同位素示踪法（精选6篇）
同位素示踪法 篇1
同位素示踪法是利用放射性核素作为示踪剂对研究对象进行标记的微量分析方法。同位素标记的放射性标记化合物, 与未标记的相应化合物具有相同的化学与生物学性质, 不同的只是它们带有放射性, 可以利用放射性探测技术来追踪。用于示踪技术的放射性同位素一般是用于构成细胞化合物的重要元素。如3H, 14C, 15N, 18O, 32P, 35S等。
当前高中生物教材中的实验和相关习题中频繁出现同位素示踪法的应用, 以下就相关内容进行归纳阐述, 以期达到较深刻地认识这项技术, 进而达到认识生物某些重要代谢途径的目的。
一、C的同位素
自然界中碳元素有三种同位素, 即稳定同位素12C, 13C和放射性同位素14C。14C能够发射β射线, 因此可以用放射性14C取代化合物中它的稳定同位素12C, 并以Hc作为标记的放射性标记化合物。
例1.植物的光合作用途径
若用14C标记CO2分子, 则放射性物质在C4植物光合作用过程中将会依次出现在 ()
答案:D
二、P的同位素
磷是一个简单的元素, 除了质量数为31的一种稳定性同位素外, 还有几个放射性同位素, 其质量数为29, 30, 32, 33和34;但只有质量数为32和33的同位素存在足够长的时间可以作为示踪物之用, 32和33都可以发射负β射线。
例2.噬菌体侵染细菌的实验
下列那一种方法能为T2噬菌体的DNA作上32P标记 ()
A.用含32P标记的大肠杆菌培养B.用含32P标记的植物细胞培养
C.用含32P标记的动物细胞培养D.用含32P标记的固体培养基培养
答案:A
三、S的同位素
硫的同位素32s, 33s, 34s, 35s和36s中, 除35s外, 其他放射性同位素的半衰期都很短, 因此在放射性同位素示踪法中, 用的是35。
例3.噬菌体侵染细菌的实验
用35S标记的大肠杆菌T2噬菌体去侵染32P标记DNA的细菌, 则新产生的噬菌体中 ()
A.全部含有35S, 32PB.全部含有32P, 不含35S
C.部分含有35S, 不含32PD.部分含有32P, 不含35S
答案:B
四、N的同位素
研究N在动植物体内的转移途径。
例4.给某种蔬菜施含放射性同位素15N的氮肥, 植物吸收后主要用于合成蛋白质。人食用该种蔬菜后, 通过代谢, 15N最终出现在 () 中。
A.氨基酸B.氨C.尿素D.蛋白质
答案:C
总之, 同位素标记技术正在更大规模地应用于生物研究领域, 作为中学生物教师, 了解更多的有关同位素标记技术的知识和实验, 无疑将开拓自身的知识视野, 构建自身坚实的知识支架, 教学中适当讲授一些同位素标记技术的原初实验, 有利于把与代谢过程有关的复杂的知识点更科学、更原始地传授给学生, 同时, 也使学生对这项技术有一个更深刻的认识和把握。
同位素示踪法 篇2
科学家在研究分泌蛋白的合成和分泌时，曾经做过这样一个实验：他们在豚鼠的胰脏腺泡细3胞中注射H标记的亮氨酸，3min后，被标记的亮氨酸出现在附着有核糖体的内质网中，17min后，出现在高尔基体中，117min后，出现在靠近细胞膜内则的运输蛋白质的小泡中，以及释放到细胞外的分泌物中。这个实验说明分泌蛋白在附着于内质网上的核糖体中合成之后，是按照内质网→高尔基体→细胞膜的方向运输的。从而也证明了细胞内各种生物膜在功能上是紧密联系的。利用放射性同位素H作为示踪元素来研究细胞的有丝分裂
细胞有丝分裂时，DNA分子在间期要复制，为细胞的分裂做准备。为了研究细胞的有丝分裂，在小鼠肝细胞的培养液中加入用H等标记的胸腺嘧啶脱氧核苷（H-TdR），H标记的胸腺嘧啶脱氧核苷是合成胸腺嘧啶脱氧核苷酸的原料，胸腺嘧啶脱氧核苷酸是合成DNA的原料。因此细胞有丝分裂时，细胞核中的DNA分子复制可以被检测到。利用放射性同位素O、C、H作为示踪元素来研究光合作用过程中某些物质
3的变化过程，从而揭示光合作用的机理
3.1 19世纪30年代美国科学家鲁宾（S.Ruben）和卡门（M.Kamen）研究光合作用中释放的氧到底是来自于水，还是来自于二氧化碳。他们进行了这样2组实验：用氧的同位素18O分别标记H2O和CO2，使它分别成为H2O和CO2，然后进行2组光合作用的实验：第1组向绿色植物提供H218O和CO2；第2组向同种绿色植物提供H2O和C18O2。在相同的条件下，对2组光合作用实验释放出的氧进行分析，结果表明，第1组释放的氧全部是O2，第2组释放的氧全部是O2。从而证明了光合作用中释放的氧全部来自水。
3.2 用18O、14C标记二氧化碳（14C18O2），固定后产生的三碳化合物有放射性（14C3），产物葡萄糖（14C6H1218O6）有放射性，产物水（H218O）有放射性。因此可以知道18O、14C元素的转移途径为：14C18O2→214C3→14C6H1218O6+ H218O。
3.3 C4植物的发现过程 澳大利亚科学家M.D.Hatch和C.R.Slack在研究玉米、甘蔗等原产热带地区的绿色植物时发现，当向这些绿色植物提供14CO2时，光合作用开始后的1s内，竟有90%以上的C出现在含有4个碳原子的有机酸（一种C4化合物）中。随着光合作用的进行，C4化合物中的14C逐渐减少，而C3化合物中的14C逐渐增多。说明在这类绿色植物的光合作用中，CO2的C原子首先转移到C4化合物中，然后才转移到C3化合物中。科学家将这类植物看叫做C4植物。利用放射性同位素O作为示踪元素来研究细胞呼吸过程中物质的转变途径，181
418
18揭示呼吸作用的机理 4.1 用O标记的氧气（O2），生成的水全部有放射性，生成的二氧化碳全部无放着性，即：181818O2→H2O。
18184.2 用O标记葡萄糖（C6H12O6）生成的水全部无放射性，生成的二氧化碳全部有放着性，即：C6H1218O6→C18O2。
5利用放射性同位素K、P标记无机盐离子来研究某些矿质元素在植物体内的4232吸收、运输过程
5.1 研究矿质元素的吸收部位。通常用放射性同位素32P等来做实验，发现根毛区是根尖吸收矿质离子最活跃的部位。
5.2 研究矿质离子在茎中的运输部位。用不透水的蜡纸将柳树的韧皮部和木质部隔开，并在土壤中施用含有42K的肥料，5h后测定42K在柳茎各部位的分布：有蜡纸隔开的木质部含有大量的K，韧皮部几乎没有K，说明运输K的是木质部。柳茎在用蜡纸隔开的韧皮部和木质部的以下区段以及不插入蜡纸的对照实验中，韧皮部中也有很多的42K，说明42K可以从木质部横向运输到韧皮部。
