氣體穩(wěn)定同位素質(zhì)譜課件

穩(wěn)定同位素質(zhì)譜譚揚2015.11.03穩(wěn)定同位素質(zhì)譜譚揚目錄01穩(wěn)定同位素質(zhì)譜相關(guān)知識02IRMS及其外部設(shè)備工作原理03樣品處理方法04相關(guān)應(yīng)用目錄01穩(wěn)定同位素質(zhì)譜相關(guān)知識02IRMS及其外部設(shè)備工作原穩(wěn)定同位素質(zhì)譜

相關(guān)知識01穩(wěn)定同位素質(zhì)譜

相關(guān)知識01穩(wěn)定同位素質(zhì)譜相關(guān)背景知識

A同位素：質(zhì)子數(shù)相同，中子數(shù)不同的原子（1700余種）穩(wěn)定同位素：無可測放射性的同位素，自成核以來就保持穩(wěn)定（260余種）碳元素有8種核素同位素：

129C、1210C、1211C、1214C、1215C、1216C放射性核素1213C、1212C穩(wěn)定性核素D/H13C/12C18O/16O15N/14N穩(wěn)定同位素質(zhì)譜相關(guān)背景知識

A同位素：質(zhì)子數(shù)相同，中子數(shù)不同穩(wěn)定同位素質(zhì)譜相關(guān)背景知識

AH2OD216OH216OD218OHD16O3.同位素分餾：同一元素的同位素之間，由于核質(zhì)量的差別，其物理和化學性質(zhì)存在微小差別穩(wěn)定同位素質(zhì)譜相關(guān)背景知識

AH2OD216OH216OD2穩(wěn)定同位素質(zhì)譜相關(guān)背景知識

A

穩(wěn)定同位素質(zhì)譜相關(guān)背景知識

A

穩(wěn)定同位素質(zhì)譜分析的標準物質(zhì)

由世界各國權(quán)威實驗室公認的國際統(tǒng)一標準，并把這些樣品的δ值人為地設(shè)定成0‰。碳、氫、氧、氮和硫的國際公認的同位素標準列入下表，也標出了這些標準物質(zhì)的絕對同位素豐度。

B穩(wěn)定同位素質(zhì)譜分析的標準物質(zhì)

由世界各國權(quán)威實驗室公認的國際穩(wěn)定同位素質(zhì)譜分析的標準物質(zhì)

B候選物質(zhì)具有代表性和適用性可成批制備，并具備重新復(fù)制的特點最小包裝單元之間及單元內(nèi)部具有良好的均勻性在有限期內(nèi)具有良好的穩(wěn)定性測量的平均值即為該標準物質(zhì)特性量的標準值具有溯源性的基本特性，為測量在國際范圍具有可比性提供了保證穩(wěn)定同位素質(zhì)譜分析的標準物質(zhì)

B候選物質(zhì)具有代表性和適用性穩(wěn)定同位素質(zhì)譜分析的標準物質(zhì)

IAEAGBWIAS國際原子能機構(gòu)美國地質(zhì)勘探局美國USGS有證標準物質(zhì)國家標準物質(zhì)中國ElementalMicroanalysisLtd英國B穩(wěn)定同位素質(zhì)譜分析的標準物質(zhì)

IAEAGBWIAS國際原子能穩(wěn)定同位素質(zhì)譜分析的標準物質(zhì)

實驗室可以選用不同的標準物質(zhì)進行樣品同位素比值的測定，但所得的結(jié)果必須換算成相對于國際公認的同位素標準的千分差后出具正式的分析報告。表示方法為：

δ15NAir

‰

δ13CPDB

‰

；

δ18OSMOW

‰或δ18OPDB

‰；

δDSMOW

‰

δ34SCDT

‰δ＞0時，Rsa＞Rst,即說明樣品比標準“重”δ＜0時，Rsa

＜Rst，則樣品比標準“輕”B穩(wěn)定同位素質(zhì)譜分析的標準物質(zhì)

實驗室可以選用不同的標準物質(zhì)進IRMS及其外部設(shè)備

工作原理02IRMS及其外部設(shè)備

工作原理02穩(wěn)定同位素質(zhì)譜-IRMS-工作原理

AEA-IRMSGCisolink-IRMSGasbench-IRMSPrecon-IRMS穩(wěn)定同位素質(zhì)譜-IRMS-工作原理

AEA-IRMS穩(wěn)定同位素質(zhì)譜-IRMS-工作原理

AEA：土壤、沉積物、水Gcisolink：有機物Gasbench：碳酸鹽Precon：氣體外部設(shè)備進樣系統(tǒng)離子源質(zhì)量分析器離子檢測器譜圖顯示IRMSMAT253穩(wěn)定同位素質(zhì)譜-IRMS-工作原理

