同位素示踪法

同位素示踪法

放射性同位素的应用-同位素示踪法

同位素示踪法（isotopic tracer method）是利用放射性核素作为示踪剂对研究对象进行标记的微量分析方法，示踪实验的创建者是Hevesy。Hevesy于1923年首先用天然放射性212Pb研究铅盐在豆科植物内的分布和转移。继后Jolit和Curie于1934年发现了人工放射性，以及其后生产方法的建立（加速器、反应堆等），为放射性同位素示踪法的更快的发展和广泛应用提供了基本的条件和有力的保障。

一、同位素示踪法基本原理和特点

同位素示踪所利用的放射性核素（或稳定性核素）及它们的化合物，与自然界存在的相应普通元素及其化合物之间的化学性质和生物学性质是相同的，只是具有不同的核物理性质。因此，就可以用同位素作为一种标记，制成含有同位素的标记化合物（如标记食物，药物和代谢物质等）代替相应的非标记化合物。利用放射性同位素不断地放出特征射线的核物理性质，就可以用核探测器随时追踪它在体内或体外的位置、数量及其转变等，稳定性同位素虽然不释放射线，但可以利用它与普通相应同位素的质量之差，通过质谱仪，气相层析仪，核磁共振等质量分析仪器来测定。放射性同位素和稳定性同位素都可作为示踪剂（tracer），但是，稳定性同位素作为示踪剂其灵敏度较低，可获得的种类少，价格较昂贵，其应用范围受到限制；而用放射性同位素作为示踪剂不仅灵敏度，测量方法简便易行，能准确地定量，准确地定位及符合所研究对象的生理条件等特点：

1.灵敏度高

放射性示踪法可测到10-14－10-18克水平，即可以从1015个非放射性原子中检出一个放射性原子。它比目前较敏感的重量分析天平要敏感108-107倍，而迄今最准确的化学分析法很难测定到10-12克水平。

2.方法简便

放射性测定不受其它非放射性物质的干扰，可以省略许多复杂的物质分离步骤，体内示踪时，可以利用某些放射性同位素释放出穿透力强的r射线，在体外测量而获得结果，这就大大简化了实验过程，做到非破坏性分析，随着液体闪烁计数的发展，14C和3H等发射软β射线的放射性同位素在医学及生物学实验中得到越来越广泛的应用。

3.定位定量准确

放射性同位素示踪法能准确定量地测定代谢物质的转移和转变,与某些形态学技术相结合（如病理组织切片技术，电子显微镜技术等），可以确定放射性示踪剂在组织器官中的定量分布，并且对组织器官的定位准确度可达细胞水平、亚细胞水平乃至分子水平。

4.符合生理条件

在放射性同位素实验中，所引用的放射性标记化合物的化学量是极微量的，它对体内原有的相应物质的重量改变是微不足道的，体内生理过程仍保持正常的平衡状态，获得的分析结果符合生理条件，更能反映客观存在的事物本质。放射性同位素示踪法的优点如上所述，但也存在一些缺陷，如从事放射性同位素工作的人员要受一定的专门训练，要具备相应的安全防护措施和条件，在目前个别元素（如氧、氮等）还没有合适的放射性同位素等等。在作示踪实验时，还必须注意到示踪剂的同位素效应和放射效应问题。所谓同位素效应是指放射性同位素（或是稳定性同位素）

与相应的普通元素之间存在着化学性质上的微小差异所引起的个别性质上的明显区别，对于轻元素而言，同位素效应比较严重。因为同位素之间的质量判别是倍增的，如3H质量是1H的三倍，2H是1H的两倍，当用氚水（3H2O）作示踪剂时，它在普通H2O中的含量不能过大，否则会使水的物理常数、对细胞膜的渗透及细胞质粘性等都会发生改变。但在一般的示踪实验中，由同位素效应引起的误差，常在实验误差内，可忽略不计。放射性同位素释放的射线利于追踪测量，但射线对生物体的作用达到一定剂量时，会改变机体的生理状态，这就是放射性同位素的辐射效应，因此放射性同位素的用量应小于安全剂量，严格控制在生物机体所能允许的范围之内，以免实验对象受辐射损伤，而得错误的结果。

