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维基百科:稳定同位素比率——地球科学和生态研究中的应用

已有 856 次阅读 2023-8-17 09:41 |系统分类:科普集锦

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本文介绍了稳定同位素比率。有关稳定核素的一般类别,请参阅稳定核素。

稳定同位素这个术语的含义与稳定核素类似,但在谈到特定元素的核素时最好使用。因此,稳定同位素的复数形式通常指的是同一元素的同位素。这些稳定同位素的相对丰度可以通过实验测量(同位素分析)来确定,从而得出可以用作研究工具的同位素比率。从理论上讲,这些稳定同位素可能包括放射性衰变的放射性子体产物,用于放射性定年。然而,表达式“稳定同位素比率”更适用于指相对丰度受自然界同位素分馏影响的同位素。这个领域被称为稳定同位素地球化学。

稳定同位素比率 另请参阅:同位素分馏 自然界中稳定同位素(同位素分析)的比率测量在同位素地球化学中发挥着重要作用,但稳定同位素(主要是氢、碳、氮、氧和硫)也在生态学和生物学研究中找到了用途。其他研究人员已经使用氧同位素比率来重建历史大气温度,使其成为古气候学的重要工具。

这些轻元素的同位素体系,在每个元素中都存在多个原生同位素,多年来一直受到研究,以研究自然系统中同位素分馏的过程。之所以对这些元素的研究历史悠久,部分原因是由于这些轻质和挥发性元素的稳定同位素比例相对容易测量。然而,同位素比质谱技术(例如多收集器感应耦合等离子体质谱法)的最新进展现在能够测量更重的稳定元素(如铁、铜、锌、钼等)的同位素比率。

应用 氧同位素和氢同位素比率的变化在水文学中具有应用,因为大多数样本处于两个极端之间,即海洋水和北极/南极的雪。[1]给定来自含水层的水样和足够敏感的工具以测量样品中氢同位素的同位素比率的变化,可以推断出其来源,无论是海洋水还是渗入含水层的降水,甚至可以估计来自每个来源的比例。[2]水的稳定同位素也用于划分植物蒸腾和地下水补给的水源。[3][4]

另一个应用是古气候学中的古温度测量。例如,一种技术是基于生物系统中氧同位素分馏随温度变化而变化。[5]有孔虫类物种在其壳中以碳酸钙的形式包含氧。氧同位素氧-16和氧-18的比例与温度以及水的氧同位素组成有关。当有孔虫类死亡时,这些氧在碳酸钙中保持“固定”,然后沉入海床,其壳成为沉积物的一部分。通过在沉积物柱中选择标准的有孔虫类物种,并绘制氧同位素比率的变化,可以推断出有孔虫类在生命周期内遇到的温度,如果水的氧同位素组成的变化可以得到限制。[6]古温度关系还使得可以使用稳定同位素比率中的钙碳酸盐来推断海龟和鲸鱼的运动和觅食区域。一些藤壶壳中的钙碳酸盐的同位素比率也被用于推断一些藤壶生长的海龟和鲸鱼的运动和觅食区域。[7]

在生态学中,碳同位素和氮同位素比率广泛用于确定许多自由活动动物的广泛饮食。它们已被用于确定海鸟的广泛饮食,并确定个体在繁殖和非繁殖季节在海鸟[8]和雀形目[9]中度过的地理区域。许多生态学研究还使用同位素分析来了解迁移、食物网结构、饮食和资源利用等方面,例如使用氢同位素来测量溪边树木对水域鱼类生长支持多少能量。[11]使用稳定同位素确定水生动物的饮食在特别普遍,因为直接观察很难。[12]它们还使研究人员能够衡量人类与野生动物的相互作用,例如捕鱼可能如何改变自然饮食。[13]

在法医学中,研究表明,来自植物来源(大麻、可卡因)的某些同位素比率的变化可以用来确定毒品的大陆来源。[14]

在食品科学中,稳定同位素比率分析已被用于确定啤酒[15]、酱油[16]和狗粮[17]的组成。

稳定同位素比率分析还在兴奋剂检测中有应用,以区分内源性和外源性(合成)激素的来源。[18][19]

稳定同位素比率的准确测量依赖于适当的分析、样品制备和储存程序。[20]

球粒陨石的分类使用氧同位素比率。此外,碳-13的异常特征证实了碳质球粒陨石中发现的有机化合物的非地球起源,就像在默奇森陨石中一样。

上述稳定同位素比率的用途涉及对自然发生比率的测量。科学研究还依赖于稳定同位素比率的测量,这些比率被人为地扰动,通过在研究的物质、过程或系统中引入同位素富集物质来实现。同位素稀释涉及向物质中添加富集的稳定同位素,以通过测量结果的同位素比率来量化该物质的数量。同位素标记使用富集的同位素来标记物质,以追踪其在化学反应、代谢途径或生物系统中的进展。同位素标记的一些应用依赖于测量稳定同位素比率来实现这一点。

参考文献:

  1. Han, L. F., Gröning, M., Aggarwal, P., & Helliker, B. R. (2006). Reliable determination of oxygen and hydrogen isotope ratios in atmospheric water vapour adsorbed on 3A molecular sieve. Rapid Communications in Mass Spectrometry, 20(23), 3612–3618. doi:10.1002/rcm.2772. PMID 17091470.

