阿克蘇、連云港和淮安城市居民頭發(fā)中氫、氧穩(wěn)定同位素比值差異研究

何 亞，劉昌景，梅宏成，朱 軍，王繼芬， 高天奇，何欣龍，胡 燦，郭洪玲，王 萍， 姜曉佳，權(quán)養(yǎng)科，王桂強(qiáng)

(1.中國(guó)人民公安大學(xué)刑事科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京 100038；2.公安部物證鑒定中心 北京 100038；3.南京森林警察學(xué)院，國(guó)家林業(yè)局森林公安司法鑒定中心， 野生動(dòng)植物物證技術(shù)國(guó)家林業(yè)和草原局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 南京 210023；4.北京林業(yè)大學(xué) 北京 100083)

穩(wěn)定同位素檢驗(yàn)是一種利用穩(wěn)定同位素比質(zhì)譜儀測(cè)定物質(zhì)中碳、氫、氧、氮、硫等不同元素同位素比值的技術(shù)，是溯源研究領(lǐng)域的主要方向之一，已廣泛應(yīng)用于地質(zhì)學(xué)[1]、水文學(xué)[2]、農(nóng)業(yè)[3-6]、醫(yī)學(xué)[7-8]和環(huán)境科學(xué)[9]等領(lǐng)域。研究表明，大氣中水蒸氣的(下稱“大氣水”)氫、氧穩(wěn)定同位素比值沿地理梯度變化顯著[10-11]。不同地理位置的大氣水中氫、氧穩(wěn)定同位素比值差異可以通過(guò)生物體的生長(zhǎng)代謝活動(dòng)在其體內(nèi)體現(xiàn)出來(lái)，從而可以用于植物油[3]、蜂蜜[4]、牛肉[5]、羊肉[6]等農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地溯源與鑒別研究。同樣，人類體內(nèi)不同組織(如頭發(fā)、指甲、骨骼和牙齒等)中氫、氧穩(wěn)定同位素比值也蘊(yùn)含著生活地理位置信息[12]。

人類頭發(fā)的生長(zhǎng)速度約為1 cm/月，生長(zhǎng)出來(lái)的頭發(fā)基本不再進(jìn)行新陳代謝，在一定程度上可作為人體飲食、飲水情況的穩(wěn)定記錄器[13]。目前，關(guān)于人頭發(fā)中氫、氧穩(wěn)定同位素比值與其生活地理位置的關(guān)聯(lián)性研究已逐步開展，并且在法庭科學(xué)領(lǐng)域中嘗試應(yīng)用。Thompson等[14]研究了中國(guó)、印度、蒙古和巴基斯坦4個(gè)國(guó)家居民頭發(fā)中氫、氧、碳、氮、硫穩(wěn)定同位素比值特征，結(jié)果表明，4個(gè)國(guó)家之間的氫、氧穩(wěn)定同位素差異較顯著，與地理信息具有相關(guān)性，但碳、氮穩(wěn)定同位素比值差異性較小，更多地代表了不同地區(qū)總體的飲食信息。在該研究中，中國(guó)被作為一個(gè)整體區(qū)域進(jìn)行考慮，雖然頭發(fā)樣本范圍包括了21個(gè)城市，但樣本總數(shù)只有112份，大部分城市(18個(gè))的樣本數(shù)量?jī)H有或不到5份，且樣本來(lái)自于理發(fā)室，無(wú)樣本提供者具體的生活地域和飲食習(xí)慣信息，難以準(zhǔn)確判斷不同城市居民頭發(fā)中氫、氧穩(wěn)定同位素比值的差異情況。Wolfram等[15]對(duì)一起案件中受害者的頭發(fā)、指甲和股骨進(jìn)行了穩(wěn)定同位素分析，其中碳、氮穩(wěn)定同位素提供了死者的飲食習(xí)慣和生活方式信息，氫、氧穩(wěn)定同位素提供了死者的生活地域變化信息，通過(guò)與當(dāng)?shù)貥颖具M(jìn)行比對(duì)，綜合推斷認(rèn)為，死者在死前7個(gè)月生活在都柏林或者北愛爾蘭東海岸周邊的縣，該推斷結(jié)果為警方提供了線索。人體組織中穩(wěn)定同位素分析在法庭科學(xué)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

