穩定同位素技術原理介紹

什么是穩定同位素？

　　由于原子核所含有的中子數不同，具有相同質子數的原子具有不同的質量，這些原子被稱為同位素。例如，碳的3個主要同位素分別為¹²C、¹³C和¹⁴C，它們都有6個質子和六個電子，但中子數則分別為6、7和8。與質子相比，含有太多或太少中子均會導致同位素的不穩定性，如¹⁴C。這些不穩定的“放射性同位素”將會衰變成穩定同位素。而¹²C和¹³C則因為質子和中子所特有的穩定結合，不發生衰變，即為穩定同位素。

穩定同位素含量如何測量？

　　在生態學和環境科學研究中最常用的是碳、氮、硫、氧和氫的穩定同位素，這些穩定性同位素可以通過氣體同位素比率質譜分析法測得。首先將樣品轉化成氣體（如CO₂，N₂，SO₂或H₂），在離子源中將氣體分子離子化（從每個分子中剝離一個電子，導致每個分子帶有一個正電荷），接著將離子化氣體打入飛行管中。飛行管是彎曲的，磁鐵置于其上方，帶電分子依質量不同而分離，含有重同位素的分子彎曲程度小于含輕同位素的分子。在飛行管的末端有一個法拉第收集器，用以測量經過磁體分離之后，具有特定質量的離子束強度。

　　以CO₂為例，需要有三個法拉第收集器來收集質量分別為44、45和46的離子束。不同質量離子同時收集，從而可以精確測定不同質量離子之間的比率。

　　圖 CO₂的三個最常見質量——44（¹²C,¹⁶O,¹⁶O）、45（¹³C,¹⁶O,¹⁶O）和46（¹²C,¹⁸O,¹⁶O）在質譜儀飛行管中的分布圖。進入飛行管的CO₂在通過離子源時，每個分子都被剝離一個電子，形成帶正電的離子。

　　在飛行管中，磁場導致離子發生偏離，偏離半徑與離子的質量/電荷比率成比例。重離子比輕離子偏離小（偏離半徑大）。以CO₂為例，質量為46的離子偏離半徑最大，質量為44的離子偏離半徑最小，質量為45的離子則介于兩者之間。電荷也會影響偏離半徑，但對于絕大多數分子而言，由于離子源僅剝離一個電子，因此，離子電荷數基本是恒定的。

　　穩定同位素豐度表示為樣品中兩種含量最多同位素比率與國際標準中響應比率之間的比值，用符號（δ）表示。由于樣品與標準參照物之間比率差異較小，所以穩定同位素豐度表示為樣品與標準之間偏差的千分數。以碳為例：

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

　　標準物質的穩定同位素豐度被定義為0‰。以碳為例，國際標準物質為Pee Dee Belemnite，一種碳酸鹽物質，其普遍公認的同位素絕對比率（¹³C/¹²C）為0.0112372。如果某種物質的¹³C/¹²C比率>；0.0112372，則具有正值；若其13C/12C比率<；0.0112372，則具有負值。下表列出了5種環境穩定同位素的國際標準及其絕對同位素比率。氧和氫等穩定同位素具有多個國際標準。

如何在生態和環境科學研究中運用穩定同位素？

　　穩定同位素技術的出現加深了生態學家對生態系統過程的進一步了解，使生態學家可以探討一些其它方法無法研究的問題。正如現代分子生物技術大大地推動了基因、生物化學和進化生物學的研究一樣，穩定同位素技術對生態學研究也已產生了重要的影響。通過使用穩定性同位素技術，可以使生態學家測出許多隨時空變化的生態過程，同時又不會對生態系統的自然狀態和元素的性質造成干擾。在過去的十幾年中，一些生態與環境科學的最令人矚目的進步依賴于穩定性同位素技術，穩定性同位素能夠被用來解決生態與環境科學的許多問題。 包括：

 植物如何有效地利用水分（¹³C）？
 植物從土壤哪個層次獲得水分（¹⁸O, ²H）？
 植物通過氮固定或吸收土壤NH4+及NO3-獲得氮素相對比率（¹⁵N）？
 如何確定土壤中碳和氮周轉速率（¹³C, ¹⁵N）？
 區分土壤呼吸釋放CO2的來源（植物根系或土壤微生物）（¹³C, ¹⁸O）
 區分光合和呼吸對凈生態系統CO2交換或NEE的相對貢獻（¹³C, ¹⁸O）
 區分蒸騰和蒸發對凈生態系統水交換或蒸散（ET）的相對貢獻（2H, ¹⁸O）
 如何判定N2O的來源（硝化細菌或反硝化細菌）¹⁵N, ¹⁸O）?
 確定食物網初級消費者事物來源（¹³C, ³⁴S）
 確定食物鏈的長度（¹⁵N）
 如何確定空氣和水體污染物的來源（¹⁵N, ³⁴S, ¹⁸O）
 確定城市能源消耗對大氣CO2, CO和氮化物的貢獻(（¹³C , ¹⁵N, ¹⁸O）
 判斷動物如候鳥、蝴蝶等的遷徙路線（¹⁸O, ²H）
 判定史前人類社會是否以谷物作為食物來源（¹³C）
 確定植物的分布區域（¹⁵N, ¹⁸O, ²H）

      與其它技術相比，穩定同位素技術的優點在于使得這些生態和環境科學問題的研究能夠定量化并且是在沒有干擾（如沒有放射性同位素的環境危害）的情況下進行。有些問題還只能通過利用穩定同位素技術來解決。例如，植物在光合作用傾向于吸收含有輕碳同位素（¹²C）的CO₂，其吸收程度受有效水含量和光合途徑影響，水分有效性和光合途徑是干旱或濕潤環境植物的重要特性。因此，植物¹³C組成能夠在時間尺度上整合反映植物的水分利用效率。通過測量植物莖水²H和¹⁸O組成，也能夠判定植物對表層水和深層水的依賴程度。另一方面，通過向土壤添加¹⁵NH₄⁺，并監測¹⁴NH₄⁺對其稀釋速率，就能夠測定獨立于硝化和固持（NH₄⁺消耗過程）之外的土壤有機物質的礦化速率。通過在原位添加富含¹⁵N的NH₄⁺或NO₃^-，并監測土壤中¹⁵N和¹⁴N，就能夠量化每種微生物轉化量。