04_第四章(碳同位素)
稳定碳同位素
稳定碳同位素第四节稳定碳同位素同位素:指元素周期表中原子序数相同，原子量不同的元素。
稳定同位素:指原子核的结构不会自发的发生改变的同位素。
稳定同位素有两个最显著的属性:1.稳定性:即经过复杂的化学反应之后，原子核结构不发生变化。
2.分馏作用:指同位素在两种同位素比值不同的物质之间进行分配。
一、稳定同位素分馏机理分馏作用是稳定同位素的属性之一，碳稳定同位素的分馏机理有:1.同位素的交换反应:是化学物质间，不同相或单个分子发生的同位素重新分配。
12131312 CO+CH=CO+CH 242413121213-- CO+HCO=CO+HCO 232312132.光合作用的动力效应:植物在光合作用过程中，富集C，而使C 进一步减小。
3.热力和化学反应的动力效应:131313121212 -C-C-键的稳定性顺序:-C-C>-C-C->C-C-。
1213 在低温条件下，形成的烃类，富集C;在高温条件下形成的烃类，富集C。
4.同位素的物理化学效应:12131213 蒸发:气相富集轻同位素C，夜相富集C; 扩散:先扩散C，残余C。
二、稳定同位素在自然界的分布、比值符号和标准同位素比值的测量和对比单位一般是用千分数(‰)表示。
式中:Rs :为样品的同位素比值; Rr:为标准的稳定同位素的比值。
各国用各自的标准计算Rr ，再换算成PDB标准。
标准之间的换算公式:13 式中:δCB:为求取对B标准的δ值;13 δCA:为测得对A标准的δ值;1312 RAr、RBr:为A、B标准的C/C比值。
三、油气中碳同位素的组成特征1、原油13 δC一般为-22‰,-33‰，平均值为-25‰,-26‰。
13 ?海相原油δC值较高，为-27‰,-22‰; 陆相原油δ13C值偏低，为-29‰,-33‰。
?随组分分子量的增大,急剧增大烷烃<芳烃<胶质<沥青质，烷烃<环烷烃，正构烷烃<13异构烷烃，芳烃随环数增加δC值增大，可溶沥青<干酪根。
第4章-同位素混合及其应用
质量的贡献：
fA-N=mA WA/ (mAWA+mBWB) fA-m=mA / (mA+mB) fA-m / fB-m = (fA-N / fB-N)/(WA / WB)
计算结果：
mTWT=mAWA+mBWB fA-N=mA WA/ (mAWA+mBWB)
12C 13C
混合模型取值
-26
-13 -10 -17 -21
海洋单细胞藻类 温带海洋浮游植物 河口浮游植物
13C
15
自养硫细菌 甲烷氧化菌
16
12C
14C
14C
很多时候多源但标记同位素不足 食物 来源
水貂
铅污染
13C
17
13C
18
12C
14C
12C
14C
崔骁勇
3
绪论
2010-3-21
计算机求解方法：
室内模拟实验（10/1）的结果为什么与第一次计算的 结果不符合？ 室内模拟的结果为什么与实测的结果不一致？
27
例3 氮沉积——时间混合
沉积物中氮的来源：自然和人为源
自然源不知道的时候如何推知其δ15N？
13C 13C
28
12C
14C
12C
14C
根据氮含量与15N丰度的关系推算
例4 滨海盐沼——景观混合
1 2
14C
13C
14C
1.1 两源混合的计算
研究对象为来自两个同位素组成不同的源 APhigh、APlow、APmix：两个源及研究对象（混合后） 的同位素丰度；Fhigh、Flow：两个源的贡献比例 根据物质守恒原理，混合前后的重、轻同位素及总量都 不变，即有： ( H L) high ( H L)low Fhigh ; Flow ( H L) mix ( H L) mix
碳同位素标记
碳同位素标记
碳同位素标记是一种用于追踪物质在生物体内的运动和代谢过程的技术。
碳同位素标记的原理是利用碳同位素的不同，将含有特定碳同位
素的化合物注入生物体内，然后通过检测标记物质中的碳同位素的变化，来了解物质在生物体内的运动和代谢过程。
碳同位素标记技术在生物学、医学、环境科学等领域都有广泛的应用。
在生物学中，碳同位素标记可以用于研究蛋白质、核酸、糖类等生物
大分子的合成、代谢和降解过程。
在医学中，碳同位素标记可以用于
研究药物的代谢和药效，以及疾病的诊断和治疗。
在环境科学中，碳
同位素标记可以用于研究大气、水体、土壤等环境中的物质运动和转
化过程。
碳同位素标记技术的优点是可以非常精确地追踪物质在生物体内的运
动和代谢过程，而且对生物体没有明显的毒性和副作用。
但是，碳同
位素标记技术也存在一些局限性，例如标记物质的制备和检测需要较
高的技术水平和设备，标记物质的注入量和注入方式需要严格控制，
标记物质的稳定性和代谢途径需要进一步研究。
总之，碳同位素标记技术是一种非常有价值的生物标记技术，可以为
生物学、医学、环境科学等领域的研究提供重要的帮助和支持。
随着
技术的不断发展和完善，碳同位素标记技术将会有更广泛的应用和更深入的研究。
碳同位素值
碳同位素值
