第六章 稳定性同位素示踪法
同位素示踪法和同位素标记法
同位素示踪法和同位素标记法
同位素示踪法和同位素标记法都是利用同位素在生物、化学、地球科学等领域中的应用手段。
同位素示踪法指的是通过在样品中添加含放射性同位素的化合物，通过对其衰变方式进行测量，从而追踪样品在化学反应、代谢等过程中的变化。
而同位素标记法是在样品中添加非放射性同位素作为标记，利用这些同位素的特性探究样品在不同反应中物质的行为。
同位素示踪法对于现代化学和生物领域有着非常重要的应用，特别是在生命科学的研究中起着至关重要的作用。
比如说，在病毒研究中，同位素示踪法可以帮助研究人员确定病毒在体内如何复制，从而有助于研发新的治疗方法。
在食品化学中，同位素示踪法也能够用于分析食物成分的代谢途径，从而实现对胰岛素敏感性的评估以及准确评估营养摄入量。
同位素标记法则多用于原子轨道探测及量子物理中，目前主要用于分子生物学、药物研发等领域。
在分子生物学中，同位素标记法可用于研究许多重要的生物学过程。
例如基因表达研究、细胞分裂、DNA修复等等。
在新药研发方面，同位素标记法可以协助科学家确定新型药物在体内耗散的运动方式，从而更加准确地评估其药效。
总的来说，同位素示踪法和同位素标记法具有广泛的应用，尤其是在生命科学、物理化学、地球科学等领域中。
这些技术的应用，不仅为科学家的研究提供了新的手段，也为人类的生活带来了更多的希望和机遇。
华中农业大学同位素示踪技术讲课提纲七
af = 1.37-0.37 = 1.0%
∴ Ndff = ap/af = 0.3/1.0 = 30%
Npf = Np×Ndff = 30Kg/亩×30% = 9Kg/亩
施入尿素量：W = 20/40% = 80Kg/亩
肥料N素利用率：R = Npf/Nf= 9/20 = 45%
①15N2还原法（Burris,1941）:充15N2密室进行
NdfA=a样/a气×100%
固氮量=NdfA×总N量 ②同位素稀释法（J、O、Legg等，1975），15N施入土壤
NdfA=1- a固/a非
③AN值法（M、Fried等，1975），田间种固N、非固N NdfA=(As + Afix - As) ×NdfF/Af As、Af、Afix分别代表土壤、肥料、大豆有效N量。 NdfF:来自肥料N素的比例。
Ndff = ap/af×100% （设N素来源于土壤
和肥料二方面） （3）
af：肥料N的原子百分超（或动物饲料N的原 子百分超，此时又多了一个动物排泄因素）。
上片解释见第五章第37片同位 素稀释法
4 、 植 物 从 土 壤 中 摄 取 N 的 % （ Percentage of in the plant tissue derived from
(2) 仪器的本底检查。
(3)离子峰的选择（14N和15N的峰比28N、29N小 10倍，选28N、29N、30N）。
(4) 仪器精确度检查（检查去O2后的空气或 纯N气）。
2.分析样品的制备：
(1) K氏法（Kjeidali） 质谱分析常用法。
A.样品的消化：（例：0.05g植样
+10ml 浓 H2S04+3.3gSe:CuSO4:K2SO4 为 1:10:100混合催化剂→样液清亮再消煮 5h （ 土 ） 或 2h( 植 ) ， 温 度 120-140℃ 。 样品予处理：水杨酸—硫酸法：5g干土 或0.5g植样+12ml水杨酸：硫酸为50g： 1000ml 溶 液 中 放 置 30min ， 再 加 2.5g 硫 代硫酸钠和15ml水，缓缓加热至停出起 泡→冷却→常规消化）。
同位素示踪法的应用
同位素示踪法的应用
同位素示踪技术是利用放射性同位素或经富集的稀有稳定核素作为示踪剂，研究各种物理、化学、生物、环境和材料等领域中科学问题的技术。
示踪剂是由示踪原子或分子组成的物质。
示踪原子（又称标记原子）是其核性质易于探测的原子。
含有示踪原子的化合物，称为标记化合物。
理论上，几乎所有的化合物都可被示踪原子标记。
一种原子被标记的化合物，称为单标记化合物，两种原子被标记的化合物，则称为双标记化合物。
