碳同位素簡析

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。經總結，穩定碳同位素主要應用在環境污染的生物修復領域、生態地球化學方面的應用、油氣地球化學方面的應用以及土壤有機碳周轉中的應用等;放射性同位素廣泛應用于水文地質領域、海洋科學、生物地球化學和古氣候領域，同時還能定性的區分生物源和化石源，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。

關鍵詞：12C;13C;14C;碳同位素;大氣顆粒

一、基本性質

碳的原子序數為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的基本成分。碳元素既可以呈固態形式存在，又能以液態和氣態形式出現，它既廣泛分布于地球表面的各層圈中。

自然界中的碳有2個穩定同位素：12C和13C。習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）發現的，它的半衰期為（5568±30）年。放射性14C的研究，主要應用于考古學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體中，碳同位素組成的變化是相當明顯的，根據前人資料，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、穩定碳同位素分析

穩定同位素技術的應用包括兩個方面：自然豐度測定和同位素示蹤。穩定同位素技術的應用包括兩個方面：自然豐度測定和同位素示蹤。穩定性同位素的分餾效應使得不同元素的同位素在自然界中各種生物地球化學過程中產生了豐度的變化， 造成不同物質或同一物質內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率先將樹輪碳穩定同位素引入大氣科學研究，并推斷出1900 年和1920 年的大氣CO2 濃度分別為290.5、312.7mg/L，這一結果與南極冰心獲得的同期數據基本一致。

（一）穩定碳同位素在環境地球化學方面的應用

1 環境污染的生物修復領域研究

生物修復一直是環境污染治理領域的前沿領域，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、降解目標地區污染物的目的。利用穩定碳同位素標記技術（SIP技術），比方說利用13C 標記底物，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，為環境污染生物修復提供重要的菌源和功能基因。

1999 年Hanson等首次使用SIP 技術鑒定了土壤中降解甲苯的微生物。2000 年Radajewski等用13C標記甲醇后，將標記底物投加到橡樹林土壤中，培養一段時問后，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。

2不同介質中的溯源研究

穩定性同位素在某些污染源具有組成是確定，而且其分析結果精確度較高，且在污染物遷移轉化過程中不發生顯著性質變化，因此被廣泛應用于環境污染物來源失蹤。

加拿大學者O'Malley（1994）首次測定了環境樣品中多環芳烴單化合物的穩定碳同位素組成，認為在揮發、光照和生物作用下其穩定碳同位素組成沒有明顯的分餾，而且不同污染源產生的PAHs的單化合物穩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生的中子與穩定氮同位素14N 的反應，產生的14C 與大氣中的氧結合形成二氧化碳（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等的同化作用） 的無機碳源。可見，14C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碳循環過程和研究各個碳庫之間碳交換的有力的示蹤工具。作為傳統的定年手段，14C技術廣泛應用到第四紀地質沉積學、古海洋學及古環境學。

（二）14C在炭質氣溶膠（或顆粒物）中的應用

碳質氣溶膠（或顆粒物）作為大氣氣溶膠的重要組成，對環境、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生的中子與穩定氮同位素 （14N）的反應，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。產生的14C 在大氣中迅速經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。通過測定碳質氣溶膠的有機碳和元素碳中14C 的相對含量可以進一步區分碳質氣溶膠的生物源和人為源。AMS-14C 的加速器質譜測定是通過測定樣 品中14C 與12C 的比值（14C /12C），并與現代碳中14C /12C的比值進行比較所得。

2 碳質氣溶膠14C測定方法

現目前主要用到的方法有熱學法和熱光法。熱學法的原理原型是“二步加熱法”該方法最早用于有機碳和元素碳的含量測定;熱學法的缺點是氣溶膠樣品加熱的過程中，有機碳會發生炭化現象，這樣部分有機碳會形成與元素碳物理化學性質相當的化合物，在熱學法中一般無法區別這部分碳與真正的元素碳。熱光法是將熱學法與光學法結合起來，可以更準確地測定顆粒物中含碳物質的方法。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、結論

碳穩定同位素是十分重要的生命元素，其穩定同位素，性質穩定，容易辨識，被應用于各種領域，放射性碳同位素性質不穩定，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境、油氣方面。

參考文獻：

[1] 曹芳，章炎麟. 2015. 碳質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].地球科學進展： 30（04）：425-432.