“同位素分析新技术与地质应用研究新进展”专辑特邀主编寄语

同位素定年和示踪技术已渗透到地球科学的各个方面,成为确定地质事件时代和成岩成矿年龄、示踪成岩成矿物质来源和形成环境条件的重要手段,推动地球科学发展的重要动力。随着分析技术的不断发展,微区/微量同位素、非传统同位素、高维度同位素已成为当前国际同位素地球化学研究的前沿和重点领域,近年来我国在该领域也取得长足发展和一系列重大成果。本“同位素分析新技术与地质应用研究新进展”专辑集中刊发了13篇这方面的文章,主要涵盖了两个方向的研究成果:(1)同位素地质分析新方法及标准物质研制;(2)同位素地球化学研究新进展,主要包括同位素示踪技术在矿床和海洋沉积环境中应用研究。本文将对收录本专辑文章的研究工作做一简要介绍,对深入了解我国同位素地质分析技术及应用研究最新进展具有一定参考价值。

长链烯酮单体碳-14同位素分析技术进展与研究意义

生物标志物是研究古环境重建和物质循环理论的重要载体。针对海洋生物标志物的同位素研究是研究古海洋学与海洋元素循环理论的重要手段,应用国际先进的单体分子天然放射性碳同位素(碳-14)技术开展海洋环境演变和碳循环相关研究有着重要的科学意义。其中,长链烯酮单体分子碳-14年龄分析能够反映海洋搬运作用对有机质沉积过程的影响,对生物标志物重建古环境等应用提出了新认识,并为建立利用有机质进行沉积物定年的方法奠定基础,也为建立海洋环境变迁和海洋碳循环模型提供进一步的年龄约束。因此,有必要对长链烯酮单体分子碳-14年龄的测定与研究意义进行系统归纳总结。在此基础上,综合介绍了2种关键的长链烯酮单体的分离提纯技术、1种重要的烯酮单体分离技术和长链烯酮单体分子碳-14分析及计算方法,以及长链烯酮单体分离提纯的过程空白评估方法;并总结了长链烯酮单体分子碳-14分析技术在海洋学中的指示意义:①间接地指示海洋搬运作用;②示踪海洋碳库;③具有改进沉积物年代学和古环境指标的潜力。最后,提出了应用长链烯酮单体分子碳-14解决海洋碳循环的几点核心科学问题。系统地总结长链烯酮单体分子碳-14技术特点与典型范例,对未来在中国近海开展相关研究具有重要启示意义。

应用气-质联机和同位素双标记技术对土壤微生物吸收有机氮的研究

土壤微生物对小分子有机氮的直接吸收和利用是目前微生物氮素营养研究的新方向。本研究通过气相色谱-质谱(GC-MS)对双标记氨基酸(^(13)C,^(15)N)的测定技术探讨土壤微生物对有机氮分子的直接吸收和利用。结果表明:加入土壤中的甘氨酸被微生物迅速利用,半衰期为2.9h。培养4h后在微生物体内检测到最大量的双标记甘氨酸(相当于甘氨酸加入量的10%),说明甘氨酸可以被微生物以完整分子形式所吸收。通过此手段也可检测到土壤溶液和微生物体内的单标记a-酮酸(双标记甘氨酸分解后的产物),但含量极少,说明加入的甘氨酸主要向微生物提供C源供其生命活动。本研究证明专性化合物同位素双标记手段结合氯仿熏蒸技术是检测微生物吸收小分子有机氮的有效手段。

碳同位素分析与石油勘探

“碳”对人们并不陌生，虽然它在地球上是作为一种微量元素出现的，但分布广泛，是地球上生命赖以生存的基础物质之一，在有机体中的含量达20％，成为生物圈中最重要的元素，在地质历史中，也起着重要作用。

云南潞西三台山超镁铁岩体Os-Nd-Pb-Sr同位素特征及地质意义

滇西地区特提斯造山带具有多块体拼合的构造特点,是东特提斯造山带的重要组成部分之一,其大地构造演化对理解全球特提斯造山带具有重要的地质意义。在腾冲和保山地块之间的龙陵-瑞丽断裂带中出露超镁铁质岩石,曾被解释为两个陆块缝合的证据。本文采用高灵敏度高精度超低本底Re-Os、Sm-Nd、Pb和Rb-Sr同位素分析技术,对采自该断裂带潞西三台山的超镁铁岩样品进行了Os-Nd-Pb-Sr同位素测定。分析结果表明,这些超镁铁岩石具有强烈富集特征。分析的5个岩石样品具有高的初始^(87)Sr/^(86)Sr值(0.71074～0.71444)、低的初始ε_(Nd)值(-6.2～-10.6)、低初始γ_(Os)值(-4.8～-8.8)和较高的初始铅同位素比值,其Os同位素模式年龄值(t_(RD))为0.97～1.71Ga。Nd-Os同位素组成特征表明,三台山超镁铁岩具有古老的富集大陆岩石圈地幔岩石的特征,不能作为腾冲和保山地块的缝合证据。

