同位素标记是一种通过化学反应、代谢通路或细胞来跟踪同位素(具有相同质子数，不同中子数的同一元素的原子)的技术。将反应物中某些特定原子用其同位素替换（“标记”），然后让反应物进行反应。通过监测同位素在产物中的位置，以确定同位素原子在化学反应或细胞代谢途径中遵循的规则。同位素标记中使用的核素可以是稳定核素或放射性核素。在后一种情况下，标记被称为放射性标记。
在同位素标记中，有多种方法来检测标记同位素的存在：质量、振动模式或放射性衰变。质谱检测同位素质量的差异，红外光谱检测同位素振动模式的差异，核磁共振检测具有不同旋磁比的原子。放射性衰变可以通过电离室或凝胶放射自显影来检测。
同位素标记应用的一个例子是对苯酚(C6H5OH)的研究，将水中普通的氢原子( protium )(H)用氘(D)代替 (氘标记)。当向重水（含有D2O的水）中加入苯酚时，在苯酚的羟基中观察到氘取代，得到C6H5OD，表明苯酚容易与水发生氢交换反应。此外，只有羟基氢被取代，表明苯酚其他5个氢原子不参与交换反应。[来源请求]
一同位素示踪物(也成为“同位素标记”或“同位素标记物”)在化学和生物化学领域用于帮助理解化学反应和物质相互作用。在该技术中，目标分子的一个或多个原子被具有相同化学元素但不同的同位素(如在放射性示踪中使用的放射性同位素)的原子取代。因为标记的原子具有相同的质子数，所以其性质几乎与未标记的原子完全相同，几乎没有例外，不会干扰正在研究的反应。而中子数量的差异意味着它可以与同一元素的其他原子分开检测。
核磁共振(NMR)和质谱分析(MS)常用于研究化学反应的机理。核磁共振和质谱检测同位素差异，从而可以确定产物结构中标记原子的位置信息。利用同位素原子在产物中的位置信息，可以确定初始代谢物转化为产物的反应途径。放射性同位素可以用凝胶电泳中的放射自显影进行测试。含有放射性同位素的化合物发出的辐射会使摄影胶片变暗，从而记录标记化合物在凝胶中相对于彼此的位置。
同位素示踪剂通常以一定的同位素比率的形式使用。通过研究同一元素的两种同位素之间的比率，避免了元素整体丰度的影响，这通常会掩盖同位素丰度的小得多的变化。同位素示踪剂是地质学中一些最重要的工具，因为它们可以用于理解地球系统中复杂的混合过程。同位素示踪剂在地质学中的应用将在同位素地球化学词条下进行进一步讨论。
同位素示踪剂通常分为两类:稳定同位素示踪剂和放射性同位素示踪剂。稳定同位素示踪剂仅涉及非放射性同位素，通常与质量有关。理论上，具有两种稳定同位素的任何元素都可以用作同位素示踪物。然而，最常用的稳定同位素示踪剂总是相对较轻的同位素，因为它们在自然系统中容易分馏（另请参见同位素标记）。放射性同位素示踪剂[2]是由放射性衰变产生的同位素，其通常与非放射成因同位素成一定比例(其在地球上的丰度不因放射性衰变而变化)。
稳定同位素标记包括使用非放射性的同位素，对多种化学和生化系统进行建模。所选同位素可以作为化合物上的标记，通过核磁共振(NMR)和质谱(MS)进行分析。一些最常见的稳定同位素有2H .13C .和15N，它们可进一步制成核磁共振溶剂,氨基酸,核酸,脂质，常见代谢产物和细胞生长介质。[4]含稳定同位素的化合物可以通过指定标记同位素的百分比(如，30%均匀标记13C的葡萄糖含有30%13碳同位素和70%天然碳)或于化合物上特定位置进行标记(如，1-13C葡萄糖，1-碳原子被标记的葡萄糖)得到。
右图显示了糖酵解途径和戊糖磷酸途径采用的反应网络，其中标记的碳同位素在整个反应网络中重新排列到不同的位置。该网络始于6-磷酸果糖(F6P)，它有6个碳原子，其中1,2-号位被标记13C。1,2-13C F6P变成两分子3-磷酸甘油酯 (G3P)，一分子2,3-13C T3P和一个未标记的T3P。2,3-13C T3P可与 7-磷酸庚酮糖 (S7P)反应形成未标记的4-磷酸赤藓糖 (E4P)和5,6-13C F6P。未标记的T3P将与S7P反应合成未标记的产物。[3]该图说明了使用稳定的同位素标记来发现碳原子重排的方法，该反应使用位置特异性标记的化合物进行。
使用稳定的同位素标记进行代谢通量分析 (MFA)，是解释某些元素在细胞内代谢途径和反应通量的重要工具。将同位素标记物注入细胞，并使用标记养料使细胞生长。对于静态代谢通量分析，细胞必须达到稳态(进入和离开细胞的同位素随时间保持恒定)或准稳态(在给定的时间段内达到稳态)。[5]输出代谢物的同位素模式被确定，通过每个反应从反应物到产物的转化率，这些信息可用于确定通量的大小。[6]
