《同位素稀释计量分析.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《同位素稀释计量分析.ppt（64页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、第4章 同位素稀释计量分析,中国农业大学 齐孟文,第4章 同位素稀释计量分析 4.1在肥料研究中的应用 1.肥料利用率-直接测定方法 1)15N-肥料利用率 需测定：1)植物吸收的总养分；2)养分来自肥料的百分比。,测定肥料利用率的有关计算 据同位素稀释定理有：式中：Ns、Nf 植物中来自土壤及肥料的氮素,ap、af植物及肥料样品的15N原子百分超。由上式，植物N素来自肥料的百分比：,1.植物N素来自肥料的百分数 2.植物N素来自土壤的百分数(非固氮植物),3.植物产氮量(全N)全N量干物质产量WN(%)4.N肥利用率,图.减缓N肥损失的措施：A.硝化抑制剂；B.脲酶抑制剂，减缓尿酸分解为铵的
2、过程；C.肥料控释剂。,例题 玉米田间实验,按80Kg N/ha施15N丰度为1.37%的标记尿素，在挂缨时收获，干物质产量4000Kg/ha,植物样品的含氮量为3%,15N丰度为0.67%,求：1)植物氮来自肥料的百分数.2)植物氮来自土壤的百分数.3)植物的全氮产量.4)植物的肥料氮产量.5)植物对肥料氮的利用率.,解:1)2)3)N yield=40003%=120 kg N/ha 4)Fertilizer N yield=120 30%=36 kg N/ha 5)Fertilizer N utilization=36/80=45%,2）32P肥料利用率 设植物总干重M，样品重M样,活度
3、为A,标记磷肥的比活度a(dpm/单位P)。磷肥利用率：,例题：盆栽大麦实验,装土2Kg,按20ppm P施过磷酸钙，2月后收获，干物质产量为5g.分析样品32P的活度和总P含量及标记过磷酸钙样品.得到：植物含P为 0.2%,植物液样（灰化,2M HCl萃取）含2mg P，Cernkon计数250cpm,；肥料液样含10mg P,Cernkon计数6250cpm.计数效率为50.求：1)植物P来自肥料的百分数Pdff.2)植物P来自土壤的百分数Pdfs.3)植物的总P产量4)植物的肥料P产量.5)植物对肥料P的利用率,解：1)2)Pdfs=100%-Pdff=100%-20%=80%,3)P
4、yield=50.2%=0.01g/pot=10mg/pot 4)fertil.P yield=10 20%=2mg/pot 5)fertil.P utilization=,直接利用复合公式计算,2.土壤有效养分的测定 土壤A值 用标记肥料示踪植物测定吸收得到的，以肥料养分作为相对比较标准的土壤有效养分含量指标。假设：植物从每一养分状源吸收的养分与各自养分源的含量成正比。,例题 在含1Kg风干土的盆内，施入40mg P/盆过磷酸钙，种植大麦，五周后收获，分析得Pdff=20%,则与过磷酸钙等当量的土壤磷是多少。解：,例题 为确定土壤的有效氮,在含1Kg风干土的盆内,按80mg/pot施用15N
5、尿素(1%15N a.e.),以大麦作为指示作物,收获后分析,植物样品的原子百分超为0.25%,土壤氮等当为尿素的量。解:A=240 mg N as urea,4.2 生物固氮研究 1.测定固氮量的ID法 参比作物:禾本科或不结瘤的豆科植物。有关计算,假定植物从每个养分源吸收的养分与其大小成正比，有：因 代入上式，有：,最后得到：,例题 田间试验,向固氮（F）和非固氮（NF）作物均按20KgN/ha，施用15N原子百分超为5.231%的硫铵，收获后，两者植物样品的15N原子百分超分别为0.702%和1.251%，试计算固氮作物的氮来自固定空气氮的百分数%Ndfa。解：,2.测定固氮量的NA法
