四、碳、氧同位素質(zhì)譜分析法

碳的同位素有六種，質(zhì)量數(shù)從10到15。在四個放射性同位素中，質(zhì)量¹⁰C和¹⁵C的半衰期很短，不能應(yīng)用到示蹤試驗(yàn)上。¹¹C的半衰期為20.4 min。放出硬β射線，測量比較簡單，曾被應(yīng)用過。長半衰期的放射性同位素¹⁴C(半衰期為5568 y)是碳同位素中應(yīng)用得最廣泛的示蹤同位素。¹²C和¹³C是穩(wěn)定性同位素。¹³C的自然豐度為1.108%，它是碳元素示蹤試驗(yàn)中最常用的穩(wěn)定性同位素。

由于濃縮¹³C的成本較高，因此限制了¹³C標(biāo)記的示蹤物質(zhì)的廣泛應(yīng)用。而利用碳穩(wěn)定性同位素白然豐度變異的方法，在生物學(xué)、土壤學(xué)和環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域中是研究自然界含碳物質(zhì)的來源、成因和分類的有力工具。

與氮元素相似，沒有一個氧的放射性同位家適用于示蹤工作。氧有三種穩(wěn)定性同位素，即¹⁶0,¹⁷0和¹³O，它們的自然豐度分別為99.763%,0.0375%和0.1995%。在示蹤試驗(yàn)中常用的穩(wěn)定性氧同位素是¹⁸O。氧同位素在自然界各種物質(zhì)中的自然豐度變異是德定性同位素地球化學(xué)中研究得最詳細(xì)的一個，它是構(gòu)成同位素地質(zhì)溫度計的最主要的元素。

1、引言

最適用于碳同位素質(zhì)譜分析的樣品形態(tài)是CO₂，它較穩(wěn)定，容易從有機(jī)及無機(jī)碳化合物制備出來，同時用CO₂作質(zhì)譜分析的氣體記憶效應(yīng)小。因此，在進(jìn)行碳同位素質(zhì)譜分析時，都必須將所有被分析的含碳物質(zhì)通過相應(yīng)的制樣技術(shù)轉(zhuǎn)化成Co₂。

¹⁸0的質(zhì)譜分析方法，可根據(jù)不同的原始樣品形態(tài)，制備成下列3種供質(zhì)譜分析的氣體樣品:含¹⁸0的CO₂氣體；先將¹⁸O標(biāo)記的有機(jī)或無機(jī)化合物轉(zhuǎn)化成H₂O，再與已知豐度比的CO₃進(jìn)行同位素交換平衡后的CO₂樣品;以及直接制備成¹⁸10標(biāo)記的O₂。由于CO₂和O₂的物理和化學(xué)性質(zhì)不同，用它們作工作氣體時，各有其優(yōu)缺點(diǎn)。用0₂做工作氣體進(jìn)行氧同位素的質(zhì)譜分析，其優(yōu)點(diǎn)是不需要轉(zhuǎn)換，在計算δ值時不據(jù)要作¹³C校正，可以測定¹⁷0;而缺點(diǎn)是電離效率低，易與其他物質(zhì)相互作用產(chǎn)生同位素分餾效應(yīng)，也會對質(zhì)潛計的金屬部件起氧化作用，記憶效應(yīng)的干擾較大。用CO₂做工作氣體時，優(yōu)點(diǎn)是易滿足粘滯流，用液氮可以消除混入CO₂中的雜質(zhì)氣體，工作氣體易于純化;其缺點(diǎn)是需經(jīng)過0₂轉(zhuǎn)化為CO₂的程序，測量結(jié)果需作¹³C的校正等。根據(jù)兩種進(jìn)樣氣體優(yōu)缺點(diǎn)的比較，目前幾乎都用CO₂作氧的同位素比值測定。只有極個別情況下，例如需測量¹⁷0時，才用0₂作質(zhì)譜測量。

