由于原子核所含有的中子數(shù)不同,具有相同質(zhì)子數(shù)的原子具有不同的�(zhì)�,這些原子被稱為同位素。例�,碳�3個主要同位素分別為C、C和C,它們都�6個質(zhì)子和六個電�,但中子�(shù)則分別為6�7�8。與�(zhì)子相比,含有太多或太少中子均會導(dǎo)致同位素的不�(wěn)定�,如C。這些不穩(wěn)定的“放射性同位素”將會衰變成�(wěn)定同位素。而C和C則因為質(zhì)子和中子所特有的穩(wěn)定結(jié)合,不發(fā)生衰�,即為穩(wěn)定同位素�
在生�(tài)�(xué)和環(huán)境科�(xué)研究中最常用的是�、氮、硫、氧和氫的穩(wěn)定同位素,這些�(wěn)定性同位素可以通過氣體同位素比率質(zhì)譜分析法測得。首先將樣品�(zhuǎn)化成氣體(如CO2,N2,SO2或H2�,在離子源中將氣體分子離子化(從每個分子中剝離一個電子,�(dǎo)致每個分子帶有一個正電荷�,接著將離子化氣體打入飛行管�。飛行管是彎曲的�磁鐵置于其上�,帶電分子依�(zhì)量不同而分離,含有重同位素的分子彎曲程度小于含輕同位素的分�。在飛行管的末端有一個法拉第收集器,用以測量�(jīng)過磁體分離之�,具有特定質(zhì)量的離子束強(qiáng)��
以CO2為例,需要有三個法拉第收集器來收集�(zhì)量分別為44�45�46的離子束。不同質(zhì)量離子同時收�,從而可以精確測定不同質(zhì)量離子之間的比率�
圖CO2的三個最常見�(zhì)量—�44(C,O,O��45(C,O,O)和46(C,O,O)在�(zhì)譜儀飛行管中的分布圖。�(jìn)入飛行管的CO2在通過離子源時,每個分子都被剝離一個電�,形成帶正電的離��
在飛行管��磁場�(dǎo)致離子發(fā)生偏�,偏離半徑與離子的質(zhì)�/電荷比率成比�。重離子比輕離子偏離小(偏離半徑大)。以CO2為例,質(zhì)量為46的離子偏離半�,質(zhì)量為44的離子偏離半徑最�,質(zhì)量為45的離子則介于兩者之�。電荷也會影響偏離半�,但對于絕大多數(shù)分子而言,由于離子源僅剝離一個電子,因此,離子電荷數(shù)基本是恒定的�
�(wěn)定同位素豐度表示為樣品中兩種含量最多同位素比率與國際標(biāo)�(zhǔn)中響�(yīng)比率之間的比�,用符號(δ)表示。由于樣品與�(biāo)�(zhǔn)參照物之間比率差異較�,所以穩(wěn)定同位素豐度表示為樣品與�(biāo)�(zhǔn)之間偏差的千�?jǐn)?shù)。以碳為例:
δC樣品={(C/C樣品)/(C/C�(biāo)�(zhǔn))-1}x1000
�(biāo)�(zhǔn)物質(zhì)的穩(wěn)定同位素豐度被定義為0�。以碳為�,國際標(biāo)�(zhǔn)物質(zhì)為PeeDeeBelemnite,一種碳酸鹽物質(zhì),其普遍公認(rèn)的同位素比率(C/C)為0.0112372。如果某種物�(zhì)的C/C比率>0.0112372,則具有正�;若�13C/12C比率<0.0112372,則具有�(fù)值。下表列出了5種環(huán)境穩(wěn)定同位素的國際標(biāo)�(zhǔn)及其同位素比�。氧和氫等穩(wěn)定同位素具有多個國際標(biāo)�(zhǔn)�
元素 |
δ符號 |
測量比率(R) |
國際�(biāo)�(zhǔn) |
R, 國際�(biāo)�(zhǔn) |
H |
δD |
H/H |
�(biāo)�(zhǔn)平均海水 (SMOW) |
0.00015575 |
H/H |
�(biāo)�(zhǔn)南極輕降� (SLAP) |
0.000089089 | ||
C |
δC |
C/C |
Pee Dee Belemnite (PDB) |
0.0112372 |
N |
δN |
N/N |
大氣 |
0.003676 |
O |
δO |
O/O |
�(biāo)�(zhǔn)平均海水 (SMOW) |
0.0020052 |
O/O |
Pee Dee Belemnite (PDB) |
0.0020672 | ||
O/O |
�(biāo)�(zhǔn)南極輕降�(SLAP) |
0.0018939 | ||
S |
δS |
S/S |
Canyon Diablo Triolite (CDT) |
0.045005 |