原载 元素和同位素地球化学 2024-03-11 12:14 北京

在我们通常关注稳定同位素和放射性同位素在地质年代测定、气候重建以及生态系统研究中的广泛应用时，地球科学的广阔疆域中还潜藏着一个鲜为人知但极具潜力的研究领域——磁同位素效应（Magnetic isotope effect，MIE）。这一概念揭示了核自旋性质如何微妙地调控特定化学反应过程的速度与路径，为深入理解地球系统内部运作机制及生物过程提供了崭新的认知维度。磁同位素效应特指当元素的同位素受到磁场作用时，其化学反应速率可能因不同的核自旋状态而产生差异的现象。以氢为例，其两种主要同位素氘（重氢）和氕（轻氢）分别具有1和0的核自旋值，这种内在的自旋差异在特定条件下可能导致两者参与反应的速度有所不同。深藏于地壳与地幔深处的复杂化学环境中，尤其是在涉及自由基反应、光化学反应等关键环节，磁同位素效应的作用尤为显著。比如，在矿物生成过程中，不同核自旋状态的同位素可能会表现出各异的吸附和转化效能，从而在成矿作用的“历史书页”上留下独特的磁同位素印记。这些信息有助于科学家们细致解读矿物质形成的微观机制，并追溯其与地球磁场相互作用的历史演化历程。同样，在生命的微观世界里，生物体内的化学反应也遵循着相同的规律。在生物地球化学循环，特别是在那些依赖自由基反应或光合作用的生命活动中，例如叶绿体中水分子的裂解过程，磁同位素效应可能会影响生物分子内同位素的比例分布。通过剖析这些微小变化，科研人员能够更深刻地探究生物如何响应地磁场变化，甚至有可能揭示出生物适应环境变迁的新策略和途径。尽管磁同位素效应目前仍处于科学研究前沿的探索阶段，但其潜在的应用价值对于推动地球科学的发展无疑具有深远的影响。随着实验技术的持续创新和完善以及理论模型的日益成熟，未来磁同位素效应有望成为地球科学研究不可或缺的重要工具之一，帮助我们揭示更多隐藏在地球历史长河与生命进化历程背后的奥秘。

图1. 磁性和非磁性原子核（链接：http://www.sprawls.org/mripmt/MRI03/index.html）

参考文献：

Buchachenko, A. L. (2009). Magnetic isotope effect in chemistry and biochemistry (pp. 83-88). New York: Nova Science Publishers.

Buchachenko, A. L. (2001). Magnetic isotope effect: Nuclear spin control of chemical reactions. The Journal of Physical Chemistry A, 105(44), 9995-10011.

科普文章：探索神秘的汞磁同位素效应：环境中的光化学过程新解密

 近年来，科学家在实验室和自然环境中观察到了显著的大质量无关性分馏特征（Mass-independent fractionation ，MIF）现象，特别是在汞元素上。这种奇特的现象引发了对导致汞同位素异常背后的化学机制的深入探究。然而，由于缺乏关于环境中汞化学行为的具体机制信息，这一问题一直困扰着研究者们。一项研究由Laura C. Motta 等科研人员合作发表在《美国化学学会物理化学期刊》上，他们运用高级电子结构计算方法，系统地评估了汞化合物HgX2和CH3HgX（X代表氯、溴、碘及硫甲基）在光化学反应过程中产生质量无关性同位素效应（MIEs）的可能性。研究发现，尽管对于与溴或碘结合的汞，由于强烈的自旋轨道耦合作用，不太可能出现磁同位素效应；但在与较轻元素如氯或硫甲基结合时，HgX2和CH3HgX在光解过程中自旋轨道耦合相对较弱，这使得通过超精细耦合引发的磁同位素分馏成为可能。通过对光解势能曲线的细致分析，研究揭示了HgX2在特定条件下可以表现出正向或负向的质量无关性同位素效应，而CH3HgX则总是倾向于形成正向的MIE。这些结果不仅与自然界中观测到的汞同位素异常相吻合，更提供了一种解释汞在复杂环境条件下出现大质量无关性分馏现象的合理光化学机制。简而言之，这项研究表明，在特定类型的汞化合物中，光化学过程可能导致汞同位素发生出人意料的大质量无关性分馏，为我们理解地球环境中汞的行为及其同位素分布提供了新的理论基础。这一重大发现不仅深化了我们对汞同位素地球化学的理解，还为未来相关领域的研究开辟了全新的方向。

更多信息，请阅读原文：Motta, L. C., Chien, A. D., Rask, A. E., & Zimmerman, P. M.* (2020). Mercury magnetic isotope effect: A plausible photochemical mechanism. Journal of Physical Chemistry A, 124(19), 3711-3719. https://doi.org/10.1021/acs.jpca.0c00661

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