稳定同位素示踪技术概要
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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：
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 15NH 15NO ，15N丰度为5.365%，施肥量 4 3 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。
（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
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
比计算15N原子数的公式。
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%。
来自百度文库
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。
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
7.1s 4.15s 0.63s
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。
http://www.sinochemsh.com/product/
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
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
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。
M1
出口
电离室 出口缝
1/2M1v12 = eV M1v12 R1
= eHv1
（ 1） ( 2）
根据上述两式可得：
M1
e =
R12H12
2V
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：
M1 e
-5 4.82 × 10 =
R12H12
V
MV e
或： R =
144 H
(3)
(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。
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。
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。
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：
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 15NH 15NO ，15N丰度为5.365%，施肥量 4 3 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。
（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
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
比计算15N原子数的公式。
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%。
来自百度文库
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。
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
7.1s 4.15s 0.63s
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。
http://www.sinochemsh.com/product/
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
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
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。
M1
出口
电离室 出口缝
1/2M1v12 = eV M1v12 R1
= eHv1
（ 1） ( 2）
根据上述两式可得：
M1
e =
R12H12
2V
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：
M1 e
-5 4.82 × 10 =
R12H12
V
MV e
或： R =
144 H
(3)
(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。
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。
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。