同位素示踪技术（共6篇）
同位素示踪技术 篇1
同位素示踪方法的应用, 使人们可以从分子水平动态地观察生物体内或细胞内生理、生化过程, 认识生命活动的物质基础。在工业生产中, 示踪原子为使用多种高效能的检验方法及生产过程自动控制的方法提供了可能性, 解决了不少技术上和理论上的问题。
1 硼 (B) 和锂 (Li) 同位素方法
硼有两种稳定同位素:10B和11B, 它们的相对质量差较大, 因此自然界中硼同位素分馏十分显著, δ11B值变化超过100%。在水/岩交换作用中, 硼是十分活泼的元素。硼主要受硼源岩石的硼同位素组成控制。其次, 成矿温度、水/岩比值、海水混染作用等因素的变化也对电气石的δ11B值变化有一定的影响。海相蒸发岩和非海相蒸发岩具有截然不同的硼同位素组成, 其中前者为高正值。许多大型、超大型块状硫化物矿床的形成均与非海相蒸发岩的参与有关。硼同位素已逐步成为研究热液成矿过程、示踪成矿物质来源和成矿环境的强有力地球化学工具。
锂的原子序数是3, 是稳定同位素地球化学家族中较轻的元素。由于锂同位素存在大的分馏和不同地质体中截然不同的δ6Li值, 锂同位素地质应用前景十分广泛。目前, 锂同位素在研究星云形成过程和宇宙事件, 洋壳蚀变和海底热液活动, 壳-幔物质循环和板块俯冲作用过程, 判断卤水起源和演化等方面的研究中成效显著。
2 铜 (Cu) 、锌 (Zn) 、铁 (Fe) 同位素方法
铜有两种稳定同位素:63Cu和65Cu, 它们在自然界中的丰度分别为69.17%和30.83%。铜同位素组成的表示方法一般用δ65Cu=[ (65Cu/63CU) 样品/ (65CU/63Cu) 标准-1) ×1000。但也有的学者用ε65CU=10ε65CU。Marechal等 (1999) 首次分析了采自世界各地的7个含铜矿物, 发现铜同位素组成变化范围十分大, δ65Cu值为-3.03‰~+5.74瓶, 其中最低值为一个自然铜样品, 最高值为一个黄铜矿样品。Zhu等分析了与岩浆岩有关的高温热液矿床中黄铜矿, δ65Cu值为-0.23‰~+0.13‰;加拿大Sudbury岩浆成因铜镍硫化物矿床中黄铜矿, δ65Cu值为-0.62‰~+0.40‰;现代大洋底块状硫化物矿床中黄铜矿, δ65Cu值为-0.48‰~+1.15‰。对低温热液脉状铜矿床 (如云南金满、白秧坪) 的Cu同位素分析表明, 其δ65Cu值较低, 为-3.70‰~+0.30‰, 明显不同于Zhu等报道的高温热液铜矿床和现代大洋底块状硫化物矿床的δ65Cu值。2002年5月, 长江中下游块状硫化物矿床 (如安徽冬瓜山铜矿) 的δ65Cu值较高, 为+0.09‰~+0.83‰。辽宁红透山太古代火山岩容矿型块状硫化物矿床的δ65Cu值最高, 为+0.69‰~+1.06‰。研究表明, 不同类型矿床的不同Cu同位素组成变化可能反映了不同的成矿温度, 不同的成矿物质来源, 不同的成矿期次, 不同的氧化还原环境和生物有机质参与成矿等多种因素制约的结果。
3 Re-Os同位素方法
