稳定性同位素技术
稳定同位素示踪技术在生态学中的应用
稳定同位素示踪技术在生态学中的应用生态学是关于生物和环境互动关系的科学，它研究的核心问题之一是物质循环的过程和机制。
而稳定同位素示踪技术（Stable Isotope Tracing Technology）则是生态学中的一个重要工具，它通过对生物体内稳定同位素的监测和分析，揭示了生态系统中不同生物群体之间和物质之间的相互作用与循环过程，为我们深入了解生物和环境互动关系提供了有力支撑。
本文将从稳定同位素示踪的原理、示踪技术的种类以及它们在生态学中的应用等方面进行探讨。
一、稳定同位素示踪的原理稳定同位素示踪技术利用天然界中稳定同位素的相对丰度差异，来揭示各种生物或化学物质在环境中的循环和转化过程。
通俗地讲，自然界中存在着多种同种元素的同位素，其中相对丰度较高的同位素数量比较多，而相对丰度较低的同位素数量相对较少。
因为不同的同位素性质各异，所以它们在物质的各种过程中表现出不同的稳定性和反应活性。
比如水分子中氢原子的同位素就有稳定的氢-1、氘-2和氚-3，其中氢-1相对丰度最高，氚-3相对丰度最低。
同样，空气中的二氧化碳分子中碳原子也有稳定的碳-12、碳-13和碳-14，其中碳-12相对丰度最高，碳-14相对丰度最低。
这种差异可以利用质谱仪等仪器对稳定同位素进行检测和分析，从而揭示物质在生命体内和生态系统中的各种过程和转化。
二、示踪技术的种类稳定同位素示踪技术是一类复杂的实验手段，它可以应用于各种生物或化学物质的追踪和定量分析。
在生态学中，常用的示踪技术主要包括以下几种。
1. 激光荧光同位素比值仪激光荧光同位素比值仪是最常用的稳定同位素比值分析仪器，它通过激光诱导荧光技术，将样品中的稳定同位素分子转化为高能态激发态分子，利用荧光发射光谱测量不同同位素所发射的光谱波长，从而计算出它们的相对丰度比值。
2. 气相色谱质谱仪气相色谱质谱仪是目前最灵敏、最精确的稳定同位素示踪仪器，它能够检测不同同位素分子的相对丰度比值，常用于确定各种生物分子、尤其是蛋白质和氨基酸等化合物的同位素组成，以及微生物群体和植被的碳、氮同位素参量等方面的研究。
稳定性同位素示踪法
2
几个概念
稳定性同位素（Stable isotope）
20
以下在质谱仪上进行
C.将NH4+-N转化为N2气 :
在真空条件下，将上述样品与次溴酸钠 反应，放出N气（在质谱仪内进行）详 见书15N章节。
21
制样时注意：
1.所有试剂纯度要高。 2.消化要完全。 3.防止样品间交叉污染（每个样品蒸 馏前用蒸馏15ml乙醇洗器皿）。 4.“Y” 型 管 及 内 部 反 应 抽 气 须 彻 底 ， 防其它气体干扰。
意大利天然硼酸盐
11B
捷克扑利兹石灰石
13C
1.108
14N
99.635
大气中的氮气
15N
0.365
16O
99.759
大气中的氧气
17O
0.0374
18O
0.2039
5
同位素
氮的同位素表
射线种类 半衰期
自然丰度
12N
β+
0.011S
13N
β+
9.96m
14N
-
- 99.635
12
注意事项：
1.同位素交换反应：在一定条件下，标记 的铵盐可与大气发生反应：
15NH+4水溶液+14NH3→14NH+4水溶液+15NH3 15N丰度高时应注意。
2.同位素效应：藻类对14C、13C、12C的吸收 依次递减。
稳定同位素技术的应用
稳定同位素技术的应用稳定同位素是元素周期表中某元素中不发生或极不易发生放射性衰变的同位素，目前地球上发现的稳定同位素共有200多种。
现在稳定同位素技术还已经应用于医学、农业和环境科学等各领域。
稳定同位素的常规分析方法主要有：质谱法、核磁共振谱法、气相色谱法、中子活化分析法、光谱法等。
1.稳定性同位素探针技术将稳定同位素运用于微生物中的技术主要是稳定性同位素核酸探针技术，稳定性同位素核酸探针技术是将复杂环境中微生物物种组成及其生理功能耦合分析的有力工具。
