田建民

摘要：碳元素是宇宙中豐度最高的元素，在地殼中分布廣泛。在自然界中有三種同位素：12C、13C、14C，其中14C是放射性同位素，12C的豐度是最高的。經(jīng)總結(jié)，穩(wěn)定碳同位素主要應(yīng)用在環(huán)境污染的生物修復(fù)領(lǐng)域、生態(tài)地球化學(xué)方面的應(yīng)用、油氣地球化學(xué)方面的應(yīng)用以及土壤有機碳周轉(zhuǎn)中的應(yīng)用等;放射性同位素廣泛應(yīng)用于水文地質(zhì)領(lǐng)域、海洋科學(xué)、生物地球化學(xué)和古氣候領(lǐng)域，同時還能定性的區(qū)分生物源和化石源，定量分析不同來源對有機碳和元素碳的貢獻比率，可以有效的用于大氣顆粒的來源分析。

關(guān)鍵詞：12C;13C;14C;碳同位素;大氣顆粒

一、基本性質(zhì)

碳的原子序數(shù)為6，原子量為12.011，屬元素周期表第二周期ⅣA族。碳在宇宙中的豐度最高，但在地殼中的豐度為2000×10-6，是一個比較次要的微量元素。在地球表面的大氣圈、生物圈和水圈中，碳是最常見的元素之一，是地球上各種生命物質(zhì)的基本成分。碳元素既可以呈固態(tài)形式存在，又能以液態(tài)和氣態(tài)形式出現(xiàn)，它既廣泛分布于地球表面的各層圈中。

自然界中的碳有2個穩(wěn)定同位素：12C和13C。習(xí)慣采用的平均豐度值分別為98.90%和1.10%。樣品的碳同位素組成通常以δ13C值表示，此外，碳元素還有一個放射性同位素14C，它首先是由M.G.Gross（1934）發(fā)現(xiàn)的，它的半衰期為（5568±30）年。放射性14C的研究，主要應(yīng)用于考古學(xué)和近代沉積物的年齡測定。

二、碳同位素在自然界的分布

作為重要元素，在自然界的一些重要地質(zhì)體中，碳同位素組成的變化是相當(dāng)明顯的，根據(jù)前人資料，主要分布如下：1） 隕石，2）月巖，3）火山氣體，4）金剛石，5）石墨。

三、穩(wěn)定碳同位素分析

穩(wěn)定同位素技術(shù)的應(yīng)用包括兩個方面：自然豐度測定和同位素示蹤。穩(wěn)定同位素技術(shù)的應(yīng)用包括兩個方面：自然豐度測定和同位素示蹤。穩(wěn)定性同位素的分餾效應(yīng)使得不同元素的同位素在自然界中各種生物地球化學(xué)過程中產(chǎn)生了豐度的變化， 造成不同物質(zhì)或同一物質(zhì)內(nèi)部不同部分的同位素分布不均勻，可以通過自然豐度的測定來判別這種差異。1974年Farmer率先將樹輪碳穩(wěn)定同位素引入大氣科學(xué)研究，并推斷出1900 年和1920 年的大氣CO2 濃度分別為290.5、312.7mg/L，這一結(jié)果與南極冰心獲得的同期數(shù)據(jù)基本一致。

（一）穩(wěn)定碳同位素在環(huán)境地球化學(xué)方面的應(yīng)用

1 環(huán)境污染的生物修復(fù)領(lǐng)域研究

生物修復(fù)一直是環(huán)境污染治理領(lǐng)域的前沿領(lǐng)域，其核心即是找尋具有能夠降解污染物功能的菌種，以達到投放并抑制、降解目標(biāo)地區(qū)污染物的目的。利用穩(wěn)定碳同位素標(biāo)記技術(shù)（SIP技術(shù)），比方說利用13C 標(biāo)記底物，收集利用該底物的微生物核酸，就可以得到具有降解作用的功能微生物，為環(huán)境污染生物修復(fù)提供重要的菌源和功能基因。

1999 年Hanson等首次使用SIP 技術(shù)鑒定了土壤中降解甲苯的微生物。2000 年Radajewski等用13C標(biāo)記甲醇后，將標(biāo)記底物投加到橡樹林土壤中，培養(yǎng)一段時問后，鑒定出這些微生物是可利用甲醇做為碳源的微生物種群，為尋找甲醇的生物降解菌提供了依據(jù)。

2不同介質(zhì)中的溯源研究

穩(wěn)定性同位素在某些污染源具有組成是確定，而且其分析結(jié)果精確度較高，且在污染物遷移轉(zhuǎn)化過程中不發(fā)生顯著性質(zhì)變化，因此被廣泛應(yīng)用于環(huán)境污染物來源失蹤。

加拿大學(xué)者O'Malley（1994）首次測定了環(huán)境樣品中多環(huán)芳烴單化合物的穩(wěn)定碳同位素組成，認為在揮發(fā)、光照和生物作用下其穩(wěn)定碳同位素組成沒有明顯的分餾，而且不同污染源產(chǎn)生的PAHs的單化合物穩(wěn)定碳同位素組成不同，故可以利用PAHs 的分子碳同位素組成特征研究空氣、土壤顆粒物中PAHs 的來源。

