稳定同位素示踪技术概要优秀PPT.ppt

《稳定同位素示踪技术概要优秀PPT.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《稳定同位素示踪技术概要优秀PPT.ppt（46页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、第五章第五章 稳定同位素示踪技术稳定同位素示踪技术 第一节 稳定同位素示踪原理 其次节 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 的应用第一节第一节 稳定同位素示踪原理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变更的同位素。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自然丰度。100 15 15NN原子原子%=原子百分超原子百分超 某一同位素丰度与自然丰度之差称某一同位素丰度与自然丰度之

2、差称为同位素的原子百分超。为同位素的原子百分超。将将15N浓缩到自然丰度的浓缩到自然丰度的10倍，其倍，其原子百分超是多少？原子百分超是多少？3.65%-0.365%=3.285%在实际测定中，应当接受比照组生在实际测定中，应当接受比照组生物样品的自然丰度。物样品的自然丰度。二、稳定同位素示踪的基本原理和特点二、稳定同位素示踪的基本原理和特点 （一）基本原理（一）基本原理 1.1.自然界中一种元素的同位素组成（自自然界中一种元素的同位素组成（自然丰度）是相对恒定的。然丰度）是相对恒定的。2.2.元素的同位素具有相同的化学性质。元素的同位素具有相同的化学性质。3.3.同一元素的同位素间存在质量差

3、异。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（二）稳定同位素示踪法的特点 优点优点:1.无放射性；无放射性；2.操作平安，对人无辐射损伤；操作平安，对人无辐射损伤；3.不污染环境，试验范围不受限制；不污染环境，试验范围不受限制；4.试验周期不受限制；试验周期不受限制；5.可以代替某些元素的放射性同位素可以代替某些元素的放射性同位素难以进行的示踪试验。难以进行的示踪试验。局限性局限性:1.标记化合物偏高标记化合物偏高;2.样品制备困难样品制备困难;3.所需的仪器如质谱仪比较昂贵。所需的仪器如质谱仪比较昂贵。其次节其次节 稳定同位素稳定同位素15N15N的测定方的测定方法法 同

4、位素同位素射线种类射线种类半衰期半衰期自然丰度自然丰度 (原子原子%)12N 13N 14N 15N 16N 17N 18N +0.011s9.96min7.1s4.15s0.63s 99.635 0.365氮元素的同位素氮元素的同位素 一、一、15N15N丰度的选择丰度的选择 不同丰度的不同丰度的15N15N标记化合物价标记化合物价格差异比较大，因此，在试验允许格差异比较大，因此，在试验允许状况下，尽可能应用低丰度的。状况下，尽可能应用低丰度的。15N15N丰度的选择主要考虑两个因素：丰度的选择主要考虑两个因素：1.1.试验中试验中15N15N被一般被一般N N稀释的稀释的程度；程度；2.1

5、5N 2.15N分析仪器的精确度。分析仪器的精确度。:/sinochemsh /product/二、二、15N15N示踪试验的布置示踪试验的布置 一般接受微区试验。一般接受微区试验。三、三、15N15N测样的制备测样的制备 测定测定15N15N的质谱仪对测的质谱仪对测样的要求是以简洁的分子态进行。样的要求是以简洁的分子态进行。具体制备过程如下：具体制备过程如下：1.将样品中的标记氮转化成铵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用凯氏法将含氮样品在增温剂和催化剂 的参与下，的参与下，用浓硫酸消煮，使其中所含的各种形态的氮转化用浓硫酸消煮，使其中所含的各种形态的氮转化为氨，与

6、硫酸结合形成硫酸铵，然后加碱蒸馏，为氨，与硫酸结合形成硫酸铵，然后加碱蒸馏，使氨吸取在硼酸溶液中，用标准酸测定样品的全使氨吸取在硼酸溶液中，用标准酸测定样品的全氮量。氮量。一般用硫酸钾、硫酸铜和硒粉组成的混合催化剂，一般用硫酸钾、硫酸铜和硒粉组成的混合催化剂，三者的质量比为三者的质量比为 100：10：1。2.2.将铵转化成氨气将铵转化成氨气 在高真空气扮装置中，用碱性次溴酸钠在高真空气扮装置中，用碱性次溴酸钠将铵氧化而产生氮气，其反应式：将铵氧化而产生氮气，其反应式：2NH4+3NaBrO N2+2NH4+3NaBrO N2+5H2O+3NaBr5H2O+3NaBr 四四、质谱法测定、质谱法

