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同位素测量的AB面:从抽象的SMOW到具体的V-SMOW操作指南

已有 621 次阅读 2024-6-23 07:48 |个人分类:自然科学|系统分类:科普集锦

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​为什么科学区分SMOW和V-SMOW如此重要?

1.引言

在探索水的氢氧同位素地球化学的奥秘中,SMOW与V-SMOW作为国际公认的基准,构筑了氢氧同位素地球化学研究的基石。尽管初学者或普通读者时常不加区分地看待这两个术语,认为它们是等价的,但二者实质上承载着不同的科学意义,尤其在同位素比值的微妙差异虽。在撰写文献或参与学术对话的场合,明确界定二者的区别是至关重要的。尤其是在高端科研的精密测量、深度数据分析,以及科学数据的严密整合与验证过程中,洞悉并恰当处理这一基准标准的演进,对于确保研究的准确性和可比性尤为关键。这不仅关乎数据的精确度,更是科学严谨性和国际合作的基础。

2.SMOW:氢氧同位素比值标准化的起点

SMOW,全称为Standard Mean Ocean Water(标准平均海洋水),1961年,Harmon Craig通过分析Epstein等于1953年研究的深海水中δ2H和δ18O的比例,创立了标准海洋平均水(SMOW)的同位素参照体系。SMOW最初是一个理论上的同位素比值概念,旨在体现深海水质的平均特性。在这一开创性工作中,深海水中同位素比率的测定是基于NBS-1进行的,NBS-1源自波托马克河水经蒸汽凝结而成的标准物质。重要的是,这意味着初期的SMOW定义是相对NBS-1而存在的,并未实体化为可测的SMOW溶液。

3.V-SMOW:精度与国际化的提升

响应1966年国际原子能机构咨询小组的提议,Ray Weiss与Harmon Craig实际制备了一份符合SMOW同位素比值的溶液,命名为维也纳标准海洋平均水(V-SMOW),并从阿蒙森-斯科特南极站获取冰雪样本,制备了第二种氢同位素参考材料,初称SNOW,后正式定名为标准轻型南极降水(SLAP)。自1968年起,V-SMOW与SLAP开始被广泛分发。随后,Gonfiantini于1978年通过对V-SMOW的交叉比对,详细评估了SLAP与NBS-1的同位素属性。

在此后的数十年里,VSMOW与SLAP成为了氢同位素研究中不可或缺的基准物质。直至2006年,国际原子能机构的同位素水文学实验室推出了VSMOW2和SLAP2这两款新型同位素参考材料,它们的δ2H和δ18O值几乎与前代产品一致。现今,氢同位素工作标准依据VSMOW2和SLAP2进行校正,尽管如此,测量结果依然按照基于VSMOW建立的尺度报告。另外,关于格陵兰冰盖降水(GISP)的δ2H值,多个实验室已进行了高精度测量,但不同机构间的测量数值存在差异。这种不一致性提示,在GISP的分装或保存过程中可能发生了一定程度的同位素分馏现象,因此在使用GISP作为参考物质时需格外审慎。

V-SMOW是由纯净的大洋蒸馏水制成,其同位素组成非常接近理论上的SMOW值,但更为精确和稳定,因此被用作实际测量中的基准物质。V-SMOW的氢和氧同位素比值被定义为零(δD = 0‰,δ18O = 0‰),以此作为其他样品测量值的相对参照。V-SMOW是SMOW标准的进一步发展和精细化。V-SMOW从海水中蒸馏,不含盐或其他杂质。该标准及其同位素比值基本相同的V-SMOW2由国际原子能机构发布和分发,继续用作参考物质。VSMOW不仅仅是SMOW的简单继承者,它是经过更加严格的物理和化学处理,以及高精度同位素比值测量技术校准的新一代标准物质。

3.V-SMOW:精度与国际化的提升

V-SMOW(Vienna Standard Mean Ocean Water,维也纳标准平均大洋水)则是基于实际样本的实物标准,由国际原子能机构(IAEA)在1968年制定并分发。V-SMOW是由纯净的大洋蒸馏水制成,其同位素组成非常接近理论上的SMOW值,但更为精确和稳定,因此被用作实际测量中的基准物质。V-SMOW的氢和氧同位素比值被定义为零(δD = 0‰,δ18O = 0‰),以此作为其他样品测量值的相对参照。VSMOW是SMOW标准的进一步发展和精细化。VSMOW从海水中蒸馏,不含盐或其他杂质。该标准及其同位素比值基本相同的VSMOW2由国际原子能机构发布和分发,继续用作参考物质。VSMOW不仅仅是SMOW的简单继承者,它是经过更加严格的物理和化学处理,以及高精度同位素比值测量技术校准的新一代标准物质。

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Harmon Craig收集的V-SMOW(当时称为SMOW-1)的原始容器(维基百科)

