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1、讲 座付 昀 2013年3月14日同位素质谱仪原理生态学中应用同位素？原子、中子和同位素H1 1H2 1H3 11 质子, 1 电子(D)1 质子, 1 中子, 1 电子(Tritium) 1 质子, 2 中子, 1 电子一、同位素的概念和原理同位素？ 一个原子或离子的质量主要在原子核 质子中子电子带一个正电荷并且有一个原子的质量. 它的实际质 量 近似为 10-24g.带一个零电荷并且有一个原子的质量. 它的实际质 量 近似为 10-24g带一个负电荷，只有一个为质子的 onl1/2000th质量质子数和中子数的总和 = 原子量原子数 = 质子数C , C126136CarbonOxygen
2、SulphurHydrogenNitrogenH11H21C126C13 6N147N157S3216S3316S3416S3616O168O17 8O18899.9840.0156020406080100%99.6350.365020406080100%98.8921.108020406080100%99.7590.0370.204020406080100%95.020.764.2100.014020406080100%稳稳定同位素的自然丰度H31C146各种同位素的Delta值值的标标准HO:SMOW 大洋水（Standard Mean Ocean Water）D/H=（155.76 0.
3、10） 10-6 D,SMOW =0（ DSMOW =0 ） 18O/16O=(2005.2 60) 10-6 18O,SMOW=0（18OSMOW =0 ） C:PDB 美国南卡罗罗来纳纳州白垩纪纪皮狄组层组层 位中的拟拟箭石化石（Peedee Belemnite） 13C/12C=(11237.2 93) 10-6 13C, PDB=0（ 13CPDB=0 ）N : Air 空气中氮气为标为标 准（ Air ） 15N/14N= (3676.5 60) 10-6 15N, Air =0 （ 15NAir =0 ）S: CDT 选选用Canyon Diablo铁陨铁陨 石中的陨陨硫铁铁(Tr
4、oilite)为为标标准物质质34S/32S = 0.0450045 93 34S,CDT =0 （ 34SCDT =0 ）同位素比值值: 非常小的值值13C/12C PDB = 0.01123713C/12C SAMPLE = 0.01124813C = +1 变化 vs PDB13C/12C SAMPLE = 0.01122613C = -1 变化 vs PDB 国际通用的参考物质(PDB)举例(13C/12Csam -13C/12CPDB) x 100013C/12CPDB Delta （千分值）= 自然界碳同位素变变化稳定 IRMS只分析化学稳定的同位素，无放射性。主要分析 的稳定同位
5、素有：2H13C15N18O 34S上述同位素一般转化为如下气体引入IRMS，所 以也可以叫气体同位素质谱仪 ：H2CO2N2CO SO2比 IRMS测量较重同位素对较轻 同位素的比率，以CO2为 例：IRMS分析的比率：45/44 和 46/44稳稳定同位素比质谱仪质谱仪 IRMSIsotope Ratio Mass Spectrometer稳稳定同位素质谱质谱 分析测测量过过程氧化燃烧还烧还 原H2OCO2SO2N2444546 CO212C16O2+12C16O17O+, 13C16O2+12C16O18O+, 13C16O17O+Multiple DetectorsCOH2高温裂解Is
6、oPrime100 IRMSIonisation SourceFaraday CollectorsMagnet Separation所有IRMS系统中最大的线性范围实用的无限制放大器 范围增加10倍 可轻松分析微量样品，无需对分析精度妥协 Ability to analyse very high C:N:S ratios without need for dilution 不需稀释，直接分析高C:N:S比的样品自动增益转换进行附近同位素样品分析无需转换放大器自动高阻检测即插即用的高阻具有优秀的系统弹性可升级的多接收器阵列简单增加分析接收通道，实现多接收器应用要求仪器诊断套件完整的诊断软件，用户
