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,其普遍公认的同位素绝对比率(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。
元素 | δ符号 | 测量比率(R) | 国际标准 | R, 国际标准 |
H | δD | 2H/1H | 标准平均海水 (SMOW) | 0.00015575 |
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| 2H/1H | 标准南极轻降水 (SLAP) | 0.000089089 |
C | δ13C | 13C/12C | Pee Dee Belemnite (PDB) | 0.0112372 |
N | δ15N | 15N/14N | 大气 | 0.003676 |
O | δ18O | 18O/16O | 标准平均海水 (SMOW) | 0.0020052 |
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| 18O/16O | Pee Dee Belemnite (PDB) | 0.0020672 |
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| 18O/16O | 标准南极轻降水(SLAP) | 0.0018939 |
S | δ34S | 34S/32S | Canyon Diablo Triolite (CDT) | 0.045005 |
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)
判定史前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)