稳定同位素示踪技术全解

第五章稳定同位素示踪技术第一节稳定同位素示踪原理第二节稳定性核素15N的测定方法第三节15N示踪技术在农业生物学中的应用第一节稳定同位素示踪原理一、稳定同位素、丰度和原子百分超稳定同位素原子核结构是稳定的，不会自发地放出射线而使核结构发生改变的同位素。丰度某种同位素的原子数在该元素总的原子数中所占的百分数。通常以原子百分数表示。例如：15N15N+14N自然物质中某元素的同位素丰度称为自然丰度或天然丰度。×10015N原子%=原子百分超某一同位素丰度与自然丰度之差称为同位素的原子百分超。将15N浓缩到自然丰度的10倍，其原子百分超是多少？3.65%-0.365%=3.285%在实际测定中，应该采用对照组生物样品的自然丰度。二、稳定同位素示踪的基本原理和特点（一）基本原理1.自然界中一种元素的同位素组成（自然丰度）是相对恒定的。2.元素的同位素具有相同的化学性质。3.同一元素的同位素间存在质量差异。（二）稳定同位素示踪法的特点优点:1.无放射性；2.操作安全，对人无辐射损伤；3.不污染环境，试验范围不受限制；4.试验周期不受限制；5.可以代替某些元素的放射性同位素难以进行的示踪试验。局限性:1.标记化合物偏高;2.样品制备复杂;3.所需的仪器如质谱仪比较昂贵。第二节稳定同位素15N的测定方法同位素射线种类半衰期自然丰度(原子%)12N13N14N15N16N17N18Nβ+β+βββ0.011s9.96min7.1s4.15s0.63s99.6350.365氮元素的同位素一、15N丰度的选择不同丰度的15N标记化合物价格差异比较大，因此，在试验允许情况下，尽可能应用低丰度的。15N丰度的选择主要考虑两个因素：1.试验中15N被普通N稀释的程度；2.15N分析仪器的精确度。二、15N示踪试验的布置一般采用微区试验。三、15N测样的制备测定15N的质谱仪对测样的要求是以简单的分子态进行。具体制备过程如下：1.将样品中的标记氮转化成铵用凯氏法将含氮样品在增温剂和催化剂的参与下，用浓硫酸消煮，使其中所含的各种形态的氮转化为氨，与硫酸结合形成硫酸铵，然后加碱蒸馏，使氨吸收在硼酸溶液中，用标准酸测定样品的全氮量。一般用硫酸钾、硫酸铜和硒粉组成的混合催化剂，三者的质量比为100：10：1。2.将铵转化成氨气在高真空气化装置中，用碱性次溴酸钠将铵氧化而产生氮气，其反应式：2NH4++3NaBrON2↑+5H2O+3NaBr四、质谱法测定15N丰度（一）质谱仪器的工作原理利用电磁学原理，使带电粒子按照质荷比进行分离，从而测定其质量的分析仪器。V电离室出口缝·R1R2M1M2出口加速电压1/2M1v12=eV（1）M1v12R1根据上述两式可得：=eHv1(2）M1e=R12H122V如带电粒子的电荷数以电子所带的电量为单位，则上式可改写成：或：R=(3)M1e=R12H12V4.82×10-5144HMVe(3)式表示了磁式质谱仪的工作原理，从中可得到如下结论：1.在加速电压V不变的情况下，可以通过连续改变磁场强度H而得到同一R而不同M的扫描质谱图，此即为磁扫描。2.在磁场强度H不变的情况下（永磁铁），可以通过改变加速电压而得到同一R而不同M的扫描质谱图，此即为电压扫描。（二）15N质谱分析的计算公式1.质谱峰的选择氮分子经电离后产生质量不同的离子：离子种类质荷比[15N15N]+30[15N14N]+29[14N14N]+28[15N]+和[15N15N]++15[15N14N]++14.5[14N]+和[14N14N]++14通常选用质荷比为28，29，30的峰。当样品中的15N丰度小于5%时，质荷比为30的峰高比28，29的小得多（？），只能测量质荷比为28和29峰的离子强度进行计算。2.计算公式设：R=质荷比为28的离子强度质荷比为29的离子强度又设：全部氮原子中14N占的比例为p，而15N的为q；则p+q=1。由此可得：（p+q）2=p2+2pq+q2其中：p2为质荷比为28的离子数目；2pq为质荷比为29的离子数目。也即：R==(4)p22pqp2q15N14N+15N==(5)（5）式就是通用的以同位素离子强度比计算15N原子数的公式。×10015N原子%=qp+q×10012R+1×100第三节稳定同位素示踪技术应用一、作物的氮营养及代谢运转研究加藤忠司等应用(15NH4)2SO4及K15NO3研究大豆对N素的吸收、分配及运转规律，结果表明：作为基肥施用的铵态氮的吸收率相当低，只有27%；然而在开花前追肥的吸收率可达68%。硝态氮的吸收率以始花期追肥者为最高，达91%，其后减少。