第九章 同位素示踪技术在反刍动物营养研究中的应用
第一节 同位素示踪技术的原理与方法简介
同位素示踪是除能量平衡、物质平衡（C、N）试验及相关的化学分析技术之外的另一类动物营养学的重要研究方法。同位素示踪主要应用于营养物质动态代谢过程的观察，这方面的研究用常规技术无法实现。诸如食糜流通量、营养物质吸收等方面的研究，常规研究手段也可以实现，但应用同位素示踪技术可以提高测定的准确性、减少对动物的外科手术处理、重复利用相同的动物或得到更多的信息。另外，同位素研究还是矿物质代谢研究的重要手段。虽然同位素示踪技术的应用受到对仪器设备条件要求较高的限制，但其独特的优越性已使其得到越来越广泛的应用。
一. 同位素示踪技术的原理
同位素示踪技术在反刍动物营养研究中的用途广泛。如营养物质的消化吸收、食糜的流通量测定、菌体蛋白合成、体组织的合成与分解、器官代谢、矿物质代谢乃至能量代谢和体成分估测等均可应用不同的同位素示踪技术实现。这些同位素示踪技术均利用了同位素原子化学性质相同、物理性质不同的特点，通过示踪原子位置、数量的变化观察物质的代谢。在方法原理上主要有以下三个方面。这些原理的组合运用形成了各种技术方法。 ⒈ 同位素稀释：
如测定某种代谢物在代谢池中的总量，在无法测定代谢池总容量的情况下，向代谢池中注入一定数量的同位素标记代谢物，取得代表性样品后测定同位素富集度（比活度），可以计算出池中代谢物总量。假设使用稳定性同位素标记的代谢物进行示踪。注入代谢物的该同位素富集度（某同位素量/代谢物中该元素总量）为Ei，代谢物注入量为I；代谢池中代谢物中该同位素的富集度为Ec，代谢物总量为M；注入示踪物后代谢池的同位素富集度为Eci。其中Ei、I为已知量，Ec、Eci为可测量，求M。 Eci??Ei?I?Ec?M?/?I?M? 则：M????Ei?Eci??I??/?Eci?Ec?
同时测定池中代谢物的浓度C，可以求出代谢池的容积V。 V?M/C ⒉ 物质代谢动力学分析：
动物体内代谢池中的代谢物一般处于动态变化之中，向代谢池中注入示踪物，测定池内和流出代谢池的示踪物变化以反映物质的代谢。相关的测定技术及数学计算方法称为动力学分析。代谢动力学分析一般要求代谢池处于恒态或准恒态代谢状态，在反刍动物一般通过连续饲喂和尽可能减少环境对动物的刺激来实现。示踪物的注入方法分一次性注入和恒速连续注入两种，采样方法则分为代谢池内同位素达到稳定后采样和按时间序列采样两种。试验之前，首先需要根据研究目的确定代谢池的数量、之间的关系和各代谢池的含义，即建立房室模型，其次确定示踪物的注入量、注入方法及采样点。试验数据的分析方法的复杂程度随房室数量、示踪物注入方式、采样方式的不同而有很大差别。有关问题将在后续内容讨论。 ⒊ 微量成份代谢：
矿物质元素，尤其是微量元素在饲料及体组织中的含量很小，在样品量较小，化学分析的灵敏度不足的研究中，需要利用放射性测量灵敏度高的特点。 二. 同位素示踪技术的优点和局限性
同位素示踪技术除具有灵敏度高的优点外，应用于动物营养研究的最大优点是可以分别观测代谢物的合成与分解过程，进行动态分析。如利用化学分析方法只能测定血糖的含量，而利用同位素示踪的方法可以测定出血糖产生与消失的速度。其次一些利用传统方法必须进行屠宰测定的研究，利用同位素示踪技术可以在相同的试验动物进行重复试验。同位素示踪技术的局限性主要有以下几个方面：
⒈ 需要经过特殊训练专业人员的协助：
放射性标记物的操作、放射性防护、放射性测量以及稳定性同位素的测量均属专门技术，有关人员需要经过专门的训练。很难要求从事动物营养研究的专业人员同时具备这些方面的专业能力，因此具备同位素示踪研究能力的实验室一般配备专业人员。
⒉ 对设备、设施条件要求较高：
进行放射性操作要求实验室符合安全防护条件。放射性测量及稳定性同位素测量仪器结构复杂、价格较高。在一定程度上限制了同位素示踪技术的应用。 ⒊ 试验费用较高：
放射性、稳定性同位素的价格及样品分析费用较高是造成同位素示踪试验费用较高的主要原因。但同位素标记物的用量较少，同位素示踪的试验费用在一般科研项目的承受范围之内。国内同位素示踪技术应用较少的主要原因是实验室条件不足和对同位素示踪技术的了解不够。 三. 原子核物理的基本概念 ⒈ 原子、原子核、核素：
自然界中的所有物质均是由元素组成的，组成元素的基本单位是原子。原子由原子核和核外电子构成。原子的质量很轻，约为10?24～10?22g。原子的质量用原子质量单位μ表示，1μ的绝对质量是12C原子质量的十二分之一，即
1.660565?10?24g。核外电子带负电，每个电子的质量为0.000549μ。原子核由