4242
426 利用放射性同位素131I作为示踪元素来研究甲状腺
碘是合成甲状腺激素所必须的原料。甲状腺可以将细胞外液中的碘主动吸收到甲状腺细胞。因此可以将含有放射性同位素131I的注射液注射到小鼠体内，研究甲状腺功能和甲状腺激素调节的机理，有助于诊断甲状腺的功能性疾病。利用放射性同位素来研究原肠胚各胚层的发育
动物胚胎学家用放射性同位素标记法研究原肠胚3个胚层的发育，从而确定动物3个胚层的发育规律和动物各个组织、器官的来源。
8利用放射性同位素S和P分别标记蛋白质和DNA来研究噬菌体侵染细菌的实验
1952年赫尔希（A.D.Hershey）和蔡斯（M.Chase）把细菌分别培养在含有放射性同位素35S和放射性同位素32P的培养基中，细菌在生长过程中，就分别被35S和32P所标记。然后，用T2噬菌体分别去侵染被35S和32P所标记的细菌。噬菌体在细菌细胞内增殖，裂解后释放出很多子代噬菌体中，蛋白质被35S标记，DNA被32P标记。接着用被35S和32P标记的噬菌体分别去侵染未标记的细菌，然后测定宿主细胞的同位素标记，当用35S标记的噬菌体侵染细菌时，宿主细胞内很少有同位素标记，而大多数35S标记的噬菌体蛋白质附着在宿主细胞的外面。当用P标记的噬菌体感染细菌时，宿主细胞的外面的噬菌体外壳中很少有放射性同位素P，而大多数放射性同位素32P在宿主细胞内。以上实验表明，噬菌体在侵染细菌时，进入细菌体内的是DNA，而蛋白质在细菌的外面。可见，在噬菌体的生活史中，只有DNA是在亲代和子代之间具有连续性的物质。
323235329 利用放射性同位素15N作为示踪元素来研究DNA分子的半保留复制的特点 1957年，科学家用含有N的培养基培养大肠杆菌，使之变成重细菌，接下来再把它放在含有N的培养基中培养。在培养过程，每隔一段时间取一部分样品，并立即提取细菌的DNA进行密度梯度超离心，根据DNA分子在离心管中的位置不同，就可以区分出DNA分子中2条链是新生链还是母链。1
41510 利用放射性同位素32P作为示踪元素标记DNA分子来研究基因探针的作用
同位素示踪法 篇3
关键词：总N转化速率；持留机制；15N同位素稀释技术；15N同位素示踪技术；同位素分馏
中图分类号：S153.6 文献标志码：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2016.30.059
1 15N同位素稀释和示踪技术基本原理
15N同位素稀释技术是量化土壤总N转化速率的有效方法，是依赖于对某一形态产物的15N标记及其稀释和富集动态监测[1]，15N同位素示踪技术则主要依赖于对一形态底物的15N的标记及其稀释和富集动态监测。由此可见，利用15N同位素稀释和示踪原理，不仅可以量化土壤N转化速率，还可揭示N素生产和消耗途径。
2 15N同位素稀释和示踪技术方法
目前，利用15N同位素稀释和示踪技术研究N素总转化速率的分析方法有算术分析法和数值分析法两种。基于Kirkham和Bartholomew提出15N同位素稀释法模型，Blackburn提出了低丰度的15N标记方法，公式如下：
m=（M0-M1）/t×log（H0M1/H1M0）/log（M0/M1），c≠m
c=（M0-M1）/t×log（H0/H1）/log（M0/M1），c≠m
m=c=M0/t×log（H0/H1），c=m
式中，M0：培养过程to时刻的N的总含量15N+14N；M1：培养过程t1时刻N的总含量15N+14N；H0：培养过程to时刻15N百分超，即被标记的15N丰度和15N自然丰度之差；H1：培养过程t1时刻15N百分超；t：测定时间间隔即t=t1-to；m：总N产生速率；c：总N消耗速率。
上述方程既可用15NH4+-N或15NO3--N标记[2]。
由于森林土壤N循环过程复杂，需要量化的参数多，而基于算术分析的15N同位素标记方法由于未考虑15N再矿化这一因素，只适合短期测定，且量化的参数少，数值分析法因为克服上述问题越来越受到重视。有关N素总转化速率量化的数值分析法，程谊 等[3]做了很好的归纳。目前，Müller等基于马尔柯夫链蒙特卡洛随机采样方法开发的15N同位素示踪过程模型，将土壤有机N库拆分为活性、惰性氮库，允许采用零级、一级和米门动力学公式对N转化进行描写，可对有机N的矿化、NH4+固持到难分解有机N、易分解有机N的矿化、NH4+固持到易分解有机N、总N矿化、总NH4+固持、自养硝化、异养硝化、总硝化、总NO3-固持和硝酸盐异化为铵（DNRA）等过程进行同步量化，备受关注。
3 森林土壤N转化、运移关键过程的15N同位素研究
森林土壤N素转化过程，如N矿化、硝化、反硝化和硝酸盐异化还原为铵（DNRA）和N微生物固持、植物N素吸收均存在不同程度的N同位素分馏效应。通过N同位素分馏效应的研究，可有效揭示植物、微生物N的利用途径。
利用15N同位素稀释技术和示踪技术来分析土壤N素迁移转化动态，是当前森林生态学一个研究重点。相关研究主要可回答如下问题：第一，森林土壤总N矿化速率和净N矿化速率比例关系及其关键调控因子；第二，森林土壤微生物和植物根系对N素的竞争中谁占优势；第三，全球大气N沉降增加背景下，外源性N输入对不同类型的森林土壤N循环产生的影响。需要说明的是，土壤总N矿化速率和净N矿化速率比例关系因森林类型、土壤肥力和土层深度等不同而有所差异。如Zhang等[4]则采用15N同位素稀释法和模型分析来量化土壤N转化速率，研究发现，与北方温带针叶林相比，中国南方亚热带森林土壤N矿化速率高和N周转快。
