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稳定同位素技术及其应用

2021-11-16 14:35     来源:生命科学实验     稳定同位素稳定同位素技术
原子核内质子数相同而中子数不同的一类原子称为同位素,它们处在周期表上的同一位置,可分为稳定性同位素和放射性同位素。放射性同位素的原子核是不稳定的,它通过自发的放出粒子而衰变成另一种同位素。而不具有放射性的同位素称为稳定同位素,其中一部分是由放射性同位素通过衰变后形成的稳定产物,称为放射成因同位素;另一部分是天然的稳定同位素,是核合成以来就保持稳定,迄今为止还未发现它们能够自发衰变形成其他同位素。自然界中共有1700余种同位素,其中稳定同位素有270余种。有的元素由很多的稳定同位素组成,如第50号元素锡含有10个稳定同位素;而有的稳定同位素却仅仅只有一个稳定同位素,如元素氟、钠等。

稳定同位素较放射性同位素具有安全、无污染、易控制的优点,在地质、生态、医药、农业等领域研究中得到广泛应用。

1.稳定同位素技术的发展过程

稳定同位素的发现比放射性同位素要晚一些,1912年汤姆孙用电磁分析器(近代质谱计的雏形)才第一次确定了氖-20和氖-22的存在;1927年发现了氧的稳定同位素17O和18O;1932年发现了重氢(D)。1936年尤里等用精馏法从水中富集了18O,随后又用化学交换法富集了8Li,13C,15N和34S,不但证实了早年发表过的有关分离的计算理论,同时也发现了化学交换法对大量分离轻同位素很合适的。与此同时也采取了几种物理方法分离了若干种同位素。

在1930-1941年期间稳定同位素分离还处于探索阶段,此时尚无工业规模的生产,少量分离物只是提供研究同位素本身的核性质以及作为示踪原子用。到20世纪50年代后期,由于科学技术的进步及稳定同位素特殊性质的逐步显示,才使之得以迅速发展。我国稳定同位素的研制工作起步于50年代中,60年代首先在农业上获得应用,之后,在医药学中的应用也取得初步成果。

2.稳定同位素分析技术

稳定同位素分析是分离研究、生产和应用的前提,它是稳定同位素科学技术中不可缺少的组成部分。其中最重要的方法是质谱分析,它用于同位素分析已有70年历史,是经典、常用,准确的方法,适用于各种元素同位素质量和浓度测定以及物质成分和结构分析。近来在样品引入、离子源、分析器以及检出系统等四个主要方面都有重大的改进。在样品引入部分加上气相色谱,构成色质联用仪器,可以分析复杂混合物样品而不必转化为简单气体。此外,现在又出现高压液相色谱与质谱联用的更新技术。在离子化方面出现了许多新型离子化型式,如化学离子化,在离子源中产生的离子基本上是分子离子,谱线要比普通的电子轰击离子化单纯得多,大大提高了检测灵敏度。又如场致离子化和场解吸离子化,它们都是不直接轰击样品分子,是一种软离子化技术,不出现离子碎片,基本上没有同位素效应的干扰问题,可以直接分析多成分的混合物样品,而且不必像GC-MS那样需要引入适合于气相色谱的诱导体,所以操作更为简单。这对多重标记物的分析十分有利,能测定稀释了一百万倍的样品,最小检测量可低到fs(10-15g)。

第二个重要的分析方法是核磁共振(NMR),由于构成有机体主要元素的稳定同位素氢、氧、碳、硫等的核自旋量子数都不等于零,这些原子核在外磁场作用下会像陀螺一样作拉摩进动,如果此时在磁场垂直方向上加上一个射频电场,当它的频率与这些原子核振动频率相同时,即出现共振吸收现象,核的自旋就从原来的取向变为另一个取向,自旋量子数从低能级跃迁到高能级,当再返回到低能级时就放出一定的能量,使得核磁共振能谱上出现峰值。当磁场强度不变时,发生核磁共振的射频场频率与表征原子核种类的特征值——旋磁比v有固定的对应关系,因此根据共振时,可以拾出样品中同位素种类,根据峰高,可以测定含量。但由于它的测定灵敏度较差,一般都不用来作定量分析。