人頭發(fā)中氫、氧穩(wěn)定同位素變化規(guī)律與其生活地理位置具有一定的關(guān)聯(lián)性[16-17]，但兩者的關(guān)聯(lián)規(guī)律尚未被系統(tǒng)研究。目前，關(guān)于國(guó)內(nèi)不同城市人體組織(如頭發(fā)、指甲、牙齒等)中穩(wěn)定同位素比值的差異研究較少[18]。為考察國(guó)內(nèi)居民頭發(fā)中氫、氧穩(wěn)定同位素比值的差異，本文擬選擇地理位置差別較大(西部和東部)和地理位置相近(東部沿海)的城市——西部的阿克蘇和東部沿海的連云港、淮安作為研究對(duì)象，采集當(dāng)?shù)爻Ｗ∏绎嬍沉?xí)慣均為雜食的居民頭發(fā)樣本進(jìn)行氫、氧穩(wěn)定同位素比值差異研究，對(duì)檢驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和Bayes判別分析，以期考察不同城市常住居民頭發(fā)中δ2H、δ18O的差異性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

Flash EA 2000型元素分析儀、253 Plus型穩(wěn)定同位素比質(zhì)譜儀、ConFlo Ⅳ型連續(xù)流接口裝置：美國(guó)Thermo Scientific公司產(chǎn)品；L2130i波長(zhǎng)掃描光腔衰蕩光譜儀：美國(guó)Picarro公司產(chǎn)品；KQ-250 DB型數(shù)控超聲波清洗器：昆山市超聲波儀器有限公司產(chǎn)品；202-0AB電熱恒溫干燥箱：北京中興偉業(yè)儀器有限公司產(chǎn)品；XPR 2電子天平：瑞士Mettler Toledo公司產(chǎn)品。

USGS42(δ2HVSMOW=-78.5‰，δ18OVSMOW=+8.56‰)、USGS43(δ2HVSMOW=-50.3‰，δ18OVSMOW=+14.11‰)和CBS(δ2HVSMOW=-157‰，δ18OVSMOW=+3.8‰)穩(wěn)定同位素標(biāo)準(zhǔn)品：購(gòu)自美國(guó)Reston穩(wěn)定同位素實(shí)驗(yàn)室；甲醇、氯仿：色譜純，Thermo Fisher公司產(chǎn)品；實(shí)驗(yàn)用水：由PURELAB Ultra超純水儀(英國(guó)ELGA公司產(chǎn)品)制備；銀杯：瑞士Santis公司產(chǎn)品。

1.2 樣本采集

采集79份新疆阿克蘇、江蘇連云港和淮安3個(gè)城市當(dāng)?shù)爻Ｗ【用?采樣前已在當(dāng)?shù)剡B續(xù)生活8個(gè)月以上)的頭發(fā)樣本，所有頭發(fā)樣本均貼頭皮剪取，取發(fā)根部位約3 cm長(zhǎng)的頭發(fā)作為待測(cè)樣本(以保證該段頭發(fā)是樣本提供者在采樣城市生活時(shí)生長(zhǎng)的)，具體信息列于表1。同時(shí)，采集3個(gè)城市41份相應(yīng)居民的飲用水樣本。

1.3 樣本前處理

1.3.1頭發(fā)樣本洗烘、包被與平衡 按照O’Connell標(biāo)準(zhǔn)程序進(jìn)行頭發(fā)樣本清洗[19]：用甲醇-氯仿(2∶1，V/V)和超純水重復(fù)洗滌3次，每次間隔10 min；隨后在85 ℃下烘干樣本[20]，烘烤時(shí)間3 h，以去除附著在頭發(fā)樣本上的水分。