运用稳定性15N同位素示踪技术可以揭示森林生态系统植物和土壤微生物的N竞争关系。有关森林植物和土壤微生物对N的竞争的研究主要围绕两点展开，一是在N源的竞争上存在无机N源和有机N源之争；二是在竞争关系上，植物和微生物对N竞争的相对优势。传统观点认为，植物仅能利用土壤有机物经矿化作用形成的无机态N。相应地，植物和微生物对N源的竞争主要围绕NH4+-N和NO3--N展开。植物和微生物对无机N的竞争的证据来源长期和短期的15N同位素示踪实验，土壤无机N库标记丰度较高丰度的15NH4+-N和15NO3--N，经过短期培养（15 d），测定植物、微生物和土壤无机N库及其同位素组成。在长期的15N同位素实验中，采用相同的示踪技术，不同的是测定的时间为培养后的数周或数月。基于15N同位素示踪实验研究的结果，目前较为流行的观点是，短期时微生物在无机N的竞争上占有优势，且微生物偏向于利用NH4+-N，长期而言植物是最终的赢家。近年来，借助15N同位素示踪技术，越来越多的证据显示植物根系，尤其是和菌根真菌有联系的植物根系，可以直接吸收有机态N。植物根系对有机N的吸收能減少植物对微生物矿化N的依赖，潜在缓解植物和微生物对N素的竞争。尽管如此，上述研究仍无定论，尤其是根际土壤微生物-植物的N素营养竞争关系知之甚少。
在全球大气N沉降增加的背景下，当前生态学界普遍关注的一个的问题是外源性N输入对森林生态系统C循环和养分循环有何影响。当外源性N输入超过生态系统生物生理需求和非生物持留能力时，森林土壤出现“N饱和”现象，伴随着NO3--N淋溶加剧、净硝化作用增加、N矿化先增加后降低、气态N损失和土壤酸化等一系列土壤过程非线性变化响应。简而言之，在外源性N输入的情形下，矿物N相对丰富的热带、亚热带和温带森林土壤N循环易由封闭状态向开放状态（如反硝化和淋溶）的转变。而有关N沉降对森林土壤N素循环的影响，多数研究结果集中在净N矿化速率层面。Corre等采用15N同位素稀释法研究则发现，德国云杉林土壤总N矿化、总硝化在中等富N状态下达到最大，在高度富N状态下均有所下降。
4 森林土壤N素持留机制的15N同位素研究
一般来说，矿物N相对丰富的生态系统，如热带、亚热带和温带森林土壤N矿化和硝化速率快，加大了N素流失特别是NO3--N淋溶风险的同时也形成了有效的N素持留机制：如调控植物和微生物对N素的吸收、硝酸盐异化还原为铵（DNRA）、NO3--N非生物性吸持为土壤有机质（SOM）和土壤有机N（SON）再矿化、低土壤pH值抑制氨气（NH3）挥发等。Stark等采用15N同位素稀释技术研究墨西哥和俄勒冈州未受干扰的针叶林土壤NO3--N的动态时发现，尽管土壤总硝化速率相当高，而微生物能快速同化所产生的NO3--N。与Stark等结果一致，Zhu等[5]
采用15N同位素示踪技术对中国亚热带酸性森林土壤研究发现，土壤产生的NO3--N中有17.2%～74.9%被微生物固持。对此，Huygens等[6，7]利用15N同位素稀释技术和15N示踪技术研究智利南部常绿假山毛榉雨林火山土壤的N循环过程，发现异养硝化及其耦合的DNRA过程、NO3--N转化为不易淋溶损失的有机态N、溶解性有机N（DON）转化和溶解性无机N（DIN）过程的解耦三个过程对于原始温带雨林生物可利用性N持留作用重大。他们的研究显示，添加15N一年后，15NH4+-N和15NO3--N的回收率分别为84%、69%，表明大量的NH4+-N和NO3--N被该森林土壤截留。异养硝化作用对总NO3--N生产的贡献达96%，总无机N的贡献约为10%。大约26%通过异养硝化产生的NO3--N经DNRA过程迅速转化为NH4+-N，大约69%通过异养硝化产生的NO3--N固持到不同的有机N库。最近，Zhang等[4]的15N同位素示踪研究显示：中国南方的酸性森林0～20 cm土壤NH4+-N的产生速率为（3.04±0.90）mg/
（kg·d），NH4+-N的固持速率为（1.80±1.13）mg/（kg·d），自养硝化速率为（0.14±0.17）mg/（kg·d），异养硝化速率为（0.70±0.46）mg/（kg·d），NO3--N吸持为SOM速率为（0.65±0.41）mg/（kg·d）和DNRA速率为（0.04±0.03）mg/（kg·d）。中国北方森林0～20 cm土壤NH4+-N的产生速率为（1.80±0.50）mg/（kg·d），NH4+-N的固持速率为（0.59±0.96）mg/（kg·d），自养硝化速率为（1.07±1.57）mg/（kg·d），异养硝化速率为（0.22±0.31）mg/（kg·d），NO3--N吸持为SOM速率为（0.04±0.11）mg/（kg·d）和DNRA速率为（0.05±0.04）mg/（kg·d）。基于上述研究结果，Zhang等[4]阐明中国南方酸性森林土壤无机N的保留机制为低的异养硝化速率、低的NH3挥发速率、较高速率的NO3--N固持为有机N抵消了径流、淋溶和反硝化的影响。
5 研究不足与展望
尽管15N同位素稀释技术和示踪技术能准确地测定森林土壤N素总转化速率，但测定结果受诸多条件限制，存在较大的不确定性。如果不能合理解释利用15N标记测定的结果，易得出误导性的结论。这就要求在实验技术上，确保15N均匀标记于土壤。目前，多孔细针注射法可以降低操作上的误差。另一个问题是，室内溶液注射易改变土壤水分，野外15N的添加可能由于NH3的挥发或NO3--N淋溶造成标记的15N损失，且外源性添加的15N是否产生激发效应（如硝化作用强的森林土壤），有待确定。再者，由于土壤粘土矿物的吸附，起始标记的部分15N如15NH4+-N被吸附，测定N素总转化速率需要待吸附平衡后确定一个合理的起始时间。
当前，有关森林土壤N素总转化速率和土壤温室气体如N2O通量的15N同位素研究十分丰富。然而，极少有研究能将森林土壤含N温室气体通量和土壤N素总转化速率结合分析，同时量化硝化、反硝化过程对N2O排放的相对贡献。在全球大气N沉降增加的背景下，外源性N持续输入在多大程度会影响森林土壤N循环过程、改变植物和土壤微生物间的N素竞争关系；在森林土壤“N饱和”过程中，会形成何种N素持留机制；N沉降增加导致的森林土壤N2O净排放通量发生改变的N素调控机制，和硝化作用和反硝化作用的关系，这些将是今后研究的重点和难点，离不开稳定性15N同位素稀释技术和示踪技术的支撑。
参考文献
[1]Killham， K.Soil ecology[M].Cambridge University Press，1994.
[2]AK Das， L Boral， RS Tripathi， et al. Nitrogen mineralization and microbial biomass-N in a subtropical humid forest of Meghalaya， India[J]. Soil Biology & Biochemistry， 1997， 29（9-10）：1609-1612.
