骨化學(xué)考古ppt課件 3. 微量元素與穩(wěn)定同位素

微量元素與穩(wěn)定同位素

ArchaeologicalBoneChemistry吉林大學(xué)邊疆考古中心蔡大偉一、微量元素分析基本概念元素（Element）：不能通過化學(xué)反應(yīng)再細(xì)分的簡單物質(zhì)。puresubstancesthatcannotbedecomposedbyordinarymeanstoothersubstances.化合物（Compound）：兩個或更多的元素通過化學(xué)鍵結(jié)合在一起的物質(zhì)。H2O原子（Atom）:保持一種元素化學(xué)性質(zhì)的最小粒子。分子（Molecule）：保持一種元素或化合物化學(xué)性質(zhì)的最小粒子。Ne一個原子組成的分子-單原子分子ClClClClC1個四氯化碳（CCl4）分子包含1個碳原子和4個氯原子。四氯化碳（CCl4）是由碳元素和氯元素組成的化合物。元素周期表現(xiàn)代化學(xué)的元素周期律是1869年俄國科學(xué)家門捷列夫(DmitriMendeleev)首創(chuàng)的，他將當(dāng)時已知的63種元素依原子量大小并以表的形式排列，把有相似化學(xué)性質(zhì)的元素放在同一列，就是元素周期表的雛形。利用周期表，門捷列夫成功的預(yù)測當(dāng)時尚未發(fā)現(xiàn)的元素的特性。已發(fā)現(xiàn)118種周期族人體元素的組成人體含有80多種元素，其中必須的有31種，分為宏量元素（也叫常量元素）和微量元素。常量元素（>0.01%）：共11種，氧65％、碳18%、氫10％、氮3%、鈣1.5％、磷1%、鉀0.35％、硫0.25%、鈉0.15％、氯0.15%、鎂0.05%。單位：克，g微量元素（<0.01%)

①必需的共8種，包括碘、鋅、硒、銅、鉬、鉻、鈷及鐵；②可能必需的元素共5種，包括錳、硅、硼、釩及鎳；③具有潛在的毒性，但在低劑量時，可能具有人體必需功能的元素共7種，包括氟、鉛、鎘、汞、砷、鋁及錫。骨骼的元素分析原理：人死亡后其骨骼在埋藏過程中經(jīng)過沉積作用，其中的元素濃度變化相當(dāng)小，因而考古出土的古人類骨骼中的元素水平也應(yīng)是其生前飲食狀況的合理反映。兩種分析方法：

1.分析骨骼中鍶和Sr/Ca，區(qū)別人類飲食結(jié)構(gòu)中肉食和植食比例的不同（生物純化）。

2.運用一系列元素來辨別食譜。將特定元素的含量和特定的食譜聯(lián)系起來,不僅研究食譜中動物蛋白和植物蛋白資源,而且測試微量元素的含量可能對骨骼新陳代謝和生理上的影響。與動植物蛋白相關(guān)的微量元素研究研究者發(fā)現(xiàn)，一些微量元素主要存在于動物蛋白中，例如，鋅、銅、鉬、硒等元素。另一些微量元素在植物組織中中聚集得更多，例如錳、鎂等元素。理論上，檢測古人骨骼中的這些元素，就可以估計出食譜是以肉類食物為主，還是以植食為主。與植物食物相關(guān)的鎂Mg人體中鎂的總量有60～65%存在于骨骼中,臨床研究和實驗室里喂養(yǎng)動物的實驗都顯示出食譜中的鎂含量越高,血清和骨骼中的鎂含量就越高因為植物組織中的鎂高于動物體,骨骼中的鎂含量也就記錄了食譜中肉食和植食之間相對比例,海洋物種中的鎂也高于陸地物種。鎂主要富含在谷物當(dāng)中與食肉相關(guān)的鋅Zn1975年,吉爾伯特（RI,Gilbert）使用鋅、銅、鎂、錳和鍶辨識食譜。希望通過此研究得出鋅和銅與動物蛋白質(zhì)，鍶、鎂、錳與植物蛋白質(zhì)的攝取關(guān)系。這個技術(shù)被運用于迪更斯土冢(DicksonMound)的伊利諾群體,他們的歷史跨度從伍德蘭晚期(以采集狩獵為主)到密西西比中期(以農(nóng)業(yè)為主)。這項研究部分得到了成功,因此證明鋅確實也能作為一種辨別食譜的元素來使用（肉食或植物）。微量元素Zn研究的問題堅果和貝類中也存在較高的Zn，與肉類相似,在分析中必須考慮到堅果和貝類被食用的潛在可能。研究表明,堅果和貝類中Sr含量要比肉類高一個數(shù)量級以上。再利用Zn進行食譜分析時,需采用Sr、Zn雙重指示劑，如果：

Zn高，Sr低-------考慮以肉食為主；

Zn高，Sr高-------考慮以堅果和貝類為主。與食譜有關(guān)的微量元素Sr和BaSr和Ba在生物體內(nèi)存在生物純化現(xiàn)象。在食物鏈中,從草食動物→雜食動物→肉食動物,Sr和Ba含量逐漸降低,Sr/Ca和Ba/Ca比率也逐漸降低。因此根據(jù)骨骼中的Sr/Ca和Ba/Ca比率可為判斷食譜是以植物類食物為主抑或以肉類食物為主。肉食資源越多，Sr/Ca和Ba/Ca越低。鍶進入人

