穩定性同位素質譜技術在微量物證檢驗中的應用研究進展

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(1.貴州警察學院實驗中心,貴陽 550005; 2.貴州警察學院法律系,貴陽 550005;3.貴州警察學院刑技系,貴陽 550005)

目前,常見的微量物證的分析技術僅對樣品種類進行分析,無法確定具有相同成分的樣品是否具有相同的來源,而能否實現樣品的同一認定或者對案發現場的樣品進行溯源追蹤對案件偵查、審訊至關重要。

穩定性同位素是指原子序數相同,但質量數不同且不具有放射性的核素。在法庭科學中,微量物證一般具有特定的地理來源或者制造過程中的特定細節(例如生產廠商、批次、原料或者生產方式等),而穩定性同位素比值通常具有特定的范圍,可以用來確認一個物證樣品是否與另一個物證樣品具有相同來源。

根據分析范圍不同,可將穩定性同位素分析方法分為全樣品穩定性同位素分析(BSIA)、特定化合物穩定性同位素分析(CSIA)和特定位置同位素分析(PSIA)等3種方法。PSIA是指對一個分子內特定位置原子的天然同位素比值進行測定,尚未有在法庭科學領域方面的應用;BSIA是對樣品中所有化合物的同位素比值進行分析,通常先通過元素分析儀(EA)將樣品中的碳、氮、氫和氧轉化為二氧化碳、氮氣、氫氣和一氧化碳,然后經氣相色譜儀(GC)分離導入同位素比值質譜儀(IRMS)進行分析;CSIA是對單個化合物的同位素比值進行分析,樣品先經GC分離,得到的單一化合物經在線燃燒和還原后,將其導入IRMS,可獲取單個化合物同位素比值信息。

為使不同學科不同實驗室在不同時間得到的穩定性同位素數據能夠進行相互比較,需使用國際普遍認可的基準物質、標準物質或標準,目前,國際上公認各元素采用的穩定同位素比值(δ)標準為:維也納擬箭石(VPDB)可作為δ13C和δ18O的標準,維也納標準平均海水(VSMOW)可作為δ2H標準(現已被VSMOW2標準水替代),大氣中氮氣可作為δ15N標準。實際δ可用公式(1)計算:

式中:δ為穩定同位素比,‰;Rsample和Rstandard分別為樣品和標準物質中重同位素與輕同位素的豐度比。

穩定同位素質譜技術最初主要用于地質和考古研究,后來慢慢拓展到農作物溯源、食品安全等領域,如稻米[1-4]、小麥[5-6]、蜂蜜[7-8]、茶葉[9-10]、肉類[11-14]等的摻假鑒別及產地追溯。由于穩定同位素質譜技術在國內法庭科學中應用極少,僅在毒品領域有相關研究[15-17],為了拓展其在法庭科學方面的應用,本工作對穩定性同位素質譜技術在法庭科學微量物證(如助燃劑、爆炸物、涂料、土壤、棉纖維、膠帶、塑料和紙張等)分析中的應用進行了綜述。

1 助燃劑

SMALLWOOD等[18]收集了美國不同地區的19個汽油樣品,使用GC-IRMS對汽油中普遍存在的16種化合物的δ13C進行分析,結果表明:利用各化合物δ13C的不同能夠實現不同樣品的區分;對10個樣品中的甲基叔丁基醚(MTBE)的δ13C進行分析,發現3個樣品的δ13C一致,說明δ13C不能作為區分不同樣品的唯一依據;該研究還考察了風化和與水接觸對各化合物的δ13C的影響,結果表明:風化168 h后僅檢出萘、1-甲基萘和2-甲基萘等3種化合物,其δ13C與風化前的一致,而與水接觸168 h后各化合物的δ13C均發生了明顯的改變。O′SULLIVAN等[19]收集了28個不同國家的汽油樣品,分別使用EA-IRMS和GC-IRMS對樣品的δ13C和δ2H進行分析,結果發現:使用EA-IRMS時,結合δ13C和δ2H可實現21個樣品的區分;GC-IRMS分析結果表明:汽油中的19種化合物的δ13C均表現出顯著的變化,對樣品和實驗室中MTBE的δ13C和δ2H進行分析和比對,δ13C和樣品的地理位置之間沒有相關性,根據δ2H可區分含有不同MTBE的汽油樣品,與EA-IRMS相比,大大地提高了不同汽油樣品的區分能力。

