第3章同位素示踪技术

辐射自分解
标记化合物的辐射对其自身所产生的离解 作用。
微量和低浓度
操作量为微居里 (10-7-１０-14g )，因浓 度低，单独不易沉淀，并易吸附损失，在操作 时常需加入同位素载体，以避免吸附或进行共 沉淀。
4)贮藏
开瓶分装,降低放射性溶液的浓度，降低比活度。 低温(2-4℃)及避光保存。
Light isotopes 1H (99.9844%) 14N(99.634%) 12C(98.892%)
32S(95.02%)
16O(99.759%)
标记化合物
通过富集标记元素的稀有同位素核素 或贫化其普通同位素核素所形成的化合物， 以及核素的自然丰度因环境而异有较大的 同位素分馏变异，带有原位标记“指纹” 特点的化合物。
估值法
aA0 At et (n/)et
m WCPdf f WCP df f
式中，W，C为试样重及物质浓度或含量；Pdff为来自示 踪剂的比率。
倒推法
以盆栽为例，设植株总重M2 ，试样重M1 最低计数
率n (n≧4nb本底)。考虑：
不均匀分布因子P1
试样的平均计数率： n
n p1
仪器的探测效率 试样的活度：
同位素交换
RH+T2
RT+ HT
RH+T2O
RT+THO
氚标可用所谓的气爆法进行.把底物涂到石英瓶内, 抽真空后,充入氚气,通过高频放电或紫外光照射使氚 气活化,促进交换.反应结束,抽吸剩余氚气,用易挥发 溶剂转移产物,最后除去溶剂.
3)特点
组成及总量不恒定
R13I1 RXe
放射性纯度 所需放射性核素的活度占标记化合物制剂总 放射性活度的百分数。
1)化学及生物学性质 1)化学及生物学性质
同一的示踪性
同一的示踪性
2)物理性质差异的可 2)物理性质差异的可
探测性
探测性
3)同位素的天然组成 恒定
在水文、地理及生物学中，相关周期表中的同位素要览。点击黄色标 注的元素，即可链接到相应网页，可获得关于其特性及应用的简要说 明。LINK：USGS（ U.S. Geological Survey）
am Aw nc1 20.1 4 /1 0 0 .8 6 0 0 3110 d 0 p/gm
3 11d 0 0g p2 .2 m 1 1 26d 0 c p i1 m 30 m g 1 g .5 3 c/m i g
有内源
此种情况下，示踪剂在系统中被稀释。对示踪剂 比活度的估计，除要考虑仪器的探测效率和实验期间 放射性衰减外，必需考虑稀释作用的影响。示踪剂的 比活度可由如下两种方法之一估计。
0.0186
0.156 1.711 0.167 0.258 0.274(45.8) γ …. 0.467(52.7) 1.566(0.3
3.2.1放射性同位素
标记化合物 化合物分子中某一元素的一个或数个普通核
素原子被其放射性同位素核素原子所替代。 1)标记方式 均匀标记［U］ 标记原子在相应位置均匀分 布，丰度相同，由生物合成产生。 不定位标记[G] 标记原子在相应位置丰度 不同，由同位素交换法产生。 定位标记 标记原子在分子中有确定位置，由 化学合成产生。
3.Florian wechern, el at, 2019. Soil Biology ＆ Biochemistry 39,2527-2537.