铼有两种同位素, 185Re和187Re。锇有7种同位素, 184Os、186Os、187Os、188Os、189Os、190Os和、192Os。其中186Os和、187Os为放射性衰变产物, 186Os由190Pt通过a衰变而成, 187Os由187Re通过β衰变而成。在Re-Os同位素地质应用中, 常常用到γOs (t) 值。γOs (t) 值代表样品Os同位素组成在某一特定时间t相对于当时球粒陨石的Os同位素平均组成的百分差异。γOs (t) 值一般用下式来计算:γOs (t) =[ (187Os/188Os) 样品 (t) / (187Os/188Os) 球粒陨石 (t) -1]×100。根据硫化物矿石和赋矿超基性岩石的Os同位素组成, 可以估测不同来源物质在各矿床中所占的份额。此外, Re-Os同位素在壳-幔相互作用、大陆岩石圈地幔演化与定年及核-幔分异与演化等研究方面均具有其他同位素体系无法比拟的优势和广阔的应用前景。
4 惰性气体He和Ar同位素方法
稀有气体, 尤其是He和Ar, 在地壳和地幔储库中具有极不相同的同位素组成。由于这一特性, He和Ar同位素被广泛用于研究现代地壳流体的源区及其水-岩作用。目前, 这一工作已扩展到研究成矿古流体的性质和来源, 并取得了许多重要的成果。热液流体中惰性气体可能有4种来源:大气饱和水 (ASW) , 包括大气降水和海水, 其典型的氦、氩同位素组成为:3He/4He=1Ra (Ra为大气氦, 其3He/4He=1.4×10-6) , 40Ar/36Ar=295.5; (2) 地幔流体, 具有高3He的特征, 3He/4He的特征值为6~9Ra, 40Ar/36Ar变化较大, 一般比较高 (>40000) ; (3) 地壳放射成因的He和Ar, 3He/4He的特征值为0.01~0.05R:, 而40Ar/36Ar也很高; (4) 大气氦和氩, 由于大气氦含量很低, 不足以对地壳流体中的氦同位素组成产生影响, 但是无法区别流体中是否有大气氩的混入。
5 氮同位素方法
氮有两种稳定同位素, 分别为14N (99.64%) 和"N (0.36%) 。长期以来, 氮同位素主要应用在天然气、农业、环境等领域。氮同位素一般用δ15N=正 (15N/14N) 样品/ (15N/14N) 标准-1) ×1000表示, 标准采用的是大气N2。近年来, 越来越多的研究者将氮同位素方法用于示踪岩石成因和热液成矿作用。氮在矿物岩石中主要以NH4+形式替代K、Na等阳离子, 而赋存在云母、长石、黏土类矿物中。在不同类型的岩石中, 氮的含量及δ15N值变化较大。早期的研究工作多集中在陨石和金刚石的氮同位素组成研究上。近年来, 开始用氮同位素来探讨玄武岩、花岗岩、变质岩和沉积岩的成岩过程和物质来源。Jia和Kerrich最近发现热液蚀变成因的含钾矿物δ15N值为+10‰~+20‰, 明显高于地幔岩石的δ15N值 (<0‰) 。他们认为这一高δ15N值反映了太古代绿岩地体俯冲-增生期间的沉积物的脱气作用, 而非地幔流体或大气降水流体的作用。
参考文献
[1]汪领伟.矿物同位素性质[A].中国数学地质 (7) 2008 (2) .
[2]王梅.矿物同位素性质分析[J].地球化学进展, 2000 (4) .
同位素示踪技术 篇2
分析了天津市不同功能区土壤中多环芳烃的稳定碳同位素组成特征.土壤中菲、甲基菲、荧蒽和芘的.δ13C值范围分别为-29.5‰～-23.2‰、-39.8‰～-23.4‰、-27.2‰～-23.6‰和-28.1‰～-22.6‰,不同功能区稳定碳同位素组成的差异反映了PAHs来源的差异.稳定碳同位素组成特征表明,在研究区内,化石燃料燃烧产物的干-湿沉降是土壤PAHs的最主要来源之一,其它可能的来源有污水携带的油污、农作物茎杆及薪柴不完全燃烧产物等.就具体地点而言,土壤PAHs以二元混合输入为主,据此,运用稳定碳同位素组成的二元复合数值模型对不同来源PAHs的相对贡献率进行了估算.
