稳定核素的分析

稳定核素分析是指采用某种方法和仪器对稳定核素或其标记物进行定性或定量。定性的目的是确定被测核素的原子量，从而判断它是那一种核素，对稳定核素标记物的定性则除测定它含有何种标记核素外，还包括确定每一分子上所含有的标记原子数及标记位置。定量的目的是确定被测元素或化合物中所含某种稳定核素的数量，通常以丰度来表示。丰度就是某元素样品的总原子数（或克原子数或克分子数） 中某种核素所占的百分数。这一百分数中除实验中人为加入的核素外，还包括天然存在于该种元素及其化合物中的该种核素，后者称为天然丰度，样品的实测丰度减去天然丰度则称为原子百分超，（简称百分超）。
稳定核素定量，最主要的指标是绝对灵敏度、丰度灵敏度和精密度。绝对灵敏度是指某种稳定核素的量最少要多少才能被比较精确地测定，它取决于制样方法、进样量以及丰度灵敏度等多种因素。丰度灵敏度是指某种稳定核素在样品中的丰度最低可达多少才能被比较精确地测定，它除取决于所用方法外，也取决于天然丰度，天然丰度越高，其自然变异越大，丰度灵敏度常越低。精密度则是指样品丰度测定值的波动范围，波动范围越大，精密度越差。精密度对丰度灵敏度有很大影响(参见“放射性测量的统计误差”条)。核医学中的样品大多丰度很低，对测量方法特别要求其精密度及丰度灵敏度要好。
目前可用的稳定核素分析方法可概括于表1。
质谱分析 质谱法是分析稳定核素的经典的、常用的、比较准确的方法，至今已有七十年历史。其基本原理是：能量相同的带电粒子，因质量不同而动量不同，它们在横向磁场中受到大小不同的劳仑茨力作用，其运动轨道发生不同程度的偏转，因而使不同质量的离子分开。或因它们的速度不同，在交变电场和自由空间中飞行时间不同而分开。

表1 主要分析方法及其特点

质谱仪主要由三部分组成：
(1)离子源： 待分析样品在这里被电离成离子，然后用几千伏到十几千伏高电压拉出、聚焦，形成离子束进入分析器。按电离机制分类，常用的有电子轰击电离和热表面电离，近来发展了溅射电离、激光电离、场致电离、场解析电离、化学电离和大气压电离等多种方式。后几种适用于多组分有机分子混合物样品。
(2)分析器： 离子束在电场或磁场中按不同质量分开。四极质谱仪的四极电场是比较简单的一种分析器，质量分辨率约为1:1,000。一般均匀场磁分析器的质量分辨率可达1:10⁴。将磁分析器和静电分析器组合，可以得到方向（角度）和能量（速度）双聚焦，使分辨率提高到1:10 （见图）。由于同位素之间质量差至少为1amu左右，常规测量工作只需要低分辨率质谱仪，高分辨率质谱

