Transcript 版纳植物园公共技术服务中心资料下载

讲
同位素质谱仪原理
—生
态学中应用
付 昀
2013年3月14日
座
一、同位素的概念和原理
同位素？？
原子、中子和同位素
1
1 H
1 质子, 1 电子
2
1 H
(D)1 质子, 1 中子, 1 电子
3
1 H
(Tritium) 1 质子, 2 中子, 1 电子
同位素？？
一个原子或离子的质量主要在原子核
质子
中子
电子
带一个正电荷并且有一个原子的质量. 它的实际质
量 近似为 10-24g
.带一个零电荷并且有一个原子的质量. 它的实际质
量 近似为 10-24g
带一个负电荷，只有一个为质子的 onl1/2000th质量
质子数和中子数的总和 = 原子量
12
13
C, C
6
6
原子数 = 质子数
稳定同位素的自然丰度
%
99.984
100
80
60
40
20
0
0.0156
2
1
Hydrogen
H
1
3
1 H
1
%
H
99.635
100
80
60
40
20
0
0.365
14
Nitrogen
7
%
Carbon
98.892
100
80
60
40
20
0
%
1.108
12
6C
%
13
6
C
100
80
60
40
20
0
C
0.76
S
16
33
16
S
4.210 0.014
34
36
16
16
S
S
N
7
N
99.759
100
80
60
40
20
0
Oxygen
6
95.02
32
Sulphur
14
15
0.037 0.204
16
8O
17
8
O
18
8
O
各种同位素的Delta值的标准
HO:SMOW 大洋水（Standard Mean Ocean Water）
D/H=（155.76 ± 0.10）× 10-6 δD,SMOW =0‰（ δDSMOW =0‰ ）
18O/16O=(2005.2 ± 60)× 10-6 δ18O,SMOW=0‰（δ18O
SMOW =0‰ ）
C:PDB 美国南卡罗来纳州白垩纪皮狄组层位中的拟箭石化石（Peedee
Belemnite）
13C/12C=(11237.2 ± 93)× 10-6
δ13C, PDB=0‰（ δ13CPDB=0‰ ）
N : Air 空气中氮气为标准（ Air ）
15N/14N= (3676.5± 60)× 10-6
δ15N, Air =0‰ （ δ15NAir =0‰ ）
S: CDT 选用Canyon Diablo铁陨石中的陨硫铁(Troilite)为标准物质
34S/32S = 0.0450045 ± 93
δ34S,CDT =0‰ （ δ34SCDT =0‰ ）
同位素比值: 非常小的值
13C/12C
PDB
= 0.011237
国际通用的参考物质(PDB)
举例
13C/12C
SAMPLE
= 0.011248
13C/12C
SAMPLE
= 0.011226
(13C/12Csam -13C/12CPDB)
Delta ‰ （千分值）=
13C/12C
PDB
δ13C = +1‰ 变化 vs PDB
δ13C = -1‰ 变化 vs PDB
x 1000
自然界碳同位素变化
稳定同位素比质谱仪IRMS
Isotope Ratio Mass Spectrometer
稳定 IRMS只分析化学稳定的同位素，无放射性。主要分析
的稳定同位素有：
2H
13C
15N
18O
34S
上述同位素一般转化为如下气体引入IRMS，所
以也可以叫气体同位素质谱仪：
H2
CO2
N2
CO
SO2
比 IRMS测量‘较重’同位素对‘较轻’同位素的比率，以CO2为例：
IRMS分析的比率：45/44 和 46/44
稳定同位素质谱分析—测量过程
SO2
氧化燃烧还原
高温裂解
CO2
N2
H2O
CO
H2
Multiple Detectors
12C16O18O+, 13C16O17O+
46
12C16O17O+, 13C16O +
2
45
12C16O +
2
44
CO2
IsoPrime100 IRMS
Faraday
Collectors
Ionisation
Source
Magnet
Separation
IsoPrime
100V 前置放大器
IsoPrime100
0V 10V
50V
100V
所有IRMS系统中最大的线性范围
• 实用的无限制放大器 — 范围增加10倍
• 可轻松分析微量样品，无需对分析精度妥协
• Ability to analyse very high C:N:S ratios without need for
dilution
• 不需稀释，直接分析高C:N:S比的样品
自动增益转换
进行附近同位素样品分析无需转换放大器
最具智能化的IRMS前置放大器
自动高阻检测
即插即用的高阻具有优秀的系统弹性
可升级的多接收器阵列
简单增加分析接收通道，实现多接收器应用要求
仪器诊断套件
