主题：【原创】稳定性同位素13C的应用及相关概念

碳元素是自然界中分布最为广泛的基础元素之一,也是生命物质最基本元素之一,生命活动是碳元素在自然界进行循环最重要的影响因素。自上世纪70 年代以来,稳定性核素13C 已广泛应用于植物学、动物学、微生物学、生态学和环境科学等学科领域,尤其是在研究自然界中碳循环及环境变化等方面有其独到的优势,越来越引起人们的重视。
术语：
1.“丰度(abundance) ”: 在自然界中,元素的某种稳定性核素的原子数在该元素的总原子数中所占的百分数称为丰度,或天然丰度。碳元素由l2C 和13C 两种稳定性同位素组成,国际认可的PDB 中12C 的丰度为981892 % ,而13C 的丰度为1.108 %(PDB ,一种白垩纪海洋生物的化石- PeeDee Belemnite 中13C原子与12C 原子分别所占百分率) 。因13C 的天然丰度比12C 低得多,用绝对丰度来表示其同位素组成比较困难,所以通常用相对量来表示其同位素组成,也就是用同位素比率(isotope ratio ,13CP12C 的丰度比) 或(值表示。δ是希腊字母Δ的小写,科技论文中,常用于表示增量的意思,真值可为正,也可为负。一般在文字叙述或数学公式的推导过程中常用大写Δ,而在数学公式中用小写δ。
2.碳同位素分馏
由于13C 比12C 多一个中子,两种同位素在质量上的微小差异使得其理化性质(如键能大小) 产生微小差异,这种差异表现在13C 化学键的形成或断裂所消耗的能量比12C 时要大。因此,植物在吸收固定大气中的CO2 时,会优先利用12C ,产生所谓的碳同位素分馏(carbon isotopic fractionationPcarbon isotope discrimination) 现象。国内也有人曾使用碳同位素甄别这个概念。在科技文章中, 单词“fractionation”常作为科学术语或概念使用, 而单词“discrimination”常用于对现象的描述。分馏效应的结果是12C 在植物中得到相对富集,造成大气与植物中碳同位素组成(isotopic composition) 的差异,即引起大气与植物中碳同位素(13C ,12C) 丰度的变化- 导致13CP12C 丰度比的变化。
3.δ13C( ‰) = [ (13CP12C) 样/(13CP12C) PDB - 1 ] ×1000。
式中, (13CP12C) 样为样本中13CP12C 的丰度比, (13CP12C) PDB 为国际认可的PDB 标准品的13CP12C 的丰度比。与自然界中其它含碳物质相比,PDB 中13C/12C 的丰度比较高。由于(13C 非常小,通常用千分数来表示。同位素分馏或甄别现象与植物的光合作用类型、遗传特性、生理特点和状态、生长环境等因素相关。根据光合作用途径的不同,通常将植物分为C3 途径、C4 途径和CAM 途径。C3 途径通过RuBP 羧化酶固定CO2 ,C4 与CAM途径以PEP 羧化酶固定CO2 ,与C3 途径中RuBP 羧化酶相比,PEP 羧化酶对CO2的亲和力高。由于3 种途径中不同羧化酶的活性不同,其对13C 的分馏或甄别效应也不同。通常C3 植物的(13 C值在- 20 ‰～ - 35 ‰之间,平均值为- 27 ‰。C4 植物的δ13C 值在- 9 ‰～ - 17 ‰之间,平均值为- 13 ‰。而CAM植物由于利用了C3 和C4 途径,其(13C 值介于C3 与C4 植物之间。
4.在稳定性核素示踪研究中常用的一个概念是“原子百分超(atom % excess) ”。人们把原子百分超定义为:某试验样品中,稳定性核素的丰度与其天然丰度之差称为该核素的原子百分超(又称为富集度) 。例如:现有一个13 C
的样品,其丰度为3.108 % ,则其原子百分超为3.108 % - 1.108 % = 2.000 %。