[3]程谊，蔡祖聪，张金波.15N同位素稀释法测定土壤氮素总转化速率研究进展[J].土壤，2009，41（2）：165-171.
[4] Zhang J， Cai Z， Zhu T， et al.Mechanisms for the retention of inorganic N in acidic forest soils of southern China[J]. Scientific Reports，2012，3（6145）：2342.
[5]Zhu T， Meng T， Zhang J， et al. Nitrogen mineralization， immobilization turnover， heterotrophic nitrification， and microbial groups in acid forest soils of subtropical China[J]. Biology and Fertility of Soils， 2013， 49（3）：323-331.
[6]Huygens D， Rutting T， Boeckx P， et al. Soil nitrogen conservation mechanisms in a pristine south Chilean Nothofagus forest ecosystem[J]. Soil Biology & Biochemistry， 2007，39（10）：2448-2458.
[7]Huygens D， Boeckx P， Templer P， et al. Mechanisms for retention of bioavailable nitrogen in volcanic rainforest soils[J]. Nature Geoscience， 2008，1（8）： 543-548.
同位素示踪法 篇4
1 实验材料和方法
1.1 实验材料
Idogn,丙烯酰胺,甲叉双丙烯酰胺,PMSF,购自Sigma公司,125I-Na I购自杜邦公司,比活度629 T Bq/g;G25 Sephardex购自Pharmacia公司;NGF,北京昭衍新药研究开发中心提供;其余试剂为国产分析纯试剂;电泳槽、电泳仪为六一厂产品;682型r放免仪,上海核福公司产品,本底计数率70/min,效率80%。昆明白小鼠和Wistar大鼠,购自北京市药品检定所,小鼠体重18~22g、大鼠体重200~250g,动物合格证号(京动字)第037号。
1.2 125I标记NGF
参考文献[5],采用Iodogen法制备125I标记的NGF。鉴定放化纯度为95.8%,测定比活度为830GBq/g。
1.3 125I-NGF血药浓度测定
昆明白小鼠24只,随机分为4组,每组6只。小鼠肌肉注射(im)125I-NGF的3个剂量组的给药剂量分别为10μg/kg(3.7MBq/kg),20μg/kg(7.4MBq/kg),40μg/kg(14.8MBq/kg),对比尾静脉注射(iv)组给药剂量为10μg/kg(3.7MBq/kg),给药体积为0.1m L。每只小鼠给药后不同时间眶静脉取血0.2m L,收集于预先加入抗凝剂Na F(10mg/m L血)的试管内,4℃离心分离血浆。准确吸取25μL血浆加入25μL电泳样品缓冲液混匀,煮沸5min,取40μL电泳样品上样于12%聚丙烯酰胺凝胶上进行电泳;电泳结束,凝胶经考马斯亮兰染色、脱色,存于7%乙酸溶液中;将NGF对应位置的凝胶切下,置于测量管中,测定放射性强度,确定NGF血药浓度。
1.4 125I-NGF在小鼠体内的分布
昆明白小鼠18只,随机分为3组,每组6只。每只小鼠肌肉注射125I-NGF 10μg/kg(3.7MBq/kg)给药体积为0.1m L。给药后0.5h,3h,10h时间点各取一组,断头处死动物,取心、肝、脾、肺、肾、颌下腺、胃、生殖腺、骨、脑、肠、脊髓、肌肉、脂肪等组织,洗净表面血污称重,置于测量管中,测定样品的放射性强度。
1.5 125I-NGF在小鼠体内的粪尿排泄
小鼠6只,肌肉注射给药10μg/kg(3.7MBq/kg),分别置于不绣钢制代谢笼中,自由饮水吃食,不同时间收集粪、尿,105℃烘干,置于测量管中,测定样品的放射性强度,计算累积排泄量。
1.6 125I-NGF在大鼠体内的胆汁排泄
大鼠按30mg/kg异戊巴比妥钠腹腔麻醉,作胆道插管手术,舌下静脉给药10μg/kg(3.7MBq/kg),不同时间分段收集胆汁,计总量,取10μL置于测量管中测定放射性强度,计算累积排泄量。
2 结果
2.1 125I-NGF在小鼠体内的血药浓度时间变化和药物动力学参数的确定
小鼠静脉注射10μg/kg 125I-NGF后血药浓度时间变化(见图1)。肌肉注射10μg/kg,20μg/kg,40μg/kg125I-NGF后血药浓度时间变化(见图2)。应用3P87药物动力学程序对数据进行拟合分析计算,得到相关药物动力学参数(见表1,2)。
2种给药途径和不同给药剂量的血药浓度时间关系表明:静脉注射和肌肉注射125I-NGF在小鼠体内代谢模型均符合二房室开放分布模型。静脉注射125I-NGF 10μg/kg,分布相半衰期(T1/2(α))为0.13h,消除相半衰期(T1/2(β))为3.68h,这表明125I-NGF由中央室向周边室分布速率和消除速率较快。清除率为0.125 L/h/kg。曲线所围面积为16.012μg/h/L;肌肉注射125I-NGF 10μg/kg,20μg/kg,40μg/kg 3个剂量后,达峰时间分别为0.71h,1.66h,3.78h;峰浓度为1.74ng/m L,2.82ng/m L,4.23ng/m L。曲线所围面积分别为8.44μg/h/L,21.6μg/h/L,43.12μg/h/L,基本和剂量成正比,消除相半衰期分别为4.83h,4.49h,4.43h,基本不受剂量影响,这表示在10~40μg/kg剂量范围内该药物体内的处置过程符合线性药物动力学规律,清除率分别为0.123L/h/kg,0.098L/h/kg,0.097L/h/kg。肌肉注射10μg/kg 125I-NGF生物利用度为52.7%。