自然界中组成每个元素的稳定核素和放射性核素大体具有相同的物理性质和化学性质，即放射性核素或稀有稳定核素的原子、分子及其化合物，与普通物质的相应原子、分子及其化合物具有相同的物理和化学性质。
因此，可利用放射性核素或经富集的稀有稳定核素来示踪待研究的客观世界及其过程变化。
通过放射性测量方法，可观察由放射性核素标记的物质的分布和变化情况，对经富集的稀有稳定核素或者可用质谱法直接测定，亦可用中子活化法加以测定。
同位素地球化学
16
4)重核裂变：重放射性同位素自发地分裂为2—3片原子量 大致相同的“碎片”，各以高速度向不同方向飞散，如238U， 235U，232Th都可以发生这种裂变。
在自然界中，有些同位素只需通过一次某种固定形式的衰 变，即可变成某种稳定同位素：
87 37
Rb
3887
Sr
但是，有些放射性同位素需经过一系列的各种衰变才能变
ΔR = R样品 - R标准
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3.同位素成分表示方法：
3）样品相对于标准样品R的偏离程度（千分率）： Δ(‰)=（R样—R标）/R标×1000 =(R样/R标—1) ×1000
例如对34S/32S相对于标准样品的富集程度， 即以 δ34S‰ 来表示： δ34S(‰)=[((34S/32S)样/(34S/32S)标)-1] ×1000
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(一)放射性衰变定律
放射性同位素的特性： ①放射性同位素在原子核内部发生衰变，其结果是从一 个核素转变为另一个核素； ②衰变是自发的、永久不息的一种恒制反应，而且衰变 是按一定比例的； ③衰变反应不受任何温度、压力、元素的存在形式及其 物理化学条件的影响； ④衰变前核素和衰变后核素的原子数，只是时间的函数。
习惯上把微量（较小相对丰度）同位素放在R的分子上，这样可以 从样品的δ值，直接看出微量同位素比标准样品是富集了，还是贫化 了。
δ＞0表示34S比标准样品是富集了； δ＜0表示34S比标准样品是贫化了。
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4）同位素标准样品
同位素分析资料要能够进行世界范围内的比较，就必须建立世界 性的标准样品。世界标准样品的条件：
6
(一) 核素的性质
(1)核素具有电荷：一个质子带有一个单位的正电荷，原子的核电荷数等于质 子数，并由此决定原子的核外电子数。核电荷数一旦改变就变成了另外一种元素， 同时核电荷数也影响着核的组成及结构，即决定核的稳定性。
稳定性同位素示踪法
700℃ CuO 、 CaO 使 用 前 用 700℃ 高 温 12烘 干 除 去 CO2 ， H2O ， 并 在 122 压力下制成棒状 , 备光谱 18Kg/cm 18Kg/cm 压力下制成棒状, 分析
通电予热仪器10分钟，打开光电倍增管高压 通电予热仪器10分钟，打开光电倍增管高压 10分钟
大气中的氮气
大气中的氧气
氮的同位素表
射线种类 β+ β+ ββ半衰期 0.011S 9.96m 7.1S 4.15S 99.635 0.365 自然丰度
同位素
12N
13N
14N
15N
16N
17N
1978年国际纯化学和化学联合会 年国际纯化学和化学联合会IUPAC的命名 年国际纯化学和化学联合会 的命名 法: 1. 结构式 15[N]HCl 结构式: 物质不存在) 物质不存在
4.“Y”型管及内部反应抽气须彻底 ， 型管及内部反应抽气须彻底， Y 型管及内部反应抽气须彻底 防其它气体干扰。 防其它气体干扰。
以下在光谱仪上进行, 以下在光谱仪上进行 , 可用液体样 品也可用干样品
(2).杜马法（Dumas） (2).杜马法（Dumas） 杜马法
—光谱分析中常用法 光谱分析中常用法
峰高。 峰高。
求得平均峰高，计算15N丰度。 求得平均峰高， 丰度。 平均峰高
15N实验结果计算 七．
