穩(wěn)定同位素示蹤技術(shù)

第五章穩(wěn)定同位素示蹤技術(shù)

第一節(jié)穩(wěn)定同位素示蹤原理第二節(jié)穩(wěn)定性核素15N的測(cè)定方法第三節(jié)15N示蹤技術(shù)在農(nóng)業(yè)生物學(xué)中的應(yīng)用第一節(jié)穩(wěn)定同位素示蹤原理

一、穩(wěn)定同位素、豐度和原子百分超

穩(wěn)定同位素

原子核結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定的，不會(huì)自發(fā)地放出射線而使核結(jié)構(gòu)發(fā)生改變的同位素。

豐度

某種同位素的原子數(shù)在該元素總的原子數(shù)中所占的百分?jǐn)?shù)。通常以原子百分?jǐn)?shù)表示。例如：

15N

15N+14N

自然物質(zhì)中某元素的同位素豐度稱為自然豐度或天然豐度?！?0015N原子%=

元素

同位素

自然相對(duì)豐度（%）

樣品來(lái)源H1H2H（D）99.9850.0147

新鮮的表面淡水C12C13C98.8921.108

捷克特波利茲石灰石N14N15N99.6350.365

大氣中的氮?dú)?/p>

O16O17O18O99.7590.03740.2039

大氣中的氧氣幾種化學(xué)元素的穩(wěn)定同位素

原子百分超

某一同位素豐度與自然豐度之差稱為同位素的原子百分超。

將15N濃縮到自然豐度的10倍，其原子百分超是多少？

3.65%-0.365%=3.285%

在實(shí)際測(cè)定中，應(yīng)該采用對(duì)照組生物樣品的自然豐度。

二、穩(wěn)定同位素示蹤的基本原理和特點(diǎn)

（一）基本原理

1.自然界中一種元素的同位素組成（自然豐度）是相對(duì)恒定的。

2.元素的同位素具有相同的化學(xué)性質(zhì)。

3.同一元素的同位素間存在質(zhì)量差異。

（二）穩(wěn)定同位素示蹤法的特點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn):

1.無(wú)放射性；

2.操作安全，對(duì)人無(wú)輻射損傷；

3.不污染環(huán)境，試驗(yàn)范圍不受限制；

4.試驗(yàn)周期不受限制；

5.可以代替某些元素的放射性同位素難以進(jìn)行的示蹤試驗(yàn)。

局限性:

1.標(biāo)記化合物偏高;2.樣品制備復(fù)雜;3.所需的儀器如質(zhì)譜儀比較昂貴。

第二節(jié)穩(wěn)定同位素15N的測(cè)定方法

同位素射線種類半衰期自然豐度(原子%)

12N

13N

14N

15N

16N

17N

18Nβ+

β+βββ0.011s9.96min7.1s4.15s0.63s99.6350.365氮元素的同位素

一、15N豐度的選擇

不同豐度的15N標(biāo)記化合物價(jià)格差異比較大，因此，在試驗(yàn)允許情況下，盡可能應(yīng)用低豐度的。15N豐度的選擇主要考慮兩個(gè)因素：

1.試驗(yàn)中15N被普通N稀釋的程度；

2.15N分析儀器的精確度。/product/

二、15N示蹤試驗(yàn)的布置

一般采用微區(qū)試驗(yàn)。

三、15N測(cè)樣的制備

測(cè)定15N的質(zhì)譜儀對(duì)測(cè)樣的要求是以簡(jiǎn)單的分子態(tài)進(jìn)行。

具體制備過(guò)程如下：

1.將樣品中的標(biāo)記氮轉(zhuǎn)化成銨

用凱氏法將含氮樣品在增溫劑和催化劑的參與下，用濃硫酸消煮，使其中所含的各種形態(tài)的氮轉(zhuǎn)化為氨，與硫酸結(jié)合形成硫酸銨，然后加堿蒸餾，使氨吸收在硼酸溶液中，用標(biāo)準(zhǔn)酸測(cè)定樣品的全氮量。

一般用硫酸鉀、硫酸銅和硒粉組成的混合催化劑，三者的質(zhì)量比為100：10：1。

2.將銨轉(zhuǎn)化成氨氣

在高真空氣化裝置中，用堿性次溴酸鈉將銨氧化而產(chǎn)生氮?dú)?，其反?yīng)式：

2NH4++3NaBrON2↑+5H2O+3NaBr

四、質(zhì)譜法測(cè)定15N豐度

（一）質(zhì)譜儀器的工作原理

利用電磁學(xué)原理，使帶電粒子按照質(zhì)荷比進(jìn)行分離，從而測(cè)定其質(zhì)量的分析儀器。MAT253型同位素比值質(zhì)譜儀為德國(guó)Finnigan公司制造，可以精確測(cè)量13C、15N、18O、34S和H/D的相對(duì)同位素豐度。最多有10個(gè)積分通道用于多種離子流的同時(shí)測(cè)量。