碳同位素值是指计量物理学中使用的一种测量方法，用于确定和比较物质中碳同位素的相对丰度，通常表示为δ^13C （代表碳-13相对于碳-12的丰度）。
这种表示方法用于研究物质的起源、化学反应和生物过程等。
δ^13C值通过测量样品中含有的碳同位素的相对丰度与一个已知的标准物质比较得出。
这个已知标准物质通常是国际维护的Peedee Belemnite化石（PDB），其δ^13C值被定义为0‰。
当样品中的δ^13C值小于PDB时，表示相对富集轻同位素（碳-12），而大于PDB时表示相对富集重同位素（碳-13）。
碳同位素的测量可以应用于不同领域，比如地质学、生态学、气候学和生物学等：
1.古气候研究：通过分析地质样品中的碳同位素，可以推断
古代大气CO2浓度和气候变化情况。
2.生物地理学研究：碳同位素测量可用于确定动植物的生态
环境偏好、迁徙情况和食物链结构等。
3.水域和陆地生态系统研究：通过分析不同生物组织中的碳
同位素，可以研究碳循环、生物地球化学过程和生态系统
功能。
4.食物原产地溯源：测量食物样品中的碳同位素可以追踪食
物的起源和处理过程。
需要注意的是，碳同位素值的解读需要结合具体研究领域和参
考标准，以更准确地理解样品中的环境和生物过程。
碳的同位素的用途性质
碳的同位素的用途性质碳是一种非常常见的元素，它在自然界中非常广泛地存在，并且具有多种同位素。
同位素是指具有相同原子序数（即原子核中的质子数）但质量数不同的原子。
碳的同位素有多种不同的质量数，其中最常见的是碳-12、碳-13和碳-14。
首先，碳的同位素具有不同的性质，这使得它们有着广泛的应用。
其中最常见的应用是在地质学和化学中的放射性碳dating技术。
碳-14是一种放射性同位素，它的半衰期约为5730年。
因此，通过测量一种物质中碳-14和碳-12的比例，可以确定物质的年龄。
这种技术被广泛应用于考古学和地质学中，用于确定物质的年代。
此外，碳的同位素对于研究生物化学过程也非常重要。
在生物体内，碳-12和碳-13的比例可以用于研究动植物的食物链关系和生态系统的结构。
由于碳-12和碳-13具有不同的质量，它们在生物过程中有着不同的生化反应速率。
通过测量不同生物体中碳-12和碳-13的比例，可以了解其所处的食物链位置和生态角色。
在化学工业中，碳的同位素也有广泛的应用。
例如，碳-13可以用于核磁共振（NMR）技术中，这是一种研究分子结构的重要工具。
通过将标记有碳-13的化合物注入到样品中，并观察其在NMR光谱中的信号，可以确定其结构和相互作用方式。
这种技术被广泛应用于有机化学和药物研发中，有助于研究化合物的结构和性质。
另外，碳的同位素也可以用于追踪环境中的污染物。
例如，碳-13的同位素比例可以用于追踪大气中的二氧化碳排放源。
不同来源的二氧化碳具有不同的碳-13含量，通过测量大气中的碳-13比例，可以确定不同来源的贡献程度。
这种技术对于研究气候变化和环境污染有着重要的意义。
此外，碳的同位素还可以用于医学影像学中的正电子发射断层显像（PET）技术。
在PET扫描中，通过将标记有碳-11或碳-14的放射性同位素注射到人体内，可以观察到活跃的细胞和器官。
这种技术对于诊断和治疗癌症、心脏病等疾病具有重要的价值。
总结来说，碳的同位素具有广泛的用途和性质。
第四章同位素质谱分析
（三）离子接收器
• 由一个有限制狭缝板和金属杯（法拉第圆筒组 成）。调节B，V，可使被分开的几个离子束依 次先后到达接收器，记录得到的是一系列峰和 谷，这就是被分析样品的质谱图。
五
• • • • • •
有关质谱计性能的几个概念
• • •
（一）质量数范围 （二）质量色散 D=△x/△M △ △ 即单位质量差所分开的距离。 （三）质量分辨率 R.P.(resoloving power)=M/△M △ （四）灵敏度 绝对灵敏度指仪器可检测出的最小样品量。相对 灵敏度指的是仪器可同时检测出的大组分与小组 分的含量之比。 丰度灵敏度=IM/△IM 丰度灵敏度 △ （五）精密度和准确度 S=[∑（xi-x）2/(n-1)]1/2 （ ）
第四节 稳定同位素地质应用
一 稳定同位素分馏概念 • 指在一系统中，某元素的同位理过程中： P141 • 分馏指数 α= RA/ RB RA：A物中 重/轻 物中 轻 RB：B物中 重/轻 物中 轻 • 同位素组成 δ=（K样品-K标样）/ K标样 α= （ RA/ RB=δA+1000/δB+1000
六 同位素比值测定方法 • （1）单接收法 • （2）双接收法： I1/ I2= （V1/ V2）*（R1/ （ R 2） • （3）多接收法 • （4）双进样法
第三节 稳定同位素样品制备与质谱 分析及应用
一 样品的制备 • C、H、O 、S 等同位素测定，须先将样品转变为 相应的气体。 • H－氢气 C、O—CO2气体 S－SO2 或SF6 （一）氢同位素制样 （1）还原法 制备水样通常采用还原法，还原剂为金属U、Zn、 Mg等。 （2）H2－H2O平衡法 H2—H20平衡法是一种在铀催化剂存在的条件下 用高纯度的氢气与水进行氢同位素平衡交换来测 定水中氢同位素组成的方法。