6、考虑固氮活性可能因矿质氮而抑制，固氮植物的施氮量是参比植物的1/n倍，则ID法中有关关系改变为：最终有：,例题 田间试验，固氮及非固氮作物分别施20Kg N/ha 5.6%15N原子百分超，和60KgN/ha 2.5%15N百分超的硫铵，收获时，固氮及非固氮作物的15N原子百分超分别为0.08%和0.4%，计算%Ndfa。,用公式计算:,3.用15N测定固氮,求解如下：固氮作物固定的空气氮：,例 在鲁豆2号上实验自然丰度法测定固氮的方法（马昌嶙，1991），结果见表。,4.3 土壤侵蚀研究 稀土元素有与137Cs有相似的地球化学性质，与土壤尤其是土壤粘粒和有机质有很强的结合性，植物富集或淋溶过
7、程不明显，主要随土壤k颗粒作机械迁移，又因为在黄土中的自然含量甚微，因此可作为黄土高原土壤迁移的示踪剂。用作示踪的常用的稀土元素是La、Se、Nd、Sm、Eu、Dy等元素的氧化物，与从条块上取出土样混合后，通过回填标记，以对坡面侵蚀情况进行示踪测定。侵蚀坡面处理的示意图如下：,设第i种元素示踪面积区的土壤侵蚀量为Gi(kg)，该部位示踪元素的浓度为Ci(Bqkg-1)，背景浓度值为Bi(Bqkg-1)，调查坡面的总土壤侵蚀量为G(kg)，径流泥沙中第i种元素的浓度为，则由示踪元素的质量守恒关系有：由上式计算出各示踪部位的相对侵蚀比率Gi/G，再乘以各产沙部位所代表的面积系数,即可求得各部位的相
8、对侵蚀率。,4.4 稀释质谱分析 1.用同位素稀释法对GC-MS或LC-MS进行计量 因其是一种内标校准测定法，无需对样品分离及纯化过程的回收率进行较正，特别适合复杂基质中痕量物质的准确分析，广泛用于溯源性分析。其方法是，在样品制备时，就在其中加入待测元素的稀有同位素（丰度富集）作为内标，经质谱测定各特征谱峰的比率，就可由同位素稀释法求出待测元素的量。其定量公式为：,表.一些元素的同位素的选择,赵墨田等，同位素稀释质谱在化学计量学中的应用.质谱学报，1998，12（2）：16-20,公式推导 设，N-样品或内标所含元素的原子个数，角标x、y-样品或内标,S、T和M分别为样品、内标和混合样品中元
9、素的同位素丰度，角标I、k表示选定的一对同位素。则：,2.IDMS用于有机痕量物质测量 其灵敏度可达10-9-10-12g/g，此法常用13C或2H标记目标物作为内标，这种内标物与测试物的理化学性质极为一致，计量关系采用的是两者的比率，因此无须对预处理过程的回收率进行校正，这种将同位素稀释定量和GM/MS高效分离与准确测量技术相结合的方法，成为测量复杂基体中微量和痕量物的一种基准方法。,例题-二噁英的检测 二噁英(dioxins)是一类多氯代二苯并-对-二噁英(polychlorinateddibenzoPdioximPCDDs)和多氯代二苯并-对-呋喃(polychlorinateddibe
10、nzoPfurans，PCDFs)的三环芳香族化合物的总称。由于分子中氯原子的取代位置和取代数目不同，共有210种异构体。其中以2，3，7，8取代的四氯二苯并一对一二噁英(2，3，7，8一TCDD)的毒性作用最强，国际上常检测的是17种2，3，78位氯原子取代的二嚆英和呋喃。二噁英产生的途径非常广泛，在环境中难以降解，可通过食物链在人体富集，对人类的危害严重，尤其对人类生长发育、生殖功能和繁衍有影响，被世界卫生组织(WHO)列为剧毒化合物，规定人体每日允许摄人量为14pgkg BW。,研究表明人类二噁英的暴露90是通过动物源性食物摄入的。食品中二噁英(PCDDFs)分析属复杂基质、多组分(同系
