稳定同位素示踪技术

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：

15N

15N+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%=

元素

同位素

自然相对丰度（%）

样品来源H1H2H（D）99.9850.0147

新鲜的表面淡水C12C13C98.8921.108

捷克特波利兹石灰石N14N15N99.6350.365

大气中的氮气

O16O17O18O99.7590.03740.2039

大气中的氧气几种化学元素的稳定同位素

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%)

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。/product/

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。MAT253型同位素比值质谱仪为德国Finnigan公司制造，可以精确测量13C、15N、18O、34S和H/D的相对同位素丰度。最多有10个积分通道用于多种离子流的同时测量。

FlashEA1112型元素分析仪与MAT253型同位素比值质谱仪联机（EA-C(ConFloIII)-IRMS）可以在线测定固体(或液体)样品的C、N同位素组成。

稳定同位素质谱仪

DELTAplusAdvantage美国

菲尼根质谱公司

主要指标

质量范围：1-70Dalton（道尔顿）at3KV

分辨率（m/Dm）：=95（C、N、O、S）

精密度：优于0.2‰（C、N、O、S）

V电离室出口缝·R1R2M1M2出口加速电压

1/2M1v12=eV（1）

M1v12

R1

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的离子强度同位素质谱仪euro-03

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)p22pqp2q

15N

14N+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