3.稳定同位素技术的应用

3.1稳定同位素技术在地质学中的应用

地球的大气圈、水圈和岩石圈具有各自的稳定同位素组成特征,每个层圈内部不同物质或同种物质形态之间同位素组成可以有很大差别。层圈的相互作用导致它们之间同位素的交换和变化。因此自然界稳定同位素的变化是复杂的,但同时又具有一定的规律性,这就有可能利用稳定同位素地球化学来示踪各层圈物质的来源及相互作用。例如,利用氢、氧、碳同位素地幔不均一性及地幔去气作用,利用氢氧同位素示踪岩浆热液浊变和水岩相互作用,利用氢、氧、碳同位素示踪变质作用过程,用氢、氧同位素示踪成矿热液来源,用碳、硫同位素示踪热液矿床成矿的物理化学环境,用氧、碳同位素示踪古气候和古环境变迁,用地层碳、氢、氧、硫同位素组成变化进行地层对比。

稳定同位素测温是现代地球化学中迅速发展的一个分支。近年来, 对氢、氧、碳、硫等同位素比值, 在平衡固一液相和多种共生矿物对之间的分馏系数进行了实验测定不. 丁理论计算,制定出适用于各种地质条件的同位素温度计。同位素测温方法应用于萝地质科学, 不但能提供各种成岩、成矿环境的温度数据, 而且近年来已开始应用实测同位素分馏系数, 探讨地质作用的平衡性质及其他物理化学条件指标。同其他地质测温技术相比,同位素测温法具有适用范围广和基本不受压力因素影响的特点。随着实验数据的积累和质谱分析技术的改进, 同位素测温的精度不断提高, 方法日趋完善。同位素测温已成为地质工作者手中又一有力工具。

3.2稳定同位素技术在生态学中的应用

稳定性同位素技术早在 2 0世纪 70年代末期就被引入到生态学领域。最初是利用植物稳定性碳同位素的差异 ,开展了许多有关营养流动方面的研究 ;到 90年代 ,稳定性碳和氮同位素被用来分析动物的食性、营养级位置关系以及食物链结构 ;本世纪初 ,由于技术的进步 ,稳定性同位素 (特别是氢同位素)被用来开展动物迁徙习性方面的研究。到目前为止 ,国内有关这方面的研究还鲜有报道 ,而且对自然界存在的稳定性同位素的理解还存在一定偏差。稳定性同位素在示踪动物食性信息、确定营养级位置关系、分析食物网结构以及研究动物迁徙生态学中的起着重要作用。

动物、鸟类的出生地段、繁殖基地和活动区域的植被非放射性同位素组成及浓度就像无形的标签一样把每一个息者准确地进行了标记。由于体内脂类和蛋白质合成都需要氢原子,所以它们的毛发和羽毛中的重氢含量反映了栖息地的重氢含量。无论它们走到哪里,只要对它们的毛发、羽毛重氢(即氘)进行测试比较,就可以知道它们的原产地或栖息地,还可以推断出它们的迁徙途径。比如美丽的北美洲鸣鸟秋季开始向南迁徙,于冬季到达中美洲过冬。鸟类学家通过对它们迁徙途中脱落的羽毛氘含量测定后得知,在北美洲最北端繁殖栖息的鸣鸟最早在秋季开始南迁,于冬季最早到达中美洲南端,即所谓的蛙跳式迁徙理论,而这些知识除了用同位素术是不可能得到的。

