阿克苏、连云港和淮安城市居民头发中氢、氧稳定同位素比值差异研究

何 亚，刘昌景，梅宏成，朱 军，王继芬， 高天奇，何欣龙，胡 灿，郭洪玲，王 萍， 姜晓佳，权养科，王桂强

(1.中国人民公安大学刑事科学技术学院，北京 100038；2.公安部物证鉴定中心 北京 100038；3.南京森林警察学院，国家林业局森林公安司法鉴定中心， 野生动植物物证技术国家林业和草原局重点实验室 南京 210023；4.北京林业大学 北京 100083)

稳定同位素检验是一种利用稳定同位素比质谱仪测定物质中碳、氢、氧、氮、硫等不同元素同位素比值的技术，是溯源研究领域的主要方向之一，已广泛应用于地质学[1]、水文学[2]、农业[3-6]、医学[7-8]和环境科学[9]等领域。研究表明，大气中水蒸气的(下称“大气水”)氢、氧稳定同位素比值沿地理梯度变化显著[10-11]。不同地理位置的大气水中氢、氧稳定同位素比值差异可以通过生物体的生长代谢活动在其体内体现出来，从而可以用于植物油[3]、蜂蜜[4]、牛肉[5]、羊肉[6]等农产品产地溯源与鉴别研究。同样，人类体内不同组织(如头发、指甲、骨骼和牙齿等)中氢、氧稳定同位素比值也蕴含着生活地理位置信息[12]。

人类头发的生长速度约为1 cm/月，生长出来的头发基本不再进行新陈代谢，在一定程度上可作为人体饮食、饮水情况的稳定记录器[13]。目前，关于人头发中氢、氧稳定同位素比值与其生活地理位置的关联性研究已逐步开展，并且在法庭科学领域中尝试应用。Thompson等[14]研究了中国、印度、蒙古和巴基斯坦4个国家居民头发中氢、氧、碳、氮、硫稳定同位素比值特征，结果表明，4个国家之间的氢、氧稳定同位素差异较显著，与地理信息具有相关性，但碳、氮稳定同位素比值差异性较小，更多地代表了不同地区总体的饮食信息。在该研究中，中国被作为一个整体区域进行考虑，虽然头发样本范围包括了21个城市，但样本总数只有112份，大部分城市(18个)的样本数量仅有或不到5份，且样本来自于理发室，无样本提供者具体的生活地域和饮食习惯信息，难以准确判断不同城市居民头发中氢、氧稳定同位素比值的差异情况。Wolfram等[15]对一起案件中受害者的头发、指甲和股骨进行了稳定同位素分析，其中碳、氮稳定同位素提供了死者的饮食习惯和生活方式信息，氢、氧稳定同位素提供了死者的生活地域变化信息，通过与当地样本进行比对，综合推断认为，死者在死前7个月生活在都柏林或者北爱尔兰东海岸周边的县，该推断结果为警方提供了线索。人体组织中稳定同位素分析在法庭科学领域具有广泛的应用前景。

人头发中氢、氧稳定同位素变化规律与其生活地理位置具有一定的关联性[16-17]，但两者的关联规律尚未被系统研究。目前，关于国内不同城市人体组织(如头发、指甲、牙齿等)中稳定同位素比值的差异研究较少[18]。为考察国内居民头发中氢、氧稳定同位素比值的差异，本文拟选择地理位置差别较大(西部和东部)和地理位置相近(东部沿海)的城市——西部的阿克苏和东部沿海的连云港、淮安作为研究对象，采集当地常住且饮食习惯均为杂食的居民头发样本进行氢、氧稳定同位素比值差异研究，对检验结果进行统计分析和Bayes判别分析，以期考察不同城市常住居民头发中δ2H、δ18O的差异性。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

Flash EA 2000型元素分析仪、253 Plus型稳定同位素比质谱仪、ConFlo Ⅳ型连续流接口装置：美国Thermo Scientific公司产品；L2130i波长扫描光腔衰荡光谱仪：美国Picarro公司产品；KQ-250 DB型数控超声波清洗器：昆山市超声波仪器有限公司产品；202-0AB电热恒温干燥箱：北京中兴伟业仪器有限公司产品；XPR 2电子天平：瑞士Mettler Toledo公司产品。

