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稳定性同位素知识介绍

一、同位素概念

1.同位素(isotope):具有相同原子序数但质量数不同的核素。

2.稳定性同位素(stable isotope):指质子数相同,中子数不同且无放射性的元素。

3.标记化合物(labelled compound):用放射性核素或稳定核素取代化合物分子中的一种或几种原子使之能被识别并可用于示踪的化合物。

4.示踪剂(tracer):具有某些明显特性而易于辨别的物质。将少量该物质与另一物质相混合或附着于此物质时,待测物质的分布状况或其所在位置就能被确定。

5.丰度(abundance):同位素原子数(或摩尔数)对该元素总原子数(或摩尔数)的比例。

6. 天然丰度(natural abundance):在一种元素中特定同位素天然存在的丰度。

7.同位素示踪剂(isotopic tracer):与被示踪元素相同而同位素组成或能态不同的示踪剂。

8.同位素稀释分析(isotope dilution analysis):在样品中加入一定量已知丰度的某元素的同位素(或包含该同位素的物质),通过测定混合物前后它在样品中的丰度,从而求得样品中该元素(或该物质)含量的分析方法。

9.同位素效应(isotope effect):由于质量或自旋等核性质的不同而造成的同一元素的同位素原子(或分子)之间物理和化学性质的差异。

10.原子质量(atomic mass):一种中性原子处于基态的静止质量。

11.原子质量单位(u,atomic mass unit):一个12C中性原子处于基态的静止质量的1/12。1u=1.6605655×10-27kg。

12.阿伏加德罗常数(L,NA):分子数除以物质的量。NA=N/n=(6.022045±0.000031) ×10 23mol-1。

13.摩尔质量(M):质量除以物质的量。M=m/n,式中m为物质的质量,kg/mol。

14.摩尔(mol):是一系统的物质的量,该系统中所包含的基本单元数与0.012kg12C的原子数目相等。在使用摩尔时,基本单位应予指明,可以是原子,分子,离子,电子及其他粒子,或这些粒子的特定组合。 

二、稳定性同位素介绍

同位素指质子数相同而中子数不同的同种化学元素,最常用的稳定同位素有碳-13 (13C)、氮-15(15N)、氢-2 (2H即氘) 和氧(18O)等。因为这些同位素比普通元素重1到2个原子量单位,所以也叫作重元素。稳定同位素 (stable isotope) 就是天然同位素或非放射性同位素(non-radioactive isotope),即无辐射衰变,质量保持永恒不变。

迄今发现的稳定性同位素有274种,但得到产业化生产并已广泛应用的主要为氘(2H)、碳-13(13C)、氮-15(15N)、氧-18(18O)、氖-22(22Ne)、硼-10(10B)等少数几种产品。稳定性同位素之间的质量有差异,因而其核自旋性质很不相同,核磁共振相对频率及相对灵敏度也有很大的差异,这为质谱法、核磁共振法等测试稳定同位素的丰度提供了技术基础。

稳定性同位素及其化合物之间的化学性质和生物性质是相同的,只是具有不同的核物理性质,因此,可以用稳定性同位素作为示踪原子,制成含有稳定性同位素的标记化合物,利用其与相应非标记元素的不同特性,通过质谱仪、核磁共振仪等分析仪器来测定稳定同位素反应后的位置、数量及其转变量等,从而了解反应的机理、途径、效果等。

稳定同位素在自然界无处不在,包括所有化合物、水和大气,所以也就自然地存在于动植物和人体内。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用于科学研究、临床医学和药物生产等几乎所有自然领域。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。

稳定同位素技术的另一特点是其测试定量的高精度和超高精度,达到PPM级(即百万分之一精度),而且同时也测定了化合物的浓度,事半功倍,且降低了测试误差。现在,利用同位素技术人们可以同时测定多个不同的样品,从而提高测定效率。这些高效率、高精度的特点是放射性同位素等技术所不可比拟的。

稳定同位素技术的第三个特点是其示踪能力的微观性和灵活多变性。微观性是指它可以用来标记、追踪化合物分子内部某个或多个特定原子,比如葡萄糖分子中各个原子在人体内的不同代谢途径, 哪些原子进入三羧酸循环产生能量,而哪些原子进入脂肪代谢途径参与脂肪合成。多变性是指通过对同位素标记位点的合理选择和巧妙设计来追踪、定性定量测定化合物的不同代谢途径或者生成过程。

由于以上特性,自20世纪中叶特别是70年代以来稳定同位素技术在科技先行国家被广泛应用于医学、营养、代谢、食品、农业、生态和地质等研究和生产领域。近年来在药物研发生产以及新兴的基因工程、蛋白质组学 (proteomics)、代谢组学 (metabolomics) 和代谢工程 (metabolic engineering) 等前沿领域,稳定同位素技术已成为一种应用广泛、独特高效甚至必须的技术,显著地提高了解决科学问题的能力和生产效率。最新近的例子是德国科学家用碳13氨基酸通过三代喂养成功地标记了动物全身的所有蛋白质而获得了细胞代谢的重要发现。这一崭新的技术堪比当年的聚合酶连锁反应技术 (PCR), 必将迅速得到广泛的推广和应用,有力地推动生命科学的发展。稳定同位素在自然界的无所不在意味着该技术应用的普遍性,有大自然显微镜的独特功能,将揭开越来越多的大自然和人体的奥秘。

 

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