二、示踪实验的设计原则

设计一个放射性同位素的示踪实验应从实验的目的性，实验所具备的条件和对放射性的防护水平三方面着手考虑。原则上必须从两个主要方面来设计放射性示踪实验：一是必须寻求有效的、可重复的测定放射性强度的条件，二是必须选择一个合适的比活度λqδ（单位是原子／时间／分子，dpm／mol或ci／mol）。其中，λ＝-dＮ’dt／Ｎ’为该处放射性原子核的衰变常数。q＝Ｎ’／n’，表示n’个该化学形式分子为Ｎ’个放射性原子所标记。δ＝n’／n表示放射性标记的分子数n’与总分子数（标记的加未标记的）n之比。采用放射性同位素示踪技术来实现所研究课题预期目的全部或一部分，一般须经过实验准备阶段，实验阶段和放射性废物处理三个步骤。

1.为什么同位素具有放射性

如果两个原子质子数目相同，但中子数目不同，则他们仍有相同的原子序，在周期表是同一位置的元素，所以两者就叫同位素。有放射性的同位素称为“放射性同位素”,没有放射性的则称为“稳定同位素”，并不是所有同位素都具有放射性。

自19世纪末发现了放射性以后，到20世纪初，人们发现的放射性元素已有30多种，而且证明，有些放射性元素虽然放射性显著不同，但化学性质却完全一样。

1910年英国化学家F.索迪提出了一个假说，化学元素存在着相对原子质量和放射性不同而其他物理化学性质相同的变种，这些变种应处于周期表的同一位置上，称做同位素。

不久，就从不同放射性元素得到一种铅的相对原子质量是206.08，另一种则是208。1897年英国物理学家W.汤姆逊发现了电子，1912年他改进了测电子的仪器，利用磁场作用，制成了一种磁分离器（质谱仪的前身）。当他用氖气进行测定时，无论氖怎样提纯，在屏上得到的却是两条抛物线，一条代表质量为20的氖，另一条则代表质量为22的氖。这就是第一次发现的稳定同位素，即无放射性的同位素。当F.W. 阿斯顿制成第一台质谱仪后，进一步证明，氖确实具有原子质量不同的两种同位素，并从其他70多种元素中发现了200多种同位素。到目前为止，己发现的元素有109种，只有20种元素未发现稳定的同位素，但所有的元素都有放射性同位素。大多数的天然元素都是由几种同位素组成的混合物，稳定同位素约300多种，而放射性同位素竟达1500种以上。

1932年提出原子核的中子一质子理论以后，才进一步弄清，同位素就是一种元素存在着质子数相同而中子数不同的几种原子。由于质子数相同，所以它们的核电荷和核外电子数都是相同的（质子数=核电荷数=核外电子数），并具有相同电子层结构。因此，同位素的化学性质是相同的，但由于它们的中子数不同，这就造成了各原子质量会有所不同，涉及原子核的某些物理性质（如

放射性等），也有所不同。一般来说，质子数为偶数的元素，可有较多的稳定同位素，而且通常不少于3个，而质子数为奇数的元素，一般只有一个稳定核素，其稳定同位素从不会多于两个，这是由核子的结合能所决定的。

同位素的发现，使人们对原子结构的认识更深一步。这不仅使元素概念有了新的含义，而且使相对原子质量的基准也发生了重大的变革，再一次证明了决定元素化学性质的是质子数（核电荷数），而不是原子质量数。

2.放射性同位素的特点

放射性同位素（radioisotope）是不稳定的，它会“变”。放射性同位素的原子核很不稳定，会不间断地、自发地放射出射线，直至变成另一种稳定同位素，这就是所谓“核衰变”。放射性同位素在进行核衰变的时候，可放射出α射线、β射线、γ射线和电子俘获等，但是放射性同位素在进行核衰变的时候并不一定能同时放射出这几种射线。核衰变的速度不受温度、压力、电磁场等外界条件的影响，也不受元素所处状态的影响，只和时间有关。放射性同位素衰变的快慢，通常用“半衰期”来表示。半衰期（half-life）即一定数量放射性同位素原子数目减少到其初始值一半时所需要的时间。如P(磷)－32的半衰期是14.3天，就是说，假使原来有100万个P(磷)－32 原子，经过14.3天后，只剩下50万个了。半衰期越长，说明衰变得越慢，半衰期越短，说明衰变得越快。半衰期是放射性同位素的一特征常数，不同的放射性同位素有不同的半衰期，衰变的时候放射出射线的种类和数量也不同。