稳定同位素示踪技术全解

(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%
NDFS% “A”值 = × 施肥量（公斤氮/公顷） NDFF%
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
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。
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。
（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
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。
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%。
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，
表1：试验所得数据
试样 测定项目 15N丰度（%）
15N原子百分超（%）
地上部分 3.597
根系 3.547
土壤 0.454
3.227
4.57 1.16 53.0
3.177
1.31 0.74 9.7
0.084
0.19 1000 1900
N%（全氮百分含量） 质量（g） N的数量（mg/盆）
（一）植物中来自肥料及土壤氮的百分数
由表1可得： 35.5% 地上部： × 200（公斤氮/公顷） 63.5% =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 =
NDFF% × 植物全氮量（kg/公顷） 施氮量（kg/公顷）
肥料氮素利用率% (地上部)
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。
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
Hale Waihona Puke VMV 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。
二、课后复习的要求
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%= 植物样品中15N原子百分超 肥料中15N原子百分超 NDFS%= 1 – NDFF% ×100
地上部：NDFF% =
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。
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。
/product/
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
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。
=
64.5% × 53mg/盆
100mg/盆
= 34.19%
肥料氮素利用率% (根系)
=
63.5% × 9.7 mg/盆 100mg/盆
= 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。
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
珠江三角洲部分地区污染铅与本区背景的 铅同位素组成平均值
206
铅同位素指标
Pb/
204
Pb
207
Pb/
204
Pb
208
Pb/
204
Pb
206
Pb/
207
Pb
广州地区汽车尾气铅
18. 097
15. 577
37. 740
1. 1604
广东背景珠江三角洲
18. 574
15. 685
38. 937
1. 1842
广东凡口铅锌矿
18. 382