碳同位素与矿物成因
碳同位素与矿物成因有统计，可用的碳资源对人类的重要性已经不言而喻，这些资源在环境和社会发展中起着至关重要的作用。
因此，研究碳资源的成因及其所蕴含的潜力，可以帮助充分利用这些资源，更好地促进人类和自然界的发展。
碳同位素是地球表面丰富的碳资源中比较重要的一种，它可以帮助我们了解地球内部结构，从而更好地利用碳资源。
碳同位素不仅可以让我们更好地了解地球内部的构造，而且也可以帮助我们了解深部的碳资源的成因和分布特征，从而更有效地利用这些资源。
碳同位素的成因大体可以分为两大类：一类是因表面外部因素（如气温、风力、云量等）而形成的，这一类的碳源主要来源于地表和空气；另一类是由于地表内部因素（如火山爆发、海底火山、活动岩石等）而形成的，这一类的碳源来源于地壳和海水。
矿物成因与碳同位素关系密切，它们之间存在着密切的因果关系。
矿物有从熔融态（岩浆）中形成、从变质岩中形成和从沉积中形成等三种成因，碳同位素成因可以用来帮助我们更好地了解这些三种成因的差异。
其中，熔融态（岩浆）形成的碳同位素主要来源于地壳层中的岩石，而变质岩和沉积岩形成的碳同位素则来源于地表层以及地下水层中的岩石。
总体而言，碳同位素与矿物成因之间的关系非常紧密，研究碳同位素可以使我们更好地了解矿物的成因，并有效地利用碳资源。
鉴于碳资源的重要性，未来的研究将会更多地关注碳同位素与矿物成因之间的关系，因为这样可以帮助我们更有效地利用碳资源，更好地促进人类和自然界的发展。
综上所述，碳同位素与矿物成因之间的关系是非常紧密的。
研究这一关系可以帮助我们更好地利用碳资源，从而促进人类和自然界的发展。
只有通过对碳同位素与矿物成因之间关系的详细研究，我们才能更好地利用碳资源，实现环境和社会的可持续发展。
碳的同位素原子
碳的同位素原子在我们的日常生活中，碳是一个非常熟悉的元素。
它是地球上最常见的元素之一，也是生命存在的基础。
然而，你是否知道碳还有不同的同位素原子呢？让我们一起来探索一下这神奇的旅程。
让我们了解一下碳的基本特性。
碳是化学元素周期表中的第六个元素，原子序数为6，符号为C。
它有六个质子和六个中子，因此其常见的同位素是碳-12（C-12）。
碳-12是最稳定的同位素，约占天然碳的99％。
它在自然界中广泛存在，被广泛用于各个领域，如生物学、化学和物理学等。
然而，碳的同位素并不仅限于碳-12。
还有两种稳定同位素：碳-13（C-13）和碳-14（C-14）。
碳-13相对较少，约占天然碳的1.1％。
它具有一个额外的中子，使得其质量略微比碳-12重一些。
由于这种质量差异，科学家可以利用碳-13来进行各种研究，如地质学和生物化学等。
碳-14是另一种令人着迷的同位素。
与碳-12和碳-13不同，碳-14是放射性同位素，意味着它具有放射性衰变的特性。
它的半衰期约为5730年，因此在地球上的自然环境中只有极小的量。
然而，碳-14在考古学和地质学中发挥着重要作用。
通过测量化石和古代物质中碳-14的含量，科学家可以确定它们的年龄。
碳的同位素原子之间的差异给我们带来了许多令人惊奇的发现。
它们不仅可以揭示地球和生命的历史，还可以帮助我们更好地理解自然界的运作机制。
无论是在实验室中还是在现实生活中，碳的同位素都在不同领域的研究中起着重要作用。
在这个寻常而又神奇的旅程中，我们深入了解了碳的同位素原子。
从稳定的碳-12到稀有的碳-13，再到放射性的碳-14，每个同位素都有着独特的特性和应用。
它们让我们更加了解了地球的历史和生命的起源。
无论是在实验室中还是在自然界中，碳的同位素原子都在为科学家们带来新的发现和惊喜。
让我们继续探索碳的奥秘，一起追寻科学的边界！。
碳同位素丰度
碳同位素丰度一、碳同位素丰度的基本概念碳同位素丰度是指自然界中存在的不同碳原子同位素的比例。
碳是生命的基本元素，其在自然界中存在多种同位素，包括稳定同位素和放射性同位素。
这些同位素具有不同的原子质量和核能，因此它们在自然界中的比例是不同的。
碳同位素丰度通常用于研究地球科学、生物学、环境科学等领域中的化学和生物过程。
二、自然界的碳同位素丰度自然界中的碳同位素丰度是多样的，这主要取决于地球上的生物和化学过程。
在地球表面，碳主要以二氧化碳（CO2）的形式存在。
其中，最常见的碳同位素是碳-12（12C）和碳-13（13C）。
在海洋中，碳主要以碳酸盐的形式存在，如碳酸钙（CaCO3）和碳酸镁（MgCO3）。
这些碳酸盐的碳同位素丰度取决于它们在生物圈中的来源和分布。
此外，地球上的生物体也具有特定的碳同位素丰度。
植物主要通过光合作用吸收大气中的二氧化碳，因此它们的碳同位素丰度与大气中的二氧化碳相似。
动物则通过食物摄取植物或其它动物的有机物质，因此它们的碳同位素丰度与食物的来源和类型有关。