FlashEA1112型元素分析儀與MAT253型同位素比值質(zhì)譜儀聯(lián)機(jī)（EA-C(ConFloIII)-IRMS）可以在線測(cè)定固體(或液體)樣品的C、N同位素組成。

穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀

DELTAplusAdvantage美國(guó)

菲尼根質(zhì)譜公司

主要指標(biāo)

質(zhì)量范圍：1-70Dalton（道爾頓）at3KV

分辨率（m/Dm）：=95（C、N、O、S）

精密度：優(yōu)于0.2‰（C、N、O、S）

V電離室出口縫·R1R2M1M2出口加速電壓

1/2M1v12=eV（1）

M1v12

R1

根據(jù)上述兩式可得：=eHv1(2）M1e=R12H122V

如帶電粒子的電荷數(shù)以電子所帶的電量為單位，則上式可改寫成：

或：R=(3)M1e=R12H12V4.82×10-5144HMVe

(3)式表示了磁式質(zhì)譜儀的工作原理，從中可得到如下結(jié)論：

1.在加速電壓V不變的情況下，可以通過(guò)連續(xù)改變磁場(chǎng)強(qiáng)度H而得到同一R而不同M的掃描質(zhì)譜圖，此即為磁掃描。

2.在磁場(chǎng)強(qiáng)度H不變的情況下（永磁鐵），可以通過(guò)改變加速電壓而得到同一R而不同M的掃描質(zhì)譜圖，此即為電壓掃描。（二）15N質(zhì)譜分析的計(jì)算公式

1.質(zhì)譜峰的選擇

氮分子經(jīng)電離后產(chǎn)生質(zhì)量不同的離子：

離子種類質(zhì)荷比

[15N15N]+30[15N14N]+29

[14N14N]+28

[15N]+和[15N15N]++15[15N14N]++14.5[14N]+和[14N14N]++14

通常選用質(zhì)荷比為28，29，30的峰。當(dāng)樣品中的15N豐度小于5%時(shí)，質(zhì)荷比為30的峰高比28，29的小得多（？），只能測(cè)量質(zhì)荷比為28和29峰的離子強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算。

2.計(jì)算公式

設(shè)：

R=

質(zhì)荷比為28的離子強(qiáng)度質(zhì)荷比為29的離子強(qiáng)度同位素質(zhì)譜儀euro-03

又設(shè)：全部氮原子中14N占的比例為p，而15N的為q；則p+q=1。由此可得：（p+q）2=p2+2pq+q2

其中：p2為質(zhì)荷比為28的離子數(shù)目；

2pq為質(zhì)荷比為29的離子數(shù)目。也即：R==(4)p22pqp2q

15N

14N+15N

==(5)

（5）式就是通用的以同位素離子強(qiáng)度比計(jì)算15N原子數(shù)的公式?！?0015N原子%=qp+q×10012R+1×100第三節(jié)穩(wěn)定同位素示蹤技術(shù)應(yīng)用

一、作物的氮營(yíng)養(yǎng)及代謝運(yùn)轉(zhuǎn)研究

加藤忠司等應(yīng)用(15NH4)2SO4

及K15NO3研究大豆對(duì)N素的吸收、分配及運(yùn)轉(zhuǎn)規(guī)律，結(jié)果表明：作為基肥施用的銨態(tài)氮的吸收率相當(dāng)?shù)?，只?7%；然而在開花前追肥的吸收率可達(dá)68%。

硝態(tài)氮的吸收率以始花期追肥者為最高，達(dá)91%，其后減少。追肥的N肥在收獲期有85%分配籽實(shí)中，積累在豆株各部位的N素隨著籽實(shí)的膨大而進(jìn)行再分配，從夾伸長(zhǎng)期到籽實(shí)肥大期，葉柄的N素最先開始運(yùn)轉(zhuǎn)。

Kunio等應(yīng)用13C標(biāo)記13CO2

及15NO2的雙標(biāo)記技術(shù)研究水稻植株從頂葉到根對(duì)C和N的吸收及轉(zhuǎn)移規(guī)律。結(jié)果表明：C和N從葉到根的運(yùn)轉(zhuǎn)中，13C從喂飼葉運(yùn)轉(zhuǎn)到其它器官需1天；15N通過(guò)喂飼葉片在幾小時(shí)內(nèi)迅速運(yùn)轉(zhuǎn)。15N進(jìn)入成熟根后再運(yùn)轉(zhuǎn)至新根及鞘中，大量15N從葉運(yùn)輸?shù)礁?，最后累積于新根中。