研究目的：土壤根源性C和N的沉积及其归宿。
实验：田间小区。
示踪剂：14C-蔗糖，15N-尿。
标记方法：茎部饲喂。标记溶液1ml浓度2%(w/v),13C丰度 为99%的蔗糖和浓度0.5%(w/v)，15N丰度为99%的尿素。 引入方法,在距根部约3cm的茎处钻0.5mm的洞，用灯芯 与盛标记溶液的带盖试管相连，用硅胶密封连接处。
示踪剂量的估算
引入量 ➢ 标记化合物的用量，按一般实验要求确定。 ➢ 放射性总活度或比活度，要求能被精确测
量，而又不过强。
分无或有内源物示踪两种情况讨论。
无内源
此种情况下，示踪剂在系统中未被稀释,化合物的 比活度不变，示踪剂的比活度可由对样品活度的要求 直接估计得到。
a示a样m A(nW miC /n)
第3章同位素示踪技术
此处添加副标题内容
第3章 同位素示踪技术
中国农业大学 齐孟文
第3章 同位素示踪技术
同位素示踪 通过同位素标记核素或同位素标记化合物
跟踪研究相关物体运动过程及其规律的一种研 究方法。
§3.1 同位素示踪的基本依据和特点
依据
放射性同位素 元素的同位素具有
稳定性同位素 元素的同位素具有
铝罐内。
2.确定稀释倍数
浓度稀释关系
S0V0 =S1V1 式中，S0、S1和V0、V1分别为稀释 前后制剂的放射性浓(μci/ml)，
及体积。 比活度稀释关系:
a0m0=a1(m0+m1) 式中，a0、a1分别为标记化合物稀 释前后的比活度，m0和m1为标记化 合的质量和所加稳定性同位素载
体的质量。
光合作用二氧化碳的饱浓度为（0.12%-0.18%），一 般向光合作用室引入0.1% ～ 0.2%浓度,最高不0.5%,4CO2 的放射性浓度(a )：整株标记，5Ci/L；标记单个器官， 几百kBq/L；标记大型树木，100 Ci/L。
2. Jessica L.Butler, el at,2019. Soil Biology ＆ Biochemistry 36,371-382.
研究目的：新固定的光合作用产物Байду номын сангаас植物根际的分布与周转。
实验布置：盆栽。
示踪剂：13CO2. 标记方法：整株饲喂。盆栽植物移入气密的透明有机玻璃光合室进
行标记，光合室长×宽×高为40.5×40.5×58.5cm3,每次标记11 个盆。13CO2在光合室直接发生,标记开始时监测光合室CO2的浓度 约为200ppm(v/v)，滴入1.5ml 1.5M乳酸到盛有含22.4mg NaH13CO3(13C丰度为99%),此时光合室CO2的浓度大约升到约 600ppm,待CO2的浓度降到200ppm，再在另一个含22.4mgNaH13CO3 管中发生13CO2,此时CO2升至400ppm,待其再次降到200ppm，将标 记盆移走，放入另一光合室内一段时间，以便使呼出的13CO2被 固定，使标记最大化。
n A1
总样本量M2, 供试植株的总活度：
A2
A1 M1
M2
验期间的衰变 引入时植株的活度： A3＝Ａ2Ｐ2 ，
植株的吸收利用率 应引入的活度：
回代得到：
P2 et
A A3 P3
A n P 1 P 3 2 M M P 2 1(B) q 3 .7 1 n42 0 M P P 1 2 P 3 M 1(c)i
2)制备
有机合成 简单标记化合物复杂标记化物
如：
RMgB1)21r)4CHO2R14COOH
ArMg1B)21r)4CHO2 A1r4COOH
生物合成 饲喂标记前体→生物系统→生物大分子标记
化合物。
生物合成示例
Ba14CO3 H14CO2 光 照 小球藻 [U14C多 ] 糖 H ， 水 解[U14C果 ] 糖[U， 14C葡 ] 萄糖 [U14C蛋 ] 白 质H ， 水 解[U14C]-L-氨基酸
§3.2 标记核素与标记化合物
3.2.1放射性同位素
常用放射性核素
核素 半衰期
衰变方式
β 粒子(MeV) γ 射线(MeV)
3H
12.3y
14C
5730y
32P
14.28d
35S
87.4 d
45Ca 165d
59Fe 44.6d
β- (100) β- (100) β- (100) β- (100) β- (100) β- (100)
放化纯度 在制剂中，标记核素在特定标记化合物中的活 度占该核素总活度的百分数。
放化纯度可用放射性薄层分析测定。
放化纯度说明示例
如碘-131的NaI制剂，除131I-，还可能有 131I2， 13I1O3- ,13I1O4等，若放化[I-131]NaI 的放化纯度>95%，则表示以其他化学状态存 在的碘131<5%。