该图展示了使用不同标记来确定通过特定反应的通量的能力。假设原始代谢物（一种三碳化合物）能够在一次反应中分裂成二碳代谢物和一碳代谢物，然后重组或保持为三碳代谢物。如果反应中原始代谢物的两种同位素比例相等（通常称为均匀标记），一种是完全标记的(蓝色圆圈)，另一种是完全未标记的(白色圆圈)。图左侧的路径表示代谢物的未发生任何变化，而右侧显示了其分裂和重组。如图所示，如果代谢物只沿着左侧的路径，它保持标记和未标记代谢物50-50的均匀比例。如果代谢物仅遵循右侧的机理反应，则新的标记分子就会出现，且所有种类分子的比例都相等。其他比例也可能出现，这取决于有多少原始代谢物沿着路径的左侧而不是右侧。中间显示的是左右两种路径各占一半时的情况。[7]通过测量不同标记代谢物的同位素异构体分布，可以确定通过每个反应的通量。[8]
MFA将同位素标记获得的数据与每个反应的化学计量比、约束条件相结合，并通过优化程序以解析通量图。不可逆反应提供了寻找通量所需的热力学约束。构建包含反应化学计量的矩阵。通过使用迭代法估算细胞内通量，其中模拟通量插入化学计量模型中。模拟的通量显示在通量图中，该图显示了每个反应的反应物转化为产物的速率。[6]在大多数通量图中，箭头越粗，反应的通量值越大。[9]
任何测量同位素之间差异的技术都可被使用。其中有两种主要方法，即核磁共振和质谱，用于测量稳定同位素标记中的重同位素。
质子核磁共振是第一项用于13C标记实验的技术。可将特定代谢物库中的每个质子化碳位置与其他位置分开观察。[5]这使得在该特定位置标记的同位素的百分比是已知的。质子核磁共振的局限是，如果代谢物中有n个碳原子，则最多只能有n个不同的位置富集，这仅占总同位素异构体的一小部分。尽管质子核磁共振标记的使用是有限的，但纯质子核磁共振实验比具有更多同位素信息的实验更容易评估。
除了质子核磁共振，使用13C核磁共振技术还可以更详细地观察同位素异构体的分布。根据分子中直接相邻原子的标记状态，标记的碳原子将产生不同的超精细分裂信号。[5]如果相邻的碳原子没有被标记，则会出现单重峰。如果只标记一个相邻的碳原子，就会出现双峰。双重分裂的大小取决于相邻碳原子的官能团。如果两个相邻的碳原子都被标记，在双重峰分裂相等的情况下可能会退化为三重峰。
将核磁共振技术用于代谢通量分析的缺点是，它不同于其他核磁共振应用，这是一门相当专业的学科，并非所有的研究团队都可以直接使用核磁共振波谱仪。核磁共振测量参数的优化和峰结构的正确分析需要熟练的核磁共振专家。某些代谢物也可能需要专门的测量程序来获得额外的同位素数据。此外，需要专门的软件工具来精准确定峰面积，以及识别分解纠缠的单重峰、双重峰和三重峰。
与核磁共振相反，质谱法是另一种对代谢通量分析实验更适用且敏感的方法。质谱仪器有不同的版本型号。与二维核磁共振( 2D-NMR)不同，质谱仪器可直接进行水解产物的分析。[5]
在气相色谱-质谱法(GC-MS )中，MS被耦合到气相色谱仪以分离水解产物。然后，从气相色谱柱中洗脱的化合物被离子化，并同时裂解。使用气相色谱-质谱联用仪的好处是，不仅测量了分子离子的质量同位素，还测量分子碎片的同位素质谱，这大大增加了测量信息。
在液相色谱-质谱法( LC-MS )中，气相色谱被液相色谱仪取代。[10]主要区别在于化学衍生不是必需的。然而，液相色谱-质谱联用技术在MFA中的应用很少。
在每种情况下，质谱仪器都根据分子量划分特定的同位素分布。包含相同数量标记碳原子的特定代谢物的所有同位素异构体都被收集在一个峰值信号中。因为每种同位素恰好在质谱中贡献了一个峰，所以可以通过计算每个峰的百分比值，得到同位素的质量分数。[5]对于具有n个碳原子的代谢物，产生n+1个测量值，归一化后仅剩n个同位素异构体数值。[5]
使用质谱技术的缺点是，对于气相色谱，样品必须通过化学衍生处理以获得带电荷的分子。有许多化合物用于衍生样品。N,N-二甲基甲酰胺二甲基缩醛(DMFDMA)[11]和N-(叔丁基二甲基甲硅烷基)-N-甲基三氟乙酰胺(MTBSTFA)[12]是两种用于衍生氨基酸的化合物。
此外，观察到的强同位素效应会影响不同标记的同位素异构体在气相色谱柱中的保留时间。还必须防止气相色谱柱过载。[12]
最后，碳以外的其他原子的自然丰度也导致质量同位素光谱的干扰。例如，氧分子中也存在17O同位素和18O同位素。同位素自然丰度的一个更重要的影响是硅对同位素自然丰度的影响29Si和30Si。Si常用于质谱技术的衍生试剂。[5]
