【摘要】 Thomas B. Hofstetter等人回顾了化合物特异性同位素分析的仪器原理，并展示了如何利用它们来评估污染物转化过程。

稳定同位素组成的变化分析正在成为评价土壤和水生系统中有机污染物的酶和非生物反应的重要方法。不同的，有时互补的分析技术目前使用和发展，以确定稳定的同位素比率在个别有机化合物。预计对特定化合物同位素分析的需求将不断增加，汇编了选择最有前途的同位素相关问题分析方法的信息。

 

为此，Thomas B. Hofstetter[1]等人回顾了化合物特异性同位素分析的仪器原理，并展示了如何利用它们来评估污染物转化过程。以氯化溶剂和三嗪类除草剂为例，讨论了同位素敏感技术对环境化学和微生物学中稳定同位素分馏研究的影响。

 

单个化合物的稳定同位素组成分析是确定有机土壤和地下水污染物来源和表征其转化过程的关键技术之一。虽然使用保守的稳定同位素比率来推断前体材料和/或合成路线，从而揭示污染物的来源，但同位素组成的变化，特别是在同时考虑多种元素的情况下，对于评估污染物的形成和降解至关重要。

 

同位素组成的变化利用了这样一个事实，即有机分子中测量的稳定同位素比率根据化学键断裂或形成的类型而有系统地变化。这种稳定同位素分馏过程是由于反应键(s)上的动力学或平衡同位素效应。同位素效应是由含轻同位素和重同位素的同位素物的不同反应速率引起的，并指示了反应机理。

 

事实上，酶或非生物污染物降解，例如，通过电子转移、取代、消除或光化学反应，表现出非常不同的同位素效应。由于这些反应产生的同位素分馏通常比相转移过程产生的同位素分馏大得多，同位素比率的变化通常表明，观察到的污染物浓度下降不仅仅是稀释或吸附到环境基质的结果。

 

此外，由于同位素分馏的程度与污染物的分馏转化成正比，同位素比率的系统变化也被定量地评估。

 

图1. 通过δ 13C测量评估氧化甲苯生物降解途径的分析不确定度结果。[1]

 

因此，化合物特异性同位素分析（CSIA）为在复杂环境中追踪污染物的转化过程提供了新的途径，因为同位素分析可以用来识别有机化合物中的活性原子。

 

这种方法还有两个吸引人的原因。反应物中同位素比值的变化已经包含了的生成物的信息。同位素比率的解释可以独立于污染物的浓度进行，这减轻了将浓度降低分配给转化过程的需要，这一任务需要昂贵和劳动密集型的采样网络，并且经常受到非降解过程的影响。

 

原则上，CSIA的成功应用有两个先决条件。首先，需要分析设备和测量策略，以便对感兴趣的元素的同位素比率进行量化。大多数同位素选择探测器通常在离子质量方面具有较低的分辨能力，并且不是非常敏感，但在分辨同位素浓度方面具有较高的准确度和精密度。

 

因此，在CSIA中使用在线和离线预浓缩程序是很常见的。其次，有意义的数据解释需要一些关于（生物）化学反应中的同位素效应的基本知识，以及它们如何导致在大块分子中测量的同位素分馏。同位素比率在反应过程中变化的程度取决于反应动力学以及与反应机制相关的特征和所涉及的元素，如同位素的相对质量、键强度等。

 

因此，一些转化途径导致大量同位素分馏，因此可能很容易在给定的分析不确定度下检测到，而其他（生物）降解反应则更难量化。

 

图2. 二维同位素δ15N与δ13C分析不同阿特拉津转化机理。[1]

 

多元素同位素分馏的这种趋势使人们能够从对反应物的独家分析中获得关于特定转化过程的信息。这个例子说明，一旦同位素选择探测器变得更敏感，富集程序变得更有效，利用CSIA对现场微污染物样品可以得出一些重要的结论。

 

[1] Hofstetter, T. B., & Berg, M. (2011). Assessing transformation processes of organic contaminants by compound-specific stable isotope analysis. TrAC Trends in Analytical Chemistry, 30(4), 618-627.

 

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