由于自然环境中微生物具有丰富的多样性，在整体水平上清楚认知复杂环境中微生物群落生理代谢过程的分子机制具有较大难度。
而稳定性同位素核酸探针技术则能有效克服这一难点，在群落水平揭示复杂环境中重要微生物生理生态过程的分子机制。
稳定性同位素核酸探针技术的基本原理与DNA半保留复制实验类似、主要区别在于后者以纯菌为研究对象，证明子代DNA源于父代DNA，而前者主要针对微生物群落，揭示复杂环境中参与标记底物代谢过程的微生物作用者。
一般而言，重同位素或轻同位素组成的化合物具有相同的物理化学和生物学特性，因此，微生物可利用稳定性重同位素生长繁殖。
2.稳定同位素标记的相对定量与绝对定量方法2.1稳定同位素标记的相对定量方法稳定同位素在蛋白质组学中也有重要的应用。
根据同位素引入的方式，基于稳定同位素标记的蛋白质组定量方法可以分为代谢标记法、化学标记法和酶解标记法。
采用不同方法，标记同位素的样品在不同步骤混合；越早混合，样品预处理步骤引入的误差越小，定量的准确度越高。
代谢标记是指在细胞或生物体成长过程加入含有稳定同位素标记的培养基，完成细胞或生物体标记的方法。
该方法是在细胞培养过程中加入稳定同位素标记的必需氨基酸，使得每条肽段相差的质量数恒定。
与15N方法相比，由于肽段的质量差异数与氨基酸种类和数目无关，因此简化了相对定量分析的难度。
除代谢水平标记外，通过体外化学标记引入同位素是一种非常有价值的蛋白质组相对定量方法；适用于细胞、体液、组织等多种样品分析。
稳定性同位素
稳定性同位素示踪法
概述：
1、1912年，Thomson首发现稳定性核素20Ne 和22Ne（氖）。 2、1929年，Naude发现了15N。
3、1937年，Urey等首次报道人工生产15N的 方法。
4、1940年，先后获得具生物意义的15N、18O 和2H大量生产。
5. 1947年9月在美国Wisconsin大学召开了“同位素 在生物学和医学中应用”专题讨论会，从此开始 了稳定性核素示踪技术应用的新纪元。
(4) 仪器精确度检查（检查去O2后的空气或 纯N气）。
2.分析样品的制备：
(1) K氏法（Kjeidali） 质谱分析常用法。
A.样品的消化：（例：0.05g植样+10ml浓
H2S04+3.3g催化剂（Se:CuSO4:K2SO4为1:10:100） → 样 液 清 亮 再 消 煮 5h （ 土 ） 或 2h( 植 ) ， 温 度 120-140℃。
3.予测样品测定项目……
五、质谱和光谱测定15N原理
14N和15质量不同 质谱：把N2离子化为28N-N2，29N-N2 ，30N-N2 使其 在均匀磁场中发生不同角度偏转 光谱：28N-N2：谱线波长为2976.8埃
29N-N2：谱线波长为2982.9埃 30N-N2：谱线波长为2988.6埃
1800的均匀磁场
即某核素在该组同位素中浓度。
自然丰度（Natural abundaa） A自(AO)
15N：0.365%、18O:0.204%
原子百分超（Atom percent excess） a
a = A-A自 又称富集度（Enrichment）
富集15N（Enriched 15N） 贫化15N（Depeled 15N )
稳定性同位素的概念
稳定性同位素的概念稳定性同位素是指在物理条件下，原子核中的质子和中子数量都保持不变的同位素。
同位素是由于原子核中的中子和质子数量的变化而产生的，而稳定性同位素是指在某一种特定原子核中的质子和中子数量采取了一种最稳定的状态。
在自然界中，存在许多不同的元素，每个元素都包括多种同位素。
其中，某些同位素是非常不稳定的，具有较短的半衰期，并会通过放射性衰变逐渐转变为其他元素。
而稳定性同位素则相对较稳定，具有较长的半衰期，其核内质子和中子的比例会在相当长的时间内保持相对稳定。
稳定性同位素的稳定性是由其核内的质子和中子之间的相互作用力决定的。