完整的诊断软件，用户可自定义参数，对测试系统性能
可选择的放大器抽真空系统
可对放大器部分抽真空，获得极低的噪声，并内置压力和温度传
感器
IonVantage 软件
• 新版软件提供给用户最具灵活性的EA-IRMS系统
• IsoPrime100与Elementar研发的新元素分析仪套件相连接
• IonVantage IRMS软件可智能，直观的计算机控制EA
• “一次运行”样品程序和分析结果同步功能
• 自动检漏功能和方法设计
Isoprime 100+EA vario PYRO cube
Elemental
Analyser
固体和液体的批量分析
CHNS 顺序分析
CNS & OH 高温分析
EA diluter
GC
d13C, d15N, dD
and d18O 单体
烃同位素比值
（ 由 GC分离
得到）
TraceGas
痕量N2O, CO2 和 CH4
大气样品分析,
硝酸还原微生物方法
二、稳定同位素质谱的应用
地质
食品掺假
(古环境) 海洋
水文地理
兴奋剂检测
大气
气候变化
法医鉴定
土壤
农业环境
生态
生物地球化学循环
临床生物学
石油化工
陆地生态系统的稳定碳同位素变化
陆地生态系统的稳定氮同位素变化
水气输送过程中氢氧同位素变化
-15‰
-13‰
-3‰
-17‰
-5‰
δ18O = 0 ‰
纬度效应、大陆效应、海拔效应、季节效应
1、植物光合作用类型的判定；
2、氮分配与利用：15N标记方法；
3、植物水分利用效率的测定；
4、植物水分胁迫程度的指示；
5、植物水分来源的研究；
6、同位素在食物链研究中应用
1、植物光合作用类型，鉴别光合途径
13CO2+
H12CO-3 →CO2+ H13CO-
Agrar-Analyse
Chemische Analyse
Brennstoff-Analyse
Isotopen-Analyse
Umwelt-Analyse
Verbrauchsmaterialien
2、氮分配与利用：15N标记方法
1、地上部分：测定植株地上部分（茎、叶、果
实等）的重量（g）、N%、15N的同位素丰度（
atom%，即APC值）；
2、地下部分：测定植株的根的重量（g）、N%
、15N的同位素丰度（atom%）；
3、土壤各组成成分：包括定时测定土壤中的15N
残留、淋溶作用和气体损失的15N （主要是N2O
、NH3测其体积、浓度和15N同位素丰度）
追踪示踪剂15N的去向，研究N分配与利用效率
1、植株来自示踪15N的% Ndff = 植株中15N原子
百分超 /示踪15N原子百分超×100%；
2、植株来自示踪15N的量 Ndff kg/hm2=植物吸氮
量 kg/hm2 × 植物 % Ndff
3、N利用率 % = 植物 Ndff kg/hm2 / 施氮量
kg/hm2 ×100%
2015/4/13
Food Analysis
20
3、植物水分利用效率的测定
植物的 13C 值：13C p= 13Ca-a-(b-a)×Ci /Ca
WUE=A/E= (Ca-Ci)/1.6ΔW
WUE=( 13Ca-13Cp-b)/1.6ΔW Ca(a-b)
13C
p ：植物组织的碳同位素比率
13C ：大气CO
2
a
的碳同位素比率
a , b ： CO2 扩散和羧化过程中的同位素分馏
Ci ,Ca ：细胞间及大气的CO2 浓度
A ： 光合速率
E： 蒸腾速率
ΔW：叶内外水汽压之差
WUE：水分利用效率
4、 δ13C指示植物胁迫程度
刘国利等，2010. 水分胁迫下紫花苜蓿的水分利用效率
5、植物水分来源
同一地区各类植物不同的水分来源
植物水分来源
6.同位素在食物链研究中应用
-食物网结构和营养级关系
• 消费者的氮稳定性同位素（15N）相对其食
物的15N发生3-4‰的富集。
• 消费者相对其食物的15N稳定的富集作用可
以用于评价生物的营养级位置，其公式为：
• 式中δ15Nbase为生态系统食物网的初级生
产者或初消费者的氮稳定性同位素比率（即
λ=1时，δ15Nbase为初级生产者δ15N，而
当λ=2时，δ15Nbase为初级消费者δ15N）
δ15Nconsumer为消费者的氮稳定性同位素
比率，Δδ15N为营养级传递过程中的富集
值（平均值约为3.4‰）。
同位素其他方面的应用
1.区分土壤呼吸释放CO2的来源（植物根系或土壤微生物）（13C, 18O）
2.区分光合和呼吸对净生态系统CO2交换或NEE的相对贡献（13C判定）
3.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（2D, 18O）
4.判定N2O的来源（硝化细菌或反硝化细菌）（15N，18O）
5.如何确定空气和水体污染物的来源（15N, 34S, 18O）
6.确定城市能源消耗对大气CO2 CO和氮化物的贡献（13C , 15N, 18O）
7.判定史前人类社会是否以谷物作为食物来源（13C）
谢
谢！
28