單體穩(wěn)定同位素分析是測定目標(biāo)化合物中特定元素的穩(wěn)定同位素組成的一種技術(shù)。該技術(shù)在上世紀(jì)九十年代初逐步發(fā)展成熟。由于不同來源的化合物中所含元素的穩(wěn)定同位素組成通常存在差異；同時，涉及到化學(xué)鍵斷裂的反應(yīng)過程通常存在同位素分餾效應(yīng)，所以穩(wěn)定同位素分析能提供有關(guān)化合物來源、轉(zhuǎn)化等方面豐富的信息。在環(huán)境有機(jī)污染研究中，該技術(shù)主要用于污染物的來源示蹤、化學(xué)降解和生物代謝、及污染修復(fù)的評價等領(lǐng)域。

單體穩(wěn)定同位素分析涉及較多的元素是碳、氫、氮和氧元素，特別是單體穩(wěn)定碳同位素分析已經(jīng)有相當(dāng)成熟的技術(shù)和廣泛的應(yīng)用。氯代有機(jī)物如揮發(fā)性的氯代烴類、有機(jī)氯農(nóng)藥、多氯聯(lián)苯等都是廣受關(guān)注的環(huán)境污染物。它們在環(huán)境中的來源、遷移、轉(zhuǎn)化和生物代謝過程一直是環(huán)境研究的熱點。受分析方法的限制，利用單體穩(wěn)定氯同位素示蹤氯代有機(jī)污染物的來源、遷移和轉(zhuǎn)化的研究目前并不多。近幾年來，關(guān)于氯穩(wěn)定同位素組成分析方法的研究有日漸增加的趨勢。

自然界中存在兩種豐度的氯同位素：3 5C l和3 7C l，其自然豐度分別為7 5 . 7 8 %和2 4 . 2 8 %。穩(wěn)定氯同位素的結(jié)果通常以如下形式表達(dá)：

δ3 7C l （‰） = （ R樣/ RS M O C- 1 ）×1 0 0 0

其中R樣和RS MO C分別代表樣品和參考物質(zhì)（標(biāo)準(zhǔn)平均海洋氯）的氯同位素比值（3 7C l /3 5C l）. 選取標(biāo)準(zhǔn)平均海洋氯作為參考物質(zhì)是因為海洋中的氯離子的穩(wěn)定同位素組成是均一的。X i a o等人[ 1 ]提取多處海水樣本制取的氯化鈉晶體I S L 3 5 4已被國際原子能機(jī)構(gòu)確定為國際二級標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)。

早期發(fā)展起來的氯穩(wěn)定同位素測量方法大多是離線的同位素測定方法，既在進(jìn)行同位素比值質(zhì)譜分析前，需通過離線分離、富集及轉(zhuǎn)化過程，將氯原子轉(zhuǎn)化為可分析的工作物質(zhì)。最早的工作物質(zhì)是H C l氣體[ 2 ]，一般是將氯離子沉淀為Ag C l，然后在銨水中轉(zhuǎn)化為N H4C l，再利用濃硫酸制備H C l。H C l極容易散失，并且易溶于水，因此制備時需要特別小心。此外，由于H C l氣體對儀器具有腐蝕性且具有較強(qiáng)的記憶效應(yīng)，此種方法后來很少被采用。此后，發(fā)展了C H3C l和C s C l兩種工作物質(zhì)，前者采用銀離子將氯定量沉淀，再在碘甲烷存在下轉(zhuǎn)化為氯甲烷（C H3C l），然后應(yīng)用雙路進(jìn)樣同位素比值質(zhì)譜（D u a l -i n l e t I R MS）測定C H3C l+的同位素比值[ 3 ]；后者則通過離子交換的方式將氯離子轉(zhuǎn)化為C s C l。然后將C s C l涂在金屬燈絲上，通過熱離解產(chǎn)生C s2C l+，測定該離子的兩種質(zhì)譜峰（3 0 1和3 0 3）得到氯的同位素比值[ 4 ]。使用C H3C l作為工作物質(zhì)其質(zhì)譜峰相對比較復(fù)雜、其形成的碎片離子間有相互重疊的現(xiàn)象，如對于荷質(zhì)比（ m / z ）為5 0的離子，就存在C H33 5C l和C H3 7C l兩種碎片，因此需要進(jìn)行相應(yīng)的校正工作。為了克服這一缺點，發(fā)展出了基于C l-的負(fù)熱電離質(zhì)譜法。H a l a s和P e l c[ 5 ]在近幾年對這種方法進(jìn)行了改進(jìn)，在將C l轉(zhuǎn)化為C H3C l后，使C H3C l在高溫金屬表面裂解為氯原子和甲基自由基，氯原子在熱金屬表面生成C l-，然后直接測出氯的穩(wěn)定同位素比值。使用C s C l作為工作物質(zhì)，由于C s是單核素的元素，不存在其它同位素的干擾，同時， C s的相對質(zhì)量較大，儀器的質(zhì)量歧視效應(yīng)比較小， 能較準(zhǔn)確的測定氯穩(wěn)定同位素組成。