核内的质子具有正电荷，它们之间会发生相互排斥的作用力。
而质子和中子之间的作用力则是吸引力，由强力和电磁力共同作用产生。
在一个原子核中，质子和中子的数量比例会决定具体的核力情况。
如果质子和中子的数量比例是最稳定的，那么这种同位素就是稳定的。
同位素的稳定性与其核内质子和中子的数量比例的平衡性息息相关。
目前我们已经知道，质子和中子的数量比例对于同位素的稳定性具有重要影响。
一些稳定性同位素在原子核中质子和中子的数量比例较为接近，或呈现奇偶规律，以保持核内的相对稳定。
例如，碳(C)元素有两种主要同位素，碳-12和碳-14，其中碳-12的质子和中子数量比例为6:6，而碳-14的质子和中子数量比例为6:8，以碳-12为主要同位素，碳-14则通过放射性衰变逐渐转变为氮。
稳定性同位素在科学研究、医学诊断、地质研究、环境监测等领域具有广泛的应用。
稳定同位素的原理可以通过同位素质谱仪来测量，该仪器可以分析样品中不同同位素的含量。
在地质研究中，通过稳定性同位素分析，科学家可以了解地球演化过程中气候和环境的变化。
例如，通过分析岩石中的氧同位素比例，可以了解古气候的变化情况。
水体中的氢同位素分析则可以追踪水文循环和水资源管理。
在环境科学研究中，稳定同位素技术也被广泛应用。
例如，稳定同位素分析可以用于追踪土壤和水体中污染物的来源和迁移行为。
德塔氧18同位素标记
德塔氧18同位素标记【最新版】目录1.德塔氧 18 同位素标记的概述2.德塔氧 18 同位素标记的应用领域3.德塔氧 18 同位素标记的优势4.我国在德塔氧 18 同位素标记方面的发展正文1.德塔氧 18 同位素标记的概述德塔氧 18 同位素标记，是一种稳定性同位素示踪技术。
德塔氧（18O）是氧元素的一种稳定同位素，它具有两个中子，八个质子，原子序数为 8。
德塔氧 18 同位素标记广泛应用于生物学、化学、环境科学等领域，通过追踪这种同位素，科学家可以更深入地研究生物体内的代谢过程、物质循环和环境变化等问题。
2.德塔氧 18 同位素标记的应用领域（1）生物学领域：在生物学领域，德塔氧 18 同位素标记技术被用于研究生物大分子（如蛋白质、核酸、多糖等）的合成与降解、生物膜的结构与功能、细胞信号传导等过程。
通过使用德塔氧 18 同位素标记的化合物，科学家可以准确地追踪生物体内化学反应的动态过程。
（2）化学领域：在化学领域，德塔氧 18 同位素标记技术主要应用于研究化学反应的动力学和热力学，以及物质的结构与性质等方面。
此外，该技术还可以用于分析石油形成过程、研究地球化学过程等。
（3）环境科学领域：在环境科学领域，德塔氧 18 同位素标记技术被用于研究水循环、碳循环等地球系统过程。
通过分析德塔氧 18 同位素的分布特征，科学家可以揭示气候变化、水资源变化等环境问题。
3.德塔氧 18 同位素标记的优势德塔氧 18 同位素标记技术具有以下优势：（1）高精度：德塔氧 18 同位素具有较高的稳定性，其半衰期较长，可以准确地反映生物体内化学反应的动态过程。
（2）易于操作：德塔氧 18 同位素标记技术操作简便，可以通过简单的化学合成方法制备出标记化合物。
（3）广泛应用：德塔氧 18 同位素标记技术在多个学科领域具有广泛的应用前景，可以提供有价值的科学信息。
4.我国在德塔氧 18 同位素标记方面的发展我国在德塔氧 18 同位素标记方面取得了显著的发展。
稳定同位素标记技术在食品安全中的应用
稳定同位素标记技术在食品安全中的应用在食品安全方面，稳定同位素标记技术是一项非常重要的应用。
因为稳定同位素包含了一定量的放射性同位素，能够稳定的使用这些标记，是通过监测和检测不同的化合物和元素，来确定食品中不同成分的来源和变化过程，从而保证食品的安全和质量。
本文将从稳定同位素原理、应用以及未来发展方向方面，来探讨稳定同位素标记技术在食品安全中的应用。
一、稳定同位素原理稳定同位素技术是基于不同元素质量相同同位素的存在，利用稳定性同位素之间的不同，以此作为追踪示踪化合物和元素而开发出来的分析方法。