MUHAMMAD等[20]收集了新西蘭的45個柴油樣品,使用GC-IRMS對樣品中14種烷烴的δ13C和δ2H進行分析,結合δ13C和δ2H可以實現對不同地域來源的柴油樣品的區分,與之前的研究結果相似[21]。MUHAMMAD等[22]將柴油樣品在24.2 ℃條件下放置21 d,對其中14種烷烴的δ13C和δ2H進行分析,以考察柴油因風化引起的同位素分餾效應,結果表明:碳鏈較短烷烴的含量因揮發而明顯減少,δ2H發生了明顯變化,而δ13C沒有明顯變化。

SCHWARTZ等[23]分別使用EA-IRMS和GCIRMS對2個批次的家用清潔劑、五金潤滑劑、松節油和打火機燃油等4種助燃劑樣品燃燒前后的δ13C進行分析,結果發現:GC-IRMS對樣品的分析效果比EA-IRMS的更好,能夠實現兩個不同批次樣品的區分;燃燒前后樣品中不同化合物均發生了碳的同位素分餾,僅根據δ13C難以確定燃燒前后不同樣品的關系。

對以上部分文獻涉及的樣品、方法、樣品數、分析化合物范圍、穩定同位素比值的范圍進行總結,結果見表1。

表1 助燃劑樣品的穩定同位素比值Tab.1 Stable isotopic values of combustion improver samples

汽油和柴油中相對分子質量較大的化合物中的δ13C不會受水洗、風化等因素的影響,但與水接觸較長時間將會對其產生影響,這在一定程度上能夠實現汽油、柴油等污染物的來源追溯,但燃燒會導致助燃劑發生不可預測的同位素分餾效應,使該技術在火災案件中助燃劑的來源追溯的應用受到限制。

2 爆炸物

2.1 有機炸藥的分析

BENSON等[24]使用EA-IRMS對三過氧化三丙酮(TATP)和季戊四醇四硝酸酯(PETN)的δ13C、δ18O和δ2H進行分析,結果表明:反應物來源、比例和反應溫度會對實驗室合成的TATP的穩定同位素比值產生影響;結合δ13C和δ15N對15個真實爆炸物樣品中提取得到PETN進行分析,可以確定15個樣品具有不同來源。

BEZEMER等[25]分別使用GC-IRMS和EAIRMS對實驗室合成的31個TATP樣品的δ13C、δ18O和δ2H進行分析,結果表明:TATP的δ13C和δ2H與丙酮的呈良好的相關性,證實TATP中碳和氫來自于丙酮;TATP的δ18O與過氧化氫的不具有明顯的相關性,說明受到水和其他添加劑的影響較大,由于樣品的δ18O值的范圍較小,僅根據δ18O值很難對TATP樣品進行區分。

HOWA等[26]用制備型高效液相色譜(HPLC)將PETN從來自22個制造商的175個炸藥樣品分離出來,使用EA-IRMS對PETN的δ13C和δ15N進行測定,并與PETN的反應物季戊四醇(PE)的δ13C和硝酸的δ15N進行比對,結果發現:根據δ13C和δ15N可以實現不同批次樣品的區分;PETN與PE的δ13C一致,證實PETN的碳來源于PE,但PETN與硝酸的δ15N有明顯的區別,結合反應前后硝酸的δ15N數據,證明氮在反應過程中發生了同位素分餾,δ14N優先參與反應;此外,試驗還證實了PETN的δ15N會受到硝酸的δ15N和反應條件如反應溫度、反應速率及反應物硝酸用量等因素的影響。

CHESSON等[27]按照文獻[28]中的方法對C-4塑料炸藥的模擬樣品和真實樣品中的炸藥、黏合劑、油類和不溶物進行分離提取后對各組分的δ13C、δ15N和δ2H進行分析,模擬樣品結果表明:方法提取效率良好且提取過程沒有發生同位素分餾;真實樣品結果表明:炸藥組分的δ13C和δ15N以及組分含量無法區分兩個樣品的來源,但黏合劑和增塑劑的δ13C和δ2H可以對其進行明顯區分。