表1 樣本及其來(lái)源信息Table 1 Information of samples and their origin

圖1 頭發(fā)樣本中氫、氧穩(wěn)定同位素比值檢測(cè)譜圖Fig.1 Hydrogen and oxygen stable isotope ratios of hair samples

將干燥的頭發(fā)切割成約0.5 cm的小段，每次取4～5段(約200～300 μg)，包在3.3 mm×5 mm銀杯中，折成小球狀；分別稱取200～300 μg 3種標(biāo)準(zhǔn)品，放入銀杯，折成同樣的小球狀[21-22]。

為了消除實(shí)驗(yàn)室中空氣與頭發(fā)樣本中氫交換對(duì)檢驗(yàn)結(jié)果的影響，在測(cè)定前，樣本和標(biāo)準(zhǔn)品均儲(chǔ)存在含有吸水硅膠的干燥器中，在室溫條件下平衡1周以上[22]。

1.3.2水樣保存和處理 所有的水樣均在4 ℃下密封保存，檢測(cè)前用0.22 μm濾膜過(guò)濾。

1.4 儀器條件

元素分析儀：氦氣吹掃流量200 mL/min，高溫裂解爐溫度1 380 ℃，色譜柱溫度80 ℃，載氣流速100 mL/min；接口裝置ConFlo Ⅳ條件設(shè)定：He稀釋壓力60 kPa；波長(zhǎng)掃描光腔衰蕩光譜儀：測(cè)試精度δ18O≤0.1‰，δ2H≤1.0‰。

1.5 氫、氧穩(wěn)定同位素比值檢測(cè)

1.5.1頭發(fā)樣本δ2H、δ18O的檢測(cè) 在1.4節(jié)條件下對(duì)頭發(fā)樣本和標(biāo)準(zhǔn)品進(jìn)行同時(shí)檢測(cè)，每個(gè)樣本重復(fù)檢測(cè)3次，采用Isodat3.0軟件分析數(shù)據(jù)。

1.5.2水樣δ2H、δ18O的檢測(cè) 測(cè)樣時(shí)，每6個(gè)樣品插入1個(gè)標(biāo)樣，每個(gè)樣品(包括標(biāo)樣)重復(fù)測(cè)量3次，每次進(jìn)樣2 μL，經(jīng)標(biāo)樣校正得出檢測(cè)結(jié)果。所有結(jié)果均是相對(duì)VSMOW的結(jié)果。

1.5.3同位素比值的表示方法 同位素比值用δ表示，δ2H、δ18O的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)為V-SMOW，計(jì)算公式示于式(1)：

δ=(R樣本/R標(biāo)準(zhǔn)-1)×1 000

(1)

式中，R表示輕同位素與重同位素的豐度比。

1.6 數(shù)據(jù)校正與分析

將USGS42、USGS43和CBS 3種標(biāo)準(zhǔn)品的δ2H、δ18O測(cè)定值與真實(shí)值進(jìn)行線性擬合，得出線性校正方程。通過(guò)線性校正方程和頭發(fā)樣本δ2H、δ18O的測(cè)定值計(jì)算真實(shí)值。

用SPSS 20.0軟件(IBM)對(duì)頭發(fā)樣本檢測(cè)所得的δ2H、δ18O數(shù)據(jù)進(jìn)行Person相關(guān)性檢驗(yàn)、T檢驗(yàn)和Bayes判別分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 3個(gè)城市常住居民頭發(fā)中氫、氧同位素比值特征