14、15的质量比28、29、30的小10倍 的质量比28 的小10 14、15的质量比28、29、30的小10倍 不参加运算
15N丰度小于5%: 当 丰度小于5
质量为28离子流强度/质量为29 28离子流强度 R = 质量为28离子流强度/质量为29 子流强度
放电管装入燃烧室固定架上 放电管装入燃烧室固定架上。 装入燃烧室固定架上。
稳定性同位素
稳定性同位素示踪法
概述：
1、1912年，Thomson首发现稳定性核素20Ne 和22Ne（氖）。 2、1929年，Naude发现了15N。
3、1937年，Urey等首次报道人工生产15N的 方法。
4、1940年，先后获得具生物意义的15N、18O 和2H大量生产。
5. 1947年9月在美国Wisconsin大学召开了“同位素 在生物学和医学中应用”专题讨论会，从此开始 了稳定性核素示踪技术应用的新纪元。
(4) 仪器精确度检查（检查去O2后的空气或 纯N气）。
2.分析样品的制备：
(1) K氏法（Kjeidali） 质谱分析常用法。
A.样品的消化：（例：0.05g植样+10ml浓
H2S04+3.3g催化剂（Se:CuSO4:K2SO4为1:10:100） → 样 液 清 亮 再 消 煮 5h （ 土 ） 或 2h( 植 ) ， 温 度 120-140℃。
3.予测样品测定项目……
五、质谱和光谱测定15N原理
14N和15质量不同 质谱：把N2离子化为28N-N2，29N-N2 ，30N-N2 使其 在均匀磁场中发生不同角度偏转 光谱：28N-N2：谱线波长为2976.8埃
29N-N2：谱线波长为2982.9埃 30N-N2：谱线波长为2988.6埃
1800的均匀磁场
即某核素在该组同位素中浓度。
自然丰度（Natural abundaa） A自(AO)
15N：0.365%、18O:0.204%
原子百分超（Atom percent excess） a
a = A-A自 又称富集度（Enrichment）
富集15N（Enriched 15N） 贫化15N（Depeled 15N )
[讲解]同位素示踪法
![[讲解]同位素示踪法](https://img.taocdn.com/s3/m/8456fb66dd88d0d232d46aaa.png)
[讲解]同位素示踪法同位素示踪法同位素示踪法在高中生物学实验中的应用同位素示踪法是利用放射性核素作为示踪剂对研究对象进行标记的微量分析方法，即把放射性同位素的原子参到其他物质中去，让它们一起运动、迁移，再用放射性探测仪器进行追踪，就可知道放射性原子通过什么路径，运动到哪里了，是怎样分布的。
同位素示踪法是生物学实验中经常应用的一项重要方法，它可以研究细胞内的元素或化合物的来源、组成、分布和去向等，进而了解细胞的结构和功能、化学物质的变化、反应机理等。
用于示踪技术的放射性同位素一般是用于构成细胞化合物的重要元素，如3H、14C、15N、18O、32P、35S、131I等。
在高中生物学教材中有多处涉及到放射性同位素的应用，下面笔者对教材中的相关知识进行归纳如下:1 研究蛋白质或核酸合成的原料及过程把具有反射性的原子参到合成蛋白质或核酸的原料(氨基酸或核苷酸)中，让它们一起运动、迁移，再用放射性探测仪器进行追踪，就可知道放射性原子通过什么路径、运动到哪里以及分布如何。
2 研究分泌蛋白的合成和运输用3H标记亮氨酸，探究分泌性蛋白质在细胞中的合成、运输与分泌途径。
在一次性给予放射性标记的氨基酸的前提下，通过观察细胞中放射性物质在不同时间出现的位置，就可以明确地看出细胞器在分泌蛋白合成和运输中的作用。
例如，通过实验说明分泌蛋白在附着于内质网上的核糖体中合成之后，是按照内质网?高尔基体?细胞膜的方向运输的，从而证明了细胞内的各种生物膜在功能上是紧密联系的。
3 研究细胞的结构和功能用同位素标记氨基酸或核苷酸并引入细胞内，探测这些放射性标记出现在哪些结构中，从而推断该细胞的结构和功能。
