同位素標記（或同位素標記）是一種用于跟蹤同位素（中子計數具有可檢測變化的原子）通過反應、代謝途徑或細胞的技術。 通過用同位素替換特定原子來“標記”反應物。 然后讓反應物進行反應。 測量產物中同位素的位置以確定同位素原子在反應或細胞代謝途徑中遵循的序列。 同位素標記中使用的核素可以是穩定核素或放射性核素。 在后一種情況下，標記稱為放射性標記。

在同位素標記中，有多種方法可以檢測標記同位素的存在； 通過它們的質量、振動模式或放射性衰變。 質譜法檢測同位素質量的差異，而紅外光譜檢測同位素振動模式的差異。 核磁共振檢測具有不同旋磁比的原子。 放射性衰變可以通過電離室或凝膠的放射自顯影來檢測。

使用同位素標記的一個例子是通過用氘（氘標記）代替普通氫（氕）來研究水中的苯酚 (C6H5OH)。 將苯酚加入到氘化水（除通常的 H2O 外還含有 D2O 的水）中后，在苯酚的羥基中觀察到氘取代了氫（產生 C6H5OD），表明苯酚很容易與 水。 只有羥基受到影響，表明其他5個氫原子不參與交換反應。

同位素示蹤劑（也稱為同位素標記或同位素標記）用于化學和生物化學，以幫助理解化學反應和相互作用。 在這種技術中，感興趣分子的一個或多個原子被相同化學元素的原子取代，但同位素不同（如放射性示蹤中使用的放射性同位素）。 因為標記原子具有相同數量的質子，它的行為方式與未標記原子幾乎完全相同，并且除了少數例外，不會干擾正在研究的反應。 然而，中子數量的差異意味著它可以與同一元素的其他原子分開檢測。

核磁共振 (NMR) 和質譜 (MS) 用于研究化學反應的機理。 NMR 和 MS 檢測同位素差異，從而確定有關標記原子在產品結構中的位置信息。 利用產品中同位素原子的定位信息，可以確定初始代謝物轉化為產品的反應途徑。 放射性同位素可以在凝膠電泳中使用凝膠的放射自顯影圖進行測試。 含有放射性同位素的化合物發出的輻射使一張攝影膠片變暗，記錄標記化合物在凝膠中的相對位置。

同位素示蹤劑通常以同位素比率的形式使用。 通過研究同一元素的兩種同位素之間的比率，我們避免了涉及元素總體豐度的影響，這種影響通常會淹沒同位素豐度中小得多的變化。 同位素示蹤劑是地質學中一些最重要的工具，因為它們可用于了解地球系統中復雜的混合過程。 關于同位素示蹤劑在地質學中應用的進一步討論在同位素地球化學標題下進行了介紹。

同位素示蹤劑通常分為兩類：穩定同位素示蹤劑和放射性同位素示蹤劑。 穩定同位素示蹤劑僅涉及非放射性同位素，通常與質量有關。 理論上，任何具有兩種穩定同位素的元素都可以作為同位素示蹤劑。 然而，最常用的穩定同位素示蹤劑涉及相對較輕的同位素，這些同位素很容易在自然系統中發生分餾。

另見同位素特征。 放射性同位素示蹤劑涉及放射性衰變產生的同位素，通常與非放射性同位素成比例。

穩定同位素標記涉及使用非放射性同位素，這些同位素可以充當用于模擬多種化學和生化系統的示蹤劑。 所選擇的同位素可以作為該化合物的標記，可以通過核磁共振 (NMR) 和質譜 (MS) 進行識別。 一些最常見的穩定同位素是 2H、13C 和 15N，它們可以進一步生成 NMR 溶劑、氨基酸、核酸、脂質、常見代謝物和細胞生長培養基。 使用穩定同位素產生的化合物要么由標記同位素的百分比指定。