2、土壤中碳酸鹽的碳、氧同位素的質(zhì)譜分析

碳酸鹽是土壤中主要的無機(jī)碳化合物，大多數(shù)以碳酸鈣的形態(tài)存在。土壤中碳酸鹽的含量和來源是土壤性質(zhì)的重要指標(biāo)。根據(jù)碳、氧同位素自然豐度的變異可以研究土壤中碳酸鹽的來源，以及它的溶解和沉淀過程，從而為評價成土過程的深度和土壤的熟化程度提供依據(jù)。土壤碳酸鹽的δ¹⁸0主要受氣候因素(降雨和溫度)的控制。

（1）方法提要

磷酸法是分析土壤碳酸鹽中碳、氧同位素比值的唯一簡使可靠的方法。在恒溫條件下，碳酸鹽樣品經(jīng)磷酸分解析出純凈的CO₂ ,然后用質(zhì)譜計測定二氧化碳?xì)怏w中的碳、氧同位素比值。磷酸與碳酸鈣的反應(yīng)，按下式進(jìn)行:

3CaCO₃+2H₃P0₄→Ca₃(PO,),+3H20+3CO:個

(2)試劑

①濃磷酸:將市售的磷酸(p≈1.55g·mL^-1，分析純)倒入裝有少量玻璃球的磨口錐形瓶中，在播動中緩慢地加入五氧化二磷。要注意防止酸液過熱生成焦磷酸酐，當(dāng)磷酸比重達(dá)1.85g·mL^-1時，即可使用，制備好的濃磷酸保存在干燥器中;

②液氮，一196^oC;

③冷液一80^oC:由無水乙醇和液氮調(diào)拌而成。

（3）儀器與設(shè)備

測定土壤中碳酸鹽的碳、氧同位素的制樣裝置和反應(yīng)瓶(圖48-12);特制的彎頭漏斗;恒溫水浴搖床，紅外燈。氣樣瓶，具雙路進(jìn)樣系統(tǒng)的同位素質(zhì)譜計。

（4）分析步驟

①真空脫水;稱取一定量含有碳酸鹽的土壤樣品，于110^oC烘干2h,置于預(yù)先烘干的反應(yīng)瓶主管中。用特制的彎頭漏斗將4mL濃磷酸注入反應(yīng)瓶支管內(nèi)。注入時應(yīng)防止磷酸沿管壁流入盛有土壤樣品的主管中。然后將反應(yīng)瓶連接到制樣裝置的管線上(B處)進(jìn)行真空脫水。為了防止土壤輕組分被抽走，抽真空時應(yīng)分步進(jìn)行。用紅外燈低溫(50^oC～55^oC)烘烤支管加速磷酸的脫水。系統(tǒng)真空度保持在5×10^-3Pa。抽氣2h后，關(guān)閉反應(yīng)瓶活塞，將其從制樣裝置上取下。

②恒溫反應(yīng):從制樣裝里上取下的反應(yīng)瓶稍許冷卻后，置于25℃恒溫水浴搖床中恒溫30min。然后將反應(yīng)瓶傾斜，使支管中的濃磷酸流入主管中與土壤反應(yīng)。由于起始反應(yīng)溫度對結(jié)果影響很大，此操作始終在恒溫水浴的液面下進(jìn)行。在搖速100r·min^-1下恒溫反應(yīng)8h。

③二氧化碳的純化和轉(zhuǎn)移:恒溫反應(yīng)結(jié)束后，自搖床中取出反應(yīng)瓶，連接到制樣裝置的C處。在真空條件下，通過一80^oC冷阱和液氮冷阱，使二氧化碳和水分離，將二氧化碳轉(zhuǎn)移和收集到氣樣瓶中,供質(zhì)譜測定。

(4) ¹³C,¹⁸0的質(zhì)譜分析:通過質(zhì)譜計的進(jìn)樣系統(tǒng)將樣品二氧化碳?xì)怏w送入質(zhì)譜計內(nèi)。在質(zhì)譜計的離子眼中，CO₂氣體分子經(jīng)電子轟擊電離成離子，主要的離子類型如表48-5所示。

在精密同位素質(zhì)譜計上，采用雙樣比較法，測定樣品氣體和工作標(biāo)準(zhǔn)氣體相應(yīng)離子流強(qiáng)度比(I₄₅/I₄₄和I₄₆/I₄₄)，并得出δ值，最后由計算機(jī)計算出δ¹³C。和B_PDB和δ¹⁸O_PDB值。

參考資料：土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法