4 探究光合作用中元素的转移利用放射性同位素18O、14C、3H作为示踪原子来研究光合作用过程中某些物质的变化过程，从而揭示光合作用的机理。
例如，美国的科学家鲁宾和卡门研究光合作用中释放的氧到底是来自于水，还是来自于二氧化碳。
他们用氧的同位素18O 分别标记H2O和CO2，使它们分别成为H218O和C18O2，然后进行两组光合作用实验:第一组向绿色植物提供H218O和CO2，第二组向同种绿色植物提供H2O和C18O2。
同位素示踪法 丝氨酸
同位素示踪法丝氨酸
同位素示踪法是一种科学研究方法，通过使用同位素标记物质，可以追踪其在生物体内的代谢和转化过程。
丝氨酸是一种氨基酸，它在蛋白质合成以及其他生物代谢过程中发挥重要作用。
同位素示踪法可以通过标记丝氨酸的同位素来研究生物体内丝氨酸的代谢路径和动态变化。
例如，通过使用氘（氢的同位素）标记丝氨酸，在饲料中加入氘标记的丝氨酸，可以追踪这些标记丝氨酸在生物体内的代谢过程。
科学家可以通过检测组织样本中标记丝氨酸的含量和其代谢产物，来了解丝氨酸在生物体内的利用、合成和分解过程，从而深入研究蛋白质合成、氨基酸代谢和相关生物学过程。
同位素示踪法对于生物体内复杂的代谢过程提供了一种精细的研究手段，能够帮助科学家更深入地理解生物体内的化学反应和代谢途径，对于生物医学研究、药理学研究以及生物化学等领域具有重要意义。
稳定同位素示踪技术全解
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。
15N原子% 15N + 14N
15N
× 100
= 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。
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、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。
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。
化学反应中的同位素示踪实验方法探讨研究
化学反应中的同位素示踪实验方法探讨研究同位素示踪实验方法在化学反应研究中发挥着重要的作用。
通过替代化学反应物中的同位素，科学家们可以追踪反应过程中同位素的移动和转化，从而揭示出化学反应的机理和动力学。
本文将探讨几种常见的同位素示踪实验方法，并介绍其原理和应用。
一、同位素标记法同位素标记法是一种常见的同位素示踪实验方法。
它通过将待反应的化合物中的某个原子或官能团替换成同位素标记的化合物，来追踪同位素在反应中的转换和分配。
同位素标记法可以通过不同的同位素选择来实现对不同反应过程的研究。
例如，在有机合成化学中，常用的同位素标记法是将13C或2H等稳定同位素标记到化合物的特定位置。
这种方法能够提供有关化合物的结构、构象和反应动力学的重要信息。
另外，同位素标记法在药物代谢研究中也有广泛的应用，可以追踪药物在体内的代谢途径和消除速率。
二、同位素交换法同位素交换法是另一种常见的同位素示踪实验方法。
它通过使用标记同位素与待反应的化合物进行同位素交换，实现对反应过程中原子转移的研究。
同位素交换法可以提供有关反应机理和催化剂的信息，对于理解复杂的化学反应有着重要的作用。
一种常见的同位素交换方法是氢氘交换法。
在氢氘交换法中，氢原子会与氘原子交换位置，通过质子核磁共振技术等手段可以观察到交换过程的动力学和热力学参数。
这种方法在有机化学和生物化学中有广泛的应用，可以揭示化学反应的具体机制和过渡态的形成。
三、同位素示踪法同位素示踪法是一种直接追踪同位素在反应中的移动和转化的方法。
通过在化学反应物中引入同位素示踪剂，可以追踪同位素在反应过程中的转化情况。
同位素示踪法在研究底物的转化率、反应速率和发生路径等方面具有重要价值。
例如，在环境科学领域，同位素示踪法可以用于追踪有害物质在土壤或水体中的迁移和转化。
通过标记同位素的示踪剂，科学家们可以准确测定有害物质的分布和迁移速率，为环境保护和资源管理提供重要依据。
