田建民

摘要：碳元素是宇宙中丰度最高的元素，在地壳中分布广泛。在自然界中有三种同位素：12C、13C、14C，其中14C是放射性同位素，12C的丰度是最高的。经总结，稳定碳同位素主要应用在环境污染的生物修复领域、生态地球化学方面的应用、油气地球化学方面的应用以及土壤有机碳周转中的应用等;放射性同位素广泛应用于水文地质领域、海洋科学、生物地球化学和古气候领域，同时还能定性的区分生物源和化石源，定量分析不同来源对有机碳和元素碳的贡献比率，可以有效的用于大气颗粒的来源分析。

关键词：12C;13C;14C;碳同位素;大气颗粒

一、基本性质

碳的原子序数为6，原子量为12.011，属元素周期表第二周期ⅣA族。碳在宇宙中的丰度最高，但在地壳中的丰度为2000×10-6，是一个比较次要的微量元素。在地球表面的大气圈、生物圈和水圈中，碳是最常见的元素之一，是地球上各种生命物质的基本成分。碳元素既可以呈固态形式存在，又能以液态和气态形式出现，它既广泛分布于地球表面的各层圈中。

自然界中的碳有2个稳定同位素：12C和13C。习惯采用的平均丰度值分别为98.90%和1.10%。样品的碳同位素组成通常以δ13C值表示，此外，碳元素还有一个放射性同位素14C，它首先是由M.G.Gross（1934）发现的，它的半衰期为（5568±30）年。放射性14C的研究，主要应用于考古学和近代沉积物的年龄测定。

二、碳同位素在自然界的分布

作为重要元素，在自然界的一些重要地质体中，碳同位素组成的变化是相当明显的，根据前人资料，主要分布如下：1） 陨石，2）月岩，3）火山气体，4）金刚石，5）石墨。

三、稳定碳同位素分析

稳定同位素技术的应用包括两个方面：自然丰度测定和同位素示踪。稳定同位素技术的应用包括两个方面：自然丰度测定和同位素示踪。稳定性同位素的分馏效应使得不同元素的同位素在自然界中各种生物地球化学过程中产生了丰度的变化， 造成不同物质或同一物质内部不同部分的同位素分布不均匀，可以通过自然丰度的测定来判别这种差异。1974年Farmer率先将树轮碳稳定同位素引入大气科学研究，并推断出1900 年和1920 年的大气CO2 浓度分别为290.5、312.7mg/L，这一结果与南极冰心获得的同期数据基本一致。

（一）稳定碳同位素在环境地球化学方面的应用

1 环境污染的生物修复领域研究

生物修复一直是环境污染治理领域的前沿领域，其核心即是找寻具有能够降解污染物功能的菌种，以达到投放并抑制、降解目标地区污染物的目的。利用稳定碳同位素标记技术（SIP技术），比方说利用13C 标记底物，收集利用该底物的微生物核酸，就可以得到具有降解作用的功能微生物，为环境污染生物修复提供重要的菌源和功能基因。

1999 年Hanson等首次使用SIP 技术鉴定了土壤中降解甲苯的微生物。2000 年Radajewski等用13C标记甲醇后，将标记底物投加到橡树林土壤中，培养一段时问后，鉴定出这些微生物是可利用甲醇做为碳源的微生物种群，为寻找甲醇的生物降解菌提供了依据。

2不同介质中的溯源研究

稳定性同位素在某些污染源具有組成是确定，而且其分析结果精确度较高，且在污染物迁移转化过程中不发生显著性质变化，因此被广泛应用于环境污染物来源失踪。

加拿大学者O'Malley（1994）首次测定了环境样品中多环芳烃单化合物的稳定碳同位素组成，认为在挥发、光照和生物作用下其稳定碳同位素组成没有明显的分馏，而且不同污染源产生的PAHs的单化合物稳定碳同位素组成不同，故可以利用PAHs 的分子碳同位素组成特征研究空气、土壤颗粒物中PAHs 的来源。

