稳定性同位素在土壤铅镉污染源识别中的应用

4离子按质荷 比进行分离
3提取透镜使离 子通过样品锥进 入真空系统
2样品颗粒电 离成正离子
1高速氩气将 液体样品雾化
图1 ICP-MS仪器结构图
图2 电感耦合等离子体质谱仪
ICP-MS主要优点与局限
❖ 优点：
(1) 大气压下进样，便于与其他技术联用。 (2) 图谱简单，检出限低，分析速度快，动态范围宽。 (3) 可进行同位素分析，单元素和多元素分析，以及有机物中金属元素的形态
3 铅、镉稳定同位素 在土壤污染源识别中的应用
❖ 人为活动已经造成了土壤重金属的污染，在工 业和城市地区污染则更加严重。
❖ 准确识别土壤重金属的污染来源，是进行污染 环境治理的前提，更能针对性的采取有效措施 治理污染。
1）各种源的同位素范围
俄罗斯铅矿石（Mukai etal.,2001） 捷克方铅矿（Ettler et al.,2004）
（路远发 等，杭州市土壤铅污染的铅同位素示踪研究）
表2 土壤中铅含量的测定结果（mg/kg）
采样点到 公路距离
5m 15 m 25 m 对照点
样品数
12 12 12 2
含量范围
38.1-46.0 37.4-44.0 35.4-41.2 34.5-37.1
测定均值
44 41.2 39.9 35.8
标准差
and significance, In: Nriagቤተ መጻሕፍቲ ባይዱed J O）
2） 交通对土壤的影响
图5 土壤中全铅及可溶相铅含量分布直方图 * 考察土壤总量铅与可溶相铅的关系发现，两者具很好的相 关关系，相关系数高达0.979。
（路远发 等，杭州市土壤铅污染的铅同位素示踪研究）
图6 土壤铅含量在垂直于公路的剖面中的变化特征
图9 土壤样品206Pb/204Pb-208Pb/204Pb关系
（吴龙华 等，铅稳定同位素在土壤污染物来源识别中的应用）
3-2） 铅锌矿对于土壤的影响
捷克冶金厂炉渣（Ettler et al.,2004）
法国、瑞士城市垃圾焚烧产生的粉尘
(Hansmann and Köppel ,2000; Carignan et al.,2005）
图3 不同来源铅的206Pb/207Pb—208Pb/206Pb关系图
（ Komárek M et al., Lead isotopes in environmental sciences: A review)
趋势：土壤残渣态 土壤可溶态 城区表土 汽车尾气
（路远发 等，杭州市土壤铅污染的铅同位素示踪研究）
3）特定污染场地对土壤的影响
3-1）小高炉炼铜对土壤的影响
表4 土壤样品的铅全量和同位素组成
Zhu研究表明：中国南部背景地质样品的同位素组成208Pb/204Pb >38.4 ， 206Pb/204Pb >18.4
图4 杭州与北美某些煤和汽油铅同位素组成对比
（陈好寿 等,杭州大气铅主要污染源的铅同位素示踪
Chow T J etal.，Lead isotopes in North American coals Patterson C，Lead pollution in the human environment: origin, extent
Sturges等指出：对于自然产生的Pb而言，207Pb/206Pb一般较低（ <0.83） 人为因素产生的Pb其207Pb/206Pb较高，在0.83-1.04之间
（吴龙华 等，铅稳定同位素在土壤污染物来源识别中的应用）
图8 土壤样品同位素组成与Pb浓度倒数的关系
说明：11 个土壤样品中206Pb/207Pb、 208Pb/204Pb 和206Pb/204Pb与Pb浓度的倒数 都呈显著的线性正相关关系。Pb同位素组 成与Pb浓度之间的这种关系可以用二元混 合模型加以解释。
稳定性同位素 在土壤铅、镉污染源识别中的应用
报 告 人： 指导老师：
目录
1 铅、镉稳定同位素的介绍 2 ICP-MS测定同位素的原理
3
铅、镉稳定同位素在土壤污染 源识别中的应用
4 思考与展望
1 铅、镉稳定同位素
同位素：质子数相同而中子数不同的一类原子。
稳定性同位素：在正常的地球变化过程中并不转变 为另一种核素的核素。
母体核素半衰期（年）
—— 4.466×109 0.704×109 1.401×1010
（Long L.，1999）
镉稳定同位素
116Cd 114Cd
106Cd
108Cd 110Cd
111Cd
112Cd
（Pfennig G et al., 1998）
为什么选择铅和镉稳定同位素？
❖ 质量大 ❖ 同位素间的相对质量差较小 ❖ 外界条件对其组成的影响小
4.7 3.4 3.9 1.8
表3 土壤中铅含量显著性分析
数据比较
T
5 m与15 m比较 1.68
5 m与25 m比较 2.32
5 m与对照点比较 4.41
P P>0.05 0.01<P<0.05 P<0.01
显著性差异 无显著性 有显著性 有极显著性
（张寿宝 等，汽车尾气中的铅对茶园污染的研究）
图7 杭州市土壤及相关环境的铅同位素组成
【无放射性, 无二次污染, 可以追踪污染物质】
放射性同位素：原子核很不稳定，会不间断地、自 发地放出射线，直至变成另一种稳定同位素。
铅稳定同位素
表1 铅稳定同位素的丰度，来源及其半衰期
铅稳定同位素
204Pb 206Pb 207Pb 208Pb
丰度
1% 24% 23% 52%
母体核素
—— 238U 235U 232Th
指纹特征
铅：温度、压力、pH、氧化 还原电位和生物作用等的变 化对其组成的影响小，几乎 不存在同位素分馏效应。 （胡忻 等，2009）
镉：常以Cd2+ 离子形式存在，化合物 中连接键是离子键。它在自然界中的 迁移除蒸发和冷凝过程外不会引起较 大的同位素分馏(小于1‰)。 （张羽旭 等，2009）
2 ICP-MS测定同位素的原理
分析。
(4) 离子初始化能量低，可使用简单的质量分析器，诸如四极杆和飞行时间质 谱计等分析仪器。
(5) ICP离子源产生超高温度，理论上能使所有的金属元素和一些非金属元素 电离。
❖ 局限： (1) ICP高温引起化学反应的多样化，经常使分子离子化的强度过高。 (2) 对固体痕量样品的分析，ICP-MS一般要对样品进行预处理。