骨的途徑Sr/Ca和Ba/Ca的問題1.海水相對于淡水,Sr/Ca比率明顯升高。因此,海洋食物中的Sr/Ca比率應(yīng)比淡水食物高。然而由于在許多陸生標(biāo)本中存在較高的Sr濃度,海生與陸生生物的Sr/Ca比經(jīng)常有重疊,因此在某些情況下,用Sr/Ca來判斷海生或陸生食譜會不準(zhǔn)確。Burton等對來自南北美洲14個考古遺址171件史前人類骨骼的分析表明,一般來說那些主要靠海洋資源維生的遺址里的人骨中的鋇鍶比率要比靠陸地資源維生的人骨中的鋇鍶比率低,由此區(qū)別依賴海生資源或陸生資源維生的人群。微量元素研究的其他問題生物吸收不同人對微量元素的攝取能力不同，而且常常有很大變化。污染問題骨骼在長期埋藏過程中常常會受到土壤里面微量元素的污染。元素分析的策略元素分析主要判斷人類飲食結(jié)構(gòu)以肉食或植物性食物為主。最好選定明確以肉食或以植物性食物為主的人作為一個標(biāo)準(zhǔn)參照物。同時要運用多種能夠分析綜合討論，例如;Sr/CaBa/CaBa/SrZn.穩(wěn)定同位素原子Atom古代哲學(xué)家認(rèn)為所有物質(zhì)都是有極其微小的粒子構(gòu)成的，大約在公元前450年，古希臘時期偉大的唯物主義哲學(xué)家德謨克利特（Democritus）創(chuàng)造了原子這個詞語，意思就是不可切割。原子論：萬物由原子構(gòu)成。德謨克利特的原子唯物論思想是古希臘唯物主義發(fā)展的最重要成果。墨子德謨克利“始”和“端”道爾頓的原子理論道爾頓原子理論是英國科學(xué)家道爾頓在十九世紀(jì)初提出來的。道爾頓原子論認(rèn)為，物質(zhì)世界的最小單位是原子，原子是單一的，獨立的，不可被分割的，在化學(xué)變化中保持著穩(wěn)定的狀態(tài)，同類原子的屬性也是一致的。道爾頓原子理論，是人類第一次依據(jù)科學(xué)實驗的證據(jù)，成系統(tǒng)的闡述了微觀物質(zhì)世界，是人類對認(rèn)識物質(zhì)世界的一次深刻的，具有飛躍性的成就。盧瑟福-波爾原子模型1911年由盧瑟福（ErnestRutherford，1871～1937）提出：原子的質(zhì)量幾乎全部集中在直徑很小的核心區(qū)域，叫原子核，電子在原子核外繞核作軌道運動。原子核帶正電，電子帶負(fù)電。1913年尼·玻爾(NielsBohr，1885-1962），在盧瑟福模型的基礎(chǔ)上，他提出了電子在核外的量子化軌道，解決了原子結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性問題，描繪出了完整而令人信服的原子結(jié)構(gòu)學(xué)說。原子核電子原子結(jié)構(gòu)原子核電子云原子核結(jié)構(gòu)原子核是由質(zhì)子和中子構(gòu)成的。質(zhì)子（Protons）：是原子核內(nèi)帶正電的粒子。中子（Neutrons）：核內(nèi)不帶電的粒子。質(zhì)量數(shù)、原子數(shù)和中子數(shù)質(zhì)量數(shù)（A）：核內(nèi)質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)之和。原子數(shù)（Z）：核內(nèi)質(zhì)子的數(shù)目。中子數(shù)（N）：核內(nèi)中子的數(shù)目。

同位素原子數(shù)相同，中子數(shù)不同的原子，互稱同位素。同位素的化學(xué)性質(zhì)是相同的，但由于它們的中子數(shù)不同，這就造成了各原子質(zhì)量會有所不同。同位素的形成同位素的形成部分是因為元素自身發(fā)生了衰變形成同位素，還有一部分是因為元素在大氣中受到了高能粒子的撞擊發(fā)生變化形成的或在高溫高壓特殊環(huán)境的條件下形成的。穩(wěn)定同位素（StableIsotope）某元素中不發(fā)生或極不易發(fā)生放射性衰變的同位素。1913年J.J.湯姆孫和F.W.阿斯頓用磁分析器發(fā)現(xiàn)天然氖是由質(zhì)量數(shù)為20和22的兩種同位素所組成，第一次發(fā)現(xiàn)了穩(wěn)定同位素。地球上已發(fā)現(xiàn)的穩(wěn)定同位素共274種。

氚氕氘穩(wěn)定同位素的豐度放射性同位素（Radioisotope）放射性同位素的原子核很不穩(wěn)定，會不間斷地、自發(fā)地放射出射線，直至變成另一種穩(wěn)定同位素，這就是所謂“核衰變”。放射性同位素在進行核衰變的時候，可放射出α射線、β射線、γ射線和電子俘獲等。核衰變的速度不受溫度、壓力、電磁場等外界條件的影響，也不受元素所處狀態(tài)的影響，只和時間有關(guān)。放射性同位素衰變的快慢，通常用“半衰期”來表示。半衰期（half-life）即一定數(shù)量放射性同位素原子數(shù)目減少到其初始值一半時所需要的時間。如P(磷)－32的半衰期是14.3天，就是說，假使原來有100萬個P(磷)－32原子，經(jīng)過14.3天后，只