3 不同污染源同位素特征

相同类型，不同污染源之间的同位素特征存在或多或少的差异，想要进行污染物和污染源的匹配，对于稳定同位素的研究必不可少。

O’Malley等（1996）利用St.John’s港沉积物中单体PAH同位素特征分析了污染源，木材燃烧和车辆尾气同位素δ13C相接近但比曲轴油箱漏油富集13C，同时汽车烟灰的芘比木材燃烧灰烬更富集13C。曲轴油箱漏油样品中甲基菲比菲富集13C，荧蒽比芘也富集13C，而燃烧源则相反;车辆尾气除了汽油的燃烧源以外，也包括部分曲轴油箱油的燃烧来源。

四、放射性碳同位素分析

（一）放射性碳同位素简介

天然放射性碳同位素（14C） 主要来源于高层大气层中宇宙射线产生的中子与稳定氮同位素14N 的反应，产生的14C 与大气中的氧结合形成二氧化碳（14CO2） 进入低层大气层，通过海—气交换和垂直混合进入海洋，成为陆地和海洋生物生命活动（如光合作用和化能自养等的同化作用） 的无机碳源。可见，14C广泛存在于大气、陆地、海洋及生物体中，这使得14C成为了解生物地球化学碳循环过程和研究各个碳库之间碳交换的有力的示踪工具。作为传统的定年手段，14C技术广泛应用到第四纪地质沉积学、古海洋学及古环境学。

（二）14C在炭质气溶胶（或颗粒物）中的应用

碳质气溶胶（或颗粒物）作为大气气溶胶的重要组成，对环境、气候和人类健康造成了巨大的危害。其主要组成成分有机碳和元素碳具有不同的来源特征，且对人类健康和气候系统的影响也具有明显的差异。放射性碳同位素（14C）不仅能定性区分生物源和化石源，还能定量分析不同来源对有机碳和元素碳的贡献比率。

1 碳质气溶胶14C源解析的基本原理

天然成因14C 主要源于高层大气层中的宇宙射线产生的中子与稳定氮同位素 （14N）的反应，即14N + n（中子）→14C + p。同时14C因其放射性，也进行着14C衰变：14C→衰变14C +β。产生的14C 在大气中迅速经14CO被氧化成14CO2。由于生物体的14C与大气中的14C含量非常接近，因此生物来源的含碳气溶胶中14C 含量接近于大气的14C含量。通过测定碳质气溶胶中14C 相对含量可以定量估算化石源和非化石源对气溶胶的相对贡献大小。通过测定碳质气溶胶的有机碳和元素碳中14C 的相对含量可以进一步区分碳质气溶胶的生物源和人为源。AMS-14C 的加速器质谱测定是通过测定样 品中14C 与12C 的比值（14C /12C），并与现代碳中14C /12C的比值进行比较所得。

2 碳质气溶胶14C测定方法

现目前主要用到的方法有热学法和热光法。热学法的原理原型是“二步加热法”该方法最早用于有机碳和元素碳的含量测定;热学法的缺点是气溶胶样品加热的过程中，有机碳会发生炭化现象，这样部分有机碳会形成与元素碳物理化学性质相当的化合物，在热学法中一般无法区别这部分碳与真正的元素碳。热光法是将热学法与光学法结合起来，可以更准确地测定颗粒物中含碳物质的方法。热光法的基本原理是在分析过程中引入一束激光用来监测滤膜对激光的投射或者反射信号，确定有机碳与元素碳的分割点，以校正炭化所引起的误差。

五、结论

碳稳定同位素是十分重要的生命元素，其稳定同位素，性质稳定，容易辨识，被应用于各种领域，放射性碳同位素性质不稳定，由于其半衰期较短，常常被用来化石定年，除此外还运用在在环境、油气方面。

参考文献：

[1] 曹芳，章炎麟. 2015. 碳质气溶胶的放射性碳同位素（C）源解析： 原理、方法和研究进展[J].地球科学进展： 30（04）：425-432.