LOCK等[29]以6個不同制造商生產的六次甲基四胺樣品和同一批次的硝酸為反應物,用Woolwich方法合成反應產物黑索金(RDX),并比對了反應物和產物的δ13C、δ15N和δ18O。結果表明:產物RDX與反應物六次甲基四胺δ13C和δ15N的差值為8.69‰和14.01‰,據此推斷了可能的合成反應機理。HOWA等[30]收集了3個RDX制造商的反應物六次甲基四胺和硝酸、反應產物RDX及副產物奧克托今(HMX),其中,3個制造商是使用兩種不同方法(直接硝化法和Bachmann法)進行硝化反應的,試驗使用HPLC將收集的樣品分離純化后對其中的δ13C和δ15N進行分析,結果表明:兩種方法的反應產物與反應物的同位素比值變化不同,直接硝化法比Bachmann法合成的產物的δ13C更正,δ15N更負,副產物HMX中的δ13C和δ15N與RDX十分接近;試驗還收集了12個制造商的100個RDX樣品并對其δ13C和δ15N進行分析,發現不同制造商和同一制造商生產的不同批次的樣品的δ13C和δ15N均有所區別,證實若已知制造商的合成工藝,可根據產物δ13C和δ15N的變化推斷供應商或供應商原材料的變化,從而達到溯源的目的。

2.2 無機炸藥

無機炸藥穩定同位素分析的難點在于批次內變異性、原料、合成方法、合成工藝和合成條件的影響等。目前針對爆炸物的穩定性同位素分析,其重點應用為樣品的區分,但將爆炸物的同位素信息與原料來源、生產商等信息進行關聯,進而實現樣品來源的追溯,會有更廣闊的應用前景。

GENTILE等[31]使用EA-IRMS對一個制造商生產的4個批次的13個黑火藥樣品中的δ13C和δ15N進行分析,結果發現:不同批次樣品的δ13C和δ15N有明顯區別;考察了4個批次樣品的批次內變異性和儲存條件對δ13C和δ15N的影響,結果發現:批次內的樣品的δ13C的最大偏差為0.31‰,δ15N的最大偏差為1.57‰;在12個月內不同溫度和濕度條件下,δ13C較為穩定,而δ15N則受溫度和濕度影響較大,其中,較高濕度會導致δ15N的重復性變差,高溫則會導致δ15N發生明顯的偏移。

BENSON等[32]對來自澳大利亞、菲律賓、立陶宛、印度尼西亞和中國的共計95個硝酸銨樣品的δ15N、δ18O和δ2H進行分析,結果發現:δ15N可在一定程度上實現不同來源樣品的區分,但不同來源樣品的δ15N范圍存在較大的重合;根據δ18O和δ2H能夠區分大多數樣品,僅菲律賓與中國的樣品有重疊;結合δ15N、δ18O和δ2H能在一定程度上實現95個樣品的相互區分,但不同來源樣品的3種元素同位素比值的范圍均有較大重合,說明僅根據同位素比值信息無法實現樣品的溯源分析。

HOWA等[33]建立了使用四苯硼鈉沉淀硝酸銨中的NH4＋后分別對樣品中NH4＋和NO3-中的δ15N進行分析的方法,結果表明:硝酸銨樣品中銨態δ15N為-4.5‰～＋0.7‰,而硝酸根態δ15N為-5‰～＋3.5‰;對42個樣品的硝酸銨的δ15N以及其中銨態δ15N與硝酸根態δ15N進行比對發現,硝酸銨的δ15N僅能實現對一半樣品的區分,而銨態δ15N與硝酸根態δ15N結合可實現對40個樣品的區分,大大提升了對硝酸銨樣品的區分能力。

BRUST等[34]分別使用激光剝蝕-電感耦合等離子體質譜法對硝酸銨肥料顆粒的元素組成和含量進行分析,使用EA-IRMS對樣品的δ15N和δ18O進行分析,其中,以添加相同質量蔗糖的方法分析δ15N,以添加50%樣品質量的鎳化碳并使用1.5 m色譜柱(0.18～0.28 mm)分析δ18O,結果表明:根據δ15N和δ18O可對不同產地、不同生產商、不同類型的硝酸銨樣品進行區分,但對不同批次的樣品的區分尚存在一定的難度。