11、物、异构体)、超痕量分析(fg-pg)，对特异性、选择性和灵敏度的要求极高，成为当今食品和环境分析领域的难点。高分辨气相色谱高分辨双聚焦磁式质谱联用-多离子检测(MID)分析方法是目前唯一适用的化学方法。计量上采用同位素内标稀释分析法，计量公式如下：式中，AN为样品中每一个非标记的PCDDF的两个主要分子离子的总面积；AL：样品每一个标记的PCDDF的两个主要分子离子的总面积；,CL为样品中标记PCDDF的浓度，pgl；CN样品中待测PCDDF的浓度，pg/g。；RR为非标记PCDDF与其对应的标记同系物的 相对响应，可由校正标准样品的测定确定：参考文献:张建清等.高分辨气相色谱高分辨双聚焦磁
12、式质谱联用定量检测市售牛奶中二恶英和呋喃.中国卫生检验杂志，2002，12（2）：16,例题-血糖定标测定 血糖含量测定是临床检验中最重要的指标之一。各种常用的检测方法检测的准确度见表，GCIDMS法可作为标度定标的方法，其定量法采用同位素内标插值方法进行计量，计量公式推导如下:设：C是血清中糖的浓度，Rs、Rl和Rh分别为血样及 低标和高标样品中非标记和标记糖的质谱峰面积比，Ws、Wh、Wl分别为血样及低标和高标样品中非标记糖与标记糖的质量比，Mlab和Mser分别为作为内标所加入的标记糖和血清的质量，Ps是内标糖的纯度。,注：HK，己糖激酶法；GOD-POD，葡萄糖氧化酶法；GC-ID/M
13、S,气相色谱同位素稀释质谱法。参考文献：丁兆婷等.气相色谱一质谱法测定人血清中葡萄 糖含量.北京化工大学学报(自然科学版),2010,37(2):109,4.5 动物食性及其相对贡献分析 当饲料中的13C与养殖水体中天然饵料中的13C有较大差别时，可用13C作为标记确定饲料与天然饵料对养埴生物生长的相对贡献，以研究影响饲料生物效价的各种因子和提高饲料产出率的方法。举例：确定人工配合饲料与天然饵料对中国对虾生长的相对贡献研究。,1）实验室4L水族箱 每箱10尾，设1）沙蚕（代表天然饵料）；2）配合饲料：3）沙蚕与配合饲料混合3个处理，每天投放2次饲料，混合组两饲料交替投放，实验持续20d。2）养
14、殖场 围箱养殖，投喂配合饲料与鸡粪（代表天然饵料），按不同生长阶段，分三次取样（虾、配合饲料、鸡粪样品）。样品分析：对虾、沙蚕、配合饲料、鸡粪样品，70oC烘干，磨碎，取5-10mg制样用于测定13C。计量分析：,设：配合饲料的13C为13Cc，天然饵料的为13Cn；对虾经校正的13C为13Cp；同时设配合饲料对生长贡献率为R，则有：,式中：13Cp=13Cg-13Csh，13Cg为试验期间对虾因摄食产生的13C的改变量；13Csh是食物消费者与食物营养级间的13C飘移量，是动物机体同化代谢食物过程中因同位素判别分馏效应所产生的，在一定的生态条件下可假定其为定值,本例中由实验室配合饲料喂养实验
15、确定。,计算结果：1）13Csh，由单配合饲料喂养求得：2）实验室饲养各混合食源贡献分析,3)池塘围隔饲养各食源贡献分析：以小虾为例：,各食源的相对贡献（%）引自文献:张硕.人工配合饲料与天然饵料对中国对虾 生长的营响.中国水产科学,2001,8(3):54-58,4.6 动物日粮氨基酸的真消化率 动物日粮氨基酸的真消化率，较之其表观消化率能更好反映日粮的生产性能，以真消化率计各种饲料可消化氨基酸的生产性能基本一样，因此可用以指示饲粮的生物学效价，可消化氨基酸具有可加性，能确保准确计算配合日粮，以满足动物氮白质维持及生产的需求，因此其被作为饲料营学的基础数据，受到普遍重视。氮白质及氨基酸的真消