7、测定15N丰度丰度 （一）质谱仪器的工作原理（一）质谱仪器的工作原理 利用电磁学原理，使带电粒子依据质利用电磁学原理，使带电粒子依据质荷比进行分别，从而测定其质量的分析荷比进行分别，从而测定其质量的分析仪器。仪器。V电离室电离室出口缝出口缝R1R2M1M2出口出口加速加速电压电压 1/2M1v12=eV （1）M1v12 R1 依据上述两式可得：=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：量为单位，则上式可改写成：或或：R=(3)M1e=R12H12V4.8210-5144HMVe (3)式表示了磁式质谱仪

8、的工作原理，从中可得到如下结论：1.在加速电压V不变的状况下，可以通过连续变更磁场强度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不变的状况下（永磁铁），可以通过变更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）（二）1515N N质谱分析的计算公式质谱分析的计算公式 1.1.质谱峰的选择质谱峰的选择 氮分子经电离后产生质量不同的离子：氮分子经电离后产生质量不同的离子：离子种类离子种类 质荷比质荷比 15N15N+30 15N14N+29 14N14N+28 15N+和和15N15N+15 15N14N+14.5 14N+和和14N 14N+14 通常选

9、用质荷比为通常选用质荷比为2828，2929，3030的峰的峰。当样品中的当样品中的1515NN丰度小于丰度小于5%5%时，质荷比时，质荷比为为3030的峰高比的峰高比2828，2929的小得多（的小得多（？），），只能测量质荷比为只能测量质荷比为2828和和2929峰的离子强度峰的离子强度进行计算。进行计算。2.2.计算公式计算公式 设：设：R=R=质荷比为质荷比为2828的离子强度的离子强度质荷比为质荷比为2929的离子强度的离子强度 又设：全部氮原子中又设：全部氮原子中1414NN占的比例为占的比例为p p，而而1515NN的为的为q q；则；则 p+q=1p+q=1。由此可得：由此可得

10、：（p+qp+q）2 2=p=p2 2+2pq+q+2pq+q2 2 其中：其中：p p2 2为质荷比为为质荷比为2828的离子数目；的离子数目；2pq2pq为质荷比为为质荷比为2929的离子数目。的离子数目。也即：也即：R=(4)R=(4)p22pqp2q 15N 14N +15N =(5)（5 5）式就是通用的以同位素离子强度）式就是通用的以同位素离子强度比计算比计算15N15N原子数的公式。原子数的公式。1001515N N原子原子%=qp+q10012R+1 100第三节第三节 稳定同位素示踪技术应用稳定同位素示踪技术应用 一、作物的氮养分及代谢运转探讨 加藤忠司等应用(15NH4)2

11、SO4 及K15NO3探讨大豆对N素的吸取、安排及运转规律，结果表明：作为基肥施用的铵态氮的吸取率相当低，只有27%；然而在开花前追肥的吸取率可达68%。硝态氮的吸取率以始花期追肥者为最高，硝态氮的吸取率以始花期追肥者为最高，达达91%91%，其后削减。，其后削减。追肥的追肥的N N肥在收获期有肥在收获期有85%85%安排籽实中，安排籽实中，积累在豆株各部位的积累在豆株各部位的N N素随着籽实的膨大素随着籽实的膨大而进行再安排，从夹伸长期到籽实肥大而进行再安排，从夹伸长期到籽实肥大期，叶柄的期，叶柄的N N素最先起先运转。素最先起先运转。Kunio 等应用13C标记13CO2 及15NO2的双

12、标记技术探讨水稻植株从顶叶到根对C和N的吸取及转移规律。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快速运转。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，最终累积于新根中。二、土壤肥料探讨 此类试验常用以说明土壤、肥料与植物养分的关系，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10

13、0mg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，再加入确定量的水使其呈泥浆，定其容积，并在充分搅拌后取100ml泥浆。试样试样测定项目测定项目 15N丰度（丰度（%）3.597 3.547 0.45415N原子百分超原子百分超（%）3.227 3.177 0.084N%（全氮百分含量）（全氮百分含量）4.57 1.31 0.19 质量（质量（g）1.16 0.74 1000 N的数量（的数量（mg/盆）盆）53.0 9.7 1900地上部分地上部分根系根系土壤土壤表表1 1：试验所得数据：试验所得数据

14、（一）植物中来自肥料及土壤氮的百分数（一）植物中来自肥料及土壤氮的百分数 植物中来自肥料氮：植物中来自肥料氮：NDFF%NDFF%（n nitrogen itrogen d derived erived f fromrom f fertilizerertilizer）植物中来自土壤氮：植物中来自土壤氮：NDFS%NDFS%（n nitrogen itrogen d derived erived f from rom s soiloil）NDFF%=100NDFF%=100 NDFS%=1 NDFS%=1 NDFF%NDFF%植物样品中植物样品中1515N N原子百分超原子百分超肥料中肥料中15