對以上部分文獻涉及的樣品、方法、樣品數、穩定同位素比值的范圍進行總結,結果見表2。

表2 炸藥樣品的穩定同位素比值Tab.2 Stable isotopic values of explosive samples

爆炸殘留物與初始爆炸物的比較也是爆炸物的一項重要研究,但目前的文獻極少。汪聰慧等[17]發現,爆炸殘留物的δ15N比初始爆炸物的高,但他沒有結合爆炸過程的分餾規律進行深入研究,研究的樣品數(6個)較少,且沒有對δ18O和δ2H等進行研究。此外,爆炸塵土中爆炸殘留物的同位素分析也是巨大的挑戰。

3 涂料

在涂料的合成過程中,樹脂及其他添加劑的細微變化均會影響樣品的同位素比值,如:①樹脂原料之間的同位素差異;②涂料干燥過程產生的同位素分餾;③涂料制造過程添加劑的同位素差異;④涂料的長期風化、陽光和紫外線等因素的影響。

REIDY等[37]使用EA-IRMS對28個白色建筑涂料樣品中的δ13C進行分析,考察了異質性、老化對樣品δ13C的影響,結果發現:28個樣品的δ13C有一定區別;對同一樣品進行6周的老化試驗后,分別取5個點進行分析,5個點的δ13C呈現極大的不規律性,樣品的異質性會掩蓋老化造成的同位素分餾效應,說明僅通過δ13C對樣品進行區分存在難度。FARMER等[38]對51個白色建筑涂料的δ13C、δ18O和δ2H進行分析,結果發現,根據δ13C、δ18O和δ2H能夠實現49個樣品的區分。

由于涂料成分的復雜性和異質性,僅依靠同位素區分樣品還存在一定誤差,要實現樣品的絕對區分,還需結合其他分析方法,如裂解-氣相色譜質譜、傅立葉變換紅外光譜或表面增強拉曼光譜等。

對以上部分文獻涉及的樣品、方法、樣品數、穩定同位素比值范圍進行總結,結果見表3。

4 土壤

土壤是犯罪現場最常見的物證之一,例如受害人或嫌疑人的衣服、鞋上粘有的土壤。國外法庭科學領域的學者有利用穩定同位素技術進行土壤轉移試驗,并將其應用于實際案件的研判;國內學者[39-40]對土壤的穩定同位素分析的研究則集中在地質領域,如試圖建立土壤中穩定性同位素特征與植被或降水的聯系,這對于法庭科學的應用也有一定的參考意義。此外,對土壤的穩定同位素分析需考慮時間的差異,這對案發現場的判定有一定幫助。

PYE等[41]采用EA-IRMS對英國伯克郡的兩個地點(取樣點相距8 cm)的土壤的元素組成、土壤的δ13C和δ15N、土壤顏色以及土壤粒度進行分析,以研究土壤的空間變異性,結果發現:這4種方法均可區分兩個樣品;取樣點內δ13C的精密度較好,相對標準偏差(RSD)為0.2%～0.3%,δ15N精密度較差,RSD為5.0%～16.4%;取樣點間δ13C分別為-27.39‰和-24.72‰,δ15N分別為-0.64‰和3.55‰。

CROFT等[42-43]對8個季度內同一地點15個土壤樣品的δ13C和δ15N的變化進行分析,并進行轉移試驗,即對源土壤和轉移到鞋子上的2個樣品的δ13C和δ15N進行了比對。結果發現:土壤樣品的δ13C和δ15N在8個季度內僅發生較小變化,均在自然變化范圍內,且結合δ13C和δ15N能夠很好地對15個土壤樣品進行區分;兩個土壤樣品轉移前后δ13C和δ15N均未發生明顯變化,說明可根據δ13C和δ15N建立轉移土壤和源土壤的聯系。