采用元素分析儀-穩(wěn)定同位素比質(zhì)譜儀(EA-IRMS)同時(shí)檢測(cè)1 380 ℃下頭發(fā)中氫、氧穩(wěn)定同位素比值，示于圖1，圖中譜峰分別為參考?xì)釮2(Ref H2)、樣品中氫元素轉(zhuǎn)化的H2(Samp H2)、樣品中氧元素轉(zhuǎn)化的CO(Samp CO)、參考?xì)釩O(Ref CO)。阿克蘇、連云港和淮安3個(gè)城市常住居民的79份頭發(fā)樣本中δ2H、δ18O的散點(diǎn)分布圖示于圖2。3個(gè)城市中阿克蘇居民頭發(fā)樣本中δ2H(-67.24±2.79)、δ18O(7.94±0.75)均值最低，連云港樣本中δ2H(-62.24±5.91)、δ18O(9.71±0.58)均值處于中間，淮安樣本中δ2H(-58.34±6.09)、δ18O(9.89±0.57)均值最高，詳細(xì)數(shù)據(jù)列于表2。

阿克蘇、連云港和淮安3個(gè)城市的常住居民頭發(fā)中氫穩(wěn)定同位素比值均有顯著差異，其中，阿克蘇與連云港、淮安的δ2H差異顯著(P=0.001)，阿克蘇與連云港的δ2H均值相差5.00‰，與淮安相差8.90‰；連云港與淮安δ2H均值相差3.90‰，差異顯著(P=0.015)。3個(gè)城市常住居民頭發(fā)中δ18O均值由高到低依次為：淮安>連云港>阿克蘇。其中，阿克 蘇與連云港、淮安的頭發(fā)中δ18O差異顯著(P=0.001)，阿克蘇與連云港δ18O均值相差1.77‰，與淮安δ18O均值相差1.95‰；而連云港與淮安δ18O均值僅相差0.18‰，差異不顯著(P=0.242)。

圖2 3個(gè)城市常住居民頭發(fā)中δ2H、δ18O值分布圖Fig.2 Diagram of δ2H and δ18O values of residents’ hair in three cities

表2 阿克蘇、連云港和淮安居民頭發(fā)中δ2H和 δ18O值Table 2 δ2H and δ18O values of residents’ hair in Aksu, Lianyungang and Huai’an

注：a，b，c不同字母表示有顯著差異(P<0.05)

為考察居民頭發(fā)與其飲用水中δ2H、δ18O的相關(guān)性，分別檢驗(yàn)了3個(gè)城市自來(lái)水中δ2H、δ18O，其均值分布示于圖3。對(duì)頭發(fā)和飲用水的δ2H、δ18O進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果表明，頭發(fā)中δ2H與當(dāng)?shù)氐淖詠?lái)水中δ2H相關(guān)(r=0.933，P<0.05)，頭發(fā)中δ18O與當(dāng)?shù)氐淖詠?lái)水中δ18O顯著相關(guān)(r=0.998，P<0.05)。

2.2 頭發(fā)中δ2H、δ18O對(duì)居民生活城市的判別分析

為考察頭發(fā)中δ2H、δ18O對(duì)居民生活城市的推斷溯源能力，利用Bayes判別分析方法對(duì) 3個(gè)城市的79份頭發(fā)樣本進(jìn)行分析，得到的兩個(gè)判別函數(shù)特征值列于表3。函數(shù)1和函數(shù)2的P分別小于0.001和0.04，表明3個(gè)城市頭發(fā)樣本δ2H、δ18O數(shù)據(jù)在函數(shù)1和函數(shù)2上差異顯著，兩個(gè)函數(shù)累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)100.0%，能夠解釋頭發(fā)樣本的基本特征信息，可作為判別函數(shù)建立分類模型。

圖3 3個(gè)城市居民頭發(fā)與其飲用水中δ2H、δ18O均值分布圖Fig.3 Distribution of mean value of δ2H and δ18O urban residents’ hair and their drinking water in three cities

函數(shù)1的表達(dá)式為Z1=0.461XH+0.936XO，函數(shù)2的表達(dá)式為Z2=0.894XH-0.367XO，利用函數(shù)1和函數(shù)2作為判別函數(shù)構(gòu)建判別分類模型，得到3個(gè)城市頭發(fā)樣本的判別分布情況，示于圖4?？梢?，阿克蘇、連云港和淮安的樣本組質(zhì)心坐標(biāo)分別為(-2.823,0.069)、(0.588,-0.288)和(1.199,0.245)。阿克蘇與連云港、淮安的樣本組質(zhì)心可以顯著區(qū)分開，與函數(shù)2相比，函數(shù)1的區(qū)分程度更顯著。連云港與淮安的樣本在函數(shù)1和函數(shù)2上分布較集中，兩者的樣本組質(zhì)心較接近，區(qū)分程度不顯著。