质子和中子组成，质子带正电，带电量与电子相等，中子不带电。原子核的质子数与核外电子数相等，因此原子呈电中性。质子的质量为1.007276μ，中子的质量为1.008665μ，因此原子的质量主要集中在原子核。质子与中子数的和称为核子数，核子数与质子数决定了原子核的基本特征，通常AZX表示不同元素的原子核，称为核素。其中A为核子数，Z为质子数，X为所属元素的名称。元素在元素周期表中的位置是由核外电子数（亦即质子数）决定的，核子数不同而质子数相同的原子属于同一种元素，由于处于元素周期表的同一位置，习惯上称它们为同位素。
⒉ 放射性同位素、稳定性同位素：
原子核是否稳定完全决定于内在因素。原子核内存在质子之间的静电斥力和核子之间的核力。核力是核子（质子、中子）之间的相互吸引力，与电荷无关，强度为电磁力的103倍，作用距离只有10?15cm。作用距离超出这一数量级时，核力很快减小近于零，是一种“短程力”。核力具有饱和性，即一个核子只与附近的几个核子起作用，而不与所有核子起作用。存在核力的任意两个核子之间的核力大小大致相等。质子之间的静电斥力是长程力，斥力的大小与质子间距离的平
方呈反比。原子核的稳定性与核子数和质子与中子的比例有关，不稳定的原子核总是自发地向稳定状态转变，这一过程称为核衰变。发生核衰变时，原子核放射出带电或不带电的粒子，因此核衰变又称为放射性核衰变。不稳定的核素称为放射性核素，稳定的核素称为稳定性核素，相对于其同位素分别称为放射性同位素和稳定性同位素。 ⒊ 放射衰变类型：
放射衰变得类型很多，动物营养研究中常用核素的衰变主要有五种，即α衰变、β衰变、β＋衰变、γ衰变及电子俘获。 3.1 α衰变：
放射性核素放射出α粒子而变成另一种核素的过程称为α衰变。α粒子实际上是氦原子核（4。由一种核素放射出的α粒子的能量是单一的，但伴有γ2He）射线的α衰变核素常常放射出不止一种能量的α粒子。α粒子的能量Ea大都在4－8MeV之间，最大可达10MeV。发生α衰变的天然核素的原子序数一般大于82，人工放射性核素很少有发生α衰变的。 3.2 β衰变：
放射性核素的一个中子转变为一个质子，同时放射出β粒子的过程称为β衰变。β粒子实际上是电子，为了与核外电子区别，也写成β－。β衰变的生成物有三种，比母体核原子序数大1的子体核、β粒子和中微子。核衰变释放出来的能量由三者共同带走，且能量在三者之间的分配方式不固定，因此放射出的β粒子的能量在最大值（接近于衰变能）和最小值（接近于零）间形成连续的能谱。 3.3 β＋衰变：
放射性核素的一个质子变成一个中子并放射出β＋粒子。β＋粒子实质上是正电子，质量、电荷与电子相同，只是带正电。β＋衰变的产物是较母体核原子序数小1的子体核、β＋粒子和中微子。β＋的能量也是一个连续能谱。 3.4 电子俘获（EC）：
不稳定核素俘获一个核外绕行电子，核内的一个质子转变成中子和中微子。电子俘获过程只产生一个中微子，因而具有单一的能量。许多产生电子俘获的放
40射性核素同时也产生β＋衰变，如2211Na；也有一些能同时产生β衰变，如19K；
还有少数核素能同时产生电子俘获、β＋衰变和β衰变。
3.5 γ衰变：
处于激发态的原子核通过放射出γ射线回到基态的衰变方式称为γ衰变。γ射线是一种电磁辐射，不带电荷。γ衰变前后核素的原子序数和核子数不发生变化，仅能量状态不同。原子序数和核子数相同，能量状态不同的核素称为同质异能素。γ射线的能量是不连续的，一个核衰变可能放射出几种不同能量的γ射线。 ⒋ 放射性核衰变的一般规律 4.1 衰变定律：
设放射性原子核的初始数目为N0，经过t时刻后剩余的放射性原子核数目为N，则两者之间符合以下关系：
N?N0e??t??? (1)
设初始的放射性强度为A0，t时刻后的放射性强度为A，两者之间存在相同的关系，即：
A?A0e??t??? (2)
以上关系称为衰变定律，其中λ是衰变常数。 4.2 半衰期、平均寿命、放射强度单位：
半衰期（T1/2）是指放射性核素的数量减少到初始数量一半所需的时间，此时N?N0/2。由（1）式可以推导出：
T1/2?ln2/????(3)
经过n个半衰期后，放射强度A与初始放射强度A0的关系为：
A?A0/2N??? (4)
平均寿命（T）是指放射性原子核在衰变前的平均存在时间，由（1）式可以推导出：
T?1/???? (5)
4.3 放射强度单位：
放射强度是用单位时间内衰变的次数来度量的。1971年第十四届国际计量大会通过的放射强度计量单位是“贝克勒尔”，简写为Bq。1Bq＝1次衰变/秒。由于历史的原因，习惯上还用“居里”（ci）作为放射强度单位。1ci是指1g镭每秒钟的衰变数，即3.7?1010次。由于居里的单位比较大，常用毫居里（mci）