近年来, 动物生态学家也开始将稳定同位素技术应用于动-植物相互关系研究中。动物同位素组成总是与其生活环境中植物同位素组成相一致, 而且还反映了一段时间内(几小时到几年甚至更长时间)动物所采食的所有食物同位素组成的综合特征。当动物栖息环境发生变化或动物迁移到一个新的生境中, 动物组织同位素组成又会向新环境的同位素特征转变。这样, 动物组织同位素组成能真实地反映一段时期内动物的食物来源、栖息环境、分布格局及其迁移活动等信息, 是动物生存状况理想的指示者。而且, 分析不同时间尺度上动物组织同位素组成还可以深入了解动物对环境变化的适应等过程. 此外, 动物吸收利用营养过程中存在的同位素分馏效应, 为研究动物食物网和群落结构提供了理想工具。稳定同位素技术可以连续地测出食物网和群落中动物所处的营养级位置, 从本质上揭示动物间捕食与被捕食关系及其在整个生态系统物质平衡和能量流动中的作用, 从而使其成为动-植物相互关系研究中十分重要的、有效的研究工具。

3.3稳定同位素技术在水文中的应用

地球上的水分通过蒸发、凝结、降落、渗透和径流形成水的循环, 由于水分子的某些热力学性质与组成它的氢、氧原子的质量有关, 在水的各种状态转化过程中, 组成水分子的氢和氧同位素将发生分馏作用。随着质谱仪技术的不断完善, 精确测定水样中稳定同位素含量成为可能, 从而使稳定同位素技术被广泛应用于现代水文学中。同位素技术在水文学方面的应用主要有天然降水同位素分布, 水体蒸发过程中同位素的变化, 地下水年龄、补给来源的测定, 流域产流机制的研究, 流量过程线划分等。

大气降水氢氧同位素组成的变化基本遵循瑞利分馏模式。瑞利过程是在开放体系中进行的瞬时相平衡过程。降水可以看作是水汽在云团中达瞬时平衡, 经冷凝后迅速分离出来的过程, 可造成不同地区降水中的同位素分馏。大气降雨是地下水的主要补给来源, 大气降水的氢氧同位素分布规律和大气降水线方程为开展同位素水文地质研究提供了重要的基础资料。

蒸发过程是水循环的一个重要组成部分, 利用稳定同位素技术研究水体蒸发过程中同位素分馏具有重要意义, 提供了一种计算蒸发量的新方法。

降雨径流问题是水文循环的关键组成部分, 其研究的主要内容是降雨径流关系, 地表水和地下水相互转换的规律, 稳定性氢氧同位素技术为这些研究提供了新的技术。流域产流机制的研究是水文学研究中最重要的基础问题。传统的流域模型面临的最大问题是建模所需的信息缺乏, 所以只能停留在概念性模型的水平。该类研究要有突破的关键是建模所需的信息要有所突破, 同位素在流域水源过程示踪研究中的应用, 能有效地避免对自然状况模拟的失真间题, 可以为土壤水流规律研究、水文模型结构与参数识别提供更详细的信息, 是未来水文学发展的一个方向。

流量过程线分割划分是现代水文学中的一个基本问题, 主要是研究流域径流的不同成分及组成比例。流域水流的水源成分十分复杂, 特别是土壤中水流向出口断面的运动, 其信息全部放映在流域出口断面的流量过程线中, 很难区别并确定其水卷增刊矿物岩石地球化学通报源成分。由于稳定同位素或在水文过程中主要受混合影响以及因物理条件如蒸发、凝结等变化而构成同位素分馏影响, 且以不同水源的混合影响为主, 因而可用以示踪不同水源的径流成分, 采用不同稳定同位素的质量平衡关系, 将一次降雨事件产生的流量过程线分割成不同的水源。

3.4稳定同位素技术在农业中的应用

利用同位素示踪技术测定作物的肥料利用率:将稳定同位素标记的肥料施用于作物的土壤里,可利用同位素稀释原理来定量测定作物体内来自肥料中的各种营养成分,从而得知作物对肥料养分的吸收利用率。此方法直接简单,与通过比较施肥和不施肥条件下养分吸收差值法来测定肥料养分利用率相比,稳定同位素示踪法更接近自然条件下的植物生长发育状况,从而可以在正常的生产和施肥条件下进行,真实地反映植物对肥料的利用情况。同位素稀释原理是利用同位素示踪法测定作物肥料利用率的基本技术是同位素稀释法,其原理如下。同位素标记的某肥料养分(示踪剂)与天然的、未标记的同种养分(被示踪剂,亦即被测养分)在土壤和植物中的代谢行为相同,植物对其吸收利用也相同。