表3 Bayes判別函數(shù)特征值Table 3 Abstract of Bayes discriminant function

圖4 樣本在函數(shù)1和函數(shù)2上的分布圖Fig.4 Distribution of hair sampleson function 1 and function 2

采用自身驗(yàn)證的方式，對(duì)上述建立的分類模型進(jìn)行分析，結(jié)果列于表4。2個(gè)阿克蘇頭發(fā)樣本被誤判為連云港，2個(gè)連云港樣本被誤判為阿克蘇、12個(gè)連云港樣本被誤判為淮安，10個(gè)淮安樣本被誤判為連云港。結(jié)果表明，建立的模型對(duì)阿克蘇分類效果較好，而在區(qū)分連云港和淮安的樣本時(shí)效果較差，可能原因是阿克蘇位于西部，與位于東部的連云港和淮安地理位置相距很遠(yuǎn)，穩(wěn)定同位素比值差異較大，分類效果較好，而連云港和淮安的地理位置相距很近，穩(wěn)定同位素比值差異較小，在區(qū)分兩個(gè)城市的樣本時(shí)容易出現(xiàn)誤判。

表4 各樣本的分類結(jié)果Table 4 Classification results of samples

分別考察氫、氧穩(wěn)定同位素及其組合對(duì)阿克蘇、連云港和淮安居民生活城市的判別準(zhǔn)確率及其整體判別準(zhǔn)確率。判別準(zhǔn)確率的計(jì)算公式為：

(2)

整體判別準(zhǔn)確率的計(jì)算公式為：

(3)

判別準(zhǔn)確率結(jié)果列于表5?？梢姡?H對(duì)3個(gè)城市的判別準(zhǔn)確率均為50%左右，主要原因是雖然δ2H的總體變化范圍較大(-72.28‰～-45.14‰)，但每個(gè)城市δ2H的變化范圍也較大(3個(gè)城市的SD分別為2.79‰、5.91‰、6.09‰)，交疊區(qū)間較寬，導(dǎo)致判別準(zhǔn)確率較差。δ18O的總體變化范圍較小(6.45‰～11.04‰)，每個(gè)城市δ18O的變化范圍也較小(3個(gè)城市的SD分別為0.75‰、0.58‰、0.57‰)，因此，在判別西部的阿克蘇與東部的連云港和淮安時(shí)，準(zhǔn)確率可以達(dá)到90%。利用δ18O判別連云港與淮安的效果較差(分別只有47%、53%)，原因是兩個(gè)城市地理位置很近，δ18O差異小，兩者存在相關(guān)干擾。利用δ2H和δ18O的組合判別3個(gè)城市樣本，整體判別準(zhǔn)確率可從60%提高到67%，表明多元素穩(wěn)定同位素的判別能力高于單一元素。

表5 氫、氧同位素及其組合對(duì)阿克蘇、連云港和淮安居民生活城市的判別準(zhǔn)確率Table 5 Discrimination accuracy of the living cities of urban residents from Aksu, Lianyungang and Huai’an based on δ2Hor δ18O and their combination

