了解同位素分馏作用

稳定同位素碳13(13C)和碳12(12C)的同位素分馏指的是,由于原子量不同而在自然生物化学反应过程中造成碳同位素比例浮动(Taylor, 1987)。此类变化与时间和自然界的放射性衰变无关。这是放射性碳实验室的常用做法,用于对样品分馏时进行放射性碳活动校正。测出的年龄称为“标准年龄”,意味着测量活动已用 -25 o/oo (每千分一)和VPBD进行修正。校正部分必须从常规放射性碳年龄中加上或减去。

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Beta实验室的测试费用中已包含了δ13C的处理费以及C14测试费。实验室也可单独提供δ13C处理(水样除外)。您可发送邮件咨询具体费用。

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测试同位素分馏的意义

为了提供精准的放射性碳测年结果,利用稳定同位素C13和C12来校正同位素分馏效应是非常必要的。这一校正可以校正现代参考标准物质和样品材料之间新陈代谢差异的误差。度量单位称为“δ13C”。

BETA实验室测试两个δ13C值:
– 一个值用于校正总分馏效应(自然、化学和AMS)。
这个值没有在报告中显示,它是被用来计算校正 “常规放射性碳年龄”的。注意:报告中的“常规放射性碳年龄”是经过同位素分馏校正之后的结果。

– BETA实验室同时会测试第二个δ13C值,使用同位素比值质谱仪测试得出的(IRMSδ13C)。
此值即是可以代表样品本身的值并且在报告中表示出来了。它才是学术研究所需要的值。

相比之下,报告“AMSδ13C”会造成误导和误解。放射性碳相关研究人员应该注意在他们的研究中使用哪个δ13C值,到底是IRMSδ13C还是AMSδ13C。如果是AMSδ13C,则它不能用于饮食结构或代谢途径的研究。BETA实验室出具的报告中δ13C值都是通过IRMS测得的。

同位素分馏的产生和测量

AMS lab

碳在自然界地球化学运移过程中发生了分馏作用,因此碳元素(12C, 13C 和14C)的均衡分布发生了变化。Craig (1953)首次指出在一些生物化学过程中会造成碳元素平衡的改变。 例如,植物在光合作用更容易吸收含某一种同位素(C12)的CO2,所以经过光合作用后,植物体中C13同位素的比例相较于自然界中的降低了1.8%(Harkness, 1979)。相反地,溶解于海洋中的无机碳与大气中的CO2相比,13C相对富集0.7%。

14C/12C比例(精确测量而得)的同位素分馏范围大约是测得13C/12C比例的2倍。若同位素分馏发生在自然过程中,那么则可通过测量样品中的13C/12C比例进行校正。该比例一般通过普通质谱仪测得。样品所测得的同位素丰度将表达为δ13C,这代表了样品与国际PDB标准物质(一种碳酸盐物质)之间每千分碳13含量的差别。(Keith et al., 1964; Aitken, 1990)。δ13C值表示为与PDB标准偏差的千分数。 PDB为美国南卡罗莱纳州白垩系皮迪组的美洲箭石中的碳氧同位素丰度比,可作为世界通用的碳氧同位素标准。该术语现已修改为VPDB (Coplen, 1994)。

δ13C值能反映出许多关于环境的重要信息,如样品是从何而来,或者是否由多种材料混合而成,这是因为样品的同位素值可以反映出直接环境的同位素丰度。以贝类生物为例,一般海洋生物的δ13C值在 -1 至+4 o/oo (每千分)之间,然而生活在河流的贝类,它们的δ13C值是在 -8 至-12 o/oo (每千分)之间。因此,若我们不清楚贝类生活的具体环境,我们可以通过对δ13C结果进行分析从而推断出最有可能的生活环境。

分馏同时也可用来描述由非自然原因引起的同位素比例变化。例如,实验室可通过许多方法对样品进行分馏;样品从某阶段至下一个阶段未完全转化。例如,在液体闪烁计数中,准备制碳化锂时未完全合成的乙炔可能造成合成量不高并同时出现分馏。同样地,在真空系统中若气体转换没有始终与总量保持平衡,则也会出现分馏误差。在这种情况下,一般是较大或较小的原子更受青睐。但是,若样品能完全转化(如固体转化为气体,乙炔转化为笨),则不会出现由实验室引起的分馏。

常规放射性碳年龄(BP) 和 C13/12校正

放射性碳测定值被称为常规放射性碳年龄(或CRA) ,这是利用 Stuiver and Polach (1977,发表于Radiocarbon杂志)所概述的参数进行测试后而得的年龄。在进行CRA测试时,对过去C14活动水平设定为不变。此假定C14活动水平与国际绝对放射性碳活动标准保持一致。

常规放射性碳年龄 BP根据放射性碳衰变公式计算得出

t=-8033 ln(Asn/Aon)

-8033表示14C的平均生命期(Stuiver and Polach, 1977). Aon是现代标准活动,按每分钟进行计算, Asn 是样品同等cpm, ‘ln’代表自然对数。

CRA 遵守以下公约:

  • 半衰期为5568年;
  • 采用 Oxalic Acid I或II 作为现代放射性碳标准;
  • 将样品同位素分馏校正为每千-25.0的正常值或基值(相对于VPDB标准中的碳13/碳 12的比例)
  • 零BP(迄今)规定为公元1950年 ,如所有C14年龄都从1950年前开始计算 ;
  • 假定全球C14含量一直保持恒量。