第九章 同位素示踪技术

第九章同位素示踪技术

第九章同位素示踪技术

第九章同位素示踪技术在反刍动物营养研究中的应用

第一节同位素示踪技术的原理与方法简介

同位素示踪是继能量平衡、物质平衡（C，n）试验及相关化学分析技术之后，动物营

养学的另一种重要研究方法。同位素示踪主要用于观察营养物质的动态代谢过程，这是常

规技术无法实现的。传统的研究方法也可以用来研究食糜流量和营养吸收，但同位素示踪

技术的应用可以提高测定的准确性，减少动物的外科治疗，重复使用相同的动物或获得更

多的信息。此外，同位素研究也是矿物代谢研究的重要手段。虽然同位素示踪技术的应用

受到仪器设备要求的限制，但其独特的优势使其得到越来越广泛的应用。

一.同位素示踪技术的原理

同位素示踪技术广泛应用于反刍动物营养研究。例如，营养物质的消化和吸收、食糜

的流量测量、细菌蛋白质的合成、身体组织的合成和分解、器官代谢、矿物质代谢、能量

代谢和身体成分的估计可以通过不同的同位素示踪技术来实现。这些同位素示踪技术利用

同位素原子相同的化学性质和不同的物理性质，通过示踪原子位置和数量的变化来观察物

质的代谢。就方法原则而言，主要有以下三个方面。这些原则的综合应用形成了各种技术

方法。1.同位素稀释：

如测定某种代谢物在代谢池中的总量，在无法测定代谢池总容量的情况下，向代谢池

中注入一定数量的同位素标记代谢物，取得代表性样品后测定同位素富集度（比活度），

可以计算出池中代谢物总量。假设使用稳定性同位素标记的代谢物进行示踪。注入代谢物

的该同位素富集度（某同位素量/代谢物中该元素总量）为ei，代谢物注入量为i；代谢

池中代谢物中该同位素的富集度为ec，代谢物总量为m；注入示踪物后代谢池的同位素富

集度为eci。其中ei、i为已知量，ec、eci为可测量，求m。eci??ei?i?ec?m?/?i?m?则：mei?eci??i??/?eci?ec?

同时，通过测量池中代谢产物的浓度C，可以获得代谢池的体积V。五、M/C 2材料代谢动力学分析：

动物体内代谢池中的代谢物一般处于动态变化之中，向代谢池中注入示踪物，测定池

内和流出代谢池的示踪物变化以反映物质的代谢。相关的测定技术及数学计算方法称为动

力学分析。代谢动力学分析一般要求代谢池处于恒态或准恒态代谢状态，在反刍动物一般

通过连续饲喂和尽可能减少环境对动物的刺激来实现。示踪物的注入方法分一次性注入和

恒速连续注入两种，采样方法则分为代谢池内同位素达到稳定后采样和按时间序列采样两种。试验之前，首先需要根据研究目的确定代谢池的数量、之间的关系和各代谢池的含义，即建立房室模型，其次确定示踪物的注入量、注入方法及采样点。试验数据的分析方法的

复杂程度随房室数量、示踪物注入方式、采样方式的不同而有很大差别。有关问题将在后续内容讨论。⒊微量成份代谢：

饲料和人体组织中矿物质元素，尤其是微量元素的含量很低。在小样本、化学分析灵敏度不足的研究中，需要利用放射性测量灵敏度高的特点。二、同位素示踪技术的优势和局限性

同位素示踪技术除具有灵敏度高的优点外，应用于动物营养研究的最大优点是可以分别观测代谢物的合成与分解过程，进行动态分析。如利用化学分析方法只能测定血糖的含量，而利用同位素示踪的方法可以测定出血糖产生与消失的速度。其次一些利用传统方法必须进行屠宰测定的研究，利用同位素示踪技术可以在相同的试验动物进行重复试验。同位素示踪技术的局限性主要有以下几个方面：

1.需要受过专门培训的专业人员的协助：

放射性标记物的操作、放射性防护、放射性测量以及稳定性同位素的测量均属专门技术，有关人员需要经过专门的训练。很难要求从事动物营养研究的专业人员同时具备这些方面的专业能力，因此具备同位素示踪研究能力的实验室一般配备专业人员。

2.设备设施要求高：

进行放射性操作要求实验室符合安全防护条件。放射性测量及稳定性同位素测量仪器结构复杂、价格较高。在一定程度上限制了同位素示踪技术的应用。⒊试验费用较高：

放射性同位素和稳定同位素的高价格以及样品分析的高成本是同位素示踪试验成本高的主要原因。然而，同位素标记物的数量很少，同位素示踪的测试成本在一般科研项目的范围内。同位素示踪技术在我国应用较少的主要原因是缺乏实验室条件和对同位素示踪技术缺乏了解。三、核物理的基本概念1。原子、原子核和核素：

自然界中的所有物质均是由元素组成的，组成元素的基本单位是原子。原子由原子核和核外电子构成。原子的质量很轻，约为10?24～10?22g。原子的质量用原子质量单位μ表示，1μ的绝对质量是12c原子质量的十二分之一，即