2.3 討論

Thompson等[14]研究發(fā)現(xiàn)，居民頭發(fā)中δ2H、δ18O與緯度呈負(fù)相關(guān)，會(huì)隨海拔的升高以及遠(yuǎn)離海洋呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。本研究的結(jié)果驗(yàn)證了這一結(jié)論。所選擇的阿克蘇、連云港和淮安等3個(gè)城市的緯度分別為41.168 3°、34.610 1°和33.503 9°，依次減小，對(duì)應(yīng)城市居民頭發(fā)中δ2H、δ18O由大到小排列順序?yàn)榛窗病⑦B云港、阿克蘇，與城市的緯度呈現(xiàn)明顯的負(fù)相關(guān)。3個(gè)城市的平均海拔由高到低依次為阿克蘇(1 109米)、連云港(200米)、淮安(5米)，海拔與δ2H、δ18O值同樣呈負(fù)相關(guān)。此外，與海洋的距離也是影響頭發(fā)中δ2H、δ18O值的因素之一，3個(gè)城市與海洋邊岸的距離由遠(yuǎn)及近依次為阿克蘇、連云港、淮安，驗(yàn)證了頭發(fā)中δ2H和δ18O會(huì)在沿海地區(qū)富集這一結(jié)論。這一變化規(guī)律與全球大氣水的變化趨勢(shì)一致，大氣水δ2H和δ18O值沿地理梯度變化顯著，在高緯度和高海拔地區(qū)較低，而在低緯度和沿海地區(qū)較高[11]。

由于居民的飲食習(xí)慣、飲用水源和地質(zhì)存在差異，不同地區(qū)常住居民頭發(fā)中穩(wěn)定同位素組成具有各自特征[23-26]。人頭發(fā)中δ2H、δ18O主要取決于個(gè)體直接消耗的水和食物本身含有的水，飲用水通常來(lái)自地表水(如湖泊和水庫(kù))以及地下水含水層，這些水源大部分是由海水蒸發(fā)形成的，以降水形式產(chǎn)生[27]。有研究表明[16]，不同國(guó)家和地區(qū)居民頭發(fā)中氫、氧穩(wěn)定同位素比值呈正相關(guān)，且與其飲用水中氫、氧穩(wěn)定同位素比值也呈正相關(guān)。本研究結(jié)果表明，3個(gè)不同城市(阿克蘇、連云港和淮安)的常住居民頭發(fā)中δ2H、δ18O具有差異性，且分別與當(dāng)?shù)氐娘嬘盟笑?H、δ18O具有關(guān)聯(lián)性，r均大于0.90。

用分類模型對(duì)3個(gè)城市的頭發(fā)樣本進(jìn)行區(qū)分，阿克蘇與連云港、淮安的樣本區(qū)分效果明顯，而連云港與淮安的區(qū)分效果較差，這與3個(gè)城市所處的地理位置密切相關(guān)。本研究所選擇的3個(gè)城市中，阿克蘇位于中國(guó)西部的新疆，因其所處緯度最高，遠(yuǎn)離海洋且城區(qū)平均海拔高，導(dǎo)致居民頭發(fā)中δ2H、δ18O值最低；而連云港和淮安均位于中國(guó)東部的海岸邊緣，兩個(gè)城市相距很近，地形和離海洋的距離均較接近，因此居民頭發(fā)中的δ2H、δ18O值相近，難以很好地區(qū)分開。

3 結(jié)論

本文研究了中國(guó)西部的阿克蘇和東部沿海的連云港、淮安3個(gè)不同城市常住居民頭發(fā)樣本中氫、氧穩(wěn)定同位素比值特征。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明，阿克蘇與連云港、淮安的常住居民頭發(fā)中δ2H、δ18O差異顯著(P<0.05)，連云港與淮安的常住居民頭發(fā)中δ2H、δ18O差異不顯著(P>0.05)。利用δ2H和δ18O共同作為判別因子的判別準(zhǔn)確率高于單獨(dú)使用δ2H或δ18O。3個(gè)城市常住居民頭發(fā)與其飲用水中氫、氧穩(wěn)定同位素比值具有相關(guān)性(δ2H：r=0.933；δ18O：r=0.998)。本研究表明，3個(gè)不同城市(阿克蘇、連云港和淮安)常住居民頭發(fā)中δ2H、δ18O值有差異，且與其飲用水中氫、氧穩(wěn)定同位素比值具有相關(guān)性。