以碳为例，目前被应用广泛的是碳13和碳12的同位素。
碳13只比碳12多一个中子，它们都是碳的同位素，且碳13的比例是非常稳定不变的。
此时通过稳定同位素技术，可以轻松检测出不同的碳12和碳13的比例，从而追溯食品中蛋白质、脂肪、糖分和其他成分的来源和变化。
二、稳定同位素标记技术的应用1. 植物生产与环境在植物生产中，通过检测水稳定同位素，可以了解植物所需水分来源、地下水的水文地质特征、土壤水分含量，从而对植物进行合理施肥、调整灌溉措施以及制定农作物的栽培技术。
通过稳定同位素对食品中元素的分析，可以对食品污染情况进行评估，对未来的环境保护和农业生产提供重要的参考意见。
2. 营养科学营养科学是稳定同位素技术的重要应用方向之一。
通过稳定同位素标记技术对食品样品的分析，可以监测和量化食品中多种营养成分的变化情况，以及食品中的添加物、污染物等成分，从而为人们提供更丰富、更健康的食品选择。
3. 药物代谢动力学研究稳定同位素标记技术在药物代谢动力学研究中也有着重要的应用。
通过标记药物内部原子的碳13同位素，可以在经过人体代谢作用后，利用稳定同位素的性质轻松地分离出产生的代谢产物，从而在人体生理学上，探讨药物的安全性和合理用药。
三、未来发展方向如今随着食品安全标准日益严格和营养科学的不断深入，稳定同位素标记技术在食品安全领域的需求持续增加。
3稳定性同位素分析
一、原子的稳定性
• 原子核的稳定性，是指原子核不会自发地改变其 质子数、中子数和它的基本性质。按原子核的稳 定性可分为稳定原子核和不稳定(或放射性)原子 核两类。
• 原子核的结合能 • 原子核的结合能非常大，所以一般原子核都是
非常稳定的系统。然而，不同原子核的稳定程 度不同。 • 结合能与原子核内核子之比，称为比结合能 • 核子的比结合能越大，原子核就愈稳定。
第一台质谱仪：1912年；
早期应用：原子质量、 同位素相对丰度等；
43
29 15
57
71 85 99 113 142
m/z
40年代：高分辨率质谱仪出现，有机化合物结构分析； 60年代末：色谱-质谱联用仪出现，有机混合物分离分析； 促进天然有机化合物结构分析的发展；
同位素质谱仪；无机质谱仪；有机质谱仪；
19
20
质谱仪的种类
• 有机质谱仪： • 气相色谱质谱联用仪GC-MS • 液相色谱-质谱联用仪LC-MS：液相色
谱仪经接口与质谱计结合而构成的液相 色谱－质谱法的分析仪器。 • 其他有机质谱质谱仪
7
同 位 素 分 布 图 解
8
二、同位素的组成
同位素丰度元素中某种同位素的含量。 • 自然界中存在的某一元素的各种同位素的相对含
量(以原子百分计)。 • 氢的同位素丰度：1H=99.985％，2H=0.015
％；氧的同位素丰度：16O=99.76％， 17O=0.04％，18O=0.20％。 • 同位素组成存在一定范围的涨落，天然物质中， 较重元素相对恒定。轻元素不断地分离，由于衰 变某些元素的的同位素不断产生或消灭。
5
• 1、原子核中的质子数等于和大于84（钋）的原子核是 不稳定的。即原子序数84以后的元素均为放射性元素。
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– 1 x 1000
物质中的同位素含量 >0.011时， 13C >1，否则 <1
同位素的标准物质：
C, Pee Dee Belemnite (PDB) , N, 大气
13C/12C 15N/14N
= 0.0112372 = 0.0036765
分差
D = consumer - source
稳定性同位素比例的变化 例如: 陆地C3植物, 13C = -28, 大气 = -7.4, D = -20.4
CO2 (air) 羧化作用
↔
CO2 (leaf) → Carboxylation (Ps)