除了上述因素之外,還應考慮土壤中微生物群落的消長狀況帶來的同位素組成差異,結合案發時間進行案發地的推斷。

對以上部分文獻涉及的樣品、方法、樣品數、穩定同位素比值的范圍進行總結,結果見表3。

5 棉纖維

DAéID等[44]使用EA-IRMS分別對來自土耳其、埃及、阿根廷和烏茲別克斯坦的7個未染色的棉纖維樣品的δ13C、δ18O和δ2H進行分析,結果表明:7個樣品的δ13C未表現出明顯的地域性差異,根據δ2H和δ18O也不能將7個樣品完全區分開;研究分析了樣品的δ2H與全球降水同位素網絡(GNIP)整理的不同地方降水的δ2H的關系,烏茲別克斯坦纖維樣品與降水的δ2H差值為14.5‰,阿根廷為10‰,土耳其為17‰,埃及3個樣品的差值分別為37.8‰,17.8‰,41.2‰,推斷埃及兩個差值較大的樣品生長于較高的環境溫度下,灌溉水的蒸發導致δ2H的富集。MEIER-AUGENSTEIN等[45]對美國6個不同地點(17個)和其他國家(15個)共計32個棉花樣品的δ13C、δ18O和δ2H進行分析,與DAéID等得到的結果類似;將樣品與降水計算器在線同位素(OIPC)給出的δ2H和δ18O進行比較分析,發現降水與棉花的穩定性同位素特征密切相關;32個樣品的δ13C、δ18O和δ2H的分析結果表明,環境條件(緯度、降水、溫度、光照和養分)是決定樣品同位素比值的的關鍵因素,而個別樣品同位素比值的異常則是由耕作方式(灌溉水的取用、養分水平的差異)的特異性引起的。

DAéID和MEIER-AUGENSTEIN對植物纖維穩定性同位素特征的研究均以降水為參比,其結果證實棉纖維的穩定性同位素特征與降水的同位素特征有很大的相關性,這對植物纖維生長地的確認有積極作用,但需考慮其他因素對植物纖維穩定性同位素特征的影響,如灌溉水的取用、土壤的養分水平等。此外,對植物纖維來源方面的區分還可與其他獨立變量結合,如痕量元素含量等。

6 膠帶

膠帶是案件現場的常見物證,可見于毒品包裝、捆尸袋、爆炸物包裝等。當膠帶樣品被污染時,可通過采用去除黏合劑后的背襯材料對不同樣品進行區分。膠帶背襯多為聚氯乙烯(PVC)材料,其主要合成材料為乙烯,乙烯可由天然氣或液化石油氣作原料合成,這兩種原料的δ13C差別較大,導致背襯材料的δ13C也有所區別。

CARTER等[46]使用EA-IRMS對10個不同批次的膠帶樣品和用丙酮去除黏合劑和其他添加劑后的背襯材料的δ13C、δ18O和δ2H進行分析,結果發現:通過膠帶的δ13C可將10個樣品分為9組,2個樣品未能區分開,結合δ2H能夠實現10個樣品的區分,δ18O的分辨力較差,可將7個含氧樣品分為3組;背襯材料的δ13C可將樣品分為6組;試驗還對儲存條件對膠帶的穩定同位素比值的影響進行考察,結果表明:密封儲存和在水中浸泡儲存對膠帶的δ13C和δ2H沒有影響。HORACEK等[47]對18個膠帶樣品的黏合劑和背襯材料的δ13C和δ2H進行分析,結果發現,結合黏合劑和背襯材料的δ13C和δ2H可實現全部樣品的區分;對每卷膠帶的前中后三個部分的黏合劑和背襯材料的δ13C和δ2H進行分析,δ13C的差值最大為0.17‰,δ2H的差值最大為3.7‰,表明膠帶內同位素是同質的;對相同品牌不同批次的膠帶的δ13C和δ2H進行分析,結合δ13C和δ2H可以實現不同批次樣品的區分。

DIETZ等[48]收集了87個膠帶樣品,對使用環己烷除去黏合劑及氯仿去除增塑劑的膠帶背襯材料的δ13C進行分析,并考察了用于爆炸物包裝材料的膠帶背襯材料的同位素比值在爆炸前后的變化。結果表明:根據背襯材料的δ13C可實現82個樣品的區分;去除增塑劑膠帶背襯材料的δ13C發生明顯變化,16個樣品的δ13C平均變化1.72‰,且去除前δ13C越負的樣品δ13C變化越大;用于爆炸物包裝的膠帶背襯材料的δ13C在爆炸前后變化小于0.3‰,可認為爆炸過程對膠帶背襯材料的δ13C無影響。