三、人为活动的碳同位素丰度影响人类活动对自然界的碳同位素丰度产生了显著的影响。
首先，人类的活动改变了大气中二氧化碳的浓度和组成。
例如，工业化和化石燃料的使用导致大气中的二氧化碳浓度增加，同时改变了其同位素组成。
其次，人类的活动也改变了土壤和植被的碳同位素丰度。
农业活动、土地利用变化和森林砍伐等都影响了土壤和植被的碳同位素丰度。
四、碳同位素丰度的应用碳同位素丰度在多个领域中具有广泛的应用价值。
首先，它在地球科学中用于研究地球的化学和生物过程。
例如，通过分析沉积物或岩芯中的碳同位素丰度，可以了解古代气候和环境的变迁。
其次，它在生物学中用于研究有机物的来源和转移。
例如，通过分析食物链中的碳同位素丰度，可以了解不同生物之间的能量流动和物质循环。
此外，碳同位素丰度还在环境科学中用于研究污染物的来源和归宿。
例如，通过分析大气或水体中的碳同位素丰度，可以追踪污染物的来源和扩散路径。
碳的同位素
碳的同位素
自然界中碳元素有三种同位素，即稳定同位素12C、13C和放射性同位素14C，14C的半衰期为5730年，14C的应用主要有两个方面：一是在考古学中测定生物死亡年代，即放射性测年法；二是以14C标记化合物为示踪剂，探索化学和生命科学中的微观运动。
同位素的概念
同位素是具有相同原子序数的同一化学元素的两种或多种原子之一，在元素周期表上占有同一位置，化学行为几乎相同，但原子质量或质量数不同，从而其质谱行为、放射性转变和物理性质(例如在气态下的扩散本领)有所差异。
同位素的表示是在该元素符号的左上角注明质量数，例如碳14，一般用14C而不用C14。
04_第四章(碳同位素)解析
Carbon 12C, 99.89; 13C,1.11;14C* , ~10-10
2 碳同位素分馏
碳有三种主要同位素：12C、13C和14C，由于它们的质量不同，
在自然界中的物理、化学和生物作用下产生分馏。
一般地说，在碳的有机循环中，轻同位素容易摄入有机质（例
如烃、石油中富含12C）中；而在无机循环中，重同位素倾向于
第四章 稳定碳同位素
Outline
碳同位素概述 碳同位素分馏
自然界中稳定碳同位素分布特征
稳定碳同位素应用简介
碳元素在地球上广泛分布于地壳、地慢、水圈以及大气圈中。此外，碳 更是地球上生命赖以存在的基础，有机体中碳含量很高，是生物圈中最 重要的元素之一。氧化形式的碳包括CO2、CO，H2CO3，HCO3-以及碳 酸盐矿物。还原形式的碳，主要存在于有机物和化石燃料中。此外，它 还以石墨和金刚石等自然元素形式存在。
(2) 生物或细菌氧化－还原作用过程中的碳同位素分馏
生物或者细菌的作用对碳同位素分馏的影响较大。湖泊、沼泽及滨海
底部淤泥中厌氧菌还原有机物而生成的CH4的δ13C值很低。据
Rosenfielcl等（1959）的资料，当原始有机物的δ13C为-25‰，温度低 于100℃时，细菌还原产生的CH4的δ13C值为-60‰～-80‰，分馏值ε可
13C= -13 to -28‰
2
2
Photosynthesis
光合作用中碳同位素的分馏模型
－－帕克（Park，1960）和爱泼斯坦（Epstein，1960，1961）
第一步：在光合作用期间，植物优先从大气中吸收质量较轻的 12CO ，并溶解于细胞中。这一阶段分馏变化较大，主要取决于大 2 气中CO2的浓度。 第二步：由于酶的作用，植物优先溶解含12CO2的CO2，先把它转 化为“磷酸甘油酯”。从而产生分馏，使13C在溶解的CO2中富集。 在分馏过程中，必然有一部分富含13C的溶解的CO2从植物的根部 或者叶面上排出，因而使植物富含12C。排出作用越有效，这一阶 段的分馏就越大。 根据这一分馏模型，可以解释大气CO2和植物之间同位素组成的差 别以及植物中的13C的变化。
一氧化碳里碳同位素
一氧化碳里碳同位素一氧化碳（CO）是一种由碳和氧元素组成的化合物，它在自然界中广泛存在，并且对我们的生活产生了重要影响。
特别是在碳同位素的研究中，一氧化碳提供了宝贵的信息，揭示了许多关于地质学、化学和生物学的重要知识。
让我们来了解一下碳同位素的概念。
碳同位素是指具有不同质量数的碳原子，其核外电子结构相同。
其中最常见的是碳的两种同位素，即碳-12和碳-13。
在自然界中，碳-12的丰度远远高于碳-13，占据了大约98.9%的比例，而碳-13只占约 1.1%。
这种同位素比例的差异是由于自然界中的生物过程和地球化学过程所致。
随着科学技术的发展，人们开始利用碳同位素来研究各种自然现象。
其中，一氧化碳的碳同位素成分是一个重要的研究对象。
一氧化碳的来源非常广泛，包括自然界的火山喷发、森林火灾、生物代谢过程以及人类活动中的燃烧过程等。
不同来源的一氧化碳具有不同的碳同位素成分，通过测量样品中的碳同位素比值，可以确定这些一氧化碳的来源和形成机制。
通过对一氧化碳的碳同位素进行研究，科学家们可以追踪气候变化、环境污染以及生物地球化学循环等过程。