总结起来，同位素示踪实验方法是化学反应研究中的一项重要工具。
稳定同位素示踪技术全解
(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%
NDFS% “A”值 = × 施肥量（公斤氮/公顷） NDFF%
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
氮元素的同位素
同位素
12N
射线种类
半衰期
自然丰度 (原子%)
13N
14N 15N 16N 17N 18N
β+ β+
0.011s 9.96min 99.635 0.365
β β β
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。
15N原子% 15N + 14N
15N
× 100
= 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。
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。
同位素示踪技术的原理及应用阐释
剂$研究各种物理)化学)生物)环境和材料等领域中科
学问题的技术&
原 "4%! 理!自然界中组成每种元素的稳定核素和放
射性核素大体具有相同的物理性质和化学性质& 因
此$可利用放射性核素或经富集的稀有稳定核素来示
踪待研究对象的客观状态及其变化过程& 通过放射性
测量方法$可观察由放射性核素标记的物质的分布和
标记的化合物$则称为双标记化合 同位素置换后的化合物$其化学性
物 质
如! " 通常
没^"
%( P"
有明
&
显
用 变
化$可参与同类的化学反应& 但它易于测定$故可用来
研究该化合物的运动和变化的规律&
"4+4%!稳定同位素标记化合物!用经富集的稀有稳
定同位素取代化合物分子中的一种或几种原子& 它与
未标记的相应化合物具有相同的化学及生物学的性
机& 对于教师来说$能及时发现学生的问题$得到相关教 学反馈$有利于教师进行教学方法及教学过程的改进&
-基金项目# 江苏省研究生培养创新工程(高中生
"#%"$&"!"" , )(4
0 + 1 邢丽贞$张向阳$张!波$等4藻菌固定化去除污水中氮磷营养 物质的初步研究0914环境科学与技术$"##$$"&!%", ++ +)4
!"同位素
原子序数相同!即具有相同数目质子"的原子$具有
相同的化学性质$都属于同一种元素& 尽管一种元素的
所有原子都含有同样多的质子$但它们却可能具有不同
稳定性同位素核酸探针技术DNASIP原理与应用
结论
总之，稳定性同位素核酸探针技术（DNASIP）作为一种新型的DNA检测技术， 具有巨大的应用潜力和发展前景。通过进一步的研究和技术改进，有望在未来的 生物医学领域发挥更加重要的作用。
参考内容
内容摘要
稳定性同位素技术是一种基于同位素比率的独特分析方法，它已经被广泛地 应用于生态学研究。这种技术能够提供关于生物过程、生态系统结构和功能的独 特视角，进一步推动我们对生态系统复杂性的理解。本次演示将探讨稳定性同位 素技术在生态学上的应用，包括食物链分析、生态系统碳循环、水文学研究以及 全球变化影响等方面。
引言
引言
DNA检测技术是生物医学领域中的重要工具，对于法医学、遗传学、疾病诊断 等多个领域都具有重要意义。然而，传统的DNA检测方法存在一定的局限性，如 灵敏度不高、特异性不强等。因此，开发新型的DNA检测技术一直是生物医学领 域的研究重点。近年来，稳定性同位素核酸探针技术（DNASIP）的发明为DNA检 测技术的发展带来了新的突破。
原理部分
原理部分
DNASIP的基本原理是核酸杂交与同位素示踪。在DNASIP中，探针是具有特定 序列的核酸片段，通过与目标DNA序列进行互补性杂交，形成双链DNA分子。这种 杂交过程具有很高的特异性和亲合力，可以有效地将目标DNA序列富集和纯化。 此外，探针上标记有稳定性同位素，如碳-13或氮-15等，这些同位素在质谱分析 中可以被检测出来。
解决方案