  2. Weldeab, S., Lea, D. W., Schneider, R. R., & Andersen, N. (2007). 155,000 years of West African monsoon and ocean thermal evolution. Science, 316(5829), 1303–1307. doi:10.1126/science.1140461. PMID 17540896.

  3. Good, S. P., Noone, D., & Bowen, G. (2015). Hydrologic connectivity constrains partitioning of global terrestrial water fluxes. Science, 349(6244), 175–177. doi:10.1126/science.aaa5931. PMID 26160944.

  4. Evaristo, J., Jasechko, S., & McDonnell, J. J. (2015). Global separation of plant transpiration from groundwater and streamflow. Nature, 525(7567), 91–94. doi:10.1038/nature14983. PMID 26333467.

  5. Tolosa, I., Lopez, J. F., Bentaleb, I., Fontugne, M., & Grimalt, J. O. (1999). Carbon isotope ratio monitoring-gas chromatography mass spectrometric measurements in the marine environment: Biomarker sources and paleoclimate applications. Science of the Total Environment, 237–238, 473–481. doi:10.1016/S0048-9697(99)00159-X. PMID 10568296.

  6. Shen, J. J., & You, C. F. (2003). A 10-fold improvement in the precision of boron isotopic analysis by negative thermal ionization mass spectrometry. Analytical Chemistry, 75(9), 1972–1977. doi:10.1021/ac020589f. PMID 12720329.

  7. Pearson, R. M., van de Merwe, J. P., Gagan, M. K., Limpus, C. J., & Connolly, R. M. (2019). Distinguishing between sea turtle foraging areas using stable isotopes from commensal barnacle shells. Scientific Reports, 9(1), 6565. doi:10.1038/s41598-019-42983-4. PMID 31024029.

  8. Graña Grilli, M., & Cherel, Y. (2017). Skuas (Stercorarius spp.) moult body feathers during both the breeding and inter-breeding periods: Implications for stable isotope investigations in seabirds. Ibis, 159(2), 266–271. doi:10.1111/ibi.12441.

  9. Franzoi, A., Bontempo, L., Kardynal, K. J., Camin, F., Pedrini, P., & Hobson, K. A. (2020). Natal origins and timing of migration of two passerine species through the southern Alps: Inferences from multiple stable isotopes (δ2H, δ13C, δ15N, δ34S) and ringing data. Ibis, 162(2), 293–306. doi:10.1111/ibi.12717.

  10. Pearson, R. M., van de Merwe, J. P., Limpus, C. J., & Connolly, R. M. (2017). Realignment of sea turtle isotope studies needed to match conservation priorities. Marine Ecology Progress Series, 583, 259–271. doi:10.3354/meps12353.

  11. Doucett, R. R., Marks, J. C., Blinn, D. W., Caron, M., & Hungate, B. A. (2007). Measuring Terrestrial Subsidies to Aquatic Food Webs Using Stable Isotopes of Hydrogen. Ecology, 88(6), 1587–1592. doi:10.1890/06-1184. PMID 17601150.

  12. Gutmann Roberts, C., & Britton, J. R. (2018). Trophic interactions in a lowland river fish community invaded by European barbel Barbus barbus (Actinopterygii, Cyprinidae). Hydrobiologia, 819(1), 259–273. doi:10.1007/s10750-018-3644-6.

  13. Gutmann Roberts, C., Bašić, T., Trigo, F. A., & Britton, J. R. (2017). Trophic consequences for riverine cyprinid fishes of angler subsidies based on marine-derived nutrients. Freshwater Biology, 62(5), 894–905. doi:10.1111/fwb.12910.

  14. Casale, J., Casale, E., Collins, M., Morello, D., Cathapermal, S., & Panicker, S. (2006). Stable isotope analyses of heroin seized from the merchant vessel Pong Su. Journal of Forensic Sciences, 51(3), 603–606. doi:10.1111/j.1556-4029.2006.00123.x.

  15. Brooks, J. R., Buchmann, N., Phillips, S., Ehleringer, B., Evans, R. D., Lott, M., Martinelli, L. A., Pockman, W. T., Sandquist, D., Sparks, J. P., Sperry, L., Williams, D., & Ehleringer, J. R. (2002). Heavy and light beer: A carbon isotope approach to detect C4 carbon in beers of different origins, styles, and prices. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 50(22), 6413–6418. doi:10.1021/jf020594k.

  16. Morais, M. C., Pellegrinetti, T. A., Sturion, L. C., Sattolo, T. M. S., & Martinelli, L. A. (2019). Stable carbon isotopic composition indicates a large presence of maize in Brazilian soy sauces (shoyu). Journal of Food Composition and Analysis. doi:10.1016/j.jfca.2019.01.020.

  17. Galera, L. A., Abdalla Filho, A. L., Reis, L. S., Souza, J. L. D., Hernandez, Y. A., & Martinelli, L. A. (2019). Carbon and nitrogen isotopic composition of commercial dog food in Brazil. PeerJ, 7, e5828. doi:10.7717/peerj




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