例如，在研究气候变化方面，科学家可以通过分析大气中一氧化碳的碳同位素组成，了解不同地区的温度变化和降水情况。
此外，一氧化碳的碳同位素还可以用于研究大气污染物的来源和传输途径，以及生物地球化学循环中碳的转化过程。
除了在环境科学领域的应用，一氧化碳的碳同位素也被广泛用于生物学和地质学的研究中。
例如，在生物学研究中，科学家可以通过分析生物体组织中一氧化碳的碳同位素组成，了解生物进食链的结构和功能。
在地质学研究中，一氧化碳的碳同位素可以揭示地下水来源和流动路径，以及地下油气的生成和迁移过程。
一氧化碳的碳同位素对于了解自然界的各种过程起着重要的作用。
通过对一氧化碳的碳同位素进行分析，科学家们可以揭示环境变化、生物进食链、地下水和油气等方面的重要信息。
这些研究不仅有助于我们更好地了解地球的演化和生命的起源，还为环境保护和资源利用提供了科学依据。
04_第四章(碳同位素)
2
Photosynthesis
光合作用中碳同位素的分馏模型
－－帕克（Park，1960）和爱泼斯坦（Epstein，1960，1961）
第一步：在光合作用期间，植物优先从大气中吸收质量较轻的 12CO ，并溶解于细胞中。这一阶段分馏变化较大，主要取决于大 2 气中CO2的浓度。 第二步：由于酶的作用，植物优先溶解含12CO2的CO2，先把它转 化为“磷酸甘油酯”。从而产生分馏，使13C在溶解的CO2中富集。 在分馏过程中，必然有一部分富含13C的溶解的CO2从植物的根部 或者叶面上排出，因而使植物富含12C。排出作用越有效，这一阶 段的分馏就越大。 根据这一分馏模型，可以解释大气CO2和植物之间同位素组成的差 别以及植物中的13C的变化。
大气中CO的平均δ13C＝（-27±0.3）‰。
生 物 圈
对于地球上的植物来说，δ13C值的大小只要取决于光合循环类型， 目前已知有三种：C3循环，C4循环和CAM循环。 已知陆生植物的平均δ13C＝-25‰。C3植物的平均δ13C＝-27‰，都 是常见植物（如树木、小麦、燕麦和稻子等）。C4植物的平均δ13C ＝-12‰，多数是一些热带禾本科植物（如玉米、高粱和黍甘蔗 等）。CAM植物的δ13C值变化范围较大，平均δ13C＝-17‰。
Baertschi（1953）认为，叶子表面对两种二氧化碳 （12CO2、13CO2）同位素分子吸收速度上的差异是造成 这一分馏的主要原因。
Photosynthesis: Kinetic Isotope Effect
6CO2 + 6H2O + 13C= -8‰
12CO 13CO 2
C6H12O6 + 6O2
正构烷烃单体烃碳同位素
正构烷烃单体烃碳同位素正构烷烃的单体烃碳同位素正构烷烃是一种直链饱和烃，其单体烃碳同位素的组成提供有关其来源和降解过程的重要信息。
同位素组成正构烷烃中碳和氢原子的同位素组成由同位素比值表示，例如δ¹³C和δD。
δ¹³C表示¹³C相对于¹²C的丰度差异，而δD表示²H（氘）相对于¹H（氢）的丰度差异。
来源信息不同来源的正构烷烃具有独特的同位素特征。
例如，海洋浮游植物固定的碳往往比陆地植物固定的碳¹³C更丰富。
因此，沉积物中的正构烷烃同位素比值可以指示这些碳源对沉积物的相对贡献。
生物降解信息微生物降解过程会改变正构烷烃的同位素组成。
好氧降解通常会富集¹³C，而厌氧降解则会富集²H。
因此，正构烷烃同位素比值的测量可以提供有关降解途径和降解程度的信息。
地质应用正构烷烃单体烃碳同位素在石油地球化学和古气候学中具有广泛的应用。
石油成因和相关性：正构烷烃同位素比值可以帮助确定石油的来源地层和相关性。
古气候重建：沉积物中正构烷烃同位素比值的变化可以反映过去气候条件的变化，例如温度和湿度。
化石燃料勘探：正构烷烃同位素比值的分析可以提供有关潜在化石燃料储层的线索。
分析方法正构烷烃单体烃碳同位素比值的分析通常使用气相色谱质谱联用仪（GC-MS）进行。
样品首先通过色谱柱进行分离，然后通过质谱仪检测并测量同位素比值。
影响因素正构烷烃单体烃碳同位素组成受多种因素影响，包括：生物的来源和生理特征降解过程的途径和程度地质条件，例如温度和压力结论正构烷烃单体烃碳同位素提供有关其来源、降解过程和地质环境的宝贵信息。
通过分析这些同位素比值，科学家可以深入了解化石燃料的成因、古气候条件和地质过程。
碳同位素的应用
碳同位素的应用嘿，朋友！想象一下这样一个场景：在一个明亮宽敞的实验室里，一群穿着白大褂的科学家们正忙碌地操作着各种复杂的仪器。
而他们关注的焦点之一，就是那神秘的碳同位素。
你可能会好奇，这碳同位素到底是啥玩意儿？其实啊，它就像是隐藏在化学世界里的“小侦探”，有着大作用呢！先来说说碳同位素在考古领域的神奇应用吧。
你想想，当我们面对那些古老的文物、遗迹，是不是特别想知道它们到底来自哪个年代？这时候，碳同位素就派上用场啦！比如说，我们发现了一块古老的木材，通过对其中碳同位素的分析，就能大致推断出它生长的时期。