二、土壤肥料研究

此類試驗(yàn)常用以說(shuō)明土壤、肥料與植物營(yíng)養(yǎng)的關(guān)系，須得到以下數(shù)據(jù)：

1.試樣的總含氮量和15N原子百分超；

2.施入15N標(biāo)記肥料的總氮量；

3.標(biāo)記肥料的15N原子百分超；

4.試樣的干重、肥料用量、供試土壤量。

例如：在應(yīng)用15N的盆栽試驗(yàn)中，每盆裝土1千克，供試作用為大麥，標(biāo)記肥料為15NH415NO3，15N豐度為5.365%，施肥量為100mg氮/盆（相當(dāng)于200kg氮/公頃），出苗后生長(zhǎng)6周沿表土割下植株地上部，將根系從土壤中取出，用噴霧器細(xì)水沖冼根，洗下的水回到原盆栽盆中，再加入一定量的水使其呈泥漿，定其容積，并在充分?jǐn)嚢韬笕?00ml泥漿。

試樣測(cè)定項(xiàng)目

15N豐度（%）3.5973.5470.45415N原子百分超（%）3.2273.1770.084N%（全氮百分含量）4.571.310.19

質(zhì)量（g）1.160.741000N的數(shù)量（mg/盆）53.09.71900地上部分根系土壤表1：試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)（一）植物中來(lái)自肥料及土壤氮的百分?jǐn)?shù)

植物中來(lái)自肥料氮：NDFF%

（nitrogenderivedfromfertilizer）

植物中來(lái)自土壤氮：NDFS%

（nitrogenderivedfromsoil）

NDFF%=×100NDFS%=1–NDFF%植物樣品中15N原子百分超肥料中15N原子百分超地上部：NDFF%=

×100=64.5%NDFS%=1-64.5%=35.5%根系：NDFF%=

×100=63.5%NDFS%=1-63.5%=36.5%土壤：NDFF%=

×100=1.68%NDFS%=1-64.5%=98.32%3.22753.17750.0845

(二)“A”值

“A”的概念是假定土壤中的某一營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)（如氮）有兩個(gè)來(lái)源，一個(gè)是土壤中固有的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)（土壤氮）即“A”，另一為已知數(shù)量的施入土壤的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)（肥料氮），而用作物對(duì)兩個(gè)來(lái)源的氮吸收幾率相等。也即：

“A”

值NDFS%

施肥量（公斤氮/公頃）NDFF%=

“A”值=×施肥量（公斤氮/公頃）由表1可得：

地上部：

×200（公斤氮/公頃）

=110（公斤氮/公頃）

“A”值可用于評(píng)價(jià)土壤肥力狀況，定量地評(píng)定同土壤有效養(yǎng)分水平密切相關(guān)的因素。NDFS%NDFF%35.5%63.5%(三)肥料氮素利用率

肥料氮素利用率

=

NDFF%×植物全氮量（kg/公頃）施氮量（kg/公頃）肥料氮素利用率%(地上部)

=

=34.19%肥料氮素利用率%(根系)

=

=6.20%64.5%

×53mg/盆100mg/盆63.5%

×9.7mg/盆100mg/盆三、環(huán)境科學(xué)研究

一個(gè)研究實(shí)例

珠江三角洲鉛及相關(guān)重金屬的污染源和污染程度的評(píng)估資料來(lái)源：常向陽(yáng)等，元素-同位素示蹤在環(huán)境科學(xué)研究中的應(yīng)用，廣州大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)Vol.1No.13,2002年5月。研究背景鉛對(duì)人體具有多方面的毒性，可導(dǎo)致智力低下、造血機(jī)能障礙、高血壓、腎病等[1]。大氣鉛污染是對(duì)人體健康危害十分嚴(yán)重的無(wú)機(jī)污染；它主要來(lái)自汽油燃燒產(chǎn)生的汽車尾氣和工業(yè)用鉛?？茖W(xué)家已對(duì)鉛的污染源和污染程度進(jìn)行了大量鉛同位素示蹤研究，鉛同位素示蹤已成為追蹤污染源和評(píng)價(jià)污染程度的有效方法。[1]孟金萍等，鉛的生物學(xué)毒性效應(yīng),《中國(guó)比較醫(yī)學(xué)雜志