USGS42(δ2HVSMOW=-78.5‰，δ18OVSMOW=+8.56‰)、USGS43(δ2HVSMOW=-50.3‰，δ18OVSMOW=+14.11‰)和CBS(δ2HVSMOW=-157‰，δ18OVSMOW=+3.8‰)稳定同位素标准品：购自美国Reston稳定同位素实验室；甲醇、氯仿：色谱纯，Thermo Fisher公司产品；实验用水：由PURELAB Ultra超纯水仪(英国ELGA公司产品)制备；银杯：瑞士Santis公司产品。

1.2 样本采集

采集79份新疆阿克苏、江苏连云港和淮安3个城市当地常住居民(采样前已在当地连续生活8个月以上)的头发样本，所有头发样本均贴头皮剪取，取发根部位约3 cm长的头发作为待测样本(以保证该段头发是样本提供者在采样城市生活时生长的)，具体信息列于表1。同时，采集3个城市41份相应居民的饮用水样本。

1.3 样本前处理

1.3.1头发样本洗烘、包被与平衡 按照O’Connell标准程序进行头发样本清洗[19]：用甲醇-氯仿(2∶1，V/V)和超纯水重复洗涤3次，每次间隔10 min；随后在85 ℃下烘干样本[20]，烘烤时间3 h，以去除附着在头发样本上的水分。

表1 样本及其来源信息Table 1 Information of samples and their origin

图1 头发样本中氢、氧稳定同位素比值检测谱图Fig.1 Hydrogen and oxygen stable isotope ratios of hair samples

将干燥的头发切割成约0.5 cm的小段，每次取4～5段(约200～300 μg)，包在3.3 mm×5 mm银杯中，折成小球状；分别称取200～300 μg 3种标准品，放入银杯，折成同样的小球状[21-22]。

为了消除实验室中空气与头发样本中氢交换对检验结果的影响，在测定前，样本和标准品均储存在含有吸水硅胶的干燥器中，在室温条件下平衡1周以上[22]。

1.3.2水样保存和处理 所有的水样均在4 ℃下密封保存，检测前用0.22 μm滤膜过滤。

1.4 仪器条件

元素分析仪：氦气吹扫流量200 mL/min，高温裂解炉温度1 380 ℃，色谱柱温度80 ℃，载气流速100 mL/min；接口装置ConFlo Ⅳ条件设定：He稀释压力60 kPa；波长扫描光腔衰荡光谱仪：测试精度δ18O≤0.1‰，δ2H≤1.0‰。

1.5 氢、氧稳定同位素比值检测

1.5.1头发样本δ2H、δ18O的检测 在1.4节条件下对头发样本和标准品进行同时检测，每个样本重复检测3次，采用Isodat3.0软件分析数据。

1.5.2水样δ2H、δ18O的检测 测样时，每6个样品插入1个标样，每个样品(包括标样)重复测量3次，每次进样2 μL，经标样校正得出检测结果。所有结果均是相对VSMOW的结果。

1.5.3同位素比值的表示方法 同位素比值用δ表示，δ2H、δ18O的相对标准为V-SMOW，计算公式示于式(1)：

δ=(R样本/R标准-1)×1 000

(1)

式中，R表示轻同位素与重同位素的丰度比。

1.6 数据校正与分析

将USGS42、USGS43和CBS 3种标准品的δ2H、δ18O测定值与真实值进行线性拟合，得出线性校正方程。通过线性校正方程和头发样本δ2H、δ18O的测定值计算真实值。

用SPSS 20.0软件(IBM)对头发样本检测所得的δ2H、δ18O数据进行Person相关性检验、T检验和Bayes判别分析。

2 结果与讨论

2.1 3个城市常住居民头发中氢、氧同位素比值特征

采用元素分析仪-稳定同位素比质谱仪(EA-IRMS)同时检测1 380 ℃下头发中氢、氧稳定同位素比值，示于图1，图中谱峰分别为参考气H2(Ref H2)、样品中氢元素转化的H2(Samp H2)、样品中氧元素转化的CO(Samp CO)、参考气CO(Ref CO)。阿克苏、连云港和淮安3个城市常住居民的79份头发样本中δ2H、δ18O的散点分布图示于图2。3个城市中阿克苏居民头发样本中δ2H(-67.24±2.79)、δ18O(7.94±0.75)均值最低，连云港样本中δ2H(-62.24±5.91)、δ18O(9.71±0.58)均值处于中间，淮安样本中δ2H(-58.34±6.09)、δ18O(9.89±0.57)均值最高，详细数据列于表2。

