农业化学示踪核素tracer nuclides for agrichemistry

用于标记土壤、肥料和植物营养示踪研究的材料，并从研究系统中可以探测出来的稳定或放射性核素。常用的有¹⁵N,³²P,¹⁴C,⁴⁵Ca,³⁵S,⁵⁴Mn,⁵⁹Fe,⁶⁵Zn和⁸⁶Rb。用这些示踪核素标记肥料和各种养分源在土壤、肥料的养分有效性，土壤中养分移动、转化，植物对养分的吸收、转移和利用研究中发挥了独特的作用。
¹⁵N 见稳定同位素示踪术。
³²p 磷是植物营养三要素之一。应用³²P可进行土壤磷的有效性、磷在土壤中的转化固定及作物磷化合物的代谢与运输，以及植物细胞中的核酸、核蛋白、磷脂类等化合物的合成、分解等问题的研究。³²P有比较适宜的半衰期(14.3天)，射线单一(β-)，能量较强(1.709兆电子伏)，具有使用方便，比γ-射线容易防护，便于测量等特点。同时容易获得且价格便宜，在农业化学研究中应用最为广泛。一般盆栽试验每千克土壤施加0.37兆贝克的³²P，大田小区每平方米施加7～11兆贝克的³²P对作物不产生任何危害。

农化常用放射性核素特征

核素	半衰期(d)	衰变类型及粒子能量(MeV)
32P	14.32	β-1.709(100%)
14C	5730 year	β-0.156(100%)
54Mn	312.5	EC(100%)	γ 0.835(100%) e-0.829
59Fe	45.1	β-0.467(52.7%) 0.274(45.8%)	γ1.099(56.5%) 1.292(43.3%)
65Zn	244.3	β+0.325(1.46%)	EC(98.54%) γ1.115(50.8%)
86Rb	18.7	β-0.69(8.8%) 1.77(91.2%)	γ1.077(8.8%)
45Ca	163	β-0.257(100%)	γ 0.0125 (1.7×10-3%)
35S	87.48	β-0.167(100%)

EC表示电子捕获，表中数字为射线最大能量，括号内数字为几率。
示踪磷肥标记 一种方法是在制备标记肥料时，把³²P结合到其中一种成分中去，如可以在制备过磷酸钙时，在硫酸中加入3²p标记的磷酸盐，用这种硫酸处理的磷矿粉制得的过磷酸钙除有正常结构外，还具有分布均匀的³²P示踪原子。还可以在实验室用³²P—H₃PO₄制备标记磷酸铵：

