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【分享】气相色谱同位素比质谱仪联用技术在地球化学中的应用现状四

qibiao2008

2009/04/03

同位素及其它无机质谱

气相色谱同位素比质谱仪联用技术在地球化学中的应用现状与前景之四
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4 生物地球化学中的应用
稳定同位素应用于地球科学之后，在生物地球化学的应用近几年显得非常迅速。在生态系统研究中，各种生物种群之间的摄食关系、营养物质和能量流动是生态学研究的一个难题。用生态系统中有机碳和氮稳定同位素组成动态变化的稳定同位素技术为解决这一生态学难题提供了新的研究手段[20]，稳定同位素技术的优点在于使得这些生态问题研究能够在没有干扰的情况下进行。以稳定同位素作为示踪剂研究生态系统中碳源、能量流动、营养结构、污染物的生物放大作用[20]，成为了解生态系统动态变化主要研究手段之一。生物中δ15N值受食物源和生物的新陈代谢两方面因素的影响，生物的新陈代谢会引起同位素的分馏使δ15N同位素在生物体内进一步沉积，这样逐级积累从而实现了不同营养级之间同位素的富集作用，因此δ15N是一种较好的营养层次指示剂[23 -24]。通过使用稳定性同位素技术，可以使生态学家测出许多随时空变化的生态过程，同时又不会对生态系统的自然状态和元素的性质造成干扰。在过去的十几年中，一些生态与环境科学的最令人瞩目的进步依赖于稳定性同位素技术，稳定性同位素能够被用来解决与生物地球化学有关的生态许多问题，例如 C3植物如何有效地利用水分[23] ，可以用13C, 15N确定土壤中碳和氮周转速率，研究人员可以用15N, 18O, 2H确定植物的分布区域。
有些问题还只能通过利用稳定同位素技术来解决。例如，植物在光合作用倾向于吸收含有轻碳同位素12C的CO2，其吸收程度受有效水含量和光合途径影响，水分有效性和光合途径是干旱或湿润环境植物的重要特性。因此，植物13C组成能够在时间尺度上整合反映植物的水分利用效率[22]。通过测量植物茎水2H和18O组成，也能够判定植物对表层水和深层水的依赖程度。
5 环境地球化学中的应用
稳定同位素在环境治理中用于追踪污染物的来源[31]也有着广泛的应用，如果地下水有几种不同地区的降水补给来源，而且在不同地区形成这些降水的蒸发，凝结条件也各不相同，那么在不同地区降水来源的图δD—δ18O上的直线就会出现不同的斜率和截距[26]，据此就可以判断地下水的补给来源。如山西229煤田地质队与中科院地质与地球物理研究所所运用氢氧同位素也曾对山西太原地区地下水资源评价和开发作了研究。其中，太原地区大气降水线为δD=7.6δ18O+10；汾河水的氢氧同位素平均值为δD=-62.3±2.8‰，δ18O=-8.32±0.4‰。西山岩溶水的δD和δ18O之间呈线性关系为δD=5.56δ18O-16.1 [25]可见，西山岩溶水中混入了受强烈蒸发作用的汾河水及浅层水，它与汾河渗漏水及上覆石炭、二叠系裂隙水有明显的水力联系。利用这一原理，我们可以进行地下水污染源的追踪。地下水源如果遭到地表污水的影响，利用稳定同位素方法，一旦地下水与地表水的δD和δ18O存在一定的联系，就可以判定该地下水与地表水之间的水力联系，确定污水的地表来源。利用氮同位素追溯硝酸盐污染源[28] ，稳定氮同位素还可用于生物对多氯联苯（PCBs）、和Hg、Cd 、Zn等重金属的生物放大研究。利用稳定同位素示踪的方法，与常规污染物调查相结合来研究陆源污染物的扩散运移规律以及在食物网中的生物放大和积累作用，可为环境污染的综合治理提供科学技术支持。彭林等用正构烷烃单分子碳同位素组成对兰州大气污染源的探讨[27]，近期稳定同位素示踪技术也有效地应用于赤潮的研究中，通过追踪引起赤潮主要物种的发展变化，可以研究赤潮的产生机理、发展过程和对水体及生态系统营养层次的影响[21]了解赤潮消失的原因及赤潮的预防手段，咸水和现代海水的D 和18O的δ值因古今温度的变化而有很大差异。因此可以根据稳定同位素δ值的变化范围确定海水入侵范围，例如,潘曙兰用同位素方法研究了我国莱州湾海水入侵的成因及变化发展趋势[28]。结果表明，在莱州湾西部的广大地区属于卤水入侵区，在莱州湾东部的龙口地区属于现代海水入侵区）从而有效地监视和跟踪海水入侵的变化趋势。
6其它应用
GC-C/TC-IRMS技术还应用于土壤科学、医药科学、食品科学、法庭医学以及运动员违禁药物检测和等很多研究和应用领域。进口商品中通过碳氮同位素分析，可以确定肉类的产地，通过检测蜂蜜中碳同位素组成可以检测蜂蜜的真假；还可以通过碳同位素确定柠檬酸和食用香料是人工合成还是天然产品；通过测量植物中的碳氮比可以得知农作物施肥的最佳配方比和时间；在刑事侦查中，通过检测缴获的海洛因碳同位素组成可以推知制造海洛因原料的产地，通过检测运动员尿液类固醇的某些有机物的碳同位素可以推断运动员是否服用兴奋剂等。
7 结论
目前国内很多单位都引进了气相色谱-燃烧/热转换-同位素比质谱连用仪器，但由于同位素的实验室标准不统一、实验条件不同，数据还存在有的差异，有时候难以直接对比，影响了有机物质单体同位素在各个方面的应用。由于自然环境的复杂性和观测手段的局限性, GC-C/TC-IRMS技术与其它技术方法的结合使用和对比,将会更富有成效地解决问题。随着社会的进步和科学技术的发展，由于稳定同位素技术以其快速可靠，数据稳定准确的特点，应用GC-C/TC-IRMS连用仪器的种类也越来越多。在国外，测定同位素的组成工作越来越深入，已经从原来的测定某种化学物质的同位素平均组成到现在的测定某种物质分子内部官能团的的同位素组成,这样更好地了解地球化学过程对周围的物质，特别是有机分子，同位素分馏机理及其平衡过程。这样可以为稳定同位素应用跨上一个新台阶。总之，地球化学的发展需要，会促使越来越多的同位素方法将应用于更广泛的领域，以便更好更准确地解决地球科学及相应学科领域中的理论和实际问题,，技术水平的提高必然促进学科的发展，总之GC-C/TC-IRMS连用技术在科学研究领域具有广阔的应用前景。

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