阿克苏、连云港和淮安3个城市的常住居民头发中氢稳定同位素比值均有显著差异，其中，阿克苏与连云港、淮安的δ2H差异显著(P=0.001)，阿克苏与连云港的δ2H均值相差5.00‰，与淮安相差8.90‰；连云港与淮安δ2H均值相差3.90‰，差异显著(P=0.015)。3个城市常住居民头发中δ18O均值由高到低依次为：淮安>连云港>阿克苏。其中，阿克 苏与连云港、淮安的头发中δ18O差异显著(P=0.001)，阿克苏与连云港δ18O均值相差1.77‰，与淮安δ18O均值相差1.95‰；而连云港与淮安δ18O均值仅相差0.18‰，差异不显著(P=0.242)。

图2 3个城市常住居民头发中δ2H、δ18O值分布图Fig.2 Diagram of δ2H and δ18O values of residents’ hair in three cities

表2 阿克苏、连云港和淮安居民头发中δ2H和 δ18O值Table 2 δ2H and δ18O values of residents’ hair in Aksu, Lianyungang and Huai’an

注：a，b，c不同字母表示有显著差异(P<0.05)

为考察居民头发与其饮用水中δ2H、δ18O的相关性，分别检验了3个城市自来水中δ2H、δ18O，其均值分布示于图3。对头发和饮用水的δ2H、δ18O进行相关性分析，结果表明，头发中δ2H与当地的自来水中δ2H相关(r=0.933，P<0.05)，头发中δ18O与当地的自来水中δ18O显著相关(r=0.998，P<0.05)。

2.2 头发中δ2H、δ18O对居民生活城市的判别分析

为考察头发中δ2H、δ18O对居民生活城市的推断溯源能力，利用Bayes判别分析方法对 3个城市的79份头发样本进行分析，得到的两个判别函数特征值列于表3。函数1和函数2的P分别小于0.001和0.04，表明3个城市头发样本δ2H、δ18O数据在函数1和函数2上差异显著，两个函数累计方差贡献率达100.0%，能够解释头发样本的基本特征信息，可作为判别函数建立分类模型。

图3 3个城市居民头发与其饮用水中δ2H、δ18O均值分布图Fig.3 Distribution of mean value of δ2H and δ18O urban residents’ hair and their drinking water in three cities

函数1的表达式为Z1=0.461XH+0.936XO，函数2的表达式为Z2=0.894XH-0.367XO，利用函数1和函数2作为判别函数构建判别分类模型，得到3个城市头发样本的判别分布情况，示于图4。可见，阿克苏、连云港和淮安的样本组质心坐标分别为(-2.823,0.069)、(0.588,-0.288)和(1.199,0.245)。阿克苏与连云港、淮安的样本组质心可以显著区分开，与函数2相比，函数1的区分程度更显著。连云港与淮安的样本在函数1和函数2上分布较集中，两者的样本组质心较接近，区分程度不显著。

表3 Bayes判别函数特征值Table 3 Abstract of Bayes discriminant function

图4 样本在函数1和函数2上的分布图Fig.4 Distribution of hair sampleson function 1 and function 2

采用自身验证的方式，对上述建立的分类模型进行分析，结果列于表4。2个阿克苏头发样本被误判为连云港，2个连云港样本被误判为阿克苏、12个连云港样本被误判为淮安，10个淮安样本被误判为连云港。结果表明，建立的模型对阿克苏分类效果较好，而在区分连云港和淮安的样本时效果较差，可能原因是阿克苏位于西部，与位于东部的连云港和淮安地理位置相距很远，稳定同位素比值差异较大，分类效果较好，而连云港和淮安的地理位置相距很近，稳定同位素比值差异较小，在区分两个城市的样本时容易出现误判。

表4 各样本的分类结果Table 4 Classification results of samples

分别考察氢、氧稳定同位素及其组合对阿克苏、连云港和淮安居民生活城市的判别准确率及其整体判别准确率。判别准确率的计算公式为：

(2)

整体判别准确率的计算公式为：

(3)