稳定同位素在畜牧业中也有应用。传统上研究和测定家畜动物的蛋白质合成和肌肉生长是利用原始的称重法,简便易行但比较粗放,结果误差大。随着科学技术的发展,这种古老的办法在很多情况下已不适用,而要求用更精确、更科学的方法来研究动物生产。最常用的方法是同位素示踪法,包括放射性和非放射性两种。前者由于放射性同位素的较早商业生产而及早得到了应用,但是由于其放射污染而造成对人体、动物及环境的污染等诸多限制,放射性同位素的应用越来越不受欢迎而呈现下降趋势。从上世纪中期以来开始流行的非放射性(稳定)同位素技术由于其安全可靠而受到人们的青睐。通常用于测定肌肉生长的稳定示踪剂包括由碳13、氮15或氘标记的氨基酸,将其通过饲喂、静脉注射或腹膜腔注射,然后定期采集肌肉样品来测定该示踪剂在肌肉中的丰度(即进入肌肉的示踪剂的量),从而计算得到肌肉蛋白的合成速率或增长率。由于质谱仪测定的高精度甚至超高精度,其结果准确可靠。而且可以同时测定任何组织,比如在同一次试验中可以测定不同部位的骨骼肌、心肌、肝脏等各个组织器官的蛋白质合成。试验也可以是存活试验,只需要在被测试动物肌肉组织采集极小量的样品(毫克级)即足够供仪器测试所用。

3.5稳定同位素技术在医药领域的应用

稳定同位素在自然界无处不在,所以也就自然地存在人体内。其物理化学性质与普通元素相同,所以可用作示踪剂来标记化合物临床医学和药物生产等领域。由于没有辐射污染,稳定同位素示踪剂可以用于任何对象,包括孕妇、婴儿和疾病患者,无论是口服还是注射,都绝对安全。所以在医药领域广受青睐。它在糖耐量试验与血糖控制、能量消耗测定、体重观察控制、药物研发生产和质量控制中均有应用。

口服葡萄糖耐受性试验,即糖耐量试验,是临床上常用的一种简便的预测、诊断糖尿病的方法。被测者饮用一剂普通葡萄糖后,在以后的2~3小时内定时采血,测定血糖浓度的变化。糖尿病的严重程度和病症的不同发展时期有着不同的、具有特征性的血糖浓度变化轨迹,例如血糖浓度峰值和下降曲线都可能有所不同。利用稳定同位素示踪剂技术可以同时测定肝脏的葡萄糖代谢状况以及肌肉、脂肪组织的葡萄糖利用状况,从而提高糖尿病诊断的特异性和可靠性,帮助医生制定具有针对性的治疗方案,提高疗效。换句话说,稳定同位素技术可以用来让医生根据每个病人的不同病变特点进行个性化治疗,达到提高疗效的目的。

肥胖症和超体重是二型糖尿病的高发群体,其发病机制往往因为不同器官的病变而有所区别。稳定同位素技术可以用来对这些群体进行定期检测,及早发现不同器官的代谢变化,从而对糖尿病的发生起到预警和预防作用。

利用氘及重氧 双标记的重水可以用来测定人在自然生活状态下的能量消耗,比如在各种正常工作状态下、休息时或运动中,并且测试程序简单。被试者喝入与体重成比例的小量双标记重水后,继续正常生活状态,只是定时采集几次尿液、唾液或血液以供仪器测试,测试结果用来计算能量消耗。此外,还可以根据能量消耗及体重变化来推算出试验期间的能量摄入量(即进食量)。这些结果可用于对体重的观察控制,以便及时制定相应措施,比如什么时候应该体育锻炼,什么锻炼项目合适,运动量应该多大。

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