这就好像是给这些沉默的历史遗物开了口，讲述着过去的故事。
“这能靠谱吗？”你或许会这样反问。
嘿，还真就靠谱！就像我们通过一个人的指纹能识别出他的身份一样，碳同位素就是文物的“指纹”，独特又准确。
再把目光转向医学领域。
碳同位素在医学诊断和治疗中也是大显身手。
比如，在研究某些疾病的代谢过程时，科学家们会给患者使用含有特定碳同位素的药物。
然后，通过追踪这些碳同位素在体内的行踪，就能了解疾病的发展情况，从而制定更精准的治疗方案。
这是不是有点像给身体内部来了一场“追踪游戏”？而且，这游戏的结果可是关乎着我们的健康呢！在环境科学方面，碳同位素也是功不可没。
它可以帮助我们了解大气中二氧化碳的来源和循环过程。
想象一下，大气中的二氧化碳就像是一群调皮的小精灵，到处乱跑。
而碳同位素就能帮助我们分辨出这些小精灵是从工厂排放出来的，还是从森林吸收转化来的。
这不就相当于给我们装上了一双“透视眼”，让我们能看清环境变化的本质吗？说了这么多，你是不是对碳同位素刮目相看啦？它在考古、医学、环境科学等众多领域发挥着不可或缺的作用，就像一位默默付出的“幕后英雄”。
总之，碳同位素的应用广泛而重要，为我们探索未知、解决问题提供了有力的工具和手段。
它的价值不容小觑，未来还将在更多领域展现出其独特的魅力！。
碳的同素异位素
碳的同素异位素同素异位素是指具有相同原子序数（即相同的化学元素）但质量数不同的同位素。
同位素是指具有相同原子序数的不同同素异位素。
同素异位素的存在使得科学家能够进行同位素标记、同位素示踪和同位素地球化学等方面的研究，对于生物、环境和地球科学等领域起着重要的作用。
同素异位素是由于核有若干处（原子核内的质子和中子的总数）不同而产生的。
在自然界中，大部分元素存在多个同素异位素，其中一个或几个比较稳定且丰度较高，而其他同素异位素的丰度较低。
例如，碳元素存在三个天然同素异位素，分别是12C、13C和14C。
它们的原子序数均为6，但质量数分别为12、13和14。
其中，12C和13C的丰度较高，而14C的丰度非常低。
同素异位素对于科学研究具有不可忽视的重要性。
在生物学和医学领域，同位素标记技术被广泛应用。
通过将同位素引入生物体内，科学家可以追踪和观察特定物质在生物体内的代谢路径和转化过程。
常见的同位素标记元素有碳、氮、氧和硫等。
例如，利用14C同位素标记的葡萄糖可以用于研究人体中的糖代谢过程。
同样，氨基酸标记也可以用于研究蛋白质的合成和降解。
这种研究方法在药物研发、疾病诊断和治疗等方面起着重要的作用。
在环境科学领域，同位素示踪技术用于研究和控制污染物的运移和转化过程。
不同同素异位素的化学和物理性质可能存在差异，因此它们在环境中的行为也可能不同。
例如，研究人们常用的氢氧同位素比（δD和δ18O）可以用于追踪水体的来源和循环路径。
这对于地下水资源管理和水循环研究非常重要。
此外，氮同位素比（δ15N）也可以用于追踪植物和动物的养分来源和食物链关系。
在地球化学领域，同位素地球化学研究是一门特殊的学科，通过分析不同同素异位素的比例，可以揭示地球上各种地质过程的发生机制和演化历程。
例如，研究铀和铅同位素的比例可以追踪岩石的年龄和形成过程。
同样，氧同位素比（δ18O）可以用于研究古气候变化和地球上水的循环模式。
除了以上提到的应用领域，同素异位素还在食品安全、考古学、地球物理学和核能研究等方面发挥着重要的作用。
bruker 碳同位素
bruker 碳同位素摘要：一、布鲁克碳同位素简介二、碳同位素的应用1.生物基与石油基材料的区分2.碳同位素在地质年代测定中的应用3.碳同位素在其他领域的应用三、碳同位素的检测方法四、我国在碳同位素研究方面的进展五、碳同位素研究的发展趋势正文：布鲁克碳同位素是一种具有放射性的碳元素，其在自然界中存在三种同位素：C12、C13和C14。
C12占据了自然界中99%的碳原子，C13占据了1%，而C14则极为稀少，仅占兆分之一。
碳同位素的研究具有广泛的应用价值，尤其在地质、生物和化学等领域。
碳同位素在许多应用中发挥着重要作用。
首先，通过ASTMD6966方法，可以分辨物质是生物基还是石油基。
生物质材料含有C14，而石化衍生材料则不含。
例如，100%来源于石油衍生成分的聚乙烯制品只有0%的生物基含量，而100%来源于植物的聚乙烯制品则含有100%的生物基含量。
此外，碳同位素在地质年代测定中也具有重要应用，如通过测量地层中的C14含量，可以准确确定地质年代的年龄。
碳同位素的检测方法主要包括放射性测量和稳定同位素比值分析。
放射性测量是通过检测样品中C14的放射性强度来确定其含量；稳定同位素比值分析则是通过比较样品中C12和C13的含量比例来推断其来源。
在我国，碳同位素研究取得了世界领先的成果。
科学家们通过对碳同位素的研究，揭示了生物质起源、地球气候变迁、水资源演化等方面的诸多奥秘。
此外，我国还在碳同位素的应用技术研发方面取得了显著进展，如石油基与生物基材料的鉴别、地质年代测定等。