16、化率可由表观消化率经内源排泄率校正得到，按下列算公计算：,真消化率计算的关健是要求得动物在实验同期中内源氮及氨基酸排泄率，排泄率一般受饲料构成、动物机体的生理及代谢条件诸多因素的影响，在测定时必需采用适当的技术将内源排泄物与外源排泄物相区分，使结果能反映真实情况，测定应尽可能在接近正常饲养条件下完成。用同位素15N标记饲料蛋质（稀释法）或动物体内氮库（灌注法或口服）对动物内源氮及氨基酸的排泄进行测定，并由同位素稀释法进行计算，这是目前公认的可在正常日粮条件下直接测定内源氮及氨基酸的排泄率的最有效方法。,a.标记动物 由于标记饲料不易取得且成本很高，所以常用标记动物的方法，根据标记的引入过程,又
17、分为连续注射或连续口服标记两种方法。血浆15N丰度：为了消除在餐后的涨落，一般取 餐后两时段的加权平均值：,b.标记记日粮 13C标记法 利用自然富集13C 的原料作日粮标记外源蛋白质,以区分和测定内源分泌蛋白质的示踪法。光合途径不同的植物，因CO2固定过程中碳同位素分馏效应的差别，它们的13C相对丰度范围不同，C4植物的范围为-2.3%-4%，平均为-2.7%；C3植物的为-0.9%-1.9%，平均为-1.2%。这为13C自然标记提供了可能，是一种更廉价的方法。,4.7 土壤元素可交换态的测定 土壤营养元素(如P和K)以及土壤重金属的生物学及环境效应往往取决于其可提取及可交换态的情况，同位素
18、稀释分析法是唯一可同时测定土壤元素可提取和可交换态的方法，而高分辨率电感耦合等离子质谱的采用,极大的方便了稳定性同位素稀释法的应用。土壤元素可提取态 是指通过溶剂提取 由土壤转移到溶剂中的元素态部分。土壤元素可交换态 是指土壤中元素态中可在土壤与溶液两介质相中快速交换的部分，达到平衡时，两者同位素分布相同。,有关计量关系式推导如下：1）土壤元素可交换部分的计量,由同位素等衡关系，有：令：则：,2)土壤元素可提取部分的计量,最终：化成与 相同的表示式：式中，为质谱对粒子强度的探测效率，可由标准样品求得。,参考文献：Hans-Eike Gbler.Determination of the inte
19、rchangeable heavy-metal fraction in soils by isotope dilution mass spectrometry.Fresenius J Anal Chem(1999)365:409-414.,4.9 相关放化测量 例:目的：3H示踪法测定水在有机溶剂中的溶解度。意义：水在有机溶剂中的溶解度是重要的物化 数据,对某些有机合成和化工业生产有重要意义。原理：在一定温度下，某种溶质的萃取分配比 为一常数，以3H2O为例，其在有机相（O）和水 相（A）的分配比为：,式中，为浓度。因此，水在有机相得溶解度为 方法：取各待测溶剂4mL，分别与4 mL 水混合 振荡24 h,使各有机溶剂为水饱和,再加入几 滴氚水,振荡10 m in 后,离心分层。取适量水 相和有机相用液闪测定。结果:在18 下,水在几种有机溶剂中的溶解 度如下:参考文献：杨燕东胡怀忠.同位素示踪法测定水在有机溶剂中的溶解度.原子能科学技术，1998，32(4):364-467,