工作程序 1.核查包装说 例 磷—32 1)标记化合物名称 Na２Ｈ３２ＰＯ4 2)物理化学状态 溶液，无色透
明 3)溶液体积 5 mci/ml 4)比活度 0.5 mci/mmol 5)放射性总活度 2.5 mci 6)放射化学纯度 100% 7)测定日期 2000.3.12 8)包装情况 安培瓶盛装，再置
特点
放射性
1.测量灵敏度高 活度检 测限Amin=1Bq,相应物质的 质量检测限10-12 ～ 1017g
2.能与内源物质相区分， 可在生理稳恒条件进行代 谢研究。
3.样品制备及测定简便。 4.结合显影或显像技术可
进行定位定量或半定量测 定。
稳定性 1.现代质谱核素丰度测 定的精度可达0.01%. 2.利用同位素稀释原理 可计算样品中的物质 来自示踪剂的比率。 3.样品制备分析需大型 设备。 4.无放射性，无衰变， 无污染。有时是唯一 的。
示踪研究举例
14CO2植物光合生理研究
目的： 测量光合强度，同化物的运转与分配，运转 机理，源与库的关系及其调节，研究作物高产的光合 生理。
1）14CO2标记 (14CO2+12CO2)的发生。
反应方程
(HClO4 ,H3PO4)
Ba14CO3+Na2CO3
(14CO2+12CO2)
有关计量参量
示踪剂的准备
3.开瓶分装操作 采 用屏蔽和时间防护 等措施，妥善处理
4.使用前测定活度及 放化纯度，必要时 应纯化。
示踪剂的引入
植物体 根部 水培、沙培、土培。 地上部 涂抹法、注射法、点滴法。
动物体 注射法、涂布渗入法、吸入法。
示踪剂引入系统示例
1．Jim Rasmussen, el at, 2019. Soil Biology ＆
aA0 At et (n/)et
Pf WCPdf f WCPdf f
20.80 10e40 x0 1 1p .6 .0 3 4 3(9 01.320)5031.1 8160dp/gm 2.21 2160c/idpm 14.33c/ig
示踪剂的准备
开瓶分装 对商业制剂进行必要稀释 和转化的操作。
式中,nmin ～样品的最小计数，最好为2000 4000cpm;～仪器的计数效率；W ～试样重量；C ～样 品中示踪物的含量。
若实验期间,放射性有明显衰变,应进行衰变校正。
举例
无内源物质的示踪试验,如农药残留试验, 试样重1克,要求计数率达到2400 cpm,已知仪 器的探测效率为80%,若要求对样品的检测灵敏 度为0.1ppm,问示踪标记化合物的比活度至少 为多少.
§3.3 试验设计的一般原则和程序
3.3.1放射性同位素示踪 示踪剂的选择 考虑因素 核素(射线种类、 能量和半衰期)，标记方式。
例：有机磷农药马拉硫磷残 留 研 究 ， 14 Ｃ 、 32 Ｐ 、 35 Ｓ 标 记均可，降解中的去甲基作 用解5用—3作)2(P，1或用4Ｃ硫15～Ｓ代(14标磷CＣH记酸3—，。脂)３，键Ｈ酯的～键反Ｃ的应2 Ｈ，水
3.2.2稳定性同位素
名词 核素的丰度 一种核素在其所属元素的同位素原 子中所占的原子百分数。
核素的自然丰度 核素在自然状态下的丰度。
核素的原子百分超 核素的丰度较自然丰度超出 的部分。
常用核素
常用的稳定性示踪核素列表
Element H N C S
O
Heavy isotopes
2D (0.0156%) 15N(0.366%) 13C(1.108%) 36S(0.02%) 34S(4.22%) 33S(0.75%) 18O(0.204%) 17O(0.037%)
Biochemistry 39,804-815.
研究目的：套种体系碳、氮的转移、沉积和淋溶动态。
实验布置：田间微区，插入PVC柱，内径30cm。
示踪剂：14C-尿素，15N-尿素。
标记方法：叶缘吸收。植物叶片插入到盛有示踪液的小管， 小管由布拉膜密封，持续标记5天。14C-尿素标记用2ml 管,盛1ml标记液，活度7.7×106dpm(3.5Ci); 15N-尿 素用5ml管,盛2ml 0.75%(w/v) 丰度为99%的15N-尿素标 记液。在整个生育期14C标记重复3次，15N标记重复5次。
举例
有内源物示踪实验示踪剂引入量的估计。以 32P标记肥料实验为例，设实验持续100d,测量样品 量取1g,植物平均含磷0.4%，其中来自肥料的比里 率为Pdff(10%-50%),按25%估算，若样品用固闪杯 法测量，仪器的探测效率为80%，要求计数率为 2000cpm,试估算32P标记肥料的比活度。