展望未来，随着科学技术的不断发展，碳同位素研究将在地球科学、生物科学、材料科学等领域发挥更为重要的作用。
碳同位素技术的发展将有助于解决能源、环境、资源等全球性问题，为人类的可持续发展提供有力支持。
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Photosynthesis: Kinetic Isotope Effect
6CO2 + 6H2O + 13C= -8‰
12CO 13CO 2
C6H12O6 + 6O2
13
C
HCO3 ( 水中)
2‰
第三阶段：重碳酸盐和固体碳酸盐（方解石）分馏阶段：在这一阶 段中，固体碳酸盐与重碳酸盐只产生微小的分馏。
13
CCaCO3 ( 方解石 )
13C
HCO3 ( 水中)
1‰
3 自然界稳定碳同位素分布特征
大 气 圈
海洋上空大气CO2很少受到其它来源的CO2的影响，其δ13C值变化 范围很窄，平均δ13C＝-7.0‰。沙漠和山区大气的CO2的δ13C值接 近-7.0‰，而在森林、草地、耕地等植被发育的地方，由于受到 生物腐烂放出的CO2的影响，其δ13C值有所降低。 土壤CO2的δ13C值变化范围较大，约-30‰～-10‰，Pearson和 Hanshan（1970）认为它只要取决于有机物的分解和植物根的呼 吸作用。
该系统中的碳同位素分馏可分为三个阶段。
第一阶段：大气CO2溶解阶段。研究表明，在20℃时，大气CO2的溶 解作用是在无明显分馏的情况下进行的，与大气CO2相比，溶解的 CO2大约贫乏1‰的13C。即：
13
CCO2 ( 大气 )
13C
7 （-8）＝ ‰ 1
CO2( 水中)
第二阶段：溶解的CO2和重碳酸 盐分馏阶段。在这一阶段，重碳 酸盐大约比溶解的CO2富10‰的 13C。
图1 生物圈与其它圈层间的相互 关系——有机碳循环与碳酸盐循 环（据S.Golubic等,1978)
碳同位素及其丰度
自然界有六种碳同位素：10C、11C、12C、13C、14C*和15C*。主要
有三种，它们的丰度是：12C－98.89％；13C－1.108％；14C－
1.2×10-10％。其中12C、13C是稳定同位素，14C是放射性同位素。
碳同位素的平衡分馏
大气CO2－溶解的HCO3-－固体CaCO3系统中的化学交换平衡反应。
在这一系统中，化学反应的结果使重碳酸盐和碳酸盐富含13C，即
富含重同位素。这种化学交换反应，调节着大气CO2和海洋中 CO32-和HCO3-之间的碳同位素平衡关系。反应结果，海水中的 CO32-和HCO3-富含13C。
富集在无机盐（例如碳酸盐富含13C）中。
上述二种碳循环都与大气CO2有密切关系，也是自然界中碳同
位素分馏两个最重要的过程。
碳同位素的动力分馏
(1) 光合作用中的碳同位素动力分馏
6CO2 +6H 2O C6 H12O6 6O2
由于轻同位素分子的化学键比重同位素分子的化学键易 于破坏，因而光合作用的结果使有机体相对富集轻同位 素（12C），而残留CO2中则相对富集重同位素（13C）。
(2) 近代海相沉积
对部分海相沉积物的碳同位素研究表明，它的δ13C值变化范围很窄（10‰～-30‰），其中90‰以上的样品的δ13C＝-20‰～-27‰。大陆沉
积与海相沉积相比，大陆沉积物的δ13C值变化范围较大。
(3) 岩石和矿物
古老沉积物和变质沉积物，以及前寒武纪岩石中剩余碳的δ13C值与近代沉积基本 一致。烃的δ13C值的变化范围是-20‰～-24.7‰，与泥炭相似（δ13C＝-25‰左右）， 这说明烃化作用过程没有明显的碳同位素分馏。 大多数石油的δ13C＝-21‰～-32‰，石油的δ13C值与近代海相沉积相相比较，向轻 同位素方向移动3‰。而与烃相比较，石油的δ13C值（平均值为-27‰～-30‰）低 于烃（-23‰～-26‰）。火成岩中分散碳的δ13C值一般为-20‰至-27‰。火成碳酸 盐的δ13C值变化范围较大，但平均值比较接近，约为-5.1‰，金刚石为高温高压矿 物，其δ13C值为-3.2‰～-6.9‰，平均值为-5.8‰。
第四章 稳定碳同位素
Outline
碳同位素概述 碳同位素分馏
自然界中稳定碳同位素分布特征
稳定碳同位素应用简介
碳元素在地球上广泛分布于地壳、地慢、水圈以及大气圈中。此外，碳 更是地球上生命赖以存在的基础，有机体中碳含量很高，是生物圈中最 重要的元素之一。氧化形式的碳包括CO2、CO，H2CO3，HCO3-以及碳 酸盐矿物。还原形式的碳，主要存在于有机物和化石燃料中。此外，它 还以石墨和金刚石等自然元素形式存在。
Carbon 12C, 99.89; 13C,1.11;14C* , ~10-10
2 碳同位素分馏
碳有三种主要同位素：12C、13C和14C，由于它们的质量不同，
在自然界中的物理、化学和生物作用下产生分馏。
一般地说，在碳的有机循环中，轻同位素容易摄入有机质（例