離線測定方法存在前處理復(fù)雜、耗時、耗溶劑及需樣品氯含量高等缺陷。如將樣品中相關(guān)化合物的氯元素提取出來并轉(zhuǎn)化為Ag C l是一個耗時、耗錢的工作。A g C l與C H3I反應(yīng)生成C H3C l ，并與C H3I分離、轉(zhuǎn)移需要真空及低溫環(huán)境。對設(shè)備及環(huán)境條件要求比較高。此外，離線分離、富集及轉(zhuǎn)化過程中如對氯的富集和轉(zhuǎn)化效率不高，可能會造成嚴(yán)重的同位素分餾效應(yīng)，影響結(jié)果的準(zhǔn)確性。

由于離線測定方法存在種種不利因素，發(fā)展在線檢測技術(shù)成了近十來年的主流研究方向。2 0 0 4年，Wa s s e n a a r和K o e h l e r[ 6 ]建立了一種在線持續(xù)流多接收器同位素比值質(zhì)譜（C F - MC - I R MS）的方法。首先，采用離線方式將氯轉(zhuǎn)化為氯化銀（對于有機(jī)氯，通過氧化焚燒方法轉(zhuǎn)化為無機(jī)氯溶液，然后再沉淀）。然后再轉(zhuǎn)化為C H3C l。轉(zhuǎn)化為C H3C l后，不再進(jìn)行C H3I與C H3C l的分離和轉(zhuǎn)移，而是直接注入C F - I R MS系統(tǒng)，通過在線的色譜分離的方式分離C H3C l和C H3I。由于不需要離線分離C H3I和C H3C l，大大降低了設(shè)備上的要求及在離線處理過程中可能產(chǎn)生的同位素分餾。但該方法仍需要提取和轉(zhuǎn)化過程。

S t a s h等人[ 7 ]在C F - I R MS基礎(chǔ)上建立了一種直接進(jìn)樣，通過分析化合物的質(zhì)譜碎片進(jìn)行二氯、三氯及四氯乙烯氯穩(wěn)定同位素測定的分析方法。在該方法中，化合物不需要進(jìn)行前處理和相應(yīng)的轉(zhuǎn)化過程，而是通過G C分離后，直接進(jìn)入I R MS，通過測定相應(yīng)化合物產(chǎn)生的特定離子峰，得到其穩(wěn)定氯同位素組成。但該方法對于每一個特定的化合物需要分析其特定的質(zhì)譜碎片，因而需要配置專門的法拉第杯陣列，這大大限制了該方法可檢測的化合物種類。

V a n Ac k e r等[ 8 ]發(fā)展了一種多接收器電感偶合等離子質(zhì)譜法（MC - I C P -MS）測定氯代烴中氯穩(wěn)定同位素的方法。該方法將一個色譜聯(lián)接在M C - I C P -MS上，利用色譜柱將化合物分開，然后在I CP - MS中直接測定氯同位素組成。該方法也不需要繁鎖的前處理步驟，但該方法氯的離子化效率不高，同時，H Ar的干擾很嚴(yán)重，需要較高的質(zhì)譜分辨率才能剔除。

S a k a g u c h i - S o d e r等[ 9 ]建立了一種基于氣相色譜-四極桿質(zhì)譜（G C - q MS）測定有機(jī)氯化合物中氯穩(wěn)定同位素比值的方法。這種方法采用G C在線分離化合物，然后用四極桿質(zhì)譜分別測定含0個3 7C l和1個3 7C l的質(zhì)譜碎片峰。通過峰面積計算出氯同位素比值。在此基礎(chǔ)上，Ae p p l i等[ 1 0 ]更進(jìn)一步改進(jìn)了相關(guān)的方法。為校正在離子化過程中同位素分餾因化合物不同造成的差異性，Ae p p l i等將標(biāo)樣設(shè)定為與目標(biāo)化合物相同的物質(zhì)，并將標(biāo)樣與樣品重復(fù)交差進(jìn)樣。同時，為克服濃度造成的影響，使用了與樣品相同濃度的標(biāo)樣進(jìn)行校正。同時對質(zhì)譜及質(zhì)譜峰的積分參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。G C - q MS方法相比于其它方法而言，不需要高精尖的儀器，也不需要繁瑣的前處理和轉(zhuǎn)化步驟。因此是值得大力發(fā)展的一種方法。但該方法對于參考物質(zhì)有較高的要求，同時計算策略也會對結(jié)果產(chǎn)生影響。