AEA：土壤、沉積物、水穩(wěn)定同位素質(zhì)譜-IRMS-工作原理

A原子質(zhì)量m與偏轉(zhuǎn)軌道半徑R成正比洛倫茨定律：離子源磁場接收器穩(wěn)定同位素質(zhì)譜-IRMS-工作原理

A原子質(zhì)量m與偏轉(zhuǎn)軌道洛穩(wěn)定同位素質(zhì)譜-IRMS-工作原理

A標準物質(zhì)δ1參考氣δ2待測樣品δ3校準過程CO2

植物土壤沉積物N2

海水中的氨氮、硝氮植物土壤沉積物H2海水、淡水中的HCO海水、淡水中的O穩(wěn)定同位素質(zhì)譜-IRMS-工作原理

A標準物質(zhì)參考氣待測樣品EA-IRMS的工作原理Bδ13CPDB‰→CO2

δ15NAir

‰

→N2

EA-IRMS的工作原理Bδ13CPDB‰→CO2EA-IRMS的工作原理B分離CO2、N2

在線稀釋δ13CPDB‰→CO2

δ15NAir

‰

→N2

EA-IRMS的工作原理B分離CO2、N2在線稀釋δ13CEA-IRMS的工作原理BN2CO2N2和CO2的譜圖EA-IRMS的工作原理BN2CO2N2和CO2的譜圖EA-IRMS的工作原理B分離H2、CO在線稀釋δ18OSMOW

‰→COδDSMOW

‰

→H2EA-IRMS的工作原理B分離H2、CO在線稀釋δ18OSEA-IRMS的工作原理BH2和CO的譜圖H2COEA-IRMS的工作原理BH2和CO的譜圖H2COGC-Isolink-IRMS的工作原理Cδ13CPDB‰→CO2

δ15NAir

‰

→N2

δDSMOW

‰

→H2GC-Isolink-IRMS的工作原理Cδ13CPDB‰GC-Isolink-IRMS的工作原理CGC單元高溫單元通He，在線稀釋CO2、N2、H2

GC-Isolink-IRMS的工作原理CGC單元高溫單元通GC-Isolink-IRMS的工作原理C燃燒，將C轉(zhuǎn)化為CO2，N轉(zhuǎn)化為N2

GC-Isolink-IRMS的工作原理C燃燒，將C轉(zhuǎn)化為CGC-Isolink-IRMS的工作原理C高溫裂解，將H轉(zhuǎn)化為H2

GC-Isolink-IRMS的工作原理C高溫裂解，將H轉(zhuǎn)化GC-Isolink-IRMS的工作原理C以C為例，每一種化合物中的C轉(zhuǎn)化為CO2，會得到一個δ值

有機化合物的譜圖GC-Isolink-IRMS的工作原理C以C為例，每一種化Gas-bench-IRMS的工作原理Dδ13CPDB‰→CO2

Gas-bench-IRMS的工作原理Dδ13CPDB‰Gas-bench-IRMS的工作原理DGas-bench-IRMS的工作原理DGas-bench-IRMS的工作原理D碳酸鹽或DIC中CO2的譜圖Gas-bench-IRMS的工作原理D碳酸鹽或DIC中COPrecon-IRMS的工作原理Eδ13CPDB‰（CO2、CH4

）→CO2

δ15NAir

‰

→N2OPrecon-IRMS的工作原理Eδ13CPDB‰（CO2Precon-IRMS的工作原理E將CH4氧化為CO2Precon-IRMS的工作原理E將CH4氧化為CO2Precon-IRMS的工作原理E以N2O為例，該峰為CO2雜質(zhì)峰N2O的譜圖Precon-IRMS的工作原理E以N2O為例，該峰N2O的樣品處理方法03樣品處理方法03土壤、沉積物、植物樣品的處理方法A土壤、沉積物樣品中的C（不含無機碳）、N同位素、植物樣品中的C、N：烘干（不超過60℃）、磨細（60~100目）、錫紙包樣（進樣量為20~40μgC/次或20~40μgN/次）土壤、沉積物、植物樣品的處理方法A土壤、沉積物樣品中的C（不土壤、沉積物、植物樣品的處理方法A2.土壤、沉積物樣品中的C同位素（含有無機碳）：烘干（不超過60℃）、磨細（60~100目）、去除無機碳、錫紙包樣（進樣量為20~40μgC/次）土壤、沉積物、植物樣品的處理方法A2.土壤、沉積物樣品中的土壤、沉積物、植物樣品的處理方法A去除無機碳