2.2 125I-NGF在小鼠体内的分布
小鼠肌肉注射125I-NGF 10μg/kg后不同时间的组织分布(见表3,图3)。结果显示小鼠肌肉注射125I-NGF后0.5h,3h,10h在所测的14种组织中均有分布,其中肾、胃、肠中放射性浓度最高,心、肝、肺、肌肉、脾次之,脑和脊髓最少。不同组织代谢情况不尽相同。多数组织放射性浓度随时间延长而减少,有些组织如脂肪、脊髓3h的放射性浓度高于0.5h,胃、肠和颌下腺中的放射性浓度随时间的延长而升高。
2.3 小鼠肌肉注射125I-NGF粪尿及胆汁排泄
表4显示小鼠肌肉注射125I-NGF后48h的粪尿的排泄情况。
小鼠肌肉注射125I-NGF以尿排泄为主,48h尿排出量占给药量的65.5%,前10h排出34%,前24h排出59%。48h粪排出7.9%,48h粪尿共排出73.4%,注射部位残留15.2%。
表5显示大鼠静脉注射125I-NGF后经胆汁排出的结果。静脉注射125I-NGF在大鼠胆汁中有一定排出,24h排出量占给药量的7.66%,其中前8h排出量占24h排出量的53%。
3 讨论
NGF属于多肽蛋白类药物,这类药物具有血药浓度低、降解速度快且体内存有内源物等特点,这给血药浓度检测带来很大困难。因此,检测灵敏度很高的125I标记示踪技术成为研究这类药物的药物动力学最重要的方法之一。由于多肽蛋白类药物在体内易被各种酶降解,而准确测定血液中原形药物浓度是确定药物动力学参数的必要条件,因此分离原形药和代谢产物成为准确测定血药浓度的必要步骤。目前常用的分离多肽及降解产物的方法有HPLC法、SDS-PAGE法和酸沉法等。SDS-PAGE法具有分辨率高、设备简单、成本低廉等特点。同位素示踪法与电泳法相结合不仅具有较高的分辨率、灵敏度和准确性,设备较为简单,而且能够准确识别原型药物。本工作应用这种分析方法研究125I-NGF在小鼠内的药物动力学。
125I-NGF 2种给药途径在小鼠体内代谢模型均符合二房室开放分布模型。肌肉注射10μg/kg,20μg/kg,40μg/kg 3个剂量,曲线所围面积分别为8.44μg/h/L,21.6μg/h/L,43.12μg/h/L,基本和剂量成正比,消除相半衰期分别为4.83h,4.49h,4.43h,基本不受剂量影响,这表示在10~40μg/kg剂量范围内该药物体内的处置过程符合线性药物动力学规律。肌肉注射10μg/kg125I-NGF生物利用度为52.7%,这表明肌肉注射是一条较好的临床给药途径。
125I-NGF在小鼠体内的时间分布变化反映125I-NGF在小鼠体内吸收、代谢的复杂性。在肺、肾、骨、生殖腺等组织放射性浓度随时间延长而明显降低。这表明125I-NGF在这些组织迅速被清除,而在胃、肠、颌下腺等组织放射性强度随时间延长而显著上升,这意味着125I-NGF在这些组织中可能积累。颌下腺是NGF的重要积累器官,NGF的制备方法之一便是从小鼠颌下腺提取。结果显示颌下腺是NGF的积累器官。125I-NGF在小鼠不同组织分布代谢的差异可能与NGF的分解和再利用有关。
肌肉注射125I-NGF在小鼠体内排泄很快,24h排出65.78%,48h排出73.4%。肌肉注射125I-NGF在小鼠体内的排泄以尿排泄为主,48h尿排出量占给药量的65.5%,而粪排出仅为7.9%。大鼠胆汁排泄实验显示:大鼠静脉注射给药后24h胆汁排泄7.66%,与小鼠肌肉注射给药后24h粪排出6.78%十分接近。肌肉注射125I-NGF后药物并未直接进入消化道,粪排出的药物可能来自肝脏分泌的胆汁经胆总管进入消化道,由粪排出。
我们的实验结果显示:肌肉注射NGF的吸收和消除均较快,体内分布广,这些结果与Tria[6]等人报道的结果基本一致。本研究为NGF的临床合理用药提供必要的参考资料。
参考文献
[1]BOADO RJ,TSUKAMOTO H,PARDRIDGE WM.Drugsdelivery of antisense molecules to the brain for treatment ofAlzheimer's disease and cerebral Aids[J].Journal of pharmaceuticalsciences,1998,87(11):1308-1315
[2]IKUMI TAMAI,AKIRA TSUJI.Transporter-mediated permeationof drugs across the blood-brain barrier[J].J Pharm Sci,2000,89(11):1371-1388
[3]GUSTILO MC,MARKOWSKA AL,BRECKLER SJ,et al.Evidence that nerve growth factor influences recent memorythrough structural changes in septohippocampal cholinergicneurons[J].J Comp Neurol,1999,405(4):491-507
[4]柳川.糖尿病周围神经病与NGF[J].Foreign Medical SciencesSection on Pharmacy,1998,788:87-94
[5]姜国华,魏群.钙调神经磷酸酶B亚基的125I标记及其血脑屏障的通透性[J].同位素,2001,14:201-204
同位素示踪法 篇5
1 示踪监测原理
井间示踪技术的基本原理是参照监测井单元的有关动静态资料, 设计监测方案, 选择、制备合适的示踪剂, 在监测井单元的注水井中投加示踪剂, 按照制定的取样制度, 在周围生产油井中取样、制样, 在特定实验室进行分析, 获取样品中的示踪剂含量, 同时绘制出生产井的示踪剂采出曲线, 通过综合分析监测井的示踪剂采出曲线和动静态等相关资料, 最终得到注入流体的运动方向、推进速度、波及情况等信息。示踪剂注入水井后, 首先随着注入水沿高渗层或大孔道突入生产井, 示踪剂的产出曲线会出现峰值, 同时由于储层参数的展布和注采动态的不同, 曲线的形状也会有所不同.