放射性同位素标记是一种跟踪物质样品通道的技术。通过在其化学成分中包含放射性核素，对该物质进行“标记”。当这些放射性核素衰变时，可以通过检测它们发出的辐射来确定其存在。放射性同位素标记是同位素标记的一种特殊情况。
出于这些目的，一种特别有用的放射性衰变是正电子发射。当正电子与电子碰撞时，它释放出两个沿完全相反方向传播的高能光子。如果正电子是在固体中产生的，光子很可能在移动超过一毫米前就产生了。[来源请求]如果这两个光子都能被检测到，则可以非常精确地确定衰变事件的位置。
严格来说，放射性同位素标记仅包括实验人员人为引入放射性元素的情况，但一些自然现象允许进行类似的分析。特别地，辐射测年法的原理与此密切相关。
在蛋白质组学中，研究由基因组表达的全套蛋白质，鉴定疾病 生物标记物可能涉及使用细胞培养条件下稳定同位素标记技术(SILAC)，通过提供同位素标记的氨基酸，从而估算蛋白质的水平。[13]在蛋白质重组中，可操纵的蛋白质大量产生，同位素标记是测试相关蛋白质的工具。过去，该方法选择性地富集13C或15N核或耗尽1H。重组体将在大肠杆菌中表达，培养基包含15N作为氮源的氯化铵。[14]然后通过金属螯合亲和色谱纯化所得的15N标记蛋白，并估算其百分比。为了增加标记蛋白质的产量并降低同位素标记培养基的成本，一种替代方法是在引入最少量的标记介质之前使用未标记培养基增加细胞量。[15]同位素标记的另一个应用是测量DNA合成，即体外细胞增殖。使用H3-胸腺嘧啶核苷作为标记物以比较细胞中合成(或序列)的模式。[16]
同位素示踪剂用于测定自然系统中（特别是陆地和水生环境）的过程。在土壤科学中15N示踪剂被广泛用于研究氮循环，而13C和14C（碳的稳定同位素和放射性同位素）被分别用于研究有机化合物的周转和通过自养生物固定的CO2.例如，Marsh等人(2005)使用了双标记(15N- 和14C) 尿素，表明通过氨氧化剂能够将该物质能够同时作为能源(氨氧化)和碳源(化能自养碳固定)。[17]
示踪剂也广泛应用于海洋学中，以研究各种各样的自然过程。所使用的同位素通常是天然存在的，具有确定的来源以及固定的形成与衰变速率。然而，人造同位素也可以非常成功地使用。研究人员在不同的地点和时间测量同位素比率，以推断出有关海洋物理过程的信息。
海洋是一个广阔的粒子运输网络。钍同位素可以帮助研究人员揭示海洋中物质的垂直与水平运动。234Th在海洋中具有恒定的、明确的产生速率，半衰期为24天。以证明这种天然存在的同位素随海洋的深度呈线性变化。因此，在这种线性模式下任何变化都可以归因于234Th粒子的传输。例如，地表水中234Th同位素比率低，而几米之下的值很高，这表明向下方有垂直方向的物质流动。此外，钍同位素可以在特定深度内追踪以研究粒子的横向传输。[18]
可以使用镭同位素检查海湾，河口和地下水等局部系统内的循环。223Ra的半衰期为11天，可自然存在于河流或地下水中的特定位置。镭同位素的比例随着河水从源头进入海湾或河口而降低。通过在多个不同位置测量223Ra含量，可以得到水循环的模式。[19]同样的过程也可以用来研究地下水的运动和排放。[20]
铅的各种同位素可以用来研究全球范围的物质循环。不同的海洋(即大西洋、太平洋、印度等)具有不同的同位素特征。这是因为不同海洋中沉积物和岩石中同位素比率不同。[21]由于铅的不同同位素的半衰期为50-200年，所以没有足够的时间使各种同位素的比率在整个海洋均匀化。因此，对铅同位素比率的精确分析可以用来研究不同海洋的环流。[22]
半衰期非常长的同位素可以用来研究数百万年的过程，例如构造学和极端气候变化。通过分析冰芯内锶(半衰期~2 Ma)的同位素比率，可以研究地球生命周期中的变化。冰芯内这一比率的差异将表明地球化学方面的显著变化。[22]
可以使用天然同位素来测量上述循环过程。然而，人造同位素对海洋学测量也极其有用。核武器试验向世界海洋释放了许多罕见的同位素。如3H .129I，以及137Cs溶解在海水中，而241Am和238Pu附着在颗粒上。溶解在水中的同位素对研究全球水循环特别有用。例如，海洋中横向同位素比率的差异可能意味着强大的水锋或环流。[23]相反，附着在颗粒上的同位素可以用来研究水柱内的物质传输。例如，当在很深的深度观察时，高水平的Am或Pu可指示下降流，而当在表面观察时指示上升流。[24]
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