快: 13C = -7 D = -4 13C = -11 慢: 13C = -7 D = -29 13C = -35
A/E -1 (mmol mol )
0 3 6 9
P. ma Q. ss g l o ni an an du a Q. lif va era ria bil s W C. s . c in an ic es a ce ns Ca M rex .s s in p en sis
茅坪气温和降雨情况（ Jan.2003-Jul.2004）
D(‰)
-48.2±4.36 -80.8±2.0 -41.5±1.3 -62.6±2.2 -68.4±1.5 -57.3±4.9
18O(‰)
-7.5±0.7 -11.8±0.3 -7.0±0.2 -7.4±0.4 -8.5±0.3 -8.4±0.8
D ( /oo)
o
0
-70
-60
-50
-40
种群密度
nonlegumes
C4
legumes
根据动物不同组织 13C和 15N值，计算出 的食物组成以及一段时间内食物变化情况
结论
皇华岛啮齿类动物群落以田鼠，褐家鼠为优势种，而 小林姬鼠和黑线姬鼠为常见种； 水位进一步升高时，在2个优势种和2个常见种中，受 影响最大的将是黑线姬鼠； 能够利用同位素定量区分啮齿类动物的食物来源，并 且能在不同时间尺度（周、月、季）上进行整合； 所分析的三种鼠当前的食物来源差异很大，田鼠和大 足鼠主要以非豆科的C3植物(水稻和红薯)为主，分别 占到其食物总量的47.0%和60.5%；而褐家鼠则以C4 植物为主，占到其食物总量的55.9%
15N同位素
18O同位素
“” 符号
X = [(Rsample / Rstandard) – 1 ] x 1000 X代表13C, 15N, 34S，R 为 重/轻同位素比例, 13C/12C, 15N/14N,
34S/32S
13C =
13C/12C 13C/12C
sample standard
其他应用
真伪鉴别 毒品追踪
净生态系统交换（NEE）
加入同位素测 定前
加入同位素测定后
Bowling et al. 2003
研究实例
1 岛屿化后植物－动物营养关系的研究 在岛上设置了三个海拔梯度的调查样地 (160m、160~200m和200m以)，分别 采用鼠夹和鼠笼的方法，在不同样地上 分别进行了样方调查和普查工作，总的 调查夹日数为4450个，共捕获老鼠53只
稳定性同位素技术 在生态学研究中的应用
黄建辉 中国科学院植物研究所 2004-11-6
什么是同位素？
H2O HDO D2O
HD18O或者D218O
Isotope: 12C Mass (protons + neutrons) = 12 Stable
Isotope: 13C Mass = 13 Stable
400
precipitation (mm) Temperature
30 25 20
Precipitation (mm)
200
15 10
100 5 0
03-01 03-03 03-05 03-07 03-09 03-11 04-01 04-03 04-05 04-07
0
03-7
03-9
03-11
04-1
研究实例 2 三峡水库岸边不同海拔高度植物碳固定 与水分关系研究 本工作在木鱼岛上完成，主要研究岛上3 个海拔高度优势植物植物水分来源和水 分利用效率以及叶片CO2交换，预测未来 水位上升对三峡库区岸边植物生长的潜 在影响。
2003 年 7－9 月不同水分来源中的D 和18O 的值
水分来源
降雨 长江水 地下水 土壤水 5cm 20cm 80cm
皇华岛啮齿动物组成
6% 6% 11%
4% 4% 31% 田鼠 褐家鼠 小林姬鼠 黑线姬鼠 白腹鼠 黄胸鼠 社鼠 大足鼠
13% 25%
注：各鼠种捕获数占所占捕获总数的比例(%)