而最常用的标记方法是用³²p标记的磷酸盐溶液与普通过磷酸钙肥料混合，搅成糊状，保持若干小时，在此过程中不断搅拌，甚至可以加温到70℃左右，以促进其肥料中的³²P与加入的磷酸盐中的³²P进行同位素交换，直至达到相对平衡，然后烘干，磨细备用。标记难溶性磷矿粉时，用同位素交换法，其速度极为缓慢。所以可直接把磷矿粉放入原子反应堆中，用中子轰击磷矿粉的方法使磷矿粉中的³¹P获得中子后变为³²P(³¹P+1n。→₃₂P+γ)。不过这种标记方法常可使磷矿粉中的其他元素同时被活化，在使用前需将短半衰期的放射性核素进行冷却衰变，在操作及样本测量时，也需要注意其他被活化的放射性核素，如⁴⁵Ca、⁴⁶Sc和⁶⁰Co等放射性的防护和叠加干扰。
土壤磷素标记 将³²P—磷酸盐原液稀释到试验所需的比活度，然后取一定量的³²p稀释液直接注入到土壤中或喷洒到过筛的土壤中，充分拌匀，使³²P均匀地标记土壤中的磷素。利用32P标记土壤，可以进行植物根系活力分布和根际磷的吸收、耗竭状况及土壤磷有效性的研究。
植物磷素标记 可采用根系引入放射性磷素，或给植物注射³²p，或用³²P稀释液涂抹叶片等方法进行植物磷素运转、分配和代谢研究。
样本制备、测量 最简单的方法是取等面积的植物的新鲜或烘干叶片或适量的其他样本放在测盘中测量。也可以把植物样本和土壤样本烘干、磨碎、混匀，或将干样进一步高温灰化，取粉样或灰样用G—M计数管或Nal(Ti)闪烁探头的仪器进行测量。采用在液闪仪上使用塑料闪烁杯测量³²p固体样本的新技术，大大提高了³²p的测量效率。从标记材料中提取、分离或湿灰化产生的³²p液体样本在液闪仪上进行的契仑科夫计数的方法可以测量较大量的³²P水溶性样本(10～15毫升)，没有化学淬灭，测量效率也较高。利用闪烁液测量则进一步提高测量效率。³²p的植物整体样本或土柱、剖面、层析板等，利用X光片做放射自显影定位测定，是一种直观的测量³²p的手段。
¹⁴C 用¹⁴C作为示踪原子，由于其半衰期长(5730年)，在示踪试验中不需要进行半衰期校正，而且试验周期不受限制。其β粒子最大能量为0.156兆电子伏，样品进行液闪测量或做放射性自显影都较方便。是光合作用、有机肥料及植物碳素营养研究中的重要示踪核素。
标记方法 植物材料的标记，通常用¹⁴CO₂通过光合作用进行，将¹⁴C标记的碳酸盐(Na¹⁴₂CO₃或Ba¹⁴CO₃)与酸(HCl,HClO₄,C5H6O3)反应产生¹⁴CO₂，再将¹⁴CO₂通入密封光合室，使植物在光下同化¹⁴CO₂，从而得到¹⁴C—标记的植物。把标记的植物进行腐熟成为标记的有机肥料。也可将标记的14C作物当饲料喂家禽或家畜，使动物粪便得到标记，获得¹⁴C —标记的厩肥。
样本制备 见放射性样品制备。
⁸⁶Rb 植物对钾肥的吸收利用及钾在土壤中的转移固定的研究可以用⁴²K进行，但由于其半衰期太短(12.4小时)，使用受到限制。天然⁴⁰K的半衰期又太长，使用也很困难。由于铷和钾有相似的化学性质，所以可用⁸⁶Rb代替⁴²K进行生物示踪试验。制备⁸⁶Rb标记的钾肥，可将⁸⁶RbCl掺入到供试的肥料中来实现。⁸⁶Rb具有比³²P稍长的半衰期(18.7天)，发射与³²P差不多相同能量的β射线(1.77兆电子伏)，所以样品制备和测量与³²P相同。然而⁸⁶Rb还发射γ射线，操作时更须注意防护。
³⁵S和⁴⁵Ca ³⁵S和⁴⁵Ca具有非常适宜的半衰期和发射低能β射线的核素，用于研究硫、钙在土壤中移动、吸附及土壤中硫、钙的有效性，它们以³⁵ SO^2-₄或⁴⁵Ca²⁺的形态为植物通过根部吸收。³⁵S的样本制备和检测与¹⁴C相似。⁴⁵ Ca可用灰化或生成CaO沉淀制备样品。
微量示踪核素 ⁵⁴Mn,⁵⁹Fe,⁶⁵Zn等均发射β射线和γ射线，用闪烁探头测量有较高的探测效率。半衰期较长，在农化研究中使用剂量较小，每盆施入0.05～0.2兆贝克足以能满足试验需要。标记其水溶性肥料，与制备标记磷肥一样，采用同位素交换法，只要把肥料与相同化学性质的放射性核素标记物做简单的混合就可以了。在微量元素的研究中很重要的内容之一是研究元素之间的相互作用，如P-Zn,Fe-Zn,Fe-Mn等的相互影响，这就需要考虑这些核素的双标记与多标记的研究方法。利用每种放射性核素都具有特定的能谱峰，采用γ能谱仪或多道脉冲高度分析仪经过一次测量，就可以测出不同能量的γ射线的核素，并给出其定量结果，这样便可了解各元素的状况了。如没有γ能谱仪或多道脉冲高度分析仪，则可在某一处理中加入一种微量元素的放射性核素标记物和另一种微量元素的非放射性化合物，在对应的处理中，加入另一种微量元素的放射性核素标记物和前一处理中为放射性核素标记物的非放射性化合物。这两组处理所使用的浓度和用量应保持一致。这样从分别测出的植物对两种放射性微量元素的吸收量，就可以了解这两种元素之间的相互关系了。
微量元素的放射性核素大多具有β射线或内转换电子，均可对乳胶感光，样本适合做放射性自显影检测。