判别准确率结果列于表5。可见，δ2H对3个城市的判别准确率均为50%左右，主要原因是虽然δ2H的总体变化范围较大(-72.28‰～-45.14‰)，但每个城市δ2H的变化范围也较大(3个城市的SD分别为2.79‰、5.91‰、6.09‰)，交叠区间较宽，导致判别准确率较差。δ18O的总体变化范围较小(6.45‰～11.04‰)，每个城市δ18O的变化范围也较小(3个城市的SD分别为0.75‰、0.58‰、0.57‰)，因此，在判别西部的阿克苏与东部的连云港和淮安时，准确率可以达到90%。利用δ18O判别连云港与淮安的效果较差(分别只有47%、53%)，原因是两个城市地理位置很近，δ18O差异小，两者存在相关干扰。利用δ2H和δ18O的组合判别3个城市样本，整体判别准确率可从60%提高到67%，表明多元素稳定同位素的判别能力高于单一元素。

表5 氢、氧同位素及其组合对阿克苏、连云港和淮安居民生活城市的判别准确率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 讨论

Thompson等[14]研究发现，居民头发中δ2H、δ18O与纬度呈负相关，会随海拔的升高以及远离海洋呈现下降趋势。本研究的结果验证了这一结论。所选择的阿克苏、连云港和淮安等3个城市的纬度分别为41.168 3°、34.610 1°和33.503 9°，依次减小，对应城市居民头发中δ2H、δ18O由大到小排列顺序为淮安、连云港、阿克苏，与城市的纬度呈现明显的负相关。3个城市的平均海拔由高到低依次为阿克苏(1 109米)、连云港(200米)、淮安(5米)，海拔与δ2H、δ18O值同样呈负相关。此外，与海洋的距离也是影响头发中δ2H、δ18O值的因素之一，3个城市与海洋边岸的距离由远及近依次为阿克苏、连云港、淮安，验证了头发中δ2H和δ18O会在沿海地区富集这一结论。这一变化规律与全球大气水的变化趋势一致，大气水δ2H和δ18O值沿地理梯度变化显著，在高纬度和高海拔地区较低，而在低纬度和沿海地区较高[11]。

由于居民的饮食习惯、饮用水源和地质存在差异，不同地区常住居民头发中稳定同位素组成具有各自特征[23-26]。人头发中δ2H、δ18O主要取决于个体直接消耗的水和食物本身含有的水，饮用水通常来自地表水(如湖泊和水库)以及地下水含水层，这些水源大部分是由海水蒸发形成的，以降水形式产生[27]。有研究表明[16]，不同国家和地区居民头发中氢、氧稳定同位素比值呈正相关，且与其饮用水中氢、氧稳定同位素比值也呈正相关。本研究结果表明，3个不同城市(阿克苏、连云港和淮安)的常住居民头发中δ2H、δ18O具有差异性，且分别与当地的饮用水中δ2H、δ18O具有关联性，r均大于0.90。

用分类模型对3个城市的头发样本进行区分，阿克苏与连云港、淮安的样本区分效果明显，而连云港与淮安的区分效果较差，这与3个城市所处的地理位置密切相关。本研究所选择的3个城市中，阿克苏位于中国西部的新疆，因其所处纬度最高，远离海洋且城区平均海拔高，导致居民头发中δ2H、δ18O值最低；而连云港和淮安均位于中国东部的海岸边缘，两个城市相距很近，地形和离海洋的距离均较接近，因此居民头发中的δ2H、δ18O值相近，难以很好地区分开。

3 结论

本文研究了中国西部的阿克苏和东部沿海的连云港、淮安3个不同城市常住居民头发样本中氢、氧稳定同位素比值特征。对数据进行统计分析，结果表明，阿克苏与连云港、淮安的常住居民头发中δ2H、δ18O差异显著(P<0.05)，连云港与淮安的常住居民头发中δ2H、δ18O差异不显著(P>0.05)。利用δ2H和δ18O共同作为判别因子的判别准确率高于单独使用δ2H或δ18O。3个城市常住居民头发与其饮用水中氢、氧稳定同位素比值具有相关性(δ2H：r=0.933；δ18O：r=0.998)。本研究表明，3个不同城市(阿克苏、连云港和淮安)常住居民头发中δ2H、δ18O值有差异，且与其饮用水中氢、氧稳定同位素比值具有相关性。