歡迎掃碼關(guān)注
當(dāng)前位置：首頁
- 地質(zhì)文化
- 地學(xué)科普
同位素標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)：重要的示蹤“標(biāo)尺”
你知道嗎？我們身邊的水、空氣，甚至人體內(nèi)的元素，都是由無數(shù)個“同位素兄弟”組成的。它們像雙胞胎一樣，雖然“長相”相似（質(zhì)子數(shù)相同），但“體重”不同（中子數(shù)不同），而這些細(xì)微差異讓它們成為科學(xué)界的“隱形英雄”，在科研、生態(tài)、醫(yī)療等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，吸引眾多科學(xué)家致力于同位素的研究。但是，受實驗室環(huán)境、測試儀器狀態(tài)、測試方法等客觀因素的影響，同一種同位素的測試數(shù)據(jù)紛紛不一，數(shù)據(jù)的可比性和可信度難以確保，就像使用尺子測量長度時沒有統(tǒng)一的刻度、運動員跑步比賽時沒有統(tǒng)一的起跑線。而同位素標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)就充當(dāng)了這把精確的“標(biāo)尺”，讓全球科學(xué)家在微觀世界的探索中有了共同的起點。
一、同位素標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的概念
同位素標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)是科學(xué)研究和工業(yè)應(yīng)用中不可或缺的基準(zhǔn)工具，簡單來說，就是純度極高、性質(zhì)穩(wěn)定的同位素樣本，通過精確的同位素比值或濃度，為實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可比性提供保障，相當(dāng)于科學(xué)界的“國際度量衡”。例如，碳-13（13C）和碳-14（14C）雖然同為碳元素，但前者穩(wěn)定，后者具有放射性，科學(xué)家通過精確控制它們的比例，就能像“指紋鑒定”一樣追蹤物質(zhì)的來源和變化
二、同位素標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的特點
同位素標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)可不是隨便選的，它得有一些特殊“本領(lǐng)”。一是化學(xué)成分非常均一，就像攪拌得特別均勻的糖水，每一滴甜度都一樣，這樣才能保證在不同地方、不同時間測量，結(jié)果都穩(wěn)定可靠。二是同位素組成恒定，而且大致處于這種同位素在自然界變化范圍的中間值。三是數(shù)量充足，方便長期使用，并且制樣和測定的手續(xù)要簡便，這樣才能讓全球眾多實驗室都能輕松“駕馭”。
三、常見的同位素標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)
目前已知的同位素標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)種類繁多，自然界中，已發(fā)現(xiàn)的118種元素里，穩(wěn)定同位素接近300種，放射性同位素更是多達3000多種，幾乎所有元素都有放射性同位素，這些同位素都有可能成為特定研究領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)。而同一種同位素也存在多個標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，以碳氧同位素為例。
碳酸鹽碳氧同位素標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)是用于校準(zhǔn)實驗中測量結(jié)果的基準(zhǔn)，具有已知的碳同位素（δ¹³C）和氧同位素（δ¹?O）比值。PDB（Pee Dee Belemnite）和VPDB（Vienna Pee Dee Belemnite）是兩種不同的碳同位素國際標(biāo)準(zhǔn)，它們在地球科學(xué)和生物化學(xué)研究中用于測量和比較碳氧同位素比值。PDB標(biāo)準(zhǔn)最初是基于美國南卡羅來納州Pee Dee地層中的一種特定貝類化石（Belemnite）的碳氧同位素比值來定義的。隨著時間的推移，原始的PDB樣品幾乎被耗盡，因此國際科學(xué)界采用了一個名為VPDB的新的參考標(biāo)準(zhǔn)。VPDB是一個理論上的標(biāo)準(zhǔn)，它基于原始PDB樣品的同位素比值，但通過高精度的測量和校準(zhǔn)來定義，現(xiàn)已被用作大多數(shù)現(xiàn)代碳氧同位素分析的參考標(biāo)準(zhǔn)，包括由國際原子能機構(gòu)（IAEA）提供的IAEA-CO-08和IAEA-603，由美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）提供的NBS18和NBS19，中國國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW04405、GBW04406、GBW04407等（表1）。
表1 目前國內(nèi)外的碳酸鹽碳氧同位素標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)
除此之外，我們常見的同位素標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)還包括由IAEA機構(gòu)提供的VSMOW，屬于δ²H、δ¹?O同位素體系，主要應(yīng)用于水樣氫氧同位素分析；由IRMM機構(gòu)提供的IRMM-016，屬于鈾同位素體系，主要應(yīng)用于核材料分析；由IAEA機構(gòu)提供的IAEA-S-1，屬于硫同位素體系，主要用于環(huán)境與地質(zhì)硫循環(huán)研究。可見，同位素標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)已經(jīng)組成了一個十分龐大的數(shù)據(jù)庫（圖1）。
圖1 碳氧同位素標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的發(fā)展歷程
（從1951年P(guān)DB標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布到VPDB IAEA 612標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的發(fā)布）
四、同位素標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的應(yīng)用
同位素標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的應(yīng)用十分廣泛，在地質(zhì)領(lǐng)域，科學(xué)家通過對比巖石、礦物中同位素與標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的差異，能推斷地球的演化歷史，就像從古老的“石頭日記”里解讀地球的過去（圖2）。在生命科學(xué)中，利用同位素示蹤技術(shù)，把帶有特殊同位素標(biāo)記的物質(zhì)引入生物體內(nèi)，通過與標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)對比，追蹤物質(zhì)在生物體內(nèi)的代謝路徑，就像給生物體內(nèi)的物質(zhì)流動裝上了“導(dǎo)航”。在環(huán)境科學(xué)里，借助同位素標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，可以分析污染物的來源和遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，為治理環(huán)境污染出謀劃策。未來，同位素標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)可能會在深空探測、量子技術(shù)等領(lǐng)域發(fā)揮更大作用。
圖2 水和碳循環(huán)中的同位素變化（a 水循環(huán)中氧同位素從大洋到陸地逐漸偏負(fù)的過程；b 碳循環(huán)中碳同位素在大洋碳酸鹽沉積物、大氣、海洋生物圈、陸地生物圈、巖石圈到土壤的不同分布）
同位素標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)雖默默無聞，卻是現(xiàn)代同位素科學(xué)不可或缺的基石。從疾病診斷到星際探索，它們用“原子級”的精確，推動人類認(rèn)知邊界的拓展，為人類探索自然和解決全球性問題提供更強大的工具。