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1、第10章.化合物单体同位素分析技术中的计量原理,中国农业大学齐孟文,1.前言 化合物单体同位素分析 技术，在对环境中污染研究 中，是一种示踪污染来源， 定量降解过程和了解降解机 制的重要手段。通过描述化 合物转化过程同位素分馏效应与反应进程关系的瑞利方程，1） 可以直接测定污染物转化降解的,进程；2）由实验确定的表观动力学常数，当与理论预期的动力学常数相比较时，便可以判定同位素效应的决定性反应步骤，因而推论反应机制；3）利用扩展的瑞利方程，可以判定一个底物是否存在多代谢途径，并估计每一途径的相对贡献。,虽然该技术线路早已建立，但因受限于同位素容量分析的灵敏度，只有在单体同位素分析成为可能之后才
2、得以实现。目前单体同位素分析常用两种方法，一是对化学键位置灵敏的核磁共振谱测定，但该方法需纯的样品，且样品含量要求较大，因此对复杂基质且低浓度的环境样品常需采用目前最有前景的方法，即单体同位素分析技术。,2.同位素分析及装置气象色谱-燃烧-同位素质谱(GC-C-IRMS) -主要进行易挥发化合物的同位素分析 图.GC-C_IRMS结构示意,装置基本结构如图所示，由气谱通过燃烧单元耦合到质谱而构成，氧化炉由盘有CuO、NiO和Pt丝的无孔铝管组成，氧化剂CuO、NiO在催化剂Pt的催化下，将有机物氧化成CO2、H2O和氮氧化物，然后导入填充Cu的还原炉，使氮氧化物还原成N2。,液相色谱-氧化-同
3、位素质谱(LC-C-IRMS) -可进行一般溶液中有机化合物的测定 图.LC-IRMS 工作流程示意。分析物由LC分离，在磷酸存在下由过硫酸钠定量转化为CO2,所产生的过量O2，随后在还原炉使Cu氧化而被移去，以免腐蚀后面离子源的灯丝。,图.LC-IRMS装置结构示意,3.基本化学计量关系3.1同位素的基本计量相对比率 化合物中元素重同位素对轻同位素的原子比率相对于标准物质的相对值，并用小写delt符号,单位为千分数表示，即 （） （1） 式中，R 分别是化合物X和标准std中的重同位素对轻同位素的比率。,关键元素同位素的基础数据,分馏因子 表示化学反应中同位素分馏效应的物理量，用产物相对反应
4、物（或底物）的相应同位素比率表示，即 （2） 富集因子 分馏效应的另一种表示方式，又称为容量分馏因子，表示为 （3）,效应解析 由于同位素在其化学反应进程中活化能不同，因此在涉及化学键断裂或形成的反应中，同位素因动力学反应速率不同而产生分馏效应，对于仅含一个单元素原子的小分子,如CCl4的碳等，有 （4） 式中 ， 和 分别为化合物的重或轻同素体的反应速率常数； 用以描述反应的动力学效应。,同位素效应的机制,图.两同素体在反应进程中振动势能曲线的比较。ZPE代 表零点能，蓝色和红色分别代表轻、重同素体，两者的零点能之差，反应态大于过渡态及形成态，因此产生同位素效应，并且称为正效应，重同位素在反
5、应物中富集。,化学键的同位素效应，是由同位素的反应活化能不同而反应速率所不同引起，活化能取决于化学键在反应态和过渡态间零点振动能的差别。振动能为E=h，其中h是普朗克常数， 是键的振动频率， ，其中是键的配对体的约化质量，重同位素的较小，因此零点能较低，f是键的力常数，过渡态时较小，势能较浅，振动能的量子间距也较小。,3.2瑞利方程(Rayleigh equation) 是将化学反应的进程，即反应底物的剩余分数，通过同位素富集因子，与因反应进程中因同位素分馏效应而致底物同位素比率的变化相联系的方程。其数学推导如下： 根据分馏因子的定义，即同位素在产物与反应物之间的分配比，有 （5） 式中，H和
