稳定同位素与绿色分析化学：现状与展望

《TrAC Trends in Analytical Chemistry》：Stable isotopes and green analytical chemistry: state of the art and perspectives

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  利用绿色化学指标评估稳定同位素工作流程。
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  "绿色程度"取决于同位素、分析物、基体和方法。
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  衍生化、载气与高温转化是驱动环境影响的关键因素。
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  在特定情况下，激光光谱法与Orbitrap-IRMS可提供更绿色的途径。
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  同位素特异性指标应整合"绿色程度"与计量学考量。

引言

稳定同位素分析诞生于20世纪60年代，得益于新型仪器[1]——即同位素质谱仪（IRMS）——的发展，使得能够精确测量微弱的同位素波动，特别是¹³C/¹²C、¹⁵N/¹⁴N、¹⁸O/¹⁶O和²H/¹H等轻同位素比值。这使稳定同位素分析在分析化学领域得到广泛应用，包括天然产物鉴定、食品工业、水文学、地质学、过去与当前环境研究、植物生理、考古测量、法医科学以及健康与代谢研究[2], [3], [4], [5], [6]。

稳定同位素分析主要依赖于重、轻同位素之间的同位素比值。该比值通常用delta（δ）表示，以千分比（‰）为单位来表征微小的波动，可按以下公式计算：$$$$

与同位素富集相比，天然丰度下的稳定同位素分析能够检测同位素含量中微小但可测量的差异，这些波动可能是化学反应、生化反应或传质反应过程中动力学同位素效应的指示。我们使用"分馏"一词（简写为Δ）来描述反应底物与产物之间的同位素差异[7]。由于所研究的波动可能极其微小，主要分析要求是避免同位素比值出现任何不受控制的变动。因此，定量转化、无损失、无额外分馏以及适当的校准，是同位素分析的核心要素。

后续发展不断提升了分析性能，从总量稳定同位素分析（BSIA）到化合物特异性同位素分析（CSIA），再到位置特异性同位素分析（PSIA）。IRMS最初需要离线制备样品气体，随后与元素分析仪、气相色谱或液相色谱进行在线联用。20世纪80年代，核磁共振（NMR）成为一种定量评估同位素比值的工具，最初用于²H/¹H测定以进行葡萄酒真伪鉴别[8]，后来扩展到¹³C或¹⁵N[9]，从而可在分子的各个位点获得同位素比值。近年来，Orbitrap质谱技术打开了一条以高分辨率获取同位素异形体和碎片离子的通道[10]，而激光吸收光谱则为小分子气体提供了一种替代方案[11]。

有趣的是，且颇具讽刺意味的是，尽管同位素分析已被广泛用于气候变化研究，但这些分析过程的环保性却并非始终受到重视。当用于同位素分析的质谱仪出现时，很少有人质疑分析过程的环境影响。在绿色化学[12]诞生之后，Namie?nik于2001年提出了绿色分析化学（GAC）的概念[13]。如今，已有若干互补的框架可供使用：其12条原则于2013年确立的GAC[14]；将"绿色程度"、分析性能与实用性相结合的白色分析化学（WAC）[15]；以及提供减少样品处理、有毒溶剂与废物产生原则的绿色样品前处理（GSP）[16]。这些框架促进了多种"绿色指标"工具的发展，它们被广泛应用于溶剂密集型分析技术，如液相色谱或气相色谱[17], [18], [19], [20]，但稳定同位素分析这一特定领域却极少从这一角度被审视。近期少数案例提出了对同位素工作流程的"绿色程度"评估，例如气相色谱-燃烧-同位素质谱联用（GC-c-IRMS）[4]或NMR[9]，但此类研究仍然稀缺。

本综述系统梳理了用于量化分析过程"绿色程度"的主要指标，并讨论了它们在稳定同位素分析中的优势与局限。本文的目的并非对仪器进行绝对排名，而是旨在表明，更"绿色"的选项取决于分析问题、所研究的同位素、分析物、基体以及所需的计量性能水平。

章节摘要

定义与基本准则

绿色分析化学（GAC）通过一系列准则与指标逐步体系化，旨在减少分析操作对环境、健康与安全的负面影响。GAC的12条原则包括使用直接分析技术、最小化样品用量、原位测量、分析操作的集成与自动化、微型化、避免衍生化、减少废物、多组分分析、降低能耗、使用可再生试剂以及消除

早期发展与总量稳定同位素分析

同位素质谱与质谱仪的发展密切相关[1]。对于IRMS而言，分析前提是将目标元素定量转化为合适的气体形式，且不引入不可控的同位素分馏。通常使用CO₂作为碳的分析气体，N₂作为氮的分析气体，SO₂或SF₆作为硫的分析气体，CO作为氧的分析气体，H₂作为氢的分析气体。转化不完全、气体损失或发生同位素选择性反应都会直接影响所测同位素比值的准确性，并

位置特异性同位素分析（PSIA）的进展

仪器的进步以及联用技术的出现，使得研究者能够超越CSIA，深入到分子内部获取同位素信息。分子内同位素分布自20世纪60年代以来就已为人所知，并与生物合成及化学途径相关的动力学同位素效应有关[52]。因此，PSIA可提供独特的机理信息，但它同时也提出了一个特殊的GAC问题：所获得的信息究竟能多大程度上为其带来的额外环境成本提供合理依据？

用于稳定同位素分析的激光技术：一种绿色分析方法？

光学技术可用于稳定同位素分析。这类技术最初设计用于监测环境空气，随后逐渐被应用于更广泛的用途，从绿色分析化学的角度来看，它们为IRMS和NMR提供了一种颇具吸引力的替代方案[11], [57]。其中最常用的两项技术是腔环下光谱法（CRDS）和离轴积分腔输出光谱法（OA-ICOS）。两者均依赖小分子气态物质对激光的吸收集获得同位素比值

利用不同的"绿色程度"评分比较不同同位素方案

表1中展示的跨平台评估，利用互补的GAC与WAC框架，突出了本综述所讨论的稳定同位素技术在环境方面的主要优势与局限。然而，数值化的"绿色程度"评分高度依赖于具体工作流程，无法脱离分析物、同位素、基体以及所需的计量性能水平而独立地赋予某分析平台有意义的评分。因此，定量评分仅限于三项案例研究

结论与展望

稳定同位素分析是一个成熟且信息丰富的分析领域，但其历史发展一直由精确度、准确度以及获取日益精细的同位素信息的能力所驱动，而非由环境考量主导。从离线制备向在线及连续流动系统的转变，往往带来间接的"绿色"效益，主要表现为自动化程度提升、样品用量降低以及人工操作减少。然而，这些收益并非始终一致。一

作者贡献声明

Illa Tea：论文撰写——审阅与编辑，可视化，经费筹措。M. Ferrant：论文撰写——审阅与编辑，论文撰写——初稿撰写，可视化，经费筹措

关于生成式AI及AI辅助技术用于写作过程的声明

在撰写本论文期间，作者使用了ChatGPT以提高可读性与语言表达。作者已对内容进行了审阅和编辑，并对已发表论文的全部内容承担全部责任。

资金资助

本研究得到了法国国家研究署通过ANR PRC资助（合同编号ANR-23-CE29-0014）以及法国国家癌症研究所（INCa）的资助，资助编号INCa 2024-171。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何已知的竞争性经济利益关系或人际关系，这些关系可能会影响本论文所述工作的客观性。

致谢

我们感谢里昂第一大学与法国国家科学研究中心（CNRS）的支持。

M. Ferrant|I. Tea