“同位素构形体”是一种特殊的分子结构，其中至少有一个原子含有不同数量的中子，使得化学结构相同但物理性质不同。这些同位素构形体可以在分子的任何位置发生，类似于不同元素的构造异构体。近年来，这一领域的研究引起了越来越多的关注，并在地质学、生物地球化学和气候研究中得到了广泛应用。本文将介绍同位素构形体及其研究领域中的一些重要发现，以及在这一领域的前沿研究方向及应用领域。
1.同位素构形体
“Isotopologues”一词最初由Seeman和Paine于1992年提出，本文翻译为“同位素构形体”，可理解为相同化学结构的分子，但至少有一个原子含有不同数量的中子。“Isotopologues”一词是由 "同位素（isotope） "和 "同源物（homologue）"演变而来。国内也有学者将Isotopologues翻译为“同位素同系物”（周友平）。南京大学鲍惠铭教授团队将“Isotopologues”解释为“高维度同位素”，团队成员晏浩博士认为“Isotopologues”研究包含四种情况，1、同一元素多个同位素之间的关系，例如三氧肆硫；2、同一分子中有两个稀有同位素替代，即团簇同位素；3、分子中某一元素在不同位置间同位素分馏，即位置特异的同位素；4、分子中的两种元素的同位素在一特定过程的分馏关系，例如水体蒸发凝结的时候氢氧同位素变化关系”。
“ Isotopologues”不同同位素的原子可以出现在分子的任何位置，因此差异在于化学式。如果化合物有几个相同元素的原子，则其中任何一个都可能是被修改的元素，仍然是同一种同位素构形体。考虑到同位素修饰元素的不同位置，同位素构型体类似于结构中不同元素的构造异构体。根据分子式和结构的对称性，可能存在多个同一种同位素构形体的同位素同分异构体。例如，乙醇的分子式为C2H6O。其单重氘代乙醇C2H5DO是其同位素构形体。结构式CH3−CH2−O−D和CH2D−CH2−O−H是该同位素构形的两个同位素同分异构体。 作为“Isotopologues”的重要研究内容的“Clumped isotope”，国内大多翻译为“团簇同位素”。在地质学中，团簇同位素分析可用于确定矿物形成的温度和时间，从而提供区域地质历史的洞察。在古气候研究中，团簇同位素分析可根据化石和其他物质的同位素组成重建过去的温度和气候条件。在生物地球化学中，团簇同位素分析可用于研究微生物的代谢途径和碳循环。团簇同位素分析通常涉及使用质谱测量样品的同位素组成。由于能够提供小样品的高精度测量，这种技术近年来越来越受欢迎，成为广泛科学应用的有价值的工具。
表1. 甲烷的同位素构型体及理论丰度（引自Thermo-Fisher Manual）
注：甲烷同位素构形体与母体分子相比具有不同的动力学和热力学性质，因此可用于研究各种过程，包括温度变化。特别地，甲烷同位素组成可作为温度变化的指标。这是因为甲烷中不同同位素的比例会随温度的变化而变化。具体而言，较重同位素（碳-13和氘）的相对丰度会在较低温度下增加，而较轻同位素（碳-12和氢-1）的相对丰度会在较高温度下增加。同位素组成和温度之间的这种关系被称为“clumped isotopes”效应。通过测量样品中甲烷的同位素组成，如沉积物、冰芯或大气空气中的甲烷，科学家可以重构数千甚至数百万年的过去温度变化。总体而言，同位素构形体的研究为我们提供了宝贵的洞察力，可以了解地球气候历史以及调节大气和生物圈之间碳交换的过程。 “同位素构形体”可用于各种应用，包括生物化学中的同位素标记研究、环境研究和核磁共振光谱学。通过将同位素引入分子中，科学家可以追踪系统中这些分子的运动和转化。除氢同位素外，同位素构形体还可以涉及其他元素，如碳、氮和氧。例如，碳-13标记的葡萄糖是代谢研究中常用的同位素构形体。
图4. 同位素异构体（Isotopomers）图解（照片由南方科技大学周友平教授提供）4“同位素构形体”和“同位素异构体”地球化学意义 同位素构形体和同位素异构体都是利用同位素标记的方法研究分子的结构和化学反应，但它们的研究对象和研究目的略有不同。同位素构形体主要研究分子中不同同位素的组成，这些分子具有相同的化学结构，但不同的同位素。这种方法可以用于研究分子在不同化学反应中的转化和分布，以及分子在不同环境中的迁移和循环。同位素构形体的研究对象主要是同位素分布和同位素分馏等问题，例如利用碳-13标记的葡萄糖研究生物代谢途径。同位素异构体主要研究同位素在分子中的位置和数量的变化，这些分子具有相同的化学结构和同位素种类，但同位素的位置和数量不同。这种方法可以用于研究分子的振动频率和化学反应路径等问题，以及确定分子的结构和构象。同位素异构体的研究对象主要是同位素在分子中的位置和数量的变化，例如利用氘代替氢研究分子结构和反应动力学。综上所述，同位素构形体和同位素异构体在研究分子结构和化学反应方面都有重要的应用价值，但研究对象和研究目的有所不同。