6、L分别为化合物重同位素体分子和轻同位素体分子的浓度，下角标p和r分别表示产物和反应物。,因为， 和 所以， （6） 积分上式，且此后省略下角标 r，有 （7）令 （8）表示反应物的剩余分数。,对方程（7）进行变化，有 （9）整理上式，有 （10） 式中， 和 分别为反应物在t 时刻和0时刻时,重同位素对轻同位素的比率。,当重同位素体的浓度很低，即 或分馏效应很小，有 ，此时方程(10)可近似为经典的瑞利方程，即 （11） 用对数线性化表示，有 （12）,对于转化过程，富集因子的典型值为 ,此时有 （13） 方程(13)可以简化为： （14） 从方程(1)和(3)可得出，产物与反应物间的 差值等
7、于对反应物归一化的富集因子 ，即 （15）,举例,举例 反应进程中同位素漂移量及分析误差与可靠性判定的关系,分析不确定性对甲苯降解判定的影响。 a.甲苯的甲基或环氧化途径； b。通过甲基途径，降解超过15%，同位素漂移就会超过分析的确定性0.5，因此可以判定该过程；而对于环氧化途径，只有降解超过70%，才可判定。,3.3瑞利方程的解析与修正 实际上在利用瑞利方程时，由测定所确定的同位素富集因子，常称为容积富集因子 ，它是对整个分子中相应元素所有原子平均的结果，为了将其与化学反应的同位素动力学效应关联起来，以便将实验得到表观动力学常数AKIE，与理论推导的动力学常数KIE相比较，以推测化合物转化
8、途径的化学机制，首先因用所谓的反应位置富集因子 替换容积富集因子 ，为此对瑞利方程进行如下修正。,对分子间竞争的修正 由瑞利公式的推导过程可知，其为分子同素体分馏效应与反应进程关系的方程，然而由质谱测得的是元素的同位素丰度，而并非分子同素体的丰度，除了单位点元素原子分子，如CCl4中的C等极个别的情况，同位素的分布才等同于同位体的分布外，对其它更一般情况，即分子中元素同时存在于非活性反应部位时，则必须将测得元素的同位素比率转化为分子同素体的比率。,说明四氯乙烷降解途径及反应原子的例子,图.四氯乙烷脱氯的可能途径，以及适合CSIA分析的反应键和元素原子。,设化合物中的相应一元素含n个原子，其中x
9、个的是反应位点等价的，在考虑分子的同素体时，因重同位素的自然丰度很小，一般只需考虑全为轻同位素lEn ，或仅有一个重同位素hElEn-1 的两种分子，对于反应过程的同位素效应 ，只有重同位素处反应位点才发生，而在非反应位点时对分馏没有贡献，表观上表现为因分子间非位点与位点竞争，而致分馏效应的被稀释，此时元素同位素丰度和同素体丰度有如下关系，即,(16) 式中， R是同位素比率，而 K是同素体的比率。因此考虑因分子间非反应位点对反应位点同位素分馏的竞争稀释作用，瑞利经典瑞利方程修正为 （17） 式中， rp和 rp分别称为反应位点分馏系数和富集因子，位点富集因子与容量富集因子有近似关系rp=(n
10、/x)bluk。,对分子内竞争的修正 对于分子反应位点有z个内等价原子的情况，因轻同位素的反应不产生分馏，而会对重同位素分馏产生稀释作用，考虑此校正的单位键的富集因子应增加z倍。考虑以上两种修正，所表观动力学常数的所测得富集因子有以下关系，即 （18） 在实际应用过程中，针对某一具体的反应过程，可以通过测定其表观动力学常数，并与推测的反应途径所求得内在动力学常数进行比较，可用以阐述反应机制及途径。,3.4扩展的瑞利方程 当底物的代谢有多个途径，且都遵循一级反应动力学时，同时考虑到 ，则分子的轻和重同素体浓度变化，可分别表示为 （19） 和 （20） 式中， L和H 分别为轻和重同素体浓度， K为一级反应速率常数， 为分馏因子，上角标 L和 H分别表示轻或重同位素，下角标1和2分别表示每一过程。,