2 同位素示踪剂井间监测技术的应用
本次根据室内实验, 考虑药剂的注入、室内分析方法及井组的动静态资料, 相互位置, 针对三个注采井组实施BY-1示踪剂、BY-2示踪剂及BY-3示踪剂。注入示踪剂前, 要求测定所有对应油井中示踪剂的本底浓度, 每天取样化验一次, 连续取3个样, 求平均值。注入后前10天取样1次/天, 后改为1次/2天, 示踪剂高峰过后平稳时每5天取样一次, 直至示踪剂的浓度接近空白值为止。取样由采油队完成, 送专门化验室进行示踪剂产出检测, 第10天邮寄一次样, 以后每20天邮寄一次样。
样品分析工作在实验室完成, BY系列示踪剂使用CRT970分光光度计。从2011年10月11日注入示踪剂开始取样至2012年2月24日, 取样646个, 分析样品646个, 经过5个多月监测分析, S H S10-6、S H S8-300、S H S8-X312、S H S8-294、S H S5-11五口井见到了示踪剂显示SHS10-6、SHS8-300、SHS8-X312、SHS8-294、SHS5-11五口井的示踪剂产出曲线出现明显的峰形, 是示踪剂的响应。曲线峰型单一, 峰值突出, 表明只发育一个高渗层。而其它井均未检测到示踪剂产出。采用示踪剂峰值时间 (d) 与油水井距离 (m) 的比值来评价注入水的推进速度, 三井组中各见剂井水驱速度差异较大, 总体反映出井间存在一定非均质性。
3 结论
(1) 2011年10月11日对商10-7、商5-10斜、商8-295三个注采井组进行注隐现光示踪剂监测。至2012年2月24日结束, 累计监测137天, 共采集、分析样品646个。成功获得了各井组示踪剂响应数据, 绘制了示踪剂响应曲线和推进示意图, 并对示踪剂响应进行了数值分析, 监测表明共有5口井见到了示踪剂显示, 取得较好监测效果。
(2) 商10-7、商5-10斜和商8-295三井组油井见剂情况分析表明:
(1) 商10-7井与商10-6井连通较好。商10-7井的注入水主要推向了这口井;
(2) 商5-10斜井与S H S8-300、S H S8-X312、S H S8-294三口井连通较好, 商5-10斜的注入水主要推向SHS8-X312井, 其次是SHS8-300井, 再次是SHS8-294井。
(3) 商8-295井与商5-11井连通较好, 商8-295井的注入水主要推向了这口井。
商8-295井注水, 商5-11井见到了示踪剂, 表明两口井之间不存在断层或者断层不封闭;而 (1) 断层西边的商10-5井、商8-294两口井都没有见到示踪剂, 表明 (1) 断层是存在的。
(3) 三井组各见剂井方向示踪剂推进速度差异较大, 并且部分井没有见到示踪剂显示, 表明平面上储层非均质性较严重。
(4) 注入水分配和波及体积计算结果表明, 不同见剂井方向注入水分配和波及体积相差较大, 注入水流向不均衡, 商10-7、商8-295井组都只有一口井见剂, 注入水推进方向单一, 但水驱波及体积较大, 表明见剂井方向水驱效果较好。
(5) 从示踪剂产出曲线和数值分析结果来看:示踪曲线峰形清晰, 峰值突出, 表明经注入水冲刷, 部分粒间填充物受到注入水的拖拽而脱离骨架, 油层中已形成高渗条带, 这一点在商8-300、商8-X312井方向更为明显。5口见剂井都只有一个峰值, 表明油水井井间只存在一个高渗通道, 进一步说明储层非均质比较强。
4 建议
(1) 油田开发技术人员可以根据见剂情况, 参考水线推进速度、水驱波及体积及高渗通道数值分析结果, 结合生产情况和地质动静态资料, 进一步分析储层发育状况和水驱动用情况, 制定合理的挖潜措施。
(2) 示踪产出曲线峰型突出而且单一, 注入水单层突进特征明显, 目前各油井均已进入中高含水期, 建议结合注入、产出剖面对三个注采井组分层水驱动用状况进行分析。采取油井堵水、水井调剖或分层注水工艺改善层间矛盾。
(3) 进一步落实 (2) 断层区域构造, 如存在断点, 分析断层走向和倾向。
(4) 密切观察见剂油井含水变化, 及时调配对应水井注水量, 控制含水上升速度。
(5) 对高渗条带发育的井区, 油井进入高含水期后, 通过水井深部调驱措施, 削弱高渗条带影响, 增加水驱波及体积, 提高水驱效率。
参考文献
[1]姜汉桥, 刘同敬.示踪剂测试原理与矿场实践[M].东营:石油大学出版社
[2]Zemel B.油田示踪技术[M].赵培华, 张培信, 赵智勇, 等译.北京:石油工业出版社, 2005:30-62
同位素示踪法 篇6
15N同位素稀释技术是量化土壤总N转化速率的有效方法, 是依赖于对某一形态产物的15N标记及其稀释和富集动态监测[1], 15N同位素示踪技术则主要依赖于对一形态底物的15N的标记及其稀释和富集动态监测。由此可见, 利用15N同位素稀释和示踪原理, 不仅可以量化土壤N转化速率, 还可揭示N素生产和消耗途径。
2 15N同位素稀释和示踪技术方法
目前, 利用15N同位素稀释和示踪技术研究N素总转化速率的分析方法有算术分析法和数值分析法两种。基于Kirkham和Bartholomew提出15N同位素稀释法模型, Blackburn提出了低丰度的15N标记方法, 公式如下:
式中, M0:培养过程to时刻的N的总含量15N+14N;M1:培养过程t1时刻N的总含量15N+14N;H0:培养过程to时刻15N百分超, 即被标记的15N丰度和15N自然丰度之差;H1:培养过程t1时刻15N百分超;t:测定时间间隔即t=t1-to;m:总N产生速率;c:总N消耗速率。