作 者：苑金鹏 钟宁宁 吴水平作者单位：苑金鹏(中国科学院广州地球化学所有机地球化学国家重点实验室,广州,510640;石油大学(北京)石油天然气成藏机理教育部重点实验室,北京,102249,北京大学地表过程分析与模拟教育部重点实验室,北京,100871)
钟宁宁(石油大学(北京)石油天然气成藏机理教育部重点实验室,北京,102249;北京大学地表过程分析与模拟教育部重点实验室,北京,100871)
吴水平(石油大学,北京,石油天然气成藏机理教育部重点实验室,北京,102249;北京大学地表过程分析与模拟教育部重点实验室,北京,100871)
同位素示踪技术 篇3
关键词：同位素示踪法；高中生物教学实例
中图分类号：G632 文献标识码：B 文章编号：1002-7661（2015）09-280-01
同位素在生产、生活和科研等方面都有着极其广泛的应用。在生物学领域可用来测定生物化石的年代，也利用其射线进行诱变育种、防治病虫害和临床治癌，还可利用其射线作为示踪原子来研究细胞内的元素或化合物的来源、组成、分布和去向等，进而了解细胞的结构和功能、化学物质的变化、反应机理等等。
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，即把放射性同位素的原子参到其他物质中去，让它们一起运动，迁移，再用放射性探测仪器进行追踪，就可知道放射性原子通过什么路径，运动到哪里了，是怎样分布的等。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、15N、14C、18O、32P、35S等。
现行高中生物教材中的内容和相关习题中频繁出现同位素示踪法，展示了此方法的多种应用价值和对科学研究的重要贡献。以下就教材相关内容结合实例进行归纳阐述，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、分泌蛋白在细胞中合成部位及运输方向
在必修一课本中，介绍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胞中注射3H标记的亮氨酸，3 min后，被标记的氨基酸出现在附着有核糖体的内质网中，17 min后，出现在高尔基体中，117 min后，出现在靠近细胞膜内侧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。从而证明了细胞内的各种生物膜在功能上是紧密联系的。
二、研究生物的新陈代谢
教材在介绍光合作用的相关内容时，提及19世纪30年代美国科学家鲁宾和卡门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。他们进行了这样两组实验：第一组向绿色植物提供H218O和CO2；第二组向同种绿色植物提供H2O和 C18O2。在相同的条件下，对两组光合作用实验释放出的氧进行分析，结果表明，第一组释放的氧全部是18O2，第二组释放的氧全部是O2。从而证明了光合作用中释放的氧全部来自水。同样，也是用此方法，20世纪40年代，美国科学家卡尔文用碳的同位素14C标记的CO2 ，探明了碳在光合作用中转化成有机物中碳的转移途径，被称为卡尔文循环。除了光合作用，细胞呼吸等重要的生物代謝过程的很多问题也可以用同位素示踪法来研究。
三、证明DNA是遗传物质：噬菌体侵染细菌实验
必修二第3章第一节：DNA是主要的遗传物质。这一节中有几个经典的实验，其中噬菌体侵染细菌的实验正是运用了同位素示踪法。1952年赫尔希和蔡斯把大肠杆菌分别培养在含有35S和32P的培养基中， 大肠杆菌在生长过程中， 就分别被35S和32P所标记。然后，赫尔希等人用T2噬菌体分别去侵染被35S和32P标记的大肠杆菌。噬菌体在大肠杆菌细胞内增殖，裂解后释放出很多子代噬菌体，在这些子代噬菌体中，前者被35S标记，后者被32P标记。用被35S和32P标记的噬菌体分别去侵染未标记的大肠杆菌，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，测定结果显示：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32P标记的噬菌体感染细菌时，测定结果显示宿主细胞的外面的噬菌体外壳中很少有放射性同位素32P，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，进入细菌内的是DNA，而蛋白质留在细菌的外面。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。故证明DNA是遗传物质。
四、证明DNA的半保留复制
在必修二课本DNA的复制一节，选学内容DNA半保留复制的实验证据部分，就介绍了用同位素示踪法证明半保留复制机制的实验过程。实验步骤：
第一步：在氮源为14N的培养基上生长的大肠杆菌，其DNA分子均为14 N-DNA；在氮源15N的培养基上生长的大肠杆菌，其DNA分子均为15N-DNA。用某种离心方法分离得到的结果如右图所示，其DNA分别分布在轻带和重带上。
第二步：将亲代大肠杆菌（含15N-DNA）转移到含14 N的培养基上繁殖一代（Ⅰ），请分析：如果DNA离心后位置为重带和轻带两个条带，则是全保留复制，如果DNA离心后位置为只存在中带，则是半保留复制。
第三步：为了进一步验证第二步的推测结果，将亲代大肠杆菌（含15N-DNA）转移到含14N的培养基上连续繁殖二代（Ⅱ），请分析：
如果DNA离心后位置为重带和轻带，轻带加粗，则是全保留复制；如果DNA离心后位置为出现重带和轻带两个条带，则是半保留复制。
五、DNA探针
在生物的选修教材部分，多次涉及到DNA探针的相关知识，包括环境污染监测、基因诊断、基因工程中目的基因的检测等等。所谓DNA探针，就是用放射性同位素标记或者荧光标记的DNA分子，利用DNA分子杂交技术，达到检测和筛选的目的。
同位素示踪技术 篇4
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.
同位素示踪技术 篇5
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
同位素示踪技术 篇6
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