全 文 ：稳定性核素13 C的应用及相关概念
碳元素是自然界中分布最为广泛的基础元素之一 ,也是生命物质最基本元素之一 ,生命活动是碳元素在自然
界进行循环最重要的影响因素。自上世纪 70 年代以来 ,稳定性核素13 C已广泛应用于植物学、动物学、微生物学、
生态学和环境科学等学科领域 ,尤其是在研究自然界中碳循环及环境变化等方面有其独到的优势 ,越来越引起人
们的重视。
术语“丰度 (abundance)”:在自然界中 ,元素的某种稳定性核素的原子数在该元素的总原子数中所占的百分数
称为丰度 ,或天然丰度。碳元素由 l2C和13 C两种稳定性同位素组成 ,国际认可的 PDB 中12 C 的丰度为 981892 % ,
而13 C的丰度为 11108 %(PDB ,一种白垩纪海洋生物的化石 - PeeDee Belemnite 中 13C 原子与12 C 原子分别所占百分
率) 。因13 C的天然丰度比12 C低得多 ,用绝对丰度来表示其同位素组成比较困难 ,所以通常用相对量来表示其同
位素组成 ,也就是用同位素比率 (isotope ratio ,13 CΠ12 C的丰度比)或 (值表示。δ是希腊字母Δ的小写 ,科技论文中 ,
常用于表示增量的意思 ,真值可为正 ,也可为负。一般在文字叙述或数学公式的推导过程中常用大写Δ ,而在数
学公式中用小写δ。
由于13 C比12 C多一个中子 ,两种同位素在质量上的微小差异使得其理化性质 (如键能大小)产生微小差异 ,这
种差异表现在13 C化学键的形成或断裂所消耗的能量比12 C时要大。因此 ,植物在吸收固定大气中的 CO2 时 ,会优
先利用12 C ,产生所谓的碳同位素分馏 (carbon isotopic fractionationΠcarbon isotope discrimination) 现象。国内也有人曾
使用碳同位素甄别这个概念。在科技文章中 , 单词“fractionation”常作为科学术语或概念使用 , 而单词
“discrimination”常用于对现象的描述。分馏效应的结果是12 C 在植物中得到相对富集 ,造成大气与植物中碳同位
素组成 (isotopic composition)的差异 ,即引起大气与植物中碳同位素 (13 C ,12 C)丰度的变化 - 导致13 CΠ12 C丰度比的变
化。
δ13 C( ‰) = [ (13 CΠ12 C) 样Π(13 CΠ12 C) PDB - 1 ] ×1000。式中 , (13 CΠ12 C)样为样本中13 CΠ12 C的丰度比 , (13 CΠ12 C) PDB 为
国际认可的 PDB 标准品的13 CΠ12 C的丰度比。与自然界中其它含碳物质相比 ,PDB 中13 CΠ12 C 的丰度比较高。由于
(13 C非常小 ,通常用千分数来表示。同位素分馏或甄别现象与植物的光合作用类型、遗传特性、生理特点和状态、
生长环境等因素相关。根据光合作用途径的不同 ,通常将植物分为 C3 途径、C4 途径和 CAM 途径。C3 途径通过
RuBP 羧化酶固定 CO2 ,C4 与 CAM 途径以 PEP 羧化酶固定 CO2 ,与 C3 途径中 RuBP 羧化酶相比 ,PEP 羧化酶对 CO2
的亲和力高。由于 3 种途径中不同羧化酶的活性不同 ,其对13 C 的分馏或甄别效应也不同。通常 C3 植物的 (13 C
值在 - 20 ‰～ - 35 ‰之间 ,平均值为 - 27 ‰。C4 植物的δ13 C 值在 - 9 ‰～ - 17 ‰之间 ,平均值为 - 13 ‰。而 CAM
植物由于利用了 C3 和 C4 途径 ,其 (13 C值介于 C3 与 C4 植物之间。
在稳定性核素示踪研究中常用的一个概念是“原子百分超 (atom % excess)”。人们把原子百分超定义为 :某试
验样品中 ,稳定性核素的丰度与其天然丰度之差称为该核素的原子百分超 (又称为富集度) 。例如 :现有一个13 C
的样品 ,其丰度为 31108 % ,则其原子百分超为 31108 % - 11108 % = 21000 %。
(郭江峰 ,浙江理工大学生命科学学院 ;徐步进 ,浙江大学原子核农业科学研究所供稿)
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