如烃、石油中富含12C）中；而在无机循环中，重同位素倾向于
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1概 述
碳同位素的主要地球化学性质
碳同位素的原子序数为6，原子量为 12.011，在地壳中的丰度为2000ppm。碳 在自然界中分布很广，主要有两大类： 有机碳和无机碳。 地球上的碳有四大储存库：大气圈、 水圈、生物圈和岩石圈。各种不同的形 式的碳在这四大储存库之间进行着无机 过程和有机过程的碳交换循环。 碳是一种变价元素，在不同的条件下 可形成不同价态的化合物，它们之间存 在着明显的同位素分馏。
植物中13C含量除了与光合循环类型有关外，还与植物的种属、生
长环境（如温度）、所处的纬度以及植物本身的部位有关。
岩
石
圈
(1) 近代大陆沉积
近代陆相沉积物中有机质的δ13C值变换范围由-10‰到-38‰。尼桑巴姆 （Nissenbaum，1974）指出：土壤腐殖质中的δ13C值与区域的植物类型 有关。泥炭的δ13C值与泥炭形成环境及泥炭类型有关。湖泊沉积物的 δ13C值变化范围很大（-8‰～-38‰），这种情况与陆地和水生植物相类 似。对少数河流沉积物研究表明，其δ13C值的变化与湖泊一致。
13C= -13 to -28‰
2
Photosynthesis
光合作用中碳同位素的分馏模型
－－帕克（Park，1960）和爱泼斯坦（Epstein，1960，1961）
第一步：在光合作用期间，植物优先从大气中吸收质量较轻的 12CO ，并溶解于细胞中。这一阶段分馏变化较大，主要取决于大 2 气中CO2的浓度。 第二步：由于酶的作用，植物优先溶解含12CO2的CO2，先把它转 化为“磷酸甘油酯”。从而产生分馏，使13C在溶解的CO2中富集。 在分馏过程中，必然有一部分富含13C的溶解的CO2从植物的根部 或者叶面上排出，因而使植物富含12C。排出作用越有效，这一阶 段的分馏就越大。 根据这一分馏模型，可以解释大气CO2和植物之间同位素组成的差 别以及植物中的13C的变化。
•
Carbon 14 is formed when cosmic radiation in the upper atmosphere excites a neutron, causing the neutron to impact a Nitrogen 14 atom and dislodges a proton forming carbon 14. This is an ongoing process, generating a relatively stable percentage of Carbon 14 atoms in the atmosphere. All living things are composed of this same fraction of the isotopes of carbon. When an organism dies, it is no longer taking in the carbon and the decay clock on the radiocarbon begins. The longer the time that has past since an organism has died, the smaller the percentage of radioactive carbon will remain in whatever is left of the organism. The half-life of Carbon 14 is 5730 years, therefore when there is half of the atmospheric percentage of carbon 14 remaining, the organism died 5730 years ago. We are able to measure the relative quantity of Carbon 14 very precisely.
油经过热裂解而生成的CH4常常富集轻同位素12C，但由于12CH4和
13CH 4在水中的溶解度不同，又使水中溶解的CH4进一步富集 12CH 4，
这样就使水中溶解的CH4和原油之间产生了较大的同位素分馏。
(5) 扩散作用引起的碳同位素分馏
扩散作用也可以引起碳同位素的分馏。例如甲烷和其它轻的碳氢化 合物在迁移时将产生同位素分馏。此外，吸附和解吸现象对甲烷和 有关物质的碳同位素组成也有影响。
馏的影响很大。
据特纳（Turner，1982）的实验结果，当CaCO3的沉淀速度小于 40mol/min时，HCO3-－CaCO3之间的分馏非常明显；当HCO3-－ CaCO3的沉淀速度高于40mol/min时，它们之间的同位素分馏不明显。
(4) 油－气－水系统中的碳同位素动力分馏