以上結果表明,膠帶的穩定性同位素比值可區分同一廠家不同批次的樣品,同一卷膠帶樣品是均質的,這對于檢材與可疑樣品的同一認定具有積極意義。

對以上部分文獻涉及的樣品、方法、樣品數、穩定同位素比值的范圍進行總結,結果見表3。

7 塑料

對塑料的穩定同位素分析的相關研究較少,因為塑料碎片是否屬于同一整體可通過痕跡分析判定,但若發生諸如燃燒、爆炸等劇烈反應時,使用痕跡分析方法則無法進行判斷。QUIRK等[49]使用EA-IRMS對4組炸藥引爆器的塑料部分的5個點在爆炸前后的δ13C和δ2H進行分析,并與同批引爆器塑料部分的同位素比值進行比較,結果表明,塑料的δ13C在爆炸前后變化很小(最大為0.23‰),小于同批樣品塑料部分的δ13C的差值(最大為1.21‰);δ2H在爆炸前后變化較δ13C大(最大為10.8‰),同樣小于同批樣品塑料部分的δ2H的差值(最大為57.5‰),說明爆炸前后的同位素比值的樣本相關性比同一批次的樣品的相關性更好,這與爆炸物包裝的膠帶的分析結果一致[48],因此可根據δ13C和δ2H推斷爆炸現場塑料是否屬于同一整體。以上結果也說明引爆器的塑料部分在爆炸反應過程中沒有發生同位素分餾,這對爆炸現場塑料物證的同一認定有很重要的作用。

8 紙張

法庭科學中對紙張分析研究較少,因為文件檢驗通常以筆跡、印章或其中的化學成分為依據進行認定,但對犯罪現場遺留紙張的來源分析對偵查過程也能提供一定的線索。

JONES等使用EA-IRMS對辦公用紙做了一系列研究[50-54],他對125個紙張樣品的δ13C和123個紙張樣品的δ18O進行分析,并考察了紙張的均勻性、加工過程、填料、打印方式對δ13C和δ18O的影響。結果表明:根據δ13C可以對125個紙張樣品中的85個實現區分,根據δ18O可以對123個樣品中的92個實現區分;紙張的δ13C與產地相關,而δ18O與產地不相關;考察了張紙內部和紙張之間δ13C的均勻性,結果表明:紙張內部和紙張之間存在較大差異,這是由紙張的不均勻性導致,可以預見不同批次樣品的δ13C也存在差異,這對紙張的區分和分類造成一定困難。在對紙張加工和使用過程中的δ13C和δ18O變化進行分析時發現,碳酸鈣填料混合過程對δ13C和δ18O影響很大,這與不同廠商使用的碳酸鈣填料的用量不同有關,建議對紙張進行同位素分析前,使用鹽酸去除碳酸鈣填料;噴墨打印對紙張空白位置的δ13C和δ18O沒有影響,但碳粉打印或影印對樣品的δ13C和δ18O有明顯影響,而且使用同一個打印機對不同紙張進行碳粉打印后,δ13C的變化有很大區別。

由于紙張的不均勻性對其同位素分析造成較大困難,紙張的同位素分析效果不太理想,因此應采用盡可能多的取樣點來稀釋這種不均勻性;打印造成的紙張的同位素分餾和重復性較差也不可避免,如何克服這些困難將是下一步工作的重點。

對以上部分文獻涉及的樣品、方法、樣品數、穩定同位素比值的范圍進行總結,結果見表3。

9 結語

本工作對穩定同位素技術在法庭科學中常見的微量物證中的應用進行綜述。采用的方法主要為EA-IRMS和GC-IRMS,其中EA-IRMS重在對全樣品同位素進行分析,分析較為簡便,但對單一化合物目標的解析力不足,可以滿足不同樣品的區分要求,但要實現對樣品的溯源分析則需大量的數據支撐;GC-IRMS則是對特定化合物進行分析,更能反映特定化合物的同位素特征,但該方法操作較繁瑣、對樣品要求較高。受制于昂貴的儀器成本和較高難度的數據分析,利用同位素信息對樣品進行區分或同一認定在國內法庭科學中應用較少,但國內法庭科學可借鑒國外較為成熟的方法和數據,而且對穩定同位素技術的應用不應局限于樣品的區分,更應注重數據的收集分析,建立我國法庭科學微量物證的數據庫,依托數據庫內的同位素和其他信息對微量物證進行來源推斷。

表3 其他樣品的穩定同位素比值Tab.3 Stable isotopic values of other samples