15、15N N原子百分超原子百分超地上部：地上部：NDFF%=NDFF%=100=64.5%100=64.5%NDFS%=1-64.5%=35.5%NDFS%=1-64.5%=35.5%根系：根系：NDFF%=NDFF%=100=63.5%100=63.5%NDFS%=1-63.5%=36.5%NDFS%=1-63.5%=36.5%土壤：土壤：NDFF%=NDFF%=100=1.68%100=1.68%NDFS%=1-64.5%=NDFS%=1-64.5%=98.32%98.32%3.22753.17750.0845 (二)“A”值 “A”的概念是假定土壤中的某一养分物质（如氮）有两个来源，一个是

16、 土壤中固有的养分物质（土壤氮）即“A”，另一为已知数量的施入土壤的养分物质（肥料氮），而用作物对两个来源的氮吸取几率相等。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亲密相关的因素。NDFS%NDFS%NDFF%NDFF%35.5%35.5%63.5%63.5%(三三)肥料氮素利用率肥料氮素利用率 肥料氮素利用率肥料氮素利用率 =NDFF%NDFF%植物全氮量（植物全氮量（kg/kg/公顷）公顷）施氮量（施氮量（kg/k

17、g/公顷）公顷）肥料氮素利用率肥料氮素利用率%(%(地上部地上部)=34.19%=34.19%肥料氮素利用率肥料氮素利用率%(%(根系根系)=6.20%=6.20%64.5%64.5%53mg/53mg/盆盆100mg/100mg/盆盆63.5%63.5%9.7 mg/9.7 mg/盆盆100mg/100mg/盆盆三、环境科学探讨三、环境科学探讨一个探讨实例一个探讨实例 珠江三角洲铅及相关重金属的污染源珠江三角洲铅及相关重金属的污染源和污染程度的评估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探讨中的应用，广州高校学报(自然科学版)Vol.1 No.13,2002年5月。探讨

18、背景探讨背景铅对人体具有多方面的毒性，可导致智力低下、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、肾病等造血机能障碍、高血压、肾病等11。大气铅污染是对人体健康危害特别严峻的无机污大气铅污染是对人体健康危害特别严峻的无机污染；染；它主要来自汽油燃烧产生的汽车尾气和工业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探讨，铅同位素示踪已成为追大量铅同位素示踪探讨，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。踪污染源和评价污染程度的有效方法。1 1 孟金萍等，铅的生物学毒性效应孟

19、金萍等，铅的生物学毒性效应,中国比较医学中国比较医学杂志杂志，20072007，Vol.17,58-62.Vol.17,58-62.工业用铅工业用铅 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确定优势地位,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）。汽车尾气汽车尾气 汽油燃烧产生的污染铅以206Pb/207Pb 比值比较,特殊珠江三角洲的铅同位素背景值明显不同（见表1）。表1 珠江三角洲部分地区污染铅与本区背景的铅同位素组成平均值铅同位素指标206Pb/204Pb207Pb

20、/204Pb208Pb/204Pb206Pb/207Pb广州地区汽车尾气铅18.09718.09715.57737.74037.7401.16041.1604广东背景珠江三角洲18.57418.57415.68538.9371.18421.1842广东凡口铅锌矿18.38218.38215.69038.7931.17161.1716广州市郊白云山雨水18.18518.18515.65138.54738.5471.16191.1619广州市郊白云山尘埃18.13118.13115.62038.22938.2291.16101.1610结论结论（1 1）珠江三角洲地区的汽车尾气污染铅、工业）珠江三

21、角洲地区的汽车尾气污染铅、工业污染铅与自然背景铅存在着特别显著的铅同位污染铅与自然背景铅存在着特别显著的铅同位素组成差别素组成差别,应用同位素示踪方法可将这应用同位素示踪方法可将这3 3 种铅种铅区分开。区分开。（2 2）广州白云山顶汽车尾气引起的大气铅污染）广州白云山顶汽车尾气引起的大气铅污染也相当严峻。也相当严峻。本讲总结本讲总结一、讲解并描述的内容：一、讲解并描述的内容：稳定同位素示踪技术，包括：稳定同位素示踪技术，包括：原理、测定方法以及其应用。原理、测定方法以及其应用。其中重点：稳定同位素示踪原其中重点：稳定同位素示踪原理理 难点：稳定难点：稳定15N15N的测定的测定方法方法二、课后复习的要求二、课后复习的要求