气体稳定同位素质谱课件

稳定同位素质谱谭扬2015.11.03稳定同位素质谱谭扬目录01稳定同位素质谱相关知识02IRMS及其外部设备工作原理03样品处理方法04相关应用目录01稳定同位素质谱相关知识02IRMS及其外部设备工作原稳定同位素质谱

相关知识01稳定同位素质谱

相关知识01稳定同位素质谱相关背景知识

A同位素：质子数相同，中子数不同的原子（1700余种）稳定同位素：无可测放射性的同位素，自成核以来就保持稳定（260余种）碳元素有8种核素同位素：

129C、1210C、1211C、1214C、1215C、1216C放射性核素1213C、1212C稳定性核素D/H13C/12C18O/16O15N/14N稳定同位素质谱相关背景知识

A同位素：质子数相同，中子数不同稳定同位素质谱相关背景知识

AH2OD216OH216OD218OHD16O3.同位素分馏：同一元素的同位素之间，由于核质量的差别，其物理和化学性质存在微小差别稳定同位素质谱相关背景知识

AH2OD216OH216OD2稳定同位素质谱相关背景知识

A

稳定同位素质谱相关背景知识

A

稳定同位素质谱分析的标准物质

由世界各国权威实验室公认的国际统一标准，并把这些样品的δ值人为地设定成0‰。碳、氢、氧、氮和硫的国际公认的同位素标准列入下表，也标出了这些标准物质的绝对同位素丰度。

B稳定同位素质谱分析的标准物质

由世界各国权威实验室公认的国际稳定同位素质谱分析的标准物质

B候选物质具有代表性和适用性可成批制备，并具备重新复制的特点最小包装单元之间及单元内部具有良好的均匀性在有限期内具有良好的稳定性测量的平均值即为该标准物质特性量的标准值具有溯源性的基本特性，为测量在国际范围具有可比性提供了保证稳定同位素质谱分析的标准物质

B候选物质具有代表性和适用性稳定同位素质谱分析的标准物质

IAEAGBWIAS国际原子能机构美国地质勘探局美国USGS有证标准物质国家标准物质中国ElementalMicroanalysisLtd英国B稳定同位素质谱分析的标准物质

IAEAGBWIAS国际原子能稳定同位素质谱分析的标准物质

实验室可以选用不同的标准物质进行样品同位素比值的测定，但所得的结果必须换算成相对于国际公认的同位素标准的千分差后出具正式的分析报告。表示方法为：

δ15NAir

‰

δ13CPDB

‰

；

δ18OSMOW

‰或δ18OPDB

‰；

δDSMOW

‰

δ34SCDT

‰δ＞0时，Rsa＞Rst,即说明样品比标准“重”δ＜0时，Rsa

＜Rst，则样品比标准“轻”B稳定同位素质谱分析的标准物质

实验室可以选用不同的标准物质进IRMS及其外部设备

工作原理02IRMS及其外部设备

工作原理02稳定同位素质谱-IRMS-工作原理

AEA-IRMSGCisolink-IRMSGasbench-IRMSPrecon-IRMS稳定同位素质谱-IRMS-工作原理

AEA-IRMS稳定同位素质谱-IRMS-工作原理

AEA：土壤、沉积物、水Gcisolink：有机物Gasbench：碳酸盐Precon：气体外部设备进样系统离子源质量分析器离子检测器谱图显示IRMSMAT253稳定同位素质谱-IRMS-工作原理

AEA：土壤、沉积物、水稳定同位素质谱-IRMS-工作原理

A原子质量m与偏转轨道半径R成正比洛伦茨定律：离子源磁场接收器稳定同位素质谱-IRMS-工作原理

A原子质量m与偏转轨道洛稳定同位素质谱-IRMS-工作原理

A标准物质δ1参考气δ2待测样品δ3校准过程CO2

植物土壤沉积物N2

海水中的氨氮、硝氮植物土壤沉积物H2海水、淡水中的HCO海水、淡水中的O稳定同位素质谱-IRMS-工作原理

A标准物质参考气待测样品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分离CO2、N2

在线稀释δ13CPDB‰→CO2

δ15NAir

‰

→N2

EA-IRMS的工作原理B分离CO2、N2在线稀释δ13CEA-IRMS的工作原理BN2CO2N2和CO2的谱图EA-IRMS的工作原理BN2CO2N2和CO2的谱图EA-IRMS的工作原理B分离H2、CO在线稀释δ18OSMOW

‰→COδDSMOW

‰

→H2EA-IRMS的工作原理B分离H2、CO在线稀释δ18OSEA-IRMS的工作原理BH2和CO的谱图H2COEA-IRMS的工作原理BH2和CO的谱图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单元高温单元通He，在线稀释CO2、N2、H2