追肥的N肥在收获期有85%分配籽实中，积累在豆株各部位的N素随着籽实的膨大而进行再分配，从夹伸长期到籽实肥大期，叶柄的N素最先开始运转。Kunio等应用13C标记13CO2及15NO2的双标记技术研究水稻植株从顶叶到根对C和N的吸收及转移规律。结果表明：C和N从叶到根的运转中，13C从喂饲叶运转到其它器官需1天；15N通过喂饲叶片在几小时内迅速运转。15N进入成熟根后再运转至新根及鞘中，大量15N从叶运输到根后，最后累积于新根中。二、土壤肥料研究此类试验常用以说明土壤、肥料与植物营养的关系，须得到以下数据：1.试样的总含氮量和15N原子百分超；2.施入15N标记肥料的总氮量；3.标记肥料的15N原子百分超；4.试样的干重、肥料用量、供试土壤量。例如：在应用15N的盆栽试验中，每盆装土1千克，供试作用为大麦，标记肥料为15NH415NO3，15N丰度为5.365%，施肥量为100mg氮/盆（相当于200kg氮/公顷），出苗后生长6周沿表土割下植株地上部，将根系从土壤中取出，用喷雾器细水冲冼根，洗下的水回到原盆栽盆中，再加入一定量的水使其呈泥浆，定其容积，并在充分搅拌后取100ml泥浆。试样测定项目15N丰度（%）3.5973.5470.45415N原子百分超（%）3.2273.1770.084N%（全氮百分含量）4.571.310.19质量（g）1.160.741000N的数量（mg/盆）53.09.71900地上部分根系土壤表1：试验所得数据（一）植物中来自肥料及土壤氮的百分数植物中来自肥料氮：NDFF%（nitrogenderivedfromfertilizer）植物中来自土壤氮：NDFS%（nitrogenderivedfromsoil）NDFF%=×100NDFS%=1–NDFF%植物样品中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营养物质（如氮）有两个来源，一个是土壤中固有的营养物质（土壤氮）即“A”，另一为已知数量的施入土壤的营养物质（肥料氮），而用作物对两个来源的氮吸收几率相等。也即：“A”值NDFS%施肥量（公斤氮/公顷）NDFF%=“A”值=×施肥量（公斤氮/公顷）由表1可得：地上部：×200（公斤氮/公顷）=110（公斤氮/公顷）“A”值可用于评价土壤肥力状况，定量地评定同土壤有效养分水平密切相关的因素。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/公顷）施氮量（kg/公顷）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、环境科学研究一个研究实例珠江三角洲铅及相关重金属的污染源和污染程度的评估资料来源：常向阳等，元素-同位素示踪在环境科学研究中的应用，广州大学学报(自然科学版)Vol.1No.13,2002年5月。研究背景•铅对人体具有多方面的毒性，可导致智力低下、造血机能障碍、高血压、肾病等[1]。•大气铅污染是对人体健康危害十分严重的无机污染；它主要来自汽油燃烧产生的汽车尾气和工业用铅。科学家已对铅的污染源和污染程度进行了大量铅同位素示踪研究，铅同位素示踪已成为追踪污染源和评价污染程度的有效方法。[1]孟金萍等，铅的生物学毒性效应,《中国比较医学杂志》，2007，Vol.17,58-62.工业用铅广东地区大的铅锌矿床和生产基地主要在粤北南岭地区,其中超大型的凡口铅锌矿供应工业用铅占绝对优势地位,可能为主要的工业铅污染源.该矿方铅矿样品铅同位素平均值与区域背景值相比以明显低的206Pb/204Pb为特征（见表1）。汽车尾气汽油燃烧产生的污染铅以206Pb/207Pb比值比较,特别珠江三角洲的铅同位素背景值明显不同（见表1）。表1珠江三角洲部分地区污染铅与本区背景的铅同位素组成平均值铅同位素指标206Pb/204Pb207Pb/204Pb208Pb/204Pb206Pb/207Pb广州地区汽车尾气铅18.09715.57737.7401.1604广东背景珠江三角洲18.57415.68538.9371.1842广东凡口铅锌矿18.38215.69038.7931.1716广州市郊白云山雨水18.18515.65138.5471.1619广州市郊白云山尘埃18.13115.62038.2291.1610结论（1）珠江三角洲地区的汽车尾气污染铅、工业污染铅与自然背景铅存在着十分显著的铅同位素组成差别,应用同位素示踪方法可将这3种铅区分开。（2）广州白云山顶汽车尾气引起的大气铅污染也相当严重。本讲总结一、讲述的内容：稳定同位素示踪技术，包括：原理、测定方法以及其应用。其中重点：稳定同位素示踪原理难点：稳定15N的测定方法二、课后复习的要求