双聚焦质谱仪结构示意图
1. 离子源 2. 90°静电分析器
3. 60°磁分析器4. 电子倍增器

仪主要用于精确的核素鉴别、有机化学分析和核素质量测定。就精密度和丰度灵敏度来说，磁质谱仪略优于四极质谱仪，但后者更适合于快速质谱扫描。
(3)检测、显示和数据处理系统： 用灵敏的胶片记录，可测出打在0.1mm²表面上10⁴个能量为15keV的离子。用法拉第筒配合直流放大器、振簧静电计等可测出10^-15A离子流。近代质谱仪有不少采用电子倍增器或闪烁探测器，灵敏度更高。一般采用表头、示波器、记录仪显示质谱峰，还可用数字显示或打印机。近代质谱仪还配备电子计算机处理数据，并对仪器操作进行程序控制。
医学上应用的稳定核素均属轻元素，所用质谱仪主要有两类。一类专测无机气体样品(H₂、CO₂、N₂等)，质量较好者多制成双进样系统，可交替测定参考源及待测样品，采用磁铁分析器，固定探测器，丰度灵敏度可达10^-6以上，精密度可优于0.005%。气相层析-质谱仪属另一类，可直接测定有机化合物中稳定核素的丰度，并同时鉴定化合物的结构，特别适用于生物、医学示踪实验。但丰度灵敏度和精密度不如前述双进样的气体同位素质谱仪。
核磁共振分析 原子核自旋具有核磁距，在外磁场中会象陀螺一样作拉摩进动。在与磁场垂直的方向上加一个射频场，当射频频率与拉摩频率相同时，就会发生共振吸收，核自旋就由原来的取向改变为另一个取向，这种改变是量子化的，即按照自旋量子数从低能级跃迁到高能级。¹H、¹²C、¹⁵N的核自旋量子数为1/2,⁷Li、¹¹B、³³S的核自旋量子数为3/2。共振时射频频率v=γH/2x，式中H为外磁场强度，γ为旋磁比，不同的核素有不同的γ值，由此可以确定核素的种类。根据核磁共振波谱的峰高，可以确定核素的含量。又由于化合物分子中其他核以及核外电子运动状态对这个核的影响，使共振峰发生化学位移和自旋劈裂，因此可以通过分析核磁共振谱而了解物质的化学结构。
自四十年代发现核磁共振现象以来，已广泛地用于化学分析和同位素分析。到目前为止，已知103种核素的自旋量子数不等于零，原则上都可以用核磁共振波谱来分析，但主要还是用于D、¹⁰B、¹³C、¹⁵N、¹⁷O、³²S、³⁵Cl、K等轻核素的测定。 因为核磁共振是非破坏性的， 配合稳定核素标记技术，特别适用于生物学、医学研究，是近代分子生物学的重要手段之一，但丰度灵敏度还不如质谱仪，主要用于定性分析。近来又发展了电子顺磁共振(EPR)、电子自旋共振(ESR)和电子-核双共振(ENDOR)技术。
发射光谱分析 用高频电场激发被分析物质，当被激发物质的电子从高能级跃迁到低能级时发射出光谱，目前主要用于¹⁵N的分析。通常先将含¹⁵N的样品转化为氮气，其中的¹⁴N₂、¹⁴N¹⁵N和¹⁵N三种形式，谱线分别为2,976.8Å、2,982.9Å和2,988.6Å。 根据谱线强度就可测定¹⁵N的相对丰度。
红外光谱分析 含有不同核素的分子在红外区有特征的吸收光谱。将稳定核素标记技术与红外分光光度计结合起来，可以根据光谱图上吸收峰的强度测定核素丰度，并根据吸收峰的位置和形状推断化学组成和官能团结构。如OD基团吸收带是2,500^-1cm (3.980μ),OH基团是3,400^-1cm (2.946μ)。前者适用于测定低浓度重水（百分之几以下），精度可达±1ppm mol D/H。中间浓度重水常用1.445μ带测定。这种方法还可以用于分析CO₂、NO等

表2 可用活化分析测定的临床上有意义的稳定核素

核 素	丰度(%)	截面(b)	核 反 应	产品半衰期
2H	0.015		2H(γ,n)1H
13C 15O 26Mg 36S 41K 46Ca 48Ca	1.11 0.204 11.01 0.017 6.7 0.0035 0.187	0.2 0.5 0.025 0.14 1.1 0.25 1.1	13C(p,n)13N 18O(p,n)13F 26Mg(n,γ)27Mg 36S(n,γ)27S 41K(n,γ)42K 46Ca(n,γ)47Ca 48Ca(n,γ)49Ca 48Ca(p,n)48Sc	10 min 1.83h 9.45min 5min 12.36h 4.5d 8.7min 44h
50Cr 58Fe 44Ni 70Zn	4.2 0.31 1.08 0.62	13.1 0.98 1.6 0.085	50Cr(n,γ)51Cr 58Fe(n,γ)59Fe 64Ni(n,γ)65Ni 70Zn(n,γ)71mZn 71Zn	27.7d 45d 2.52h 3h 2.2min
74Se 84Sr	0.87 0.56	26 1	74Se(n,γ)75Se 84Sr(n,γ)35mSr 35Sr	118.5d 70min 65d
129I		20	129I(n,γ)120mI 130I	9.2min 12.36h
104Hg	0.15	3.100	136Hg(n,γ)197mHg 197Hg	24h 64h
204Pb	1.42		204Pb(n,2n)202Pb	52h

活化分析 参见“活化分析法”条。
将稳定核素标记技术与中子活化分析结合起来，就是所谓可活化示踪技术，可以方便地进行分布分析(物质和机体中示踪核素的位置、浓度)、状态分析（示踪核素在生物体中的化学状态）、过程分析(示踪核素在整个生理、病理过程中各阶段代谢、转移、结合、积累等行为)。但能用于示踪的核素其活化分析灵敏度不一定都高。许多生物医学上有意义的稳定核素都可用活化分析来测定(见表2)。
此外，还可以用密度法、比重法、热导法测定重水浓度，其中浮沉子法精度为±2ppm mol D/H，比重瓶法精度为±10ppm mol D/H(费时，分析一个样品约需六小时)，热导层析法的精度为±10ppm mol D/H。