除了在線直接測量外，在線轉(zhuǎn)化測量技術(shù)也有發(fā)展。H i t z f e l d等[ 1 1 ]在2 0 1 1年建立了一種在線轉(zhuǎn)化氯為其相應(yīng)的氫化物，通過氫化物測定氯穩(wěn)定同位素比值的方法。該方法首先利用氣相色譜將目標(biāo)化合物分離，然后將目標(biāo)化合物和氫氣導(dǎo)入一氦氛條件下的陶瓷反應(yīng)轉(zhuǎn)化器，在高溫條件下（1 3 0 0 - 1 4 0 0℃）將氯定量轉(zhuǎn)化為H C l，然后在四極桿質(zhì)譜中通過單掃描模式測定相應(yīng)穩(wěn)定同位素的質(zhì)譜峰，通過峰面積計算出穩(wěn)定同位素比值。在他們的實驗過程中沒有觀察到H C l對儀器的腐蝕作用及記憶效應(yīng)。這主要歸因于反應(yīng)器中的高溫使水分被去除，同時進(jìn)入儀器的H C l量很少，只有1 5 n mo l的量隨氦氣進(jìn)行檢測器。同時開放式的離子腔及離子源構(gòu)造也使得未離解的H C l被很快排出。初步的研究結(jié)果表明該方法能夠?qū)⒙纫蚁┫盗谢衔?、氯苯、六六六、二氯乙烷中的氯完全轉(zhuǎn)化。但該方法在不同時間段測量時結(jié)果顯示出一定的儀器漂移，因此需要更多的研究提高其重復(fù)性及靈敏度。

綜上所述，單體穩(wěn)定氯同位素的分析雖然取得了很大的進(jìn)展，但方法還遠(yuǎn)未成熟。近年來發(fā)展的一些在線測量技術(shù)主要在進(jìn)樣方式及質(zhì)譜檢測條件上進(jìn)行了改進(jìn)，降低了離線處理方式目標(biāo)化合物在轉(zhuǎn)化過程中的損失，提高了富集效率。但其測量還達(dá)不到離線D I—I R MS的測量精度?，F(xiàn)有的一些方法主要針對低分子量，高揮發(fā)性的的氯代烴類化合物，而對有機(jī)氯農(nóng)藥、多氯聯(lián)苯類半揮發(fā)性化合物的研究不多。對于復(fù)雜環(huán)境介質(zhì)中痕量有機(jī)氯代污染物的富集、分離、純化技術(shù)還少見報道。

參考文獻(xiàn)

1Xiao YK， Zhou YM， Wang QZ， et al. J Chem Geol， 2002， 182， 655-661.

2 Hoering TC， Parker PL. Geochimica et Cosmochimica Acta 1961， 23， 186-199.

3 Long A.， Eastoe CJ， Kaufmann RS， et al.， Geochimica et Cosmochimica Acta， 1993， 57， 2907-2912.

4Xiao YK， Zhang CG. 1992. Int. J.？Mass？Spectrom.？Ion？Processes， 1992， 116， 183-192.

5 Halas S， Pelc A. Rapid Commun Mass Sp 2009.23， 1061-1064.

6 Wassenaar LI， Koehler G. Anal Chem， 2004， 76， 6384-6388.

7 Shouakar-Stash O， Drimmie RJ， Zhang M， et al. 2006. Appl Geochem， 2006， 21， 766-781.

8 Van Acker MRMD， Shahar A， Young ED， Coleman ML. Anal Chem 2006， 78， 4663-4667

9 Sagaguchi-Soder K， Jager J， Grund H， et al. Rapid Commun Mass Sp， 2007， 21， 3077-3084.

10 Aeppli C， Holmstrand H， Andersson P， et al. Anal Chem， 2010， 82， 420-426.

11 Hitzfeld KL， Gehre M， Richnow HH. Rapid Commun Mass Sp， 2011， 25， 3114-3122.