稳定性同位素^(13)C标记小麦植株δ^(13)C值的检测方法研究

为准确检测稳定性同位素13C标记的小麦植株δ13C值,对元素分析仪-同位素比质谱仪联用技术(EA-IRMS)测定13C标记的小麦植株各器官中δ13C值进行了研究。结果表明,该方法对蔗糖标准物质(IAEA-CH-6)、小麦粉标准物质(OAS/Isotope)和13C标记小麦植株样品测定结果的精度良好,稳定性碳同位素的标准偏差小于0.11‰。对仪器的稳定性进行了测试,标准偏差为0.02‰;同位素信号在1e-9至1e-8A范围内,总体线性为0.003‰·n A-1。测得样品δ13C值的范围为-25.25%~23.32%。试验结果为研究光合产物在小麦植株体内的运转分配提供了可靠的技术支撑。

时间分辨荧光免疫分析技术研究

时间分辨荧光免疫分析(Time-resolved fluoroimmunoassay,TRFIA)是一种全新的国际上公认的最有发展前途的非同位素免疫分析技术.镧系元素(Eu、Tb、Sm、Dy等)螯合物有突出的固有特点:激发最大波长到发射最大波长之间的Stokes位移很大,前者对后者无干扰.激发光谱段较宽,可增加激发能;发射光谱带窄,50%发射谱带宽度不足10nm,本底荧光很小;荧光衰变时间很长,有的达1ms.

电感耦合等离子体质谱联用技术在稀土元素物源指示研究中的应用进展

稀土元素(REEs)不仅是重要的战略资源,而且因其特有的地球化学属性,在追踪岩石、矿物、沉积物等物质的来源方面具有重要研究意义。近年来,随着REEs在现代社会的广泛应用,人为源REEs作为潜在新兴污染物,在自然环境中的出现频率及浓度水平明显提高。然而,相比于地质源REEs,目前关于人为源REEs研究相对较少,且受检测技术的制约直接测定人为源REEs较为困难。随着仪器分析技术的发展,高选择性的离子色谱(IC)分离技术与高灵敏的电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)技术的联用在人为源REEs分析中发挥了重要作用,该技术的元素形态分析能力使其成为人为源REEs分析的重要研究工具之一。ICP-MS及其联用技术等高精度分析技术发展,使REEs物源指示方面的研究取得革命性突破。本文系统阐述了REEs分异特征、同位素分馏、赋存形态等地球化学特征在识别物质来源、解析关键过程、示踪环境行为等方面的研究进展,主要包括:(1)REEs配分模式、同位素分异特征在传统物源指示方面有着广泛应用,研究主要基于REEs丰度或同位素分馏信息,结合相关数理统计模型,完成岩石、矿物等物质的溯源研究;(2)REEs形态特征能够为指示人类活动提供重要依据,譬如,由于使用的核磁共振钆对比剂(GBCAs)种类存在地域差异,人为源REEs赋存形态在不同地区也存在明显的不同,德国等地区自然水体中大环型GBCAs检出率较高,线型检出率较低。在此基础上,系统回顾了ICP-MS及其联用技术在REEs物源示踪研究中的相关应用进程,归纳总结了REEs在追踪物质来源、指示人类活动方面的主要研究情况,对REEs物源示踪研究发展前景作了展望。在这些分析技术中,激光剥蚀多接收等离子体质谱技术(LA-MC-ICP-MS)可以原位获得样品内部REEs同位素组成的空间分布信息;基于亲水离子色谱-电感耦合等离子体质谱联用技术(HILIC-ICP-MS)的形态分析方法可为人为源REEs研究提供“多维”数据。针对目前技术方法体系存在的不足,本文提出了开发快速便携分析技术、整合多维信息进行示踪研究、综合考虑人类活动影响的研究展望。

同位素质谱仪测定小麦植株各器官δ^(15)N值的考察

建立了15N标记的小麦植株各器官中δ^(15)N值的元素分析仪-同位素比质谱仪联用技术(EA-IRMS)的测定方法.对仪器的稳定性和线性进行了条件优化,标准气N_2的同位素比值的标准偏差为0.03‰,在同位素信号值1e^(-9)~1e^(-8)A范围内,总体线性为0.009‰/n A.称取不同量的小麦粉标准物质(OAS/Isotope)测定δ^(15)N值,进样量为4 mg时标准偏差最小,为最佳称样量.对硫酸铵标准物质(IAEA-N2-6)、小麦粉标准物质和^(15)N标记小麦植株样品各器官进行测定,δ^(15)N值的标准偏差均小于5%,测定精度和准确度较好.方法为研究氮素在小麦体内运转及利用效率提供了有效的技术手段.