上述方程既可用15NH4+-N或15NO3--N标记[2]。
由于森林土壤N循环过程复杂, 需要量化的参数多, 而基于算术分析的15N同位素标记方法由于未考虑15N再矿化这一因素, 只适合短期测定, 且量化的参数少, 数值分析法因为克服上述问题越来越受到重视。有关N素总转化速率量化的数值分析法, 程谊等[3]做了很好的归纳。目前, Müller等基于马尔柯夫链蒙特卡洛随机采样方法开发的15N同位素示踪过程模型, 将土壤有机N库拆分为活性、惰性氮库, 允许采用零级、一级和米门动力学公式对N转化进行描写, 可对有机N的矿化、NH4+固持到难分解有机N、易分解有机N的矿化、NH4+固持到易分解有机N、总N矿化、总NH4+固持、自养硝化、异养硝化、总硝化、总NO3-固持和硝酸盐异化为铵 (DNRA) 等过程进行同步量化, 备受关注。
3 森林土壤N转化、运移关键过程的15N同位素研究
森林土壤N素转化过程, 如N矿化、硝化、反硝化和硝酸盐异化还原为铵 (DNRA) 和N微生物固持、植物N素吸收均存在不同程度的N同位素分馏效应。通过N同位素分馏效应的研究, 可有效揭示植物、微生物N的利用途径。
利用15N同位素稀释技术和示踪技术来分析土壤N素迁移转化动态, 是当前森林生态学一个研究重点。相关研究主要可回答如下问题:第一, 森林土壤总N矿化速率和净N矿化速率比例关系及其关键调控因子;第二, 森林土壤微生物和植物根系对N素的竞争中谁占优势;第三, 全球大气N沉降增加背景下, 外源性N输入对不同类型的森林土壤N循环产生的影响。需要说明的是, 土壤总N矿化速率和净N矿化速率比例关系因森林类型、土壤肥力和土层深度等不同而有所差异。如Zhang等[4]则采用15N同位素稀释法和模型分析来量化土壤N转化速率, 研究发现, 与北方温带针叶林相比, 中国南方亚热带森林土壤N矿化速率高和N周转快。
运用稳定性15N同位素示踪技术可以揭示森林生态系统植物和土壤微生物的N竞争关系。有关森林植物和土壤微生物对N的竞争的研究主要围绕两点展开, 一是在N源的竞争上存在无机N源和有机N源之争;二是在竞争关系上, 植物和微生物对N竞争的相对优势。传统观点认为, 植物仅能利用土壤有机物经矿化作用形成的无机态N。相应地, 植物和微生物对N源的竞争主要围绕NH4+-N和NO3--N展开。植物和微生物对无机N的竞争的证据来源长期和短期的15N同位素示踪实验, 土壤无机N库标记丰度较高丰度的15NH4+-N和15NO3--N, 经过短期培养 (15 d) , 测定植物、微生物和土壤无机N库及其同位素组成。在长期的15N同位素实验中, 采用相同的示踪技术, 不同的是测定的时间为培养后的数周或数月。基于15N同位素示踪实验研究的结果, 目前较为流行的观点是, 短期时微生物在无机N的竞争上占有优势, 且微生物偏向于利用NH4+-N, 长期而言植物是最终的赢家。近年来, 借助15N同位素示踪技术, 越来越多的证据显示植物根系, 尤其是和菌根真菌有联系的植物根系, 可以直接吸收有机态N。植物根系对有机N的吸收能减少植物对微生物矿化N的依赖, 潜在缓解植物和微生物对N素的竞争。尽管如此, 上述研究仍无定论, 尤其是根际土壤微生物-植物的N素营养竞争关系知之甚少。
在全球大气N沉降增加的背景下, 当前生态学界普遍关注的一个的问题是外源性N输入对森林生态系统C循环和养分循环有何影响。当外源性N输入超过生态系统生物生理需求和非生物持留能力时, 森林土壤出现“N饱和”现象, 伴随着NO3--N淋溶加剧、净硝化作用增加、N矿化先增加后降低、气态N损失和土壤酸化等一系列土壤过程非线性变化响应。简而言之, 在外源性N输入的情形下, 矿物N相对丰富的热带、亚热带和温带森林土壤N循环易由封闭状态向开放状态 (如反硝化和淋溶) 的转变。而有关N沉降对森林土壤N素循环的影响, 多数研究结果集中在净N矿化速率层面。Corre等采用15N同位素稀释法研究则发现, 德国云杉林土壤总N矿化、总硝化在中等富N状态下达到最大, 在高度富N状态下均有所下降。
4 森林土壤N素持留机制的15N同位素研究
一般来说, 矿物N相对丰富的生态系统, 如热带、亚热带和温带森林土壤N矿化和硝化速率快, 加大了N素流失特别是NO3--N淋溶风险的同时也形成了有效的N素持留机制:如调控植物和微生物对N素的吸收、硝酸盐异化还原为铵 (DNRA) 、NO3--N非生物性吸持为土壤有机质 (SOM) 和土壤有机N (SON) 再矿化、低土壤p H值抑制氨气 (NH3) 挥发等。Stark等采用1 5N同位素稀释技术研究墨西哥和俄勒冈州未受干扰的针叶林土壤NO3--N的动态时发现, 尽管土壤总硝化速率相当高, 而微生物能快速同化所产生的NO3--N。与S t a r k等结果一致, Z h u等[5]采用15N同位素示踪技术对中国亚热带酸性森林土壤研究发现, 土壤产生的NO3--N中有17.2%~74.9%被微生物固持。对此, Huygens等[6,7]利用15N同位素稀释技术和15N示踪技术研究智利南部常绿假山毛榉雨林火山土壤的N循环过程, 发现异养硝化及其耦合的DNRA过程、NO3--N转化为不易淋溶损失的有机态N、溶解性有机N (DON) 转化和溶解性无机N (DIN) 过程的解耦三个过程对于原始温带雨林生物可利用性N持留作用重大。