图1 忠县皇华岛啮齿动物优势种与常见种分布 0.60% 0.50% 0.40% 0.30% 0.20% 0.10% 0.00% 160m以下 160-200m 海拔高度（m） 200m以上 天鼠 褐家鼠 小林姬鼠 黑线姬鼠
o
结论
大多数植物只利用少量的河水，大部分的水分 来源为雨水； 不同植物之间对水分的利用效率有显著的差异， 但不同海拔之间的差异不显著； 植物对水分的不同利用影响了植物叶片的CO2 交换过程； 植物水势有明显的季节变化，但不同植物之间 的变化幅度有明显的不同； 植物不同来源的水分D和18O存在明显的季 节变化，可能影响到植物吸收水分D和18O 的季节动态。
Isotope: 14C Mass = 14 Unstable; half-life = 5,730 years
proton
neutron
electron
M. Fogel and B. Fry, Woods Hole Stable Isotope Workshop, 1986
Natural abundance of stable isotopes
04-3
04-5
04-7
2 0
03-7
03-9
03-11
04-1
Temperature (oC)
04-3 04-5
300
04-7
20 0
-2
D ( /oo)
-20 -40 -60 -80 rain groundwater river
O ( /oo)
o 18
-4 -6 -8 -10 -12 -14
+ 2 if baseline is primary consumers (herbivores)
Isotopic “rainout”
2种来源的比例计算模型
t = fA A + fB B fA + fB = 1
在生态学上的应用
追踪食物的来源 养分和污染物的来源 种群的迁移 水分利用效率 硝化/反硝化
欢迎访问生态研究中心网页 /
jhhuang@
谢谢大家！
Hobson 1999 Oecologia
Colorado Stable Isotope Lab, NAU, URL: /~bah/cpsil.html
IRMS: isotope ratio mass spectrometer
常用稳定性同位素种类
2H（D）同位素 13C同位素
d C(‰)
13
-32.0 -13.6
-31.0
-30.0
-29.0
-28.0
P. m as Q s . g on lan ia n a Q . v duli fe ar ra ia bil s C. s in W i ca .c an es ce ns Ca re xs M .s p ine ns is
消费者对N 的分差 D = +3.4 ‰
(Minagawa and Wada 1984, DeNiro and Epstein 1978, Post 2002)
排泄分差 再脱氨基和转氨作用过程中，代谢产物通常较轻（这 样重同位素逐渐被浓缩） 同化分差 在蛋白质合成过程中偏好利用重同位素
营养级模型 (Cabana and Rasmussen 1994)
实际上, D = -21, C3植物 13C = -28 对陆生的动物来说，C 分差通常比较小， ≈ 0~1‰
M. Fogel and B. Fry, Woods Hole Stable Isotope Workshop, 1986
M. Fogel and B. Fry, Woods Hole Stable Isotope Workshop, 1986
-30
Soil depth (cm)
20 40 60 80 100 120 140
July 2003 Sept. 2003
D(‰)
-66.0 -62.0 -58.0 -54.0 -50.0
P. ma s Q. s on ian gl an a Q. d ul i fe va ra ria bi lis C. sin W ica .c an es ce ns Ca re xs p M .s ine ns is