GC-Isolink-IRMS的工作原理CGC单元高温单元通GC-Isolink-IRMS的工作原理C燃烧，将C转化为CO2，N转化为N2

GC-Isolink-IRMS的工作原理C燃烧，将C转化为CGC-Isolink-IRMS的工作原理C高温裂解，将H转化为H2

GC-Isolink-IRMS的工作原理C高温裂解，将H转化GC-Isolink-IRMS的工作原理C以C为例，每一种化合物中的C转化为CO2，会得到一个δ值

有机化合物的谱图GC-Isolink-IRMS的工作原理C以C为例，每一种化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碳酸盐或DIC中CO2的谱图Gas-bench-IRMS的工作原理D碳酸盐或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将CH4氧化为CO2Precon-IRMS的工作原理E将CH4氧化为CO2Precon-IRMS的工作原理E以N2O为例，该峰为CO2杂质峰N2O的谱图Precon-IRMS的工作原理E以N2O为例，该峰N2O的样品处理方法03样品处理方法03土壤、沉积物、植物样品的处理方法A土壤、沉积物样品中的C（不含无机碳）、N同位素、植物样品中的C、N：烘干（不超过60℃）、磨细（60~100目）、锡纸包样（进样量为20~40μgC/次或20~40μgN/次）土壤、沉积物、植物样品的处理方法A土壤、沉积物样品中的C（不土壤、沉积物、植物样品的处理方法A2.土壤、沉积物样品中的C同位素（含有无机碳）：烘干（不超过60℃）、磨细（60~100目）、去除无机碳、锡纸包样（进样量为20~40μgC/次）土壤、沉积物、植物样品的处理方法A2.土壤、沉积物样品中的土壤、沉积物、植物样品的处理方法A去除无机碳

的适用方法：亚硫酸法:海洋沉积物盐酸熏蒸法:土壤醋酸缓冲溶液法:湖积物60℃烘干包样、测试盐酸熏蒸法示意图土壤、沉积物、植物样品的处理方法A去除无机碳的适用方法：6海水、河水样品中的氨氮、硝氮B凯氏定氮装置示意图蒸馏法：（适用于铵氮、硝氮含量较高的水样，＞5mg/L，氨氮直接蒸馏，硝氮在去除完氨氮后，添加达氏合金将硝氮转化为氨氮后再蒸馏海水、河水样品中的氨氮、硝氮B凯氏定氮装置示意图蒸馏法：（适海水、河水样品中的氨氮、硝氮B氨氮化学法示意图：NO3-→NO2-→N2O2.化学法：（适用于铵氮、硝氮含量较低的水样，0.5~10μmol/L）海水、河水样品中的氨氮、硝氮B氨氮化学法示意图：NO3-→N气体样品C气体采样袋：直接采集气体样品，不少于100mL顶空瓶：钳口、聚四氟乙烯垫（样品需5~10nmol）气体样品C气体采样袋：直接采集气体样品，不少于100mL水样中的H、O同位素D需要做植物或土壤中的水样中氧和氢稳定同位素测定，预先自己抽提出植物或土壤中的水分处理好的水或者雨水、河水等水样装在2ml的顶空瓶中，确保水分没有泄漏和蒸发水装至瓶颈处，减少水与顶空的交换水样中的H、O同位素D需要做植物或土壤中的水样中氧和氢稳定同水样中的有机碳E4mL样品加8.5%H3PO4

pH＜3除无机碳密封样品加K2S2O8

100℃60min冷却样品上机测试水样中的有机碳E4mL样品密封样品冷却样品稳定同位素质谱

相关应用04稳定同位素质谱

相关应用04稳定同位素示踪的优点A由于稳定性核素不发生核衰变，不存在核素的半衰期，因此不受试验时间和测定时间的限制，只要在稀释范围内，可进行长期试验；1234稳定性核素不产生核辐射，对人体和生物体无放射性危害，没有辐射效应，十分安全；稳定性同位素示踪试验不会对试验环境产生污染，不存在试验残留物处理问题；稳定同位素示踪技术是现代农业、环境、生态和土壤学研究中一项重要的技术。稳定同位素示踪的优点A由于稳定性核素不发生核衰变，不存在核素稳定同位素示踪的缺点A稳定性同位素示踪的灵敏度远较放射性同位素示踪低。在试验体系中，常被大量同种元素的自然丰度同位素稀释，其稀释倍数不可能很大，所以灵敏度较低；稳定同位素示踪剂，不但目前品种较少，其价格也较贵。我们最常用的仍然是13C、15N、18O和2H等。现在15N标记物的价格已下降，而13C和18O标记物的售价仍偏高。稳定同位素示踪的缺点A稳定性同位素示踪的灵敏度远较放射性同位二、稳定同位素示踪技术二、稳定同位素示踪技术

二、稳定同位素示踪技术二、稳定同位素示踪技术二、稳定同位素示踪技术二、稳定同位素示踪技术二、稳定同位素示踪技术二、稳定同位素示踪技术二、稳定同位素示踪术二、稳定同位素示踪术环境方面的应用B大气污染源的研究：温室气体（特别是CO2、CH4和N2O）的源和汇；监测这些微量气体的浓度，仅反映它们的整个累积过程，无法确定这些变化的原因。只有精确测定这些气体的稳定性同位素组成，才能进一步理解这些气体的源和汇，以及产生这些气体的机理。环境方面的应用B大气污染源的研究：温室气体（特别是CO2、环境方面的应用B采集南极法尔兹半岛两个地点的海豹粪土进行试验研究，结果表明：粪土排放的N2O与当地大气中的N2O相比，贫化

15N和18O；N2O还原成N2的过程会引起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。环境方面的应用B采集南极法尔兹半岛两个地点的海豹粪土进行试验食品方面的应用C食品安全溯源。同位素溯源技术是国际上目前应用于追溯不同