，离子电荷数基本是恒定的。

　　稳定同位素丰度表示为样品中两种含量最多同位素比率与国际标准中响应比率之间的比值，用符号（δ）表示。由于样品与标准参照物之间比率差异较小，所以稳定同位素丰度表示为样品与标准之间偏差的千分数。以碳为例：

δ¹³C_样品 ；= {(¹³C/¹²C_样品) / (¹³C/¹²C ；_标准)  -1} x 1000

　　标准物质的稳定同位素丰度被定义为0‰。以碳为例，国际标准物质为Pee Dee Belemnite，一种碳酸盐物质，其普遍*的同位素绝对比率（¹³C/¹²C）为0.0112372。如果某种物质的¹³C/¹²C比率>；0.0112372，则具有正值；若其13C/12C比率<；0.0112372，则具有负值。下表列出了5种环境稳定同位素的国际标准及其绝对同位素比率。氧和氢等稳定同位素具有多个国际标准。

如何在生态和环境科学研究中运用稳定同位素？

　　稳定同位素技术的出现加深了生态学家对生态系统过程的进一步了解，使生态学家可以探讨一些其它方法无法研究的问题。正如现代分子生物技术大大地推动了基因、生物化学和进化生物学的研究一样，稳定同位素技术对生态学研究也已产生了重要的影响。通过使用稳定性同位素技术，可以使生态学家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和元素的性质造成干扰。在过去的十几年中，一些生态与环境科学的最令人瞩目的进步依赖于稳定性同位素技术，稳定性同位素能够被用来解决生态与环境科学的许多问题。 包括：

植物如何有效地利用水分（¹³C）？
植物从土壤哪个层次获得水分（¹⁸O, ²H）？
植物通过氮固定或吸收土壤NH4+及NO3-获得氮素相对比率（¹⁵N）？
如何确定土壤中碳和氮周转速率（¹³C, ¹⁵N）？
区分土壤呼吸释放CO2的来源（植物根系或土壤微生物）（¹³C, ¹⁸O）
区分光合和呼吸对净生态系统CO2交换或NEE的相对贡献（¹³C, ¹⁸O）
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（2H, ¹⁸O）
如何判定N2O的来源（硝化细菌或反硝化细菌）¹⁵N, ¹⁸O）?
确定食物网初级消费者事物来源（¹³C, ³⁴S）
确定食物链的长度（¹⁵N）
如何确定空气和水体污染物的来源（¹⁵N, ³⁴S, ¹⁸O）
确定城市能源消耗对大气CO2, CO和氮化物的贡献(（¹³C , ¹⁵N, ¹⁸O）
判断动物如候鸟、蝴蝶等的迁徙路线（¹⁸O, ²H）
判定人类社会是否以谷物作为食物来源（¹³C）
确定植物的分布区域（¹⁵N, ¹⁸O, ²H）

     与其它技术相比，稳定同位素技术的优点在于使得这些生态和环境科学问题的研究能够定量化并且是在没有干扰（如没有放射性同位素的环境危害）的情况下进行。有些问题还只能通过利用稳定同位素技术来解决。例如，植物在光合作用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。通过测量植物茎水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。另一方面，通过向土壤添加¹⁵NH₄⁺，并监测¹⁴NH₄⁺对其稀释速率，就能够测定独立于硝化和固持（NH₄⁺消耗过程）之外的土壤有机物质的矿化速率。通过在原位添加富含¹⁵N的NH₄⁺或NO₃^-，并监测土壤中¹⁵N和¹⁴N，就能够量化每种微生物转化量。

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