头发氢稳定同位素比值检测的标准品选择研究

人头发中稳定同位素比值可追溯人的生活时空信息,构建可供比对的中国人头发稳定同位素比值数据库,对法庭科学研究和公安侦查意义重大。稳定同位素比值检测常因各实验室对样本的预处理和测量值校正方法不同等原因,影响其精确度和真实性,以致数据重现性较低而难以建库比对。本研究利用元素分析-同位素质谱技术(EA-IRMS),以中国人头发氢稳定同位素比值(δ~2H)检测方法为例,系统论证了其标准品选择和真值校正算法。首先,选择具有固体氢同位素真值的6种国际标准品(USGS42、USGS43、CBS、KHS、EMAP1和EMAP2)进行适合性评估;依据现有所测和文献报道的中国人头发的δ~2H值范围(-55‰^-80‰),选取3种真值囊括待测样品极负值、极正值和中间值的标准品进行组合,比较不同组合的标准曲线系数和拟合度R^2;经对比6种标准品组合,论证可得USGS42、USGS43和CBS组合的标准校正曲线拟合度R^2和标准曲线系数最适合且稳定。同时,选择北京和上海的两家实验室,历时4个月,共进行35次重复验证。结果表明,该标准品组合的校正曲线拟合度高、稳定性好(R^2≥0.999 7),适合作为头发δ~2H的标准校正方法,可作为中国人头发δ~2H数据库构建的推荐方法。本实验甄选标准品和真值校正曲线的思路亦可为其他稳定同位素标准库的建立提供参考。

同位素质谱仪测定水中δ^2H和δ^18O值的检测方法研究

为准确检测液态水中稳定性同位素δ^2 H和δ^18 O值,对元素分析仪-同位素比质谱仪联用技术(EAIRMS)测定水中稳定性氢氧同位素的方法进行了研究。结果表明,该方法对氢氧同位素标准水样测定精度良好,稳定性氢同位素的标准偏差小于为0.52‰,稳定性氧同位素的标准偏差小于0.09‰。氢氧同位素标准水样的δ^2 H和δ^18 O的测量值与标准值之间达到显著相关,R^2=1。测得水样样品的δ^2 H值范围为-26.06‰^-71.53‰,δ^18 O值范围为-2.84‰^-11.21‰。试验结果为研究不同类型水中稳定性氢氧同位素差异提供了可靠的技术支撑。

好氧微生物降解林丹过程中碳-氯二维稳定同位素的分馏特性

六氯环己烷(HCH)是一种持久性污染物,环境存量较大时会造成污染,定量研究其在环境中的迁移转化过程具有重要意义。研究了3种好氧微生物Sphingobium quisquiliarum P25、Sphingobium ummariense RL-3和Sphingobium sp.F2降解γ-HCH(林丹)的过程,应用单体稳定同位素分析技术(CSIA)探究了不同微生物对HCH的降解效果,及其对HCH转化与迁移行为的影响。结果表明:1)3种微生物降解γ-HCH的过程符合一级反应动力学原理;2)降解过程中碳分馏系数(ε_(C))分别为-(4.3±0.4)‰,-(1.6±0.1)‰和-(5.7±0.5)‰,氯同位素分馏系数(ε_(Cl))分别为-(1.1±0.6)‰,-(1.5±0.2)‰和-(1.5±0.4)‰;3)二维同位素分馏系数(Λ_(C-Cl))分别为(3.0±0.3),(1.1±0.1)和(2.7±0.2)。本研究结果可为应用单体稳定同位素分析技术解析复杂环境中HCH的迁移转化过程并评估HCH污染场地修复效果提供参考。

环境中持久性有机污染物溯源方法研究进展

为有效控制持久性有机污染物(POPs)的污染,科学合理使用溯源方法判断污染来源并加以控制是目前较直接有效的一种手段。系统分析了单体稳定同位素分析技术、特征化合物指数法、主成分分析法和受体模型法的基本原理及在POPs溯源方面的相关应用,比较了各方法的优缺点,并对在线同位素分析技术和气相色谱质谱联用仪进行了讨论与展望。

当代地球化学研究的某些新进展（Ⅱ）

当代地球化学研究的某些新进展（Ⅱ）魏春生（中国科学院地球化学研究所，贵阳５５０００２）关键词同位素地球化学，同位素示踪，同位素地球化学分析技术，同位素分馏１同位素地球化学理论与实验研究的进展（１）氧同位素理论分馏方程研究的重大突破：继Ｕｒｅｙ（１９４...