的適用方法：亞硫酸法:海洋沉積物鹽酸熏蒸法:土壤醋酸緩沖溶液法:湖積物60℃烘干包樣、測試鹽酸熏蒸法示意圖土壤、沉積物、植物樣品的處理方法A去除無機碳的適用方法：6海水、河水樣品中的氨氮、硝氮B凱氏定氮裝置示意圖蒸餾法：（適用于銨氮、硝氮含量較高的水樣，＞5mg/L，氨氮直接蒸餾，硝氮在去除完氨氮后，添加達氏合金將硝氮轉(zhuǎn)化為氨氮后再蒸餾海水、河水樣品中的氨氮、硝氮B凱氏定氮裝置示意圖蒸餾法：（適海水、河水樣品中的氨氮、硝氮B氨氮化學法示意圖：NO3-→NO2-→N2O2.化學法：（適用于銨氮、硝氮含量較低的水樣，0.5~10μmol/L）海水、河水樣品中的氨氮、硝氮B氨氮化學法示意圖：NO3-→N氣體樣品C氣體采樣袋：直接采集氣體樣品，不少于100mL頂空瓶：鉗口、聚四氟乙烯墊（樣品需5~10nmol）氣體樣品C氣體采樣袋：直接采集氣體樣品，不少于100mL水樣中的H、O同位素D需要做植物或土壤中的水樣中氧和氫穩(wěn)定同位素測定，預(yù)先自己抽提出植物或土壤中的水分處理好的水或者雨水、河水等水樣裝在2ml的頂空瓶中，確保水分沒有泄漏和蒸發(fā)水裝至瓶頸處，減少水與頂空的交換水樣中的H、O同位素D需要做植物或土壤中的水樣中氧和氫穩(wěn)定同水樣中的有機碳E4mL樣品加8.5%H3PO4

pH＜3除無機碳密封樣品加K2S2O8

100℃60min冷卻樣品上機測試水樣中的有機碳E4mL樣品密封樣品冷卻樣品穩(wěn)定同位素質(zhì)譜

相關(guān)應(yīng)用04穩(wěn)定同位素質(zhì)譜

相關(guān)應(yīng)用04穩(wěn)定同位素示蹤的優(yōu)點A由于穩(wěn)定性核素不發(fā)生核衰變，不存在核素的半衰期，因此不受試驗時間和測定時間的限制，只要在稀釋范圍內(nèi)，可進行長期試驗；1234穩(wěn)定性核素不產(chǎn)生核輻射，對人體和生物體無放射性危害，沒有輻射效應(yīng)，十分安全；穩(wěn)定性同位素示蹤試驗不會對試驗環(huán)境產(chǎn)生污染，不存在試驗殘留物處理問題；穩(wěn)定同位素示蹤技術(shù)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、環(huán)境、生態(tài)和土壤學研究中一項重要的技術(shù)。穩(wěn)定同位素示蹤的優(yōu)點A由于穩(wěn)定性核素不發(fā)生核衰變，不存在核素穩(wěn)定同位素示蹤的缺點A穩(wěn)定性同位素示蹤的靈敏度遠較放射性同位素示蹤低。在試驗體系中，常被大量同種元素的自然豐度同位素稀釋，其稀釋倍數(shù)不可能很大，所以靈敏度較低；穩(wěn)定同位素示蹤劑，不但目前品種較少，其價格也較貴。我們最常用的仍然是13C、15N、18O和2H等?，F(xiàn)在15N標記物的價格已下降，而13C和18O標記物的售價仍偏高。穩(wěn)定同位素示蹤的缺點A穩(wěn)定性同位素示蹤的靈敏度遠較放射性同位二、穩(wěn)定同位素示蹤技術(shù)二、穩(wěn)定同位素示蹤技術(shù)

二、穩(wěn)定同位素示蹤技術(shù)二、穩(wěn)定同位素示蹤技術(shù)二、穩(wěn)定同位素示蹤技術(shù)二、穩(wěn)定同位素示蹤技術(shù)二、穩(wěn)定同位素示蹤技術(shù)二、穩(wěn)定同位素示蹤技術(shù)二、穩(wěn)定同位素示蹤術(shù)二、穩(wěn)定同位素示蹤術(shù)環(huán)境方面的應(yīng)用B大氣污染源的研究：溫室氣體（特別是CO2、CH4和N2O）的源和匯；監(jiān)測這些微量氣體的濃度，僅反映它們的整個累積過程，無法確定這些變化的原因。只有精確測定這些氣體的穩(wěn)定性同位素組成，才能進一步理解這些氣體的源和匯，以及產(chǎn)生這些氣體的機理。環(huán)境方面的應(yīng)用B大氣污染源的研究：溫室氣體（特別是CO2、環(huán)境方面的應(yīng)用B采集南極法爾茲半島兩個地點的海豹糞土進行試驗研究，結(jié)果表明：糞土排放的N2O與當?shù)卮髿庵械腘2O相比，貧化

15N和18O；N2O還原成N2的過程會引起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。環(huán)境方面的應(yīng)用B采集南極法爾茲半島兩個地點的海豹糞土進行試驗食品方面的應(yīng)用C食品安全溯源。同位素溯源技術(shù)是國際上目前應(yīng)用于追溯不同