ห้องสมุดไป่ตู้
解决方案
稳定同位素探针技术是一种新兴的技术，通过向污染物中添加同位素标记的 化合物，追踪污染物在生物降解过程中的变化，从而了解生物降解的途径和速率。 具体方法包括：
解决方案
1、选择适当的同位素标记化合物，将其与有机污染物混合，使其成为新的标 记污染物；
[讲解]同位素示踪法
[讲解]同位素示踪法同位素示踪法同位素示踪法在高中生物学实验中的应用同位素示踪法是利用放射性核素作为示踪剂对研究对象进行标记的微量分析方法，即把放射性同位素的原子参到其他物质中去，让它们一起运动、迁移，再用放射性探测仪器进行追踪，就可知道放射性原子通过什么路径，运动到哪里了，是怎样分布的。
同位素示踪法是生物学实验中经常应用的一项重要方法，它可以研究细胞内的元素或化合物的来源、组成、分布和去向等，进而了解细胞的结构和功能、化学物质的变化、反应机理等。
用于示踪技术的放射性同位素一般是用于构成细胞化合物的重要元素，如3H、14C、15N、18O、32P、35S、131I等。
在高中生物学教材中有多处涉及到放射性同位素的应用，下面笔者对教材中的相关知识进行归纳如下:1 研究蛋白质或核酸合成的原料及过程把具有反射性的原子参到合成蛋白质或核酸的原料(氨基酸或核苷酸)中，让它们一起运动、迁移，再用放射性探测仪器进行追踪，就可知道放射性原子通过什么路径、运动到哪里以及分布如何。
2 研究分泌蛋白的合成和运输用3H标记亮氨酸，探究分泌性蛋白质在细胞中的合成、运输与分泌途径。
在一次性给予放射性标记的氨基酸的前提下，通过观察细胞中放射性物质在不同时间出现的位置，就可以明确地看出细胞器在分泌蛋白合成和运输中的作用。
例如，通过实验说明分泌蛋白在附着于内质网上的核糖体中合成之后，是按照内质网?高尔基体?细胞膜的方向运输的，从而证明了细胞内的各种生物膜在功能上是紧密联系的。
3 研究细胞的结构和功能用同位素标记氨基酸或核苷酸并引入细胞内，探测这些放射性标记出现在哪些结构中，从而推断该细胞的结构和功能。
4 探究光合作用中元素的转移利用放射性同位素18O、14C、3H作为示踪原子来研究光合作用过程中某些物质的变化过程，从而揭示光合作用的机理。
例如，美国的科学家鲁宾和卡门研究光合作用中释放的氧到底是来自于水，还是来自于二氧化碳。
他们用氧的同位素18O 分别标记H2O和CO2，使它们分别成为H218O和C18O2，然后进行两组光合作用实验:第一组向绿色植物提供H218O和CO2，第二组向同种绿色植物提供H2O和C18O2。
同位素示踪法
同位素示踪法放射性同位素的应用-同位素示踪法同位素示踪法（isotopic tracer method）是利用放射性核素作为示踪剂对研究对象进行标记的微量分析方法，示踪实验的创建者是Hevesy。
Hevesy于1923年首先用天然放射性212Pb研究铅盐在豆科植物内的分布和转移。
继后Jolit和Curie于1934年发现了人工放射性，以及其后生产方法的建立（加速器、反应堆等），为放射性同位素示踪法的更快的发展和广泛应用提供了基本的条件和有力的保障。
一、同位素示踪法基本原理和特点同位素示踪所利用的放射性核素（或稳定性核素）及它们的化合物，与自然界存在的相应普通元素及其化合物之间的化学性质和生物学性质是相同的，只是具有不同的核物理性质。
因此，就可以用同位素作为一种标记，制成含有同位素的标记化合物（如标记食物，药物和代谢物质等）代替相应的非标记化合物。
利用放射性同位素不断地放出特征射线的核物理性质，就可以用核探测器随时追踪它在体内或体外的位置、数量及其转变等，稳定性同位素虽然不释放射线，但可以利用它与普通相应同位素的质量之差，通过质谱仪，气相层析仪，核磁共振等质量分析仪器来测定。
放射性同位素和稳定性同位素都可作为示踪剂（tracer），但是，稳定性同位素作为示踪剂其灵敏度较低，可获得的种类少，价格较昂贵，其应用范围受到限制；而用放射性同位素作为示踪剂不仅灵敏度，测量方法简便易行，能准确地定量，准确地定位及符合所研究对象的生理条件等特点：1.灵敏度高放射性示踪法可测到10-14－10-18克水平，即可以从1015个非放射性原子中检出一个放射性原子。
