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穩定同位素質譜

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  什麼是穩定同位素?

  由於原子核所含有的中子數不同,具有相同質子數的原子具有不同的質量,這些原子被稱為同位素。例如,碳的3個主要同位素分別為C、C和C,它們都有6個質子和六個電子,但中子數則分別為6、7和8。與質子相比,含有太多或太少中子均會導致同位素的不穩定性,如C。這些不穩定的「放射性同位素」將會衰變成穩定同位素。而C和C則因為質子和中子所特有的穩定結合,不發生衰變,即為穩定同位素。

  穩定同位素含量如何測量?

  在生態學和環境科學研究中最常用的是碳、氮、硫、氧和氫的穩定同位素,這些穩定性同位素可以通過氣體同位素比率質譜分析法測得。首先將樣品轉化成氣體(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,導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中。飛行管是彎曲的,磁鐵置於其上方,帶電分子依質量不同而分離,含有重同位素的分子彎曲程度小於含輕同位素的分子。在飛行管的末端有一個法拉第收集器,用以測量經過磁體分離之後,具有特定質量的離子束強度。

  以CO2為例,需要有三個法拉第收集器來收集質量分別為44、45和46的離子束。不同質量離子同時收集,從而可以精確測定不同質量離子之間的比率。

  圖 CO2的三個最常見質量——44(C,O,O)、45(C,O,O)和46(C,O,O)在質譜儀飛行管中的分布圖。進入飛行管的CO2在通過離子源時,每個分子都被剝離一個電子,形成帶正電的離子。

  在飛行管中,磁場導致離子發生偏離,偏離半徑與離子的質量/電荷比率成比例。重離子比輕離子偏離小(偏離半徑大)。以CO2為例,質量為46的離子偏離半徑最大,質量為44的離子偏離半徑最小,質量為45的離子則介於兩者之間。電荷也會影響偏離半徑,但對於絕大多數分子而言,由於離子源僅剝離一個電子,因此,離子電荷數基本是恆定的。

  穩定同位素丰度表示為樣品中兩種含量最多同位素比率與國際標準中響應比率之間的比值,用符號(δ)表示。由於樣品與標準參照物之間比率差異較小,所以穩定同位素丰度表示為樣品與標準之間偏差的千分數。以碳為例:

  δC樣品 = {(C/C樣品) / (C/C 標準) - 1} x 1000

  標準物質的穩定同位素丰度被定義為0‰。以碳為例,國際標準物質為Pee Dee Belemnite,一種碳酸鹽物質,其普遍公認的同位素絕對比率(C/C)為0.0112372。如果某種物質的C/C比率>0.0112372,則具有正值;若其13C/12C比率<0.0112372,則具有負值。下表列出了5種環境穩定同位素的國際標準及其絕對同位素比率。氧和氫等穩定同位素具有多個國際標準。

  
元素δ符號測量比率(R)國際標準R, 國際標準
HδDH/H標準平均海水 (SMOW)0.00015575


H/H標準南極輕降水 (SLAP)0.000089089
CδCC/CPee Dee Belemnite (pdb)0.0112372
NδNN/N大氣0.003676
OδOO/O標準平均海水 (SMOW)0.0020052


O/OPee Dee Belemnite (PDB)0.0020672


O/O標準南極輕降水(SLAP)0.0018939
SδSS/SCanyon Diablo Triolite (CDT)0.045005
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