稳定同位素示踪技术全解.ppt

1、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。,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

2、.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

3、 稳定同位素15N的测定方法,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

4、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+ + 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。,MAT 253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。,Flash EA1112型元素分析仪与MA

5、T 253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 DELTA plus Advantage 美国 菲尼根质谱公司,主要指标 质量范围：1-70Dalton（道尔顿）at 3KV 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,R1,R2,M1,M2,出口,加速电压,1/2M1v12 = eV （1） M1v12 R1 根据上述两式可得：,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),(3)式表示了磁式质谱仪的工

6、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14N 14N+ 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

7、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 =,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),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。,100,1,2R + 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

8、 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

9、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

10、，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。,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 % （nitrogen derived from fertilizer） 植物中来自土壤氮： NDFS% （nitrogen derived from soil） NDFF%= 100 NDFS%= 1 NDFF%,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% = 1

11、00 = 1.68% NDFS% = 1- 64.5% = 98.32%,(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。,(三) 肥料氮素利用率,肥料氮素利用率 =,肥料氮素利用

12、率% (地上部) = = 34.19% 肥料氮素利用率% (根系) = = 6.20%,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. 1 No.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