7、可自定义参数，对测试系统性能可选择的放大器抽真空系统可对放大器部分抽真空，获得极低的噪声，并内置压力和温度传 感器100V 前置放大器 IsoPrimeIsoPrime100100V0V10V50V最具智能化的IRMS前置放大器IonVantage 软软件新版软件提供给用户最具灵活性的EA-IRMS系统IsoPrime100与Elementar研发的新元素分析仪套件相连接IonVantage IRMS软件可智能，直观的计算机控制EA“一次运行”样品程序和分析结果同步功能自动检漏功能和方法设计Isoprime 100+EA vario PYRO cubeEA diluterElemental A
8、nalyser固体和液体的批量分析CHNS 顺序分析CNS & OH 高温分析TraceGas痕量N2O, CO2 和 CH4 大气样品分析,硝酸还原微生物方法GCd13C, d15N, dD and d18O 单体 烃同位素比值 （ 由 GC分离 得到）土壤 农业环境(古环境) 海洋 水文地理大气 气候变化生态 生物地球化学循环地质食品掺假兴奋剂检测石油化工临床生物学法医鉴定二、稳定同位素质谱的应用陆陆地生态态系统统的稳稳定碳同位素变变化陆陆地生态态系统统的稳稳定氮同位素变变化水气输输送过过程中氢氢氧同位素变变 化纬纬度效应应、大陆陆效应应、海拔效应应、季节节效应应18O = 0 -13-1
9、5-17-3-51、植物光合作用类型的判定； 2、氮分配与利用：15N标记方法； 3、植物水分利用效率的测定； 4、植物水分胁迫程度的指示； 5、植物水分来源的研究； 6、同位素在食物链研究中应用13CO2+ H12CO -3 CO2+ H13CO-*Food Analysis202、氮分配与利用：15N标记方法1、地上部分：测定植株地上部分（茎、叶、果 实等）的重量（g）、N%、15N的同位素丰度（ atom%，即APC值）； 2、地下部分：测定植株的根的重量（g）、N% 、15N的同位素丰度（atom%）； 3、土壤各组成成分：包括定时测定土壤中的15N 残留、淋溶作用和气体损失的15N
10、（主要是N2O 、NH3测其体积、浓度和15N同位素丰度）追踪示踪剂15N的去向，研究N分配与利用效率1、植株来自示踪15N的% Ndff = 植株中15N原子 百分超 /示踪15N原子百分超100%； 2、植株来自示踪15N的量 Ndff kg/hm2=植物吸氮 量 kg/hm2 植物 % Ndff 3、N利用率 % = 植物 Ndff kg/hm2 / 施氮量 kg/hm2 100%Agrar-AnalyseChemische AnalyseBrennstoff-AnalyseIsotopen-AnalyseUmwelt-AnalyseVerbrauchsmaterialien3、植物水分
11、利用效率的测定植物的 13C 值：13C p= 13Ca-a-(b-a)Ci /Ca13C p ：植物组织的碳同位素比率13C a ：大气CO2 的碳同位素比率 a , b ： CO2 扩散和羧化过程中的同位素分馏 Ci ,Ca ：细胞间及大气的CO2 浓度 A ： 光合速率 E： 蒸腾速率 W：叶内外水汽压之差 WUE：水分利用效率WUE=A/E= (Ca-Ci)/1.6WWUE=( 13Ca-13Cp-b)/1.6W Ca(a-b)4、 13C指示植物胁迫程度刘国利等，2010. 水分胁迫下紫花苜蓿的水分利用效率5、植物水分来源同一地区各类植物不同的水分来源植物水分来源 消费者的氮稳定性同
12、位素（15N）相对其食 物的15N发生3-4的富集。 消费者相对其食物的15N稳定的富集作用可 以用于评价生物的营养级位置，其公式为： 式中15Nbase为生态系统食物网的初级生产 者或初消费者的氮稳定性同位素比率（即 =1时，15Nbase为初级生产者15N，而当 =2时，15Nbase为初级消费者15N） 15Nconsumer为消费者的氮稳定性同位素比 率，15N为营养级传递过程中的富集值（ 平均值约为3.4）。6.同位素在食物链研究中应用-食物网结构和营养级关系同位素其他方面的应用2.区分光合和呼吸对净生态系统CO2交换或NEE的相对贡献（13C判定）3.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（2D, 18O ）4.判定N2O的来源（硝化细菌或反硝化细菌）（15N，18O）5.如何确定空气和水体污染物的来源（15N, 34S, 18O）6.确定城市能源消耗对大气CO2 CO和氮化物的贡献（13C , 15N, 18O）7.判定史前人类社会是否以谷物作为食物来源（13C） 1.区分土壤呼吸释放CO2的来源（植物根系或土壤微生物）（13C, 18O）28谢谢 谢！谢！