它比目前较敏感的重量分析天平要敏感108-107倍，而迄今最准确的化学分析法很难测定到10-12克水平。
2.方法简便放射性测定不受其它非放射性物质的干扰，可以省略许多复杂的物质分离步骤，体内示踪时，可以利用某些放射性同位素释放出穿透力强的r射线，在体外测量而获得结果，这就大大简化了实验过程，做到非破坏性分析，随着液体闪烁计数的发展，14C和3H等发射软β射线的放射性同位素在医学及生物学实验中得到越来越广泛的应用。
稳定同位素示踪技术概要
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+ + 3NaBrO N2↑+ 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。
·
M2 R2
R1 加速 V 电压
（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 [15N15N]+ [15N14N]+ [14N14N]+ [15N]+ 和[15N15N]+ + [15N14N]+ + [14N]+和[14N 14N]++ 质荷比 30 29 28 15 14.5 14
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 =
p2 2pq p 2q
=
(4)
15N原子%
= = =
15N 14N
+
q
15N
× 100
p+q
1 2R + 1
×100 × 100
(5)
（5）式就是通用的以同位素离子强度
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。
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注意事项：
1.同位素交换反应：在一定条件下，标记 的铵盐可与大气发生反应：
15NH+
15N丰度高时应注意。
4
14 水溶液 + NH
3
14 + → NH
4
15 水溶液 + NH
3
14 13 12 2. 同位素效应：藻类对 C 、 C 、 C 的吸
收依次递减。
3.予测样品测定项目……
15 五、质谱和光谱测定 N原理
意大利天然硼酸盐
C
12C
捷克扑利兹石灰石
13C
1.108
99.635 0.365 大气中的氮气
N
14N 15N
O
16O
17O 18O
99.759
0.0374 0.2039
大气中的氧气
氮的同位素表
同位素
12N 13N 14N 15N 16N 17N 18N
射线种类 β β β β β
+ +
半衰期 0.011S 9.96m 7.1S 4.15S 0.63S
2.N素在不同部位分布的不均匀性
3.分析测定技术所能达到的精度。
15N 示 踪 法 引 入 N 素 肥 料 的 丰 度 计 算
参考公式
af = Wp• Rp• ap/Nf• RN
式中： af：N素肥料的原子百分超 Wp：植物总重量（待测） ap：植物样品中原子百分超 Rp：植物样品中含N百分率
Nf：施纯N量 RN：N肥利用率
5. 1947年9月在美国Wisconsin大学召开了“同位素
在生物学和医学中应用”专题讨论会，从此开始
了稳定性核素示踪技术应用的新纪元。
6. 近20年，稳定性核素示踪技术迅速发展，分离分析方 法取得了较大突破，13C、2H、18O、15N广泛应用于生物 学、医学、环保、农药、农学、微生物等研究领域。我 国先后分离了25种元素的100多种稳定性核素，例如：
B.蒸馏：
用蒸汽蒸馏将消化液中 NH3 分离出来， 并测定总N。 方法：消化液中加过量40%NaOH,释放的NH3 被蒸汽逐出，经冷凝后被 2% 硼酸吸收，加 入混合指示剂用标准硫酸滴定（设置一个 标准液）。 此步骤将NH3-N转变成了NH4+-N（铵态N）， 仪器分析适宜量1mgN/样品2-3ml(浓缩或稀 释) 。