1.660565? 10? 24g.核外电子带负电，每个电子的质量为0.000549μ

质子和中子组成，质子带正电，带电量与电子相等，中子不带电。原子核的质子数与核外电子数相等，因此原子呈电中性。质子的质量为1.007276μ，中子的质量为

1.008665μ，因此原子的质量主要集中在原子核。质子与中子数的和称为核子数，核子数与质子数决定了原子核的基本特征，通常azx表示不同元素的原子核，称为核素。其中a 为核子数，z为质子数，x为所属元素的名称。元素在元素周期表中的位置是由核外电子数（亦即质子数）决定的，核子数不同而质子数相同的原子属于同一种元素，由于处于元素周期表的同一位置，习惯上称它们为同位素。

2.放射性同位素和稳定同位素：

原子核是否稳定完全决定于内在因素。原子核内存在质子之间的静电斥力和核子之间

的核力。核力是核子（质子、中子）之间的相互吸引力，与电荷无关，强度为电磁力的

103倍，作用距离只有10?15cm。作用距离超出这一数量级时，核力很快减小近于零，是

一种“短程力”。核力具有饱和性，即一个核子只与附近的几个核子起作用，而不与所有

核子起作用。存在核力的任意两个核子之间的核力大小大致相等。质子之间的静电斥力是

长程力，斥力的大小与质子间距离的平

平方成反比。原子核的稳定性与核子数和质子与中子之比有关。不稳定核总是自发地

转变为稳定状态。这个过程叫做核衰变。当核衰变发生时，原子核会发射带电或不带电的

粒子，因此核衰变也被称为放射性核衰变。不稳定核素称为放射性核素，稳定核素称为稳

定核素，相对于它们的同位素，它们分别称为放射性同位素和稳定同位素。3.放射性衰变

类型：

放射衰变得类型很多，动物营养研究中常用核素的衰变主要有五种，即α衰变、β

衰变、β＋衰变、γ衰变及电子俘获。3.1α衰变：

放射性核素发射α粒子变成另一种核素的过程称为α衰变。α粒子实际上是氦核（4），由一个核素α发射。粒子的能量是单一的，但伴随着γ（2He）辐射α衰变的核素通常发射不止一个能量α粒子。α粒子的能量EA大多在4-8mev之间，最大为10MeV。自然衰变核素的原子序数一般大于82，人工放射性核素很少发生α衰变。三点二β衰变：

放射性核素的一个中子转变为一个质子，同时放射出β粒子的过程称为β衰变。β

粒子实际上是电子，为了与核外电子区别，也写成β－。β衰变的生成物有三种，比母

体核原子序数大1的子体核、β粒子和中微子。核衰变释放出来的能量由三者共同带走，且能量在三者之间的分配方式不固定，因此放射出的β粒子的能量在最大值（接近于衰

变能）和最小值（接近于零）间形成连续的能谱。3.3β＋衰变：

放射性核素的质子变成中子并发射出β＋粒子。β＋粒子本质上是正电子，与电子具有相同的质量和电荷，但带正电。β＋衰变的产物是一个子核，其原子序数比母核β＋粒子和中微子的原子序数小1。β＋的能量也是一个连续的能谱。3.4电子捕获（EC）：

不稳定核素俘获一个核外绕行电子，核内的一个质子转变成中子和中微子。电子俘获

过程只产生一个中微子，因而具有单一的能量。许多产生电子俘获的放

β＋衰变也产生了40种放射性核素，如2211na；有些可以在β衰变的同时产生，例如19K；

还有少数核素能同时产生电子俘获、β＋衰变和β衰变。

三点五γ衰变：

处于激发态的原子核通过放射出γ射线回到基态的衰变方式称为γ衰变。γ射线是一种电磁辐射，不带电荷。γ衰变前后核素的原子序数和核子数不发生变化，仅能量状态不同。原子序数和核子数相同，能量状态不同的核素称为同质异能素。γ射线的能量是不连续的，一个核衰变可能放射出几种不同能量的γ射线。⒋放射性核衰变的一般规律4.1衰变定律：

假设放射性核的初始数量为N0，时间t后剩余的放射性核数量为n，两者之间的关系

符合以下要求：

n?n0e??t(1)

假设初始放射性强度为A0，时间t后的放射性强度为a。它们之间存在相同的关系，即：

a?a0e??t(2)

上述关系称为衰变定律，其中λ是衰变常数。4.2半衰期、平均寿命和辐射强度单位：

半衰期（t1/2）是指放射性核素的数量减少到初始数量一半所需的时间，此时n?n0/2。由（1）式可以推导出：

t1/2？液氮(3)

经过n个半衰期后，放射强度a与初始放射强度a0的关系为：

A.a0/2n(4)

平均寿命（t）是指放射性原子核在衰变前的平均存在时间，由（1）式可以推导出：

T1/ (5)

4.3放射强度单位：

辐射强度是通过单位时间内的衰变次数来测量的。1971年第14届国际计量大会采用

的辐射强度测量单位为“贝克勒尔”，缩写为BQ。1BQ=每秒衰减一次。由于历史原因，人们习惯用“居里”作为辐射强度的单位。1ci指每秒1G镭的衰变数，即3.7？1010次。因为居里单位相对较大，所以通常使用毫居里（MCI）