他们的研究显示, 添加15N一年后, 15NH4+-N和15NO3--N的回收率分别为84%、69%, 表明大量的NH4+-N和NO3--N被该森林土壤截留。异养硝化作用对总NO3--N生产的贡献达96%, 总无机N的贡献约为10%。大约26%通过异养硝化产生的NO3--N经DNRA过程迅速转化为NH4+-N, 大约69%通过异养硝化产生的NO3--N固持到不同的有机N库。最近, Zhang等[4]的15N同位素示踪研究显示:中国南方的酸性森林0~20 cm土壤NH4+-N的产生速率为 (3.04±0.90) mg (kg·d) , NH4+-N的固持速率为 (1.8 0±1.1 3) m g (kg·d) , 自养硝化速率为 (0.14±0.17) mg/ (kg·d) , 异养硝化速率为 (0.70±0.46) mg/ (kg·d) , NO3-N吸持为S O M速率为 (0.6 5±0.4 1) m g/ (k g·d) 和DNRA速率为 (0.04±0.03) mg/ (kg·d) 。中国北方森林0~20 cm土壤NH4+-N的产生速率为 (1.80±0.50) mg/ (kg·d) , NH4+-N的固持速率为 (0.59±0.96) mg (kg·d) , 自养硝化速率为 (1.07±1.57) mg/ (kg·d) , 异养硝化速率为 (0.22±0.31) mg/ (kg·d) , NO3--N吸持为SOM速率为 (0.04±0.11) mg/ (kg·d) 和DNRA速率为 (0.05±0.04) mg/ (kg·d) 。基于上述研究结果, Zhang等[4]阐明中国南方酸性森林土壤无机N的保留机制为低的异养硝化速率、低的NH3挥发速率、较高速率的NO3--N固持为有机N抵消了径流、淋溶和反硝化的影响。
5 研究不足与展望
尽管15N同位素稀释技术和示踪技术能准确地测定森林土壤N素总转化速率, 但测定结果受诸多条件限制, 存在较大的不确定性。如果不能合理解释利用15N标记测定的结果, 易得出误导性的结论。这就要求在实验技术上, 确保15N均匀标记于土壤。目前, 多孔细针注射法可以降低操作上的误差。另一个问题是, 室内溶液注射易改变土壤水分, 野外15N的添加可能由于NH3的挥发或NO3--N淋溶造成标记的15N损失, 且外源性添加的15N是否产生激发效应 (如硝化作用强的森林土壤) , 有待确定。再者, 由于土壤粘土矿物的吸附, 起始标记的部分15N如15NH4+-N被吸附, 测定N素总转化速率需要待吸附平衡后确定一个合理的起始时间。
当前, 有关森林土壤N素总转化速率和土壤温室气体如N2O通量的15N同位素研究十分丰富。然而, 极少有研究能将森林土壤含N温室气体通量和土壤N素总转化速率结合分析, 同时量化硝化、反硝化过程对N2O排放的相对贡献。在全球大气N沉降增加的背景下, 外源性N持续输入在多大程度会影响森林土壤N循环过程、改变植物和土壤微生物间的N素竞争关系;在森林土壤“N饱和”过程中, 会形成何种N素持留机制;N沉降增加导致的森林土壤N2O净排放通量发生改变的N素调控机制, 和硝化作用和反硝化作用的关系, 这些将是今后研究的重点和难点, 离不开稳定性15N同位素稀释技术和示踪技术的支撑。
参考文献
[1]Killham, K.Soil ecology[M].Cambridge University Press, 1994.
[2]AK Das, L Boral, RS Tripathi, et al.Nitrogen mineralization and microbial biomass-N in a subtropical humid forest of Meghalaya, India[J].Soil Biology&Biochemistry, 1997, 29 (9-10) :1609-1612.
[3]程谊, 蔡祖聪, 张金波.15N同位素稀释法测定土壤氮素总转化速率研究进展[J].土壤, 2009, 41 (2) :165-171.
[4]Zhang J, Cai Z, Zhu T, et al.Mechanisms for the retention of inorganic N in acidic forest soils of southern China[J].Scientific Reports, 2012, 3 (6145) :2342.
[5]Zhu T, Meng T, Zhang J, et al.Nitrogen mineralization, immobilization turnover, heterotrophic nitrification, and microbial groups in acid forest soils of subtropical China[J].Biology and Fertility of Soils, 2013, 49 (3) :323-331.
[6]Huygens D, Rutting T, Boeckx P, et al.Soil nitrogen conservation mechanisms in a pristine south Chilean Nothofagus forest ecosystem[J].Soil Biology&Biochemistry, 2007, 39 (10) :2448-2458.