4.实际应用中的选择:从SMOW到VSMOW

根据科学实践工作中,选择使用SMOW还是V-SMOW,往往取决于研究目的和背景。对于绝大多数现代研究而言,V-SMOW是首选,因为它代表了当前最高水平的测量标准,能够确保研究结果的精确性和国际认可度。然而,在某些特定情况下,如复核历史数据或进行长时间序列的对比研究时,使用SMOW进行比对分析仍然是必要的,以便于保持数据的一致性和可比性。 但为了确保数据的精确性和可比性,在特殊情况下需要在两个标准之间进行转换或校正时,通常会采用以下方法:

首先,明确SMOW和VSMOW之间在特定同位素比值上的具体差异。这些差异值通常由国际权威机构如国际原子能机构(IAEA)通过高精度测量确定,并公开发布。例如,虽然SMOW和VSMOW在定义上非常接近,但VSMOW作为更新的标准,其测量值通常被认为是更准确的。其次,基于已知的差异值,可以建立简单的转换方程或使用校正因子来调整数据。对于氢和氧同位素比值(如δD和δ18O),转换涉及将基于SMOW测量的结果乘以或加上一个校正值。这些转换因子确保了不同研究间数据的兼容性。实验室在进行同位素分析之前,通常会使用含有已知同位素比值的标准物质(如VSMOW或其衍生标准)对仪器进行校准。这意味着所有样品的测量值都会直接或间接参照VSMOW标准,从而避免了直接在SMOW和VSMOW之间进行转换的需要。

5.结束语:从标准到科学进步的桥梁

V-SMOW取代SMOW成为新的国际标准,标志着同位素地球化学领域对数据精确度要求的提升,以及国际合作在制定科学标准方面的重要性。这一转变确保了全球研究的一致性和可靠性,促进了地球科学、环境科学、气候学等多个领域的进步。随着时间的推移,VSMOW也经历了进一步的校准和更新,以保持其作为最权威标准的地位,同时IAEA还引入了其他标准物质如SLAP(Standard Light Antarctic Precipitation,标准轻南极降水),用于扩展同位素比值的测量范围,进一步增强了同位素分析的深度和广度。这些标准物质不仅帮助科学家们更准确地描绘出地球的过去与现在,也为预测未来环境变化、资源管理乃至探索宇宙的奥秘提供了坚实的基础。随着科技的不断进步,我们期待未来能有更多精准、高效的同位素标准,为地球科学的深入探索开辟更广阔的视野。(完)

附:哈蒙·克雷格,一位对同位素地球化学研究有重要贡献的科学家

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哈蒙·克雷格(Harmon Craig)生于1926年,是美国地球化学家,他在加州大学圣地亚哥分校(UC San Diego)担任教授,并因其在地球科学领域的杰出贡献而闻名。Craig是一位在水文学、地质学领域中对同位素研究有重要贡献的科学家。他最著名的发现之一与水同位素有关,特别是关于降水如何通过其同位素组成(如氢的同位素氘和氧的同位素氧-18)来揭示水循环的秘密。Craig的工作对于理解降水如何补给地下水、追踪水文循环过程以及分析古气候条件等方面有着深远的影响。他的研究不仅限于水同位素,还涵盖了广泛的地球化学领域,包括海洋学和古气候学。Craig提出的许多理论和方法至今仍被广泛应用于环境科学研究中。他于2003年去世,但他的工作对后续的科学研究产生了持久的影响。

参考资料:

1.氢氧同位素在水中的测量参照了国际原子能机构(IAEA)于2022年5月2日发布的参考材料8535——维也纳标准海水(VSMOW)的标准(International Atomic Energy Agency, 2022)。

2.CGM 200:2012; International Vocabulary of Metrology – Basic and General Concepts and Associated Terms (VIM), 3rd ed.; Joint Committee for Guides in Metrology (JCGM) (2012); available at https://www.bipm.org/en/publications/guides (accessed May 2022).

3.Brand, W.A.; Coplen, T.B.; Vogl, J.; Rosner, M.; Prohaska, T.; Assessment of International Reference Materials for Isotope Ratio Analysis (IUPAC Technical Report); Pure and Appl. Chem., Vol. 86, pp. 425–467 (2014).

4.Gonfiantini, R.; Standards for Stable Isotope Measurements in Natural Compounds; Nature, Vol. 271, pp. 534–536 (1978). 

5.Gonfiantin, R.; Consultants’ Meeting on Stable Isotope Standards and Intercalibration in Hydrology and in Geochemistry; IAEA, Vienna, pp. 1–10 (8-10 September 1976). 

6. Coplen, T.B.; Guidelines and Recommended Terms for Expression of Stable-Isotope-Ratio and Gas-Ratio Measurement Results; Rapid Communications in Mass Spectrometry, Vol. 25, pp. 2538–2560 (2011).

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