【摘要】 本文详细介绍了稳定同位素技术（包括传统轻元素与重金属同位素）的基本原理、样品（土壤、植物、动物、水、气体）采集保存与前处理方法、15N同位素标记技术及其在环境科学研究中的应用。为环境检测与研究者提供全面指导。

稳定同位素技术简介

稳定同位素技术作为环境科学研究的核心工具之一，其基础在于利用元素的稳定同位素——即具有相同原子序数（质子数）和电子数，但中子数不同的原子。同位素分为稳定同位素和放射性同位素，自然界中大部分同位素是稳定的。依据分析技术和元素性质，稳定同位素常被分为两类：传统稳定同位素，主要指轻元素（如氢、碳、氮、氧、硫），其同位素比值通常采用气体同位素质谱仪（IRMS）进行高精度测定；以及非传统稳定同位素（或称“重金属稳定同位素”），指原子质量大于34的元素（如铁、铜、锌、镁等），其分析主要依赖多接收杯电感耦合等离子体质谱仪（MC-ICP-MS）。理解这些同位素的特性及其分析方法是应用该技术的关键。本文将聚焦于环境研究中常规传统稳定同位素的应用，重点介绍以下三方面：

样品采集、保存与前处理：

针对碳、氮、氢、氧、硫等常规稳定同位素，如何确保样品的代表性和分析可靠性？

同位素标记技术：

如何利用人工富集的稳定同位素示踪剂追踪环境过程？

精测定基本原理：

稳定同位素比值测定的核心原理是什么？

 

采集、保存与前处理

1.土壤样品

风干，100目筛，一般置于常温干燥处保存。风干处理对土壤性状影响较小。在磨碎时应注意需彻底清除掉存在于土壤中的细小的植物根系。

2.植物样品

真空干燥，过60目筛，一般置于常温干燥处保存。首先分成不同的器官(茎叶、籽粒、果实等)样品。然后用吸水纸将表面擦干，于105℃鼓风干燥箱中烘15~30min杀酶(或称杀青)，再将温度降至65℃去除水分；干燥样品用研钵或磨碎机进行粉碎，过60目筛。烘干时间不宜太长，一般为5~10h。

3.动物组织样品

动物组织样品通常来源于动物肌肉组织、肝脏组织以及血液、毛发和指甲等。一般可采用冷冻干燥的办法除去水分后研磨至粉末状，密封保存待测定。但有时为了避免不同成分间造成的干扰，需要将肌肉样品中的蛋白和脂肪分开。

4.水样品：

如不能马上测定需要将样品置于4℃冰箱中冷藏；如果一年内样品都无法测定，可以将样品冷冻保存，并且保证样品有足够的密封性。

采集水样所使用的采样瓶应该是经多次洗涤干净的、具磨口塞的玻璃品或塑料瓶。采集的水样需要装满样品瓶，并拧紧样品瓶盖，最好在盖子与瓶身的地方用封口膜缠绕保证密闭性。

5.气体样品

一般用采血管、气袋或 顶空瓶储存。一般使用频次较高的是带金属螺旋采样口的铝箔气袋，应杜绝漏气现象，以免影响测定结果。

 

如何进行同位素标记（以15N举例）

对于天然样品（如从自然界采集的水土样品），可直接测定其同位素组成，分析丰度变化规律，进而揭示水文或地质作用过程的机理。

若需研究物质迁移路径，则可应用同位素标记技术。该技术的原理在于：利用与普通原子化学性质相同但物理性质（如质量或放射性）存在差异的同位素作为示踪元素，将其引入目标分子中，实现对特定物质的标记。通过追踪这些标记分子在化学反应或生命活动中的行为，能够清晰示踪物质的迁移途径、转化过程及最终归趋。接下来将介绍同位素标记的一些注意事项。

1. 如何选取标记物质种类？

15N的标记物质种类很多，需要根据研究目的、方法来选择标记物质。

2. 如何确定标记物的丰度和用量？

可考虑以下2个因素：

  • 稀释物质被稀释的程度，举例：土壤的氮初始浓度高，标记物质被稀释程度越大，要考虑加大标记物的丰度。

  • 考虑仪器的检出限和精密度，标记丰度过低导致仪器无法反映各样品之间的差异。

3. 如何选择标记方法

  • 溶液注入法：将15N标记的化合物（如15NH4+、15NO3-）配成溶液，均匀喷洒或注射到土壤表层/特定深度。

  • 干粉末法：将15N标记的固态化合物（如15N标记的硫酸铵、硝酸钾或有机氮源）研磨后与土壤均匀混合。

  • 气室法：在密闭气室中培育植物，向空气中注入15N2气体。

以上方法各有优缺点，应根研究目标选择对应方法。

 

测试基本原理

常规稳定同位素通常是将元素转化为气体后进入IRMS检测（下方测试原理仅针对较为普遍的测试方法），检测基本原理可见下图：

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