四、碳、氧同位素质谱分析法

碳的同位素有六种，质量数从10到15。在四个放射性同位素中，质量¹⁰C和¹⁵C的半衰期很短，不能应用到示踪试验上。¹¹C的半衰期为20.4 min。放出硬β射线，测量比较简单，曾被应用过。长半衰期的放射性同位素¹⁴C(半衰期为5568 y)是碳同位素中应用得最广泛的示踪同位素。¹²C和¹³C是稳定性同位素。¹³C的自然丰度为1.108%，它是碳元素示踪试验中最常用的稳定性同位素。

由于浓缩¹³C的成本较高，因此限制了¹³C标记的示踪物质的广泛应用。而利用碳稳定性同位素白然丰度变异的方法，在生物学、土壤学和环境科学等领域中是研究自然界含碳物质的来源、成因和分类的有力工具。

与氮元素相似，没有一个氧的放射性同位家适用于示踪工作。氧有三种稳定性同位素，即¹⁶0,¹⁷0和¹³O，它们的自然丰度分别为99.763%,0.0375%和0.1995%。在示踪试验中常用的稳定性氧同位素是¹⁸O。氧同位素在自然界各种物质中的自然丰度变异是德定性同位素地球化学中研究得最详细的一个，它是构成同位素地质温度计的最主要的元素。

1、引言

最适用于碳同位素质谱分析的样品形态是CO₂，它较稳定，容易从有机及无机碳化合物制备出来，同时用CO₂作质谱分析的气体记忆效应小。因此，在进行碳同位素质谱分析时，都必须将所有被分析的含碳物质通过相应的制样技术转化成Co₂。

¹⁸0的质谱分析方法，可根据不同的原始样品形态，制备成下列3种供质谱分析的气体样品:含¹⁸0的CO₂气体；先将¹⁸O标记的有机或无机化合物转化成H₂O，再与已知丰度比的CO₃进行同位素交换平衡后的CO₂样品;以及直接制备成¹⁸10标记的O₂。由于CO₂和O₂的物理和化学性质不同，用它们作工作气体时，各有其优缺点。用0₂做工作气体进行氧同位素的质谱分析，其优点是不需要转换，在计算δ值时不据要作¹³C校正，可以测定¹⁷0;而缺点是电离效率低，易与其他物质相互作用产生同位素分馏效应，也会对质潜计的金属部件起氧化作用，记忆效应的干扰较大。用CO₂做工作气体时，优点是易满足粘滞流，用液氮可以消除混入CO₂中的杂质气体，工作气体易于纯化;其缺点是需经过0₂转化为CO₂的程序，测量结果需作¹³C的校正等。根据两种进样气体优缺点的比较，目前几乎都用CO₂作氧的同位素比值测定。只有极个别情况下，例如需测量¹⁷0时，才用0₂作质谱测量。

2、土壤中碳酸盐的碳、氧同位素的质谱分析

碳酸盐是土壤中主要的无机碳化合物，大多数以碳酸钙的形态存在。土壤中碳酸盐的含量和来源是土壤性质的重要指标。根据碳、氧同位素自然丰度的变异可以研究土壤中碳酸盐的来源，以及它的溶解和沉淀过程，从而为评价成土过程的深度和土壤的熟化程度提供依据。土壤碳酸盐的δ¹⁸0主要受气候因素(降雨和温度)的控制。

（1）方法提要

磷酸法是分析土壤碳酸盐中碳、氧同位素比值的唯一简使可靠的方法。在恒温条件下，碳酸盐样品经磷酸分解析出纯净的CO₂ ,然后用质谱计测定二氧化碳气体中的碳、氧同位素比值。磷酸与碳酸钙的反应，按下式进行:

3CaCO₃+2H₃P0₄→Ca₃(PO,),+3H20+3CO:个

(2)试剂

①浓磷酸:将市售的磷酸(p≈1.55g·mL^-1，分析纯)倒入装有少量玻璃球的磨口锥形瓶中，在播动中缓慢地加入五氧化二磷。要注意防止酸液过热生成焦磷酸酐，当磷酸比重达1.85g·mL^-1时，即可使用，制备好的浓磷酸保存在干燥器中;

②液氮，一196^oC;

③冷液一80^oC:由无水乙醇和液氮调拌而成。

（3）仪器与设备

测定土壤中碳酸盐的碳、氧同位素的制样装置和反应瓶(图48-12);特制的弯头漏斗;恒温水浴摇床，红外灯。气样瓶，具双路进样系统的同位素质谱计。

（4）分析步骤

①真空脱水;称取一定量含有碳酸盐的土壤样品，于110^oC烘干2h,置于预先烘干的反应瓶主管中。用特制的弯头漏斗将4mL浓磷酸注入反应瓶支管内。注入时应防止磷酸沿管壁流入盛有土壤样品的主管中。然后将反应瓶连接到制样装置的管线上(B处)进行真空脱水。为了防止土壤轻组分被抽走，抽真空时应分步进行。用红外灯低温(50^oC～55^oC)烘烤支管加速磷酸的脱水。系统真空度保持在5×10^-3Pa。抽气2h后，关闭反应瓶活塞，将其从制样装置上取下。

②恒温反应:从制样装里上取下的反应瓶稍许冷却后，置于25℃恒温水浴摇床中恒温30min。然后将反应瓶倾斜，使支管中的浓磷酸流入主管中与土壤反应。由于起始反应温度对结果影响很大，此操作始终在恒温水浴的液面下进行。在摇速100r·min^-1下恒温反应8h。

③二氧化碳的纯化和转移:恒温反应结束后，自摇床中取出反应瓶，连接到制样装置的C处。在真空条件下，通过一80^oC冷阱和液氮冷阱，使二氧化碳和水分离，将二氧化碳转移和收集到气样瓶中,供质谱测定。

(4) ¹³C,¹⁸0的质谱分析:通过质谱计的进样系统将样品二氧化碳气体送入质谱计内。在质谱计的离子眼中，CO₂气体分子经电子轰击电离成离子，主要的离子类型如表48-5所示。

在精密同位素质谱计上，采用双样比较法，测定样品气体和工作标准气体相应离子流强度比(I₄₅/I₄₄和I₄₆/I₄₄)，并得出δ值，最后由计算机计算出δ¹³C。和B_PDB和δ¹⁸O_PDB值。

参考资料：土壤农业化学分析方法