3 不同污染源同位素特征

相同類型，不同污染源之間的同位素特征存在或多或少的差異，想要進行污染物和污染源的匹配，對于穩(wěn)定同位素的研究必不可少。

O’Malley等（1996）利用St.John’s港沉積物中單體PAH同位素特征分析了污染源，木材燃燒和車輛尾氣同位素δ13C相接近但比曲軸油箱漏油富集13C，同時汽車煙灰的芘比木材燃燒灰燼更富集13C。曲軸油箱漏油樣品中甲基菲比菲富集13C，熒蒽比芘也富集13C，而燃燒源則相反;車輛尾氣除了汽油的燃燒源以外，也包括部分曲軸油箱油的燃燒來源。

四、放射性碳同位素分析

（一）放射性碳同位素簡介

天然放射性碳同位素（14C） 主要來源于高層大氣層中宇宙射線產(chǎn)生的中子與穩(wěn)定氮同位素14N 的反應(yīng)，產(chǎn)生的14C 與大氣中的氧結(jié)合形成二氧化碳（14CO2） 進入低層大氣層，通過海—氣交換和垂直混合進入海洋，成為陸地和海洋生物生命活動（如光合作用和化能自養(yǎng)等的同化作用） 的無機碳源?？梢姡?4C廣泛存在于大氣、陸地、海洋及生物體中，這使得14C成為了解生物地球化學(xué)碳循環(huán)過程和研究各個碳庫之間碳交換的有力的示蹤工具。作為傳統(tǒng)的定年手段，14C技術(shù)廣泛應(yīng)用到第四紀地質(zhì)沉積學(xué)、古海洋學(xué)及古環(huán)境學(xué)。

（二）14C在炭質(zhì)氣溶膠（或顆粒物）中的應(yīng)用

碳質(zhì)氣溶膠（或顆粒物）作為大氣氣溶膠的重要組成，對環(huán)境、氣候和人類健康造成了巨大的危害。其主要組成成分有機碳和元素碳具有不同的來源特征，且對人類健康和氣候系統(tǒng)的影響也具有明顯的差異。放射性碳同位素（14C）不僅能定性區(qū)分生物源和化石源，還能定量分析不同來源對有機碳和元素碳的貢獻比率。

1 碳質(zhì)氣溶膠14C源解析的基本原理

天然成因14C 主要源于高層大氣層中的宇宙射線產(chǎn)生的中子與穩(wěn)定氮同位素 （14N）的反應(yīng)，即14N + n（中子）→14C + p。同時14C因其放射性，也進行著14C衰變：14C→衰變14C +β。產(chǎn)生的14C 在大氣中迅速經(jīng)14CO被氧化成14CO2。由于生物體的14C與大氣中的14C含量非常接近，因此生物來源的含碳氣溶膠中14C 含量接近于大氣的14C含量。通過測定碳質(zhì)氣溶膠中14C 相對含量可以定量估算化石源和非化石源對氣溶膠的相對貢獻大小。通過測定碳質(zhì)氣溶膠的有機碳和元素碳中14C 的相對含量可以進一步區(qū)分碳質(zhì)氣溶膠的生物源和人為源。AMS-14C 的加速器質(zhì)譜測定是通過測定樣 品中14C 與12C 的比值（14C /12C），并與現(xiàn)代碳中14C /12C的比值進行比較所得。

2 碳質(zhì)氣溶膠14C測定方法

現(xiàn)目前主要用到的方法有熱學(xué)法和熱光法。熱學(xué)法的原理原型是“二步加熱法”該方法最早用于有機碳和元素碳的含量測定;熱學(xué)法的缺點是氣溶膠樣品加熱的過程中，有機碳會發(fā)生炭化現(xiàn)象，這樣部分有機碳會形成與元素碳物理化學(xué)性質(zhì)相當(dāng)?shù)幕衔铮跓釋W(xué)法中一般無法區(qū)別這部分碳與真正的元素碳。熱光法是將熱學(xué)法與光學(xué)法結(jié)合起來，可以更準確地測定顆粒物中含碳物質(zhì)的方法。熱光法的基本原理是在分析過程中引入一束激光用來監(jiān)測濾膜對激光的投射或者反射信號，確定有機碳與元素碳的分割點，以校正炭化所引起的誤差。

五、結(jié)論

碳穩(wěn)定同位素是十分重要的生命元素，其穩(wěn)定同位素，性質(zhì)穩(wěn)定，容易辨識，被應(yīng)用于各種領(lǐng)域，放射性碳同位素性質(zhì)不穩(wěn)定，由于其半衰期較短，常常被用來化石定年，除此外還運用在在環(huán)境、油氣方面。

參考文獻：

[1] 曹芳，章炎麟. 2015. 碳質(zhì)氣溶膠的放射性碳同位素（C）源解析： 原理、方法和研究進展[J].地球科學(xué)進展： 30（04）：425-432.