2.分析样品的制备：
(1) K氏法（Kjeidali）
质谱分析常用法。
A. 样品的消化： （例： 0.05g 植样
+10ml 浓 H2S04+3.3gSe:CuSO4:K2SO4 为 1:10:100 混合催化剂→样液清亮再消煮 5h （土）或 2h( 植 ) ，温度 120-140℃。 样品予处理：水杨酸 —硫酸法：5g干土 或 0.5g 植样 +12ml 水杨酸：硫酸为 50g ： 1000ml 溶液中放置 30min ，再加 2.5g 硫 代硫酸钠和15ml 水，缓缓加热至停出起 泡→冷却→常规消化）。
4.无衰变，实验时间不受限制。
5.可进行放射性示踪法难以进行的实验。
例：N素中T最长的13N：T=9.096m
三. 稳定性同位素分析法的基本流程
同位素引入生物体
动植物原始样品
仪器所需的待测样品 进样过程
质谱分析法
记录
光谱分析法
实验结果分析
四
15 .影响 N引入丰度的因素
15 1.实验材料对 N的稀释程度。
15N标记化合物就有30余
种。
几个概念
稳定性同位素（Stable isotope） 丰度（Abundance） A 即某核在该组同位素中浓度(通常指人工加浓 了 的 )。 自然丰度（Natural abundaa） A自(AO) 15N：0.365%、18O:0.204% 原子百分超（Atom percent excess） a a = A-A自 又称富集度（Enrichment） 富集15N（Enriched15N） 贫化15N（Depeled15N )
核素
14N
15N
A （ %）
质量数
99.635
0.365
14
15
注意：由于同位素之间的质量差异，因此 它们的物理、化学、生物化学等性质会有 所不同，进行实验时，需注意同位素效应。
二. 稳定性同位素示踪法的特点：
1.无放射性，无辐射效应及不良影响。 2.安全、对人无伤害。
3.无污染，不受环境条件限制。
14N和15质量不同
质谱：把 N2 离子化为 28N-N2 ， 29N-N2 在均匀磁场中发生不同角度偏转 2 光谱：28N-N2：谱线波长为2976.8埃
29N-N
30N-N
，
30N-N
2
使其
2：谱线波长为2982.9埃
2：谱线波长为2988.6埃
-
1800的均匀磁场
加 速 电 压
出口
入口
六.供仪器待测NH4
+-N转化为N
气 : 2
在真空条件下，将上述样品与次溴酸钠 反应，放出 N 气（在质谱仪内进行）详
见书15N章节。
制样时注意：
1.所有试剂纯度要高。 2.消化要完全。
3. 防止样品间交叉污染（每个样品 蒸馏前用蒸馏15ml乙醇洗器皿）。 4.“Y” 型管及内部反应抽气须彻底， 防其它气体干扰。
一.稳定性同位素示踪法的基本依据：
1.自然界中一种元素同位素组成是相对恒定
2.同一元素的同位素具有相同的化学性质
3.同一元素的同位素之间存在质量差异
重要化学元素的稳定性同位素
元素
H
同位素
1H 2 H(D)
自然丰度
99.985 0.0147
样品来源
新鲜的表面淡水
B
10B 11B
18.46
81.54 98.892
自然丰度
99.635 0.365
稳定性同位素标记物的命名
1978年国际纯化学和化学联合会IUPAC的命名 法: 1. 结构式: 15[N]HCl 物质不存在) 或15NHCl（这样純的
2. 单标记化合物: H215N-CO-NH2 15N-尿素， 15 例如 N的丰度可为5%，10%，15%…… 3. 双标记化合物(一个同位素): H215N-CO-15NH2 尿素 4. 混合标记化合物: 尿素 ( 15NH2)13CO (13C15N)
1.对待测样品的要求：
(1) 因为测量的是不同质量离子流的相对含 量，因此，保证有一定的 N 量即可。一般要求 含N量1mg/ml最少不低于0.5mg。 (2) 仪器的本底检查。 (3)离子峰的选择（14N和15N的峰比28N、29N小 10倍，选28N、29N、30